基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁無(wú)刷電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率密度大，便于控制等優(yōu)點(diǎn)，是高速電機(jī)設(shè)計(jì)的首 選，其控制系統(tǒng)多采用位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，但是位置傳感器的存在降低電機(jī)可靠 性，增加電機(jī)體積和成本，限制了該類電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合。近年來(lái)，隨著無(wú)位置傳感器技術(shù)的 發(fā)展，無(wú)位置傳感器高速永磁無(wú)刷電機(jī)應(yīng)用逐漸增多，其中，基于繞組反電動(dòng)勢(shì)的方法最成 熟、最常用。
[0003] 反電動(dòng)勢(shì)方法的本質(zhì)是利用不導(dǎo)通相繞組感生電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)作為換相位置參考 點(diǎn)。為避免高頻干擾該方法電路中需要濾波環(huán)節(jié)，由于RC濾波電路、信號(hào)采樣和器件參數(shù) 漂移引起一定相位延遲，導(dǎo)致繞組的換向相位延遲，尤其是高速電機(jī)在高頻下?lián)Q相相位延 遲誤差更甚。因此需要對(duì)繞組換向位置進(jìn)行實(shí)時(shí)相位校正，否則會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行性能。關(guān) 于無(wú)位置傳感器高速電機(jī)繞組換向相位校正技術(shù)是高速電機(jī)控制領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一，諸多 學(xué)者在該方面進(jìn)行了深入研究并提出了多種相位校正方法。
[0004] 文獻(xiàn)[1]利用非導(dǎo)通相續(xù)流電流作為反饋量進(jìn)行校正，文獻(xiàn)[2]利用換相前后30 度內(nèi)的電流積分量作為反饋參數(shù)進(jìn)行校正，上述兩文獻(xiàn)均忽略換相時(shí)繞組電感的影響，輕 載下可較好實(shí)現(xiàn)相位校正，重載時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。文獻(xiàn)[3]利用重載續(xù)流過(guò)程來(lái)進(jìn)行相 位調(diào)整，調(diào)整對(duì)象僅是由于負(fù)載變化對(duì)相位的影響，不同角頻率對(duì)換相相位的影響并未提 及。文獻(xiàn)[4]利用120°導(dǎo)通前后的端電壓差值進(jìn)行換向相位反饋校正，但忽略了負(fù)載電流 變化時(shí)繞組阻抗壓降對(duì)繞組端電壓的影響。
[0005] 其中，參考文獻(xiàn)為：
[0006] [1]宋飛，周波，吳小婿.校正無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)位置信號(hào)相位的閉環(huán)控 制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009, 29 (12) : 52-56.
[0007] 凹劉剛，崔臣君，韓邦成，鄭世強(qiáng)，王坤.高速磁懸浮無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置換相誤 差閉環(huán)校正策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014, 29巧）：100-109.
[000引 [3]楊明，劉杰，徐殿國(guó).重載條件下無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器驅(qū)動(dòng)換相續(xù)流影 響的分析及其補(bǔ)償[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，，2013, 33(30) : 106-112.
