無位置傳感器無刷直流電機換向相位實時校正系統及方法與流程

本發明屬于無刷直流電機控制的
技術領域：
，尤其涉及一種無位置傳感器無刷直流電機換向相位實時校正系統及方法。
背景技術：
：永磁無刷電機具有結構簡單，功率密度大，便于控制等優點，是高速電機設計的首選，其控制系統多采用位置傳感器來檢測轉子位置，但是位置傳感器的存在降低電機可靠性，增加電機體積和成本，限制了該類電機的應用場合。近年來，隨著無位置傳感器技術的發展，無位置傳感器高速永磁無刷電機應用逐漸增多，無位置傳感器無刷直流電機的轉子位置檢測方法有多種，如基于反電勢的檢測法、磁鏈估計法和續流二極管電流檢測法等，其中，基于繞組反電動勢的方法最成熟、應用最廣泛。但是基于繞組反電勢的無位置傳感器控制電路中，一般需要端電壓采樣濾波電路，由于濾波延遲、元器件延遲等因素，當電機轉速變化時換向角延遲補償角度會發生變化，因此需要對繞組換相位置進行實時相位校正，否則會影響電機運行性能，但是該補償角受轉速、繞組電流、電感等參數影響，無法建立準確的數學模型，導致換向角補償偏差，甚至出現換向失敗等現象。關于無位置傳感器高速電機繞組換向相位校正技術是高速電機控制領域研究熱點之一，諸多學者在這方面進行了深入研究并提出了多種相位校正方法。宋飛等人在中國電機工程學報中發表了“校正無位置傳感器無刷直流電機位置信號相位的閉環控制策略”，該文獻利用非導通相續流電流作為反饋量進行無位置傳感器無刷直流電機位置信號相位校正，劉剛等人在電工技術學報中發表了“高速磁懸浮無刷直流電機無位置換相誤差閉環校正策略”，該文獻利用換相前后30度內的電流積分作為反饋參數進行無刷直流電機無位置換相誤差校正，但是上述兩種方法均忽略了換相時繞組電感的影響導通前后的端電壓差值進行換相相位反饋校正，而且忽略了負載電流變化時繞組阻抗壓降對繞組端電壓的影響。中國專利文獻CN104767435“基于中性點電壓的無傳感器無刷電機換相相位實時校正方法”克服了上述兩種方法存在的問題，通過采集計算換相點前后30度的虛擬中性點電壓差值，以確定當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，實現永磁無刷電機換相相位的實時校正，但是該方法存在無位置傳感器無刷直流電機低速時精度不夠的問題。技術實現要素：本發明為了解決上述問題，克服現有直流無刷電動機的換向相位校正的問題，提出了一種無位置傳感器無刷直流電機換向相位實時校正系統及方法。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種無位置傳感器無刷直流電機換向相位實時校正系統，包括無位置傳感器無刷直流電機、三相全橋驅動控制電路、位置檢測電路、分壓采樣電路和CPU控制模塊；所述無位置傳感器無刷直流電機與三相全橋驅動控制電路連接；所述三相全橋驅動控制電路驅動所述無位置傳感器無刷直流電機工作；所述位置檢測電路采集無位置傳感器無刷直流電機的端電壓；所述分壓采樣電路對無位置傳感器無刷直流電機的端電壓進行分壓處理，并且將分壓處理后的分壓信號傳輸至所述CPU控制模塊；所述CPU控制模塊選取分壓信號在各相繞組關斷期間的中間時刻的電壓值與三相橋式逆變電路直流母線電壓值的一半進行比較，根據其差值計算換向位置校正角，將換向位置校正角與換相位置角相加得到正確的換相相位角，通過換向相位的閉環PI調節，實現無位置傳感器無刷直流電機換向相位的校正。