一種直流無刷電機無位置傳感器控制系統換相控制方法與流程
本發明涉及的是一種使直流無刷電機無位置傳感器控制系統精確換相的方法。
背景技術：
直流無刷電機既具有直流電機很好的調速性能、運行穩定、控制方法簡單，又具有交流伺服系統無電刷、體積小、可以在較為惡劣的環境下穩定運行等優點。因此在航天、電動車、家電等領域有著廣泛的應用。直流無刷電機控制系統必須要檢測出轉子的位置并進行準確的換相，在這個過程中位置傳感器是必要的，常見的直流無刷電動機是依靠霍爾式位置傳感器來檢測轉子位置的，但是這樣的磁敏式元件及其容易受到外界環境的干擾，這就限制直流無刷電機控制系統的應用范圍。在這樣的背景下，無位置傳感器控制系統的理論被提出了。在直流無刷電機無位置傳感器控制系統中，并不是不需要位置信息，而是位置信息不再由位置傳感器來提供，而是由可以繼承位置信息的信號來提供，如反電動勢，續流電流等。但是在獲取反電動勢的過程中，由于濾波器產生的滯后、pwm死區時間、以及adc的量化誤差等，會使無位置傳感器控制系統換相并不準確，限制了直流無刷電機在高精度場合的應用。
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，但是這種方法在表達式中含有阻抗參數，而阻抗參數在電機實際的運行過程中會發生變化，這會導致測量的角度并不準確。申請號為200710075424.4的專利文件中，公開了“一種無位置傳感器的無刷直流電機的相位修正控制方法”；但是在補償濾波的延遲時也是需要濾波器阻抗參數，而且只能補償濾波所帶來的滯后。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種可以不加成本的使直流無刷電機精確地換相，能提高電機的運行效率，簡單易于實現的直流無刷電機無位置傳感器控制系統換相控制方法。
本發明的目的是這樣實現的：
直流無刷電機與三相全控橋逆變電路連接，三相全控橋逆變電路驅動無位置傳感器控制的直流無刷電機工作，通過重虛構電機中性點獲取直流無刷電機的相電壓，通過位置檢測模塊采集直流無刷電機的相電壓，對相電壓進行濾波，得到過零點，獲取直流無刷電機轉子的位置信息，利用位置補償模塊計算出當前轉子換相位置與最佳換相位置的角度差，在下一個周期進行角度補償。
所述利用位置補償模塊計算出當前轉子換相位置與最佳換相位置的角度差具體包括：得到的導通相的相電壓信號，計算前后60°的積分差得到滯后的角度θ，預測下一周期的換相信號，提前導通θ角度換相。
a相導通相相電壓前后60°積分差計算出的滯后角度表達式為：
本發明提供了一種新型的直流無刷電機無位置傳感器控制系統精確的換相方法。本發明的技術方案特點為：在獲取電機參數，并重新構造電機的虛擬中性點的前提下，檢測電機某一導通相的相電壓，計算導通相前后60°相電壓的積分差，這個積分差是一個與θ的平方成正比的值，由此就可以得出滯后的角度，在下一個換相周期，提前這個角度換相就可以達到精確換相的目的。此方法需要虛構中性點，但是對于無位置傳感器控制系統來說，本身就需要重新構造中性點來獲取反電動勢信號，也就是說在無位置傳感器控制系統的基礎上，可以不加成本的使直流無刷電機精確地換相，提高電機的運行效率，方法簡單易于實現。
附圖說明
圖1為本發明一種直流無刷電機無位置傳感器控制系統精確換相的方法原理圖。
圖2為本發明三相全控橋逆變電路直流無刷電機電路圖。
圖3為本發明理想反電動勢和電流的波形圖。
圖4為本發明延遲θ電角度的反電動勢和電流的波形圖。
圖5為本發明仿真中直流無刷電機a相電流與a相反電動勢波形。
圖6為本發明由相電壓濾波電路圖。
圖7為本發明a相在相位延遲下的換相瞬間與理想反電動勢的波形。
圖8為本發明補償前vt1驅動信號與精確換相信號對于vt1的驅動信號的對比。
圖9為本發明實現精確換相的流程圖。
圖10為本發明補償后vt1驅動信號與精確地換相信號對于vt1的驅動信號的對比。
圖11為本發明補償前后電流與反電動勢波形的對比。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做進一步說明。
一種直流無刷電機無位置傳感器控制系統精確換相的方法，其包括直流無刷電機、三相全控橋式逆變電路、虛構電機中性點、位置檢測模塊，位置補償模塊。原理圖如圖1所示。
所述直流無刷電機與三相全控橋驅動控制電路連接；
所述三相全控橋逆變電路驅動無位置傳感器控制的直流無刷電機工作；
所述重虛構電機中性點，用來以獲取直流無刷電機的相電壓。
所述的位置檢測模塊采集直流無刷電機的相電壓，并對相電壓經行濾波，得到過零點，獲取直流無刷電機轉子的位置信息，但是這個信息是存在一定誤差的。
所述的位置補償模塊可以計算出當前轉子換相位置與最佳換相位置的角度差，在下一個周期進行角度補償，使直流無刷電機無位置傳感器控制系統精確地換相。