[0009] [4]吳小婿，周波，宋飛.基于端電壓對(duì)稱的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)位置信號(hào) 相位校正[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009, 24 (4)，54-59。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相 相位實(shí)時(shí)校正方法，該方法建立無(wú)位置傳感器相位校正系統(tǒng)，消除換相誤差，使得電機(jī)在最 佳換相點(diǎn)進(jìn)行換相。
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0012] 一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校正方法，包括W下步 驟：
[0013] (1)構(gòu)建無(wú)刷電機(jī)端電壓數(shù)學(xué)統(tǒng)一模型；
[0014] (2)對(duì)無(wú)刷電機(jī)相繞組工作的換流過(guò)程與導(dǎo)通過(guò)程的中性點(diǎn)電壓進(jìn)行分析，利用 正相換相點(diǎn)前后30°虛擬中性點(diǎn)的電壓差值A(chǔ)U,，作為永磁無(wú)刷電機(jī)換向相位校正系統(tǒng)的 相位誤差反饋參數(shù)；
[00巧]做建立BLDCM換向相位自動(dòng)校正控制系統(tǒng)，增加基于中性點(diǎn)電壓的繞組換向相 位自動(dòng)校正環(huán)節(jié)，通過(guò)適當(dāng)?shù)腜I調(diào)節(jié)器計(jì)算出換向位置校正角A0，作為過(guò)零點(diǎn)換向位置 角的反饋調(diào)節(jié)參數(shù)，對(duì)繞組換相位置角進(jìn)行自動(dòng)校正。
[0016] 所述步驟（1)的具體方法為；Ud表示直流母線電壓；R，L分別表示電機(jī)相繞組電阻 與解禪后自感；e。，種，e。表示=相繞組相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，假設(shè)相繞組感生電動(dòng)勢(shì)呈正弦變化； U。，&分別表示無(wú)刷電機(jī)實(shí)際中性點(diǎn)電壓與虛擬中性點(diǎn)電壓；U。，Ub，U。表示S相對(duì)地端電 壓；i。，ib，i。表示S相繞組電流，則無(wú)刷電機(jī)端電壓數(shù)學(xué)模型如下：
[0017]數(shù)式（1)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校正方法，其特征是：包括 以下步驟： (1) 構(gòu)建無(wú)刷電機(jī)端電壓數(shù)學(xué)統(tǒng)一模型； (2) 對(duì)無(wú)刷電機(jī)相繞組工作的換流過(guò)程與導(dǎo)通過(guò)程的中性點(diǎn)電壓進(jìn)行分析，利用正相 換相點(diǎn)前后30°虛擬中性點(diǎn)的電壓差值A(chǔ)Ux,作為永磁無(wú)刷電機(jī)換向相位校正系統(tǒng)的相位 誤差反饋參數(shù)； (3) 建立BLDCM換向相位自動(dòng)校正控制系統(tǒng)，增加基于中性點(diǎn)電壓的繞組換向相位自 動(dòng)校正環(huán)節(jié)，通過(guò)適當(dāng)?shù)腜I調(diào)節(jié)器計(jì)算出換向位置校正角Δ 〇,作為過(guò)零點(diǎn)換向位置角 σ #的反饋調(diào)節(jié)參數(shù)，對(duì)繞組換相位置角進(jìn)行自動(dòng)校正。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校正 方法，其特征是：所述步驟（1)的具體方法為：U d表示直流母線電壓；R，L分別表示電機(jī)相 繞組電阻與解耦后自感；ea，eb，e。表示三相繞組相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，假設(shè)相繞組感生電動(dòng)勢(shì)呈正 弦變化；U n，Ux分別表示無(wú)刷電機(jī)實(shí)際中性點(diǎn)電壓與虛擬中性點(diǎn)電壓；U a，Ub，U。表示三相對(duì) 地端電壓；ia，ib，i。表示三相繞組電流，則無(wú)刷電機(jī)端電壓數(shù)學(xué)模型如下： 數(shù)式（1)