所述三相全橋驅動控制電路采用兩電平三相橋式逆變器，包括并聯的三相橋壁，每相橋臂包括兩個串聯的功率開關管，每個功率開關管并聯一個二極管。所述兩電平三相橋式逆變器的輸出端與所述無位置傳感器無刷直流電機本體連接；所述三相全橋驅動控制電路采用互補型PWM控制。所述無位置傳感器無刷直流電機包括定子和轉子，所述定子包括電樞繞組，所述定子的電樞繞組采用星形連接，所述定子的電樞繞組與所述三相全橋驅動控制電路驅動連接，所述轉子包括永磁體磁極。所述定子的各相電樞繞組與所述兩電平三相橋式逆變器中相應的橋臂連接。進一步的，所述定子的電樞繞組采用三角形連接或星形連接。所述位置檢測電路采用傳統的基于端電壓的無刷電機無位置傳感器位置檢測電路。所述分壓采樣電路采用電阻分壓原理，包括并聯的三相橋臂，每相橋臂包括兩個串聯的電阻。所述分壓采樣電路的各相橋臂分別與所述無位置傳感器無刷直流電機所述定子的各相電樞繞組連接，對無位置傳感器無刷直流電機的端電壓進行分壓處理。所述CPU控制模塊用于對采集到的關斷相分壓信號進行AD采樣轉換，將AD采樣轉換后的關斷相電壓與三相橋式逆變電路直流母線電壓的一半進行比較，根據其差值計算換向位置校正角，將換向位置校正角與在傳統反電勢無位置傳感器檢測電路得到的換相位置角相加得到正確的換相相位角，通過換向相位的閉環PI調節，實現無位置傳感器無刷直流電機換向相位的校正。基于上述系統的方法，具體步驟包括：(1)采集所述無位置傳感器無刷直流電機的所訴定子的各相電樞繞組的端電壓；(2)在所述定子的各相電樞繞組關斷期間的中間時刻tx對各相關斷相電壓Vt進行采樣；(3)判斷關斷相電壓Vt處于tx時刻電壓采樣值與三相橋式逆變電路直流母線電壓的一半Ud/2進行比較，根據其差值計算換向位置校正角△θ；(4)根據步驟(3)中計算出的換向校正角△θ，通過換向相位的閉環PI調節，實現無位置傳感器無刷直流電機換向相位的校正。(5)對每一換相時刻重復步驟(1)-(4)進行相位校正，實現無位置傳感器無刷直流電機換向相位的實時校正。所述步驟(1)中，所述無位置傳感器無刷直流電機采用三相全橋驅動方式，采用兩兩導通方式控制，述無位置傳感器永磁無刷直流電機在任意時刻均有所述定子的兩相電樞繞組導通，所述定子的另外一相電樞繞組處于懸空狀態，共有六種開關組合狀態；每隔1/6時刻換相一次，每次換相切換一個功率開關管，每一個功率開關管導通120°的電角度。所述步驟(1)中，在對所述無位置傳感器無刷直流電機的所訴定子的各相電樞繞組的端電壓進行采樣時，對其進行分壓處理。所述步驟(1)中，所述無位置傳感器無刷直流電機的所述定子的各相電樞繞組包括三種狀態：關斷相狀態，正向導通相狀態和反向導通相狀態。所述步驟(3)中判斷關斷相電壓Vt處于正向穿過Ud/2軸時換向的狀態包括，若Vt＝Ud/2，所述定子的當前相電樞繞組為正常換向；若Vt>Ud/2，所述定子的當前相電樞繞組為超前換向；若Vt<Ud/2，所述定子的當前相電樞繞組為滯后換向。所述步驟(3)中計算換向角偏差值的具體步驟包括：若所述定子的當前相電樞繞組為正常換向，則換相時刻為最佳時刻，換向位置校正角△θ為0；若所述定子的當前相電樞繞組為超前換向，則換向位置校正角△θ≈arcsin((2Vt-Ud)/2Ec)，式中，Ec表示相繞組反電勢幅值；若所述定子的當前相電樞繞組為滯后換向，則換向位置校正角△θ≈arcsin((Ud-2Vt)/2Ec)。