所述的位置補償模塊，首先獲取相電壓信號，這里以a相為例，a相導通相相電壓前后60°積分差計算出的滯后角度表達式為：
直流無刷電機無位置傳感器控制系統換相控制方法，主要包括如下步驟：
(1)獲取直流無刷電機各相電機的相電壓信號；
(2)相電壓信號在濾波后獲取其過零點，得到具有一定誤差的轉子位置信息，驅動三相全控橋換相；
(3)得到的導通相的相電壓信號，計算前后60°的積分差得到滯后的角度θ；
(4)預測下一周期的換相信號，提前導通θ角度換相，保證換相的精確性；
(5)重復(1)-(4)進行相位補償，實現直流無刷電機無位置傳感器控制系統精確地換相。
根據圖2所示的三相全控橋逆變電路直流無刷電機電路圖。在ab相導通時，三相端電壓方程為：
其中，ua,ub,uc是三相定子繞組的端電壓，ia,ib,ic是三相定子繞組相電流，ea,eb,ec是三相反電動勢，r，l是相電阻和等效電感，un是中性點電位。以a、b相導通為例，電流的關系：ia＝-ib,ic＝0(2)
結合(1)和(2)
其中z為電機的阻抗參數，在這個導通周期a相電流表示為：
理想換相時，反電動勢在導通周期30°到90°有關系
ea＝-eb(5)
發生理想換相時，相a電流會保持理想的矩形的形狀，如圖3所示。但是如果發生換相誤差θ，那么下橋臂換相的瞬間會變為90+θ度，a相反電動勢保持著恒定值，但是b相反電動勢變大。
ea＞-eb(6)
由于b相反電動勢的增加，a相電流：
ia(30°～90°+θ)＜ia(90°～90°+θ)(7)
如圖4，5所示，就會發生電流脈動。
直流無刷電機無位置傳感器在獲取位置信息的時候，需要采樣相電壓信號，相電壓經過濾波后可以得到三相反電動勢的過零點，如圖6所示。經濾波后的相電壓采得的過零點和真正的反電動勢過零點有一定的滯后，這時會發生換相誤差，發生換相誤差時，產生脈動的電流，在導通相相電壓的前后60°的積分值不相等，第一半的相電壓積分值大于第二半相電壓積分值。
對于理想反電動勢的情況下，圖7所示出在相位延遲下的換相瞬間與理想反電動勢的波形，其中t30°、t90°、t120°是轉子位于30°、90°、150°電角度的時刻；tθ是換相相位滯后的時間，t1、t2、t3分別是轉子位于30+θ°、90+θ°、120+θ°電角度的時刻。
前半區域相電壓的積分：
后半區域相電壓的積分：
計算右側定積分：
前后60°電流積分相等,即：
前半區域相電壓積分值減去后半區域相電壓積分值，結合公式(12)，即：
其中，反電動勢梯形波平頂值為：
ea＝ken(14)
反電動勢周期t為：
將(14)，(16)，(17)代入(13)中：
由導通相相電壓前后60°積分差可以得到一個和滯后角度θ相關的函數，因此得到差值就能得到相位滯后的角度。
本發明用以下實施例用來解釋本發明，而不是對本發明進行限制，在發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明做出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
實施例
本發明采用無刷直流電機規格如表一所示：
表一.電機規格和參數
如圖2所示，直流無刷電機三相繞組采用星型連接結構，三相全控橋式逆變電路采用兩兩導通的方式，每個功率管導通120°，每60°電角度換相一次。所用的直流無刷電機采用的是反電動勢為120°平頂的梯形波，采用的調制方式為hpwm-lon的調制方式。構造虛構中性點，端電壓與虛構中點比較獲得的相電壓經過濾波得到的波形，采其過零點時刻，再延遲30°就是直流無刷電機的換相點。但是因為濾波電路以及系統內造成的延遲使得這個換相點由一定的延遲。如圖8所示，補償前的vt1驅動信號，與精確地vt1驅動信號滯后一定角度，導致電流的脈動。
如圖9所示，為實現精確換相的流程圖以導通相a為例，當a、b相導通換相到a、c相導通，上橋臂vt1驅動信號一直為高電平，前60°下橋臂的vt6高電平，后60°下橋臂vt6關斷，下橋臂vt2導通。取a相相電壓做前后60°的積分差，由式(18)計算出本周期延遲的角度θ，從而預測出下一周期的精確換相點，再下一周期提前θ角度導通，以完成精確地換相。
如圖10所示，補償后的vt1驅動信號與精確地vt1的驅動信號，圖11所示為補償前后相電流與反電動勢波形的對比。可以看出補償后vt1信號與精確地vt1的驅動信號是一致的，電流的脈動在補償后也減小了很多，說明本發明可以實現直流無刷電機無位置傳感器控制系統的精確換相。
綜上可知，采用一種直流無刷電機無位置傳感器控制系統精確換相的方法，在不增加成本的前提下，有效精確的抑制電流的波動，提高電機運行效率，方法簡單，易于實現。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！