對(duì)于三相正弦感生電動(dòng)勢(shì)，有ea+eb+e。= 0,由數(shù)式（1)~數(shù)式（3)得 數(shù)式（4) Ux= Un= (U a+Ub+Uc)/3。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校正 方法，其特征是：所述步驟（1)中，當(dāng)無(wú)刷電機(jī)工作于兩相導(dǎo)通的三相六狀態(tài)工作方式時(shí)， 無(wú)刷電機(jī)相繞組工作狀態(tài)分為換流過(guò)程與導(dǎo)通過(guò)程兩種狀態(tài)，為建立統(tǒng)一模型不妨假設(shè)：X 表示繞組端電壓的電平變化函數(shù)，X = 1代表繞組上橋VT開(kāi)通或者經(jīng)過(guò)上橋的VD續(xù)流；X =〇代表繞組下橋VT開(kāi)通或者經(jīng)過(guò)下橋的VD續(xù)流，設(shè)Y表示繞組電流方向函數(shù)，Y = 1代 表繞組中實(shí)際電流與參考方向相同，Y = -1代表與參考方向相反，MO為關(guān)斷相，Ml為正向 導(dǎo)通相，M2為反向?qū)ㄏ唷?br>4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校正 方法，其特征是：所述步驟（2)中，換流過(guò)程分析為：換流過(guò)程中，由于三相繞組中均有繞組 電流流過(guò)，且繞組端電壓都被鉗位，其端電壓電壓方程為數(shù)式（5)、數(shù)式（6)、數(shù)式（7): 數(shù)式（5) Umq =U dXMQ-VDYM。 數(shù)式（6) Umi =U dXM1-VDYm 數(shù)式（7) Um2 =U dXM2-VDYM2 式（5)，式(6)，式（7)中Vd代表調(diào)制管或者續(xù)流管管壓降，將上述表達(dá)式代入數(shù)式（4) 中得數(shù)式（8): 數(shù)式（8
對(duì)于雙極性調(diào)制永磁無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，每一橋臂總有Xm+Xm2= 1 ;對(duì)于正相導(dǎo)通相 Ym= 1，反向?qū)ㄏ郰m2=-1 ;代入式⑶，得數(shù)式（9): 數(shù)式（9
數(shù)式（9)表明，在無(wú)刷電機(jī)換相過(guò)程中，虛擬中性點(diǎn)電壓與關(guān)斷相繞組的續(xù)流方向有 關(guān)，當(dāng)電機(jī)處于正相關(guān)斷，Ymq= 1，Xmq= 〇, Ux= U d/3-VD/3 ;當(dāng)電機(jī)處于反向關(guān)斷時(shí)，Ymq =_1，Xmo= 1，U x= 2U d/3+VD/3 ; 由此可見(jiàn)，在相繞組換流過(guò)程中，虛擬中性點(diǎn)電壓不受調(diào)制管開(kāi)通與關(guān)斷的影響，即與 PWM調(diào)制占空比無(wú)關(guān)。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校正 方法，其特征是：所述步驟（2)中，導(dǎo)通過(guò)程分析方法為： 當(dāng)電機(jī)進(jìn)入兩相導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，其相繞組端電壓方程為數(shù)式（10)、數(shù)式（11):
數(shù)式（10) 數(shù)式（11) 由數(shù)式（10)、（11)、iM1+iM2= 〇和e a+eb+e。= 0可求得實(shí)際中性點(diǎn)電壓為數(shù)式（12): 數(shù)式（12)
由于Xm+Xm2= 1，Ym= 1，Ym2= -1仍然成立，代入數(shù)式（12)，可得數(shù)式（13) 數(shù)式（13:
數(shù)式（13)表明，雙極性調(diào)制方式下，電機(jī)兩相導(dǎo)通過(guò)程中，虛擬中性點(diǎn)電壓只與直流 母線電壓和關(guān)斷相繞組感生電動(dòng)勢(shì)有關(guān)，與PWM調(diào)制占空比無(wú)關(guān)。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校正 方法，其特征是：所述步驟（2)中，假設(shè)三相繞組感生電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為e a= K。ω sin ( Θ )，eb =1(。〇5^11(0-2 31/3)，6。=1(。〇5^11(0+2 31/3)，其中1(。為繞組感生電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，〇表示 電角頻率，Θ代表轉(zhuǎn)子磁極電角度，繞組換流過(guò)程持續(xù)電角度為α，實(shí)際換相時(shí)刻相對(duì)于 正確換相時(shí)刻的偏差為β，在[ π/2+β，5 π/6+β ]時(shí)，電機(jī)處于A+C-的導(dǎo)通狀態(tài)，Θ = 5 π /6+ β時(shí)刻為電機(jī)從A+C-到B+C-的換相點(diǎn)，[5 π /6+ β，7 π /6+ β ]時(shí)，電機(jī)處于B+C-的 導(dǎo)通狀態(tài)，其虛擬中性點(diǎn)電壓解析表達(dá)式為數(shù)式（14): 數(shù)式（14)
根據(jù)數(shù)式（14)，在5 π/6+β?lián)Q相時(shí)刻之前30°仏的瞬時(shí)值為數(shù)式（15): 數(shù)式（15:
而在該換相時(shí)刻^后30° 11的_時(shí)倌為數(shù)式（16): 數(shù)式（16)
則換相前后30°虛擬中性點(diǎn)電壓差值： 數(shù)式（17)
數(shù)式（17)表明，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，正相換相點(diǎn)前后30°虛擬中性點(diǎn)電壓差值八1與 β有關(guān)。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校正 方法，其特征是：所述步驟（2)中，正確換相時(shí)，β =0,換相前后30°為關(guān)斷相繞組感生電 動(dòng)勢(shì)eM(l的過(guò)零點(diǎn)，即AUx=O; 超前換相時(shí)，β〈〇,相比于正確換相，繞組換相超前觸發(fā)，關(guān)斷相感生電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)滯 后，導(dǎo)致正相換相前30°的eM(l偏低、換相后30°的eM(l偏高，虛擬中性點(diǎn)電壓偏差Δυ χ〈0， 且隨著I β I增大，I Δux I變大； 延遲換相時(shí)，β>0,相比于正確換相，此時(shí)關(guān)斷相感生電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)超前，導(dǎo)致正相 換相前30。的eMQ偏高、換相后30。的eMQ偏低，AU χ>0,且隨著I β I增大，I AUxI變大。
8. 如權(quán)利要求1所述的一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校 正方法，其特征是：所述步驟（2)中，對(duì)于雙極性調(diào)制下永磁無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在正相 換相點(diǎn)前后30°虛擬中性點(diǎn)的電壓差值A(chǔ)U x與換相相位偏差角β滿足關(guān)系式AUx = Κ。ω sin ( β )，它們的極性同步變化且幅值近似呈正比關(guān)系，利用Λ Ux作為永磁無(wú)刷電機(jī)換 向相位校正系統(tǒng)的相位誤差反饋參數(shù)，建立無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機(jī)的換相相位自動(dòng)校正控 制模型，實(shí)現(xiàn)該類電機(jī)換相相位的自動(dòng)校正。
9. 如權(quán)利要求1所述的一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校正 方法，其特征是：所述步驟（3)中，無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)除速度環(huán)反饋控制和電流環(huán)反饋 控制兩部分以外，增加了基于中性點(diǎn)電壓的繞組換向相位自動(dòng)校正環(huán)節(jié)，通過(guò)適當(dāng)?shù)腜I調(diào) 節(jié)器計(jì)算出換向位置校正角△ σ，作為過(guò)零點(diǎn)換向位置角〇?的反饋調(diào)節(jié)參數(shù)，對(duì)繞組換相 位置角進(jìn)行自動(dòng)校正，以保證永磁無(wú)刷電機(jī)繞組始終以最佳換相位置進(jìn)行準(zhǔn)確換向，實(shí)現(xiàn) 無(wú)刷電機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于中性點(diǎn)電壓的無(wú)傳感器永磁無(wú)刷電機(jī)換相相位實(shí)時(shí)校正方法，使用本方法能夠有效減少無(wú)位置傳感器永磁無(wú)刷電機(jī)的換相位置誤差，實(shí)現(xiàn)最佳位置換相。本方法通過(guò)采集計(jì)算換相點(diǎn)前后30度的虛擬中性點(diǎn)電壓差值，以確定當(dāng)前換相存在的相位誤差，并以此電壓差值作為換相誤差反饋量，實(shí)現(xiàn)永磁無(wú)刷電機(jī)換相相位的實(shí)時(shí)校正。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明在輕載與重載條件下，都能夠有效實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器永磁無(wú)刷電機(jī)的換相相位校正。
【IPC分類】H02P6-18
【公開(kāi)號(hào)】CN104767435
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510207731
【發(fā)明人】王強(qiáng), 王興華, 雷艷華, 吉方, 李光友
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年4月27日