所述步驟(4)的具體步驟為，將換向位置校正角△θ與在傳統反電勢無位置傳感器檢測電路得到的換相位置角相加得到正確的換相相位角θ，并且通過換相邏輯控制將正確的換相相位角θ傳輸至所述三相全橋驅動控制電路驅動，驅動所述無位置傳感器無刷直流電機正確換相。本發明的有益效果為：本發明在傳統反電勢無位置傳感器檢測電路基礎上，對采用互補型PWM控制的驅動電路增加一套繞組端電壓分壓檢測電路，在無刷電機每一導通狀態的中間時刻tx，采樣關斷相分壓檢測電路的相應輸出電壓，依據該電壓的高低可判斷出此導通狀態換向相位是超前還是滯后，以此作為換向相位修正的反饋信號，通過PI調節參數完成換向相位的閉環調節，從而保證無刷電機在任意轉速和負載狀態下實現最佳換向，實現無刷電機的無位置傳感器的穩定運行。附圖說明圖1是三相全橋驅動控制電路無刷直流電機電路圖；圖2是傳統基于端電壓的無位置傳感器位置檢測電路；圖3是關斷相繞組端電壓分壓采樣電路；圖4是正常換相情況下A相端電壓采樣信號；圖5是超前換相情況下A相端電壓采樣信號；圖6是滯后換相情況下A相端電壓采樣信號；圖7是本發明的整體硬件連接圖；圖8是無位置傳感器無刷直流電機換相相位的實時校正方法的流程圖。具體實施方式：下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。一種無位置傳感器無刷直流電機換向相位實時校正系統，包括無位置傳感器無刷直流電機、三相全橋驅動控制電路、位置檢測電路、分壓采樣電路和CPU控制模塊；所述無位置傳感器無刷直流電機與三相全橋驅動控制電路連接；所述三相全橋驅動控制電路驅動所述無位置傳感器無刷直流電機工作；所述位置檢測電路采集無位置傳感器無刷直流電機的端電壓；所述分壓采樣電路對無位置傳感器無刷直流電機的端電壓進行分壓處理，并且將分壓處理后的分壓信號傳輸至所述CPU控制模塊；所述CPU控制模塊選取分壓信號在各相繞組關斷期間的中間時刻的電壓值與三相橋式逆變電路直流母線電壓值的一半進行比較，根據其差值計算換向位置校正角，將換向位置校正角與換相位置角相加得到正確的換相相位角，通過換向相位的閉環PI調節，實現無位置傳感器無刷直流電機換向相位的校正。所述三相全橋驅動控制電路采用兩電平三相橋式逆變器，包括并聯的三相橋壁，每相橋臂包括兩個串聯的功率開關管，每個功率開關管并聯一個二極管。所述兩電平三相橋式逆變器的輸出端與所述無位置傳感器無刷直流電機本體連接。所述無位置傳感器無刷直流電機本體結構上與永磁同步電機相似，包括定子和轉子，所述定子包括電樞繞組，所述定子的電樞繞組采用星形連接或三角形連接，所述定子的電樞繞組與所述三相全橋驅動控制電路驅動連接，所述轉子包括永磁體磁極。所述定子的各相電樞繞組與所述兩電平三相橋式逆變器中相應的橋臂連接。所述位置檢測電路采用傳統的基于端電壓的無刷電機無位置傳感器位置檢測電路。所述分壓采樣電路采用電阻分壓原理，包括并聯的三相橋臂，每相橋臂包括兩個串聯的電阻。所述分壓采樣電路的各相橋臂分別與所述無位置傳感器無刷直流電機的所述定子的各相電樞繞組連接，對無位置傳感器無刷直流電機的端電壓進行分壓處理。所述CPU控制模塊用于對采集到的關斷相分壓信號進行AD采樣轉換，將AD采樣轉換后的關斷相電壓與三相橋式逆變電路直流母線電壓的一半進行比較，根據其差值計算換向位置校正角，將換向位置校正角與在傳統反電勢無位置傳感器檢測電路得到的換相位置角相加得到正確的換相相位角，通過換向相位的閉環PI調節，實現無位置傳感器無刷直流電機換向相位的校正。基于上述系統的方法，具體步驟包括：(1)采集所述無位置傳感器無刷直流電機的所訴定子的各相電樞繞組的端電壓；(2)在所述定子的各相電樞繞組關斷期間的中間時刻tx對各相關斷相電壓Vt進行采樣；(3)判斷關斷相電壓Vt處于tx時刻電壓采樣值與三相橋式逆變電路直流母線電壓的一半Ud/2進行比較，根據其差值計算換向位置校正角△θ；(4)根據步驟(3)中計算出的換向校正角△θ，通過換向相位的閉環PI調節，實現無位置傳感器無刷直流電機換向相位的校正。(5)對每一換相時刻重復步驟(1)-(4)進行相位校正，實現無位置傳感器無刷直流電機換向相位的實時校正。所述步驟(1)中，所述無位置傳感器無刷直流電機采用三相全橋驅動方式，采用兩兩導通方式控制，述無位置傳感器永磁無刷直流電機在任意時刻均有所述定子的兩相電樞繞組導通，所述定子的另外一相電樞繞組處于懸空狀態，共有六種開關組合狀態；每隔60°電角度換相一次，每次換相切換一個功率開關管，每一個功率開關管導通120°的電角度。所述步驟(1)中，在對所述無位置傳感器無刷直流電機的所訴定子的各相電樞繞組的端電壓進行采樣時，對其進行分壓處理。所述步驟(1)中，所述無位置傳感器無刷直流電機的所述定子的各相電樞繞組包括三種狀態：關斷相狀態，正向導通相狀態和反向導通相狀態。所述步驟(3)中判斷關斷相電壓Vt處于正向穿過Ud/2軸時換向的狀態包括，若Vt＝Ud/2，所述定子的當前相電樞繞組為正常換向；若Vt>Ud/2，所述定子的當前相電樞繞組為超前換向；若Vt<Ud/2，所述定子的當前相電樞繞組為滯后換向。所述步驟(3)中計算換向角偏差值的具體步驟包括：若所述定子的當前相電樞繞組為正常換向，則換相時刻為最佳時刻，換向位置校正角△θ為0；若所述定子的當前相電樞繞組為超前換向，則換向位置校正角△θ≈arcsin((2Vt-Ud)/2Ec)，式中，Ec表示相反電勢幅值；若所述定子的當前相電樞繞組為滯后換向，則換向位置校正角△θ≈arcsin((Ud-2Vt)/2Ec)。所述步驟(4)的具體步驟為，將換向位置校正角△θ與在傳統反電勢無位置傳感器檢測電路得到的換相位置角相加得到正確的換相相位角θ，并且通過換相邏輯控制將正確的換相相位角θ傳輸至所述三相全橋驅動控制電路驅動，驅動所述無位置傳感器無刷直流電機正確換相。實施例1：在本實施例中，使用內嵌式永磁無刷直流電動機進行說明。無刷直流電機，BmshlessDCMotor，簡稱BLDCM。以A相端電壓的檢測為例來說明無位置傳感器直流無刷電機的換向相位校正方法。如圖1所示，為三相全橋驅動控制電路無刷直流電機電路圖，三相全橋驅動無刷直流電機的定子的電樞繞組采用星形連接結構。所述三相全橋驅動控制電路采用兩兩導通方式控制，兩兩導通方式是指無刷直流電機在任意時刻均有兩相繞組導通，另外一相繞組處于懸空狀態，則功率開關管VT1～VT6共有六種開關組合狀態。每隔60°電角度換相一次，每次換相切換一個功率開關管，每一個開關管導通120°的電角度。以圖1為例，在一個周期360°電度角空間內，各功率開關管當按VT1VT2～VT2VT3～VT3VT4～VT4VT5～VT5VT6～VT6VT1組合依次輪流導通。如圖2所示，為傳統的基于端電壓的無刷直流電機的無位置傳感器位置檢測電路。如附圖2所示，分別取三相繞組端電壓，然后采用電阻分壓RC濾波電路，然后將三相電路進行星形連接以此獲得電機繞組模擬中性點Un，電機關斷相端電壓分壓濾波后輸出電壓Vx與模擬中性點電壓Un比較得轉子位置信號，此位置信號跳變沿再延時(30°-α)電角度即為該相繞組換向時刻，其中α為濾波延遲角。由于無刷電機繞組端電壓過大，因此采樣時需對其進行分壓處理，采樣電路如圖3所示。表1三相換相校正電路采樣時刻采樣時刻T1(相電勢正向過0)采樣時刻T2A相AC-BC跳邊沿(即BC導通中間時刻)BC-BA跳邊沿(即BA導通中間時刻)B相BA-CA跳邊沿(即CA導通中間時刻)CA-CB跳邊沿(即CB導通中間時刻)C相CB-AB跳邊沿(即AB導通中間時刻)AB-AC跳邊沿(即AC導通中間時刻)如表1所示，為三相繞組關斷時，端電壓采樣時刻的確定方法，關斷相電壓采樣值記為Vt，以A相端電壓分壓輸出波形為例，在A相繞組關斷期間的中間時刻t，對關斷相電壓Va采樣，若A相感生電勢處于正向穿過ud/2軸，則有：若Va＝Ud/2，則換相時刻為最佳時刻，其仿真波形如圖4所示，兩個采樣時間中間時刻電壓為6V，其對稱的電壓下降斜坡邊的采樣中間時刻電壓也為6V；若Va＞Ud/2，則為超前換相，其仿真波形如圖5所示，兩個采樣時間中間時刻電壓為10.72V，且該采樣時刻A相繞組端電壓與換向位置校正角△θ滿足關系式：△θ≈arcsin((2Va-Ud)/2Ec)；式中，Ec表示相反電勢幅值，Va表示AD采樣轉換后A相的關斷相電壓，Ud表示三相橋式逆變電路直流母線電壓；若Va＜Ud/2，則為滯后換相，其仿真波形如圖6所示,兩個采樣時間中間時刻電壓為3.6V，換向位置校正角△θ≈arcsin((Ud-2Va)/2Ec)式中，Ec表示相反電勢幅值Va表示AD采樣轉換后A相的關斷相電壓，Ud表示三相橋式逆變電路直流母線電壓。將此換向位置校正角△θ與換相位置角相加后作為正確換相位置角輸入控制器，以此完成對換相相位的校正。B相與C相的換向相位校正方法與A相同理。圖7為本發明的整體硬件連接圖。所述位置檢測電路采集無位置傳感器無刷直流電機的端電壓，所述分壓采樣電路對無位置傳感器無刷直流電機的端電壓進行分壓處理，并且將分壓處理后的關斷相分壓信號傳輸至所述CPU控制模塊，所述CPU控制模塊用于對采集到的關斷相分壓信號進行AD采樣轉換，將AD采樣轉換后的關斷相電壓與三相橋式逆變電路直流母線電壓的一半進行比較，根據其差值計算換向位置校正角，將換向位置校正角與在傳統反電勢無位置傳感器檢測電路得到的換相位置角相加得到正確的換相相位角，得到換相延遲校正信號，通過換向相位的閉環PI調節，即CPU控制模塊的換相邏輯與控制，實現無位置傳感器無刷直流電機換向相位的實時校正。其控制流程如圖8所示,通過對關斷相電壓進行分壓采樣并與Ud/2比較，并以此比較差值計算出換向相位校正角△θ，將換向相位校正角△θ與在傳統反電勢無位置傳感器檢測電路得到的換相位置角相加得到正確的換相相位角θ，并且通過換相邏輯控制將正確的換相相位角θ傳輸至所述三相全橋驅動控制電路驅動，驅動所述無位置傳感器無刷直流電機正確換相。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。當前第1頁1 2 3