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
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種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。
【背景技術】
[0002] 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，其中，基于繞組反電動勢的方法最成 熟、最常用。
[0003] 反電動勢方法的本質是利用不導通相繞組感生電動勢過零點作為換相位置參考 點。為避免高頻干擾該方法電路中需要濾波環節，由于RC濾波電路、信號采樣和器件參數 漂移引起一定相位延遲，導致繞組的換向相位延遲，尤其是高速電機在高頻下換相相位延 遲誤差更甚。因此需要對繞組換向位置進行實時相位校正，否則會影響電機運行性能。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 學者在該方面進行了深入研究并提出了多種相位校正方法。
[0004] 文獻[1]利用非導通相續流電流作為反饋量進行校正，文獻[2]利用換相前后30 度內的電流積分量作為反饋參數進行校正，上述兩文獻均忽略換相時繞組電感的影響，輕 載下可較好實現相位校正，重載時會產生較大誤差。文獻[3]利用重載續流過程來進行相 位調整，調整對象僅是由于負載變化對相位的影響，不同角頻率對換相相位的影響并未提 及。文獻[4]利用120°導通前后的端電壓差值進行換向相位反饋校正，但忽略了負載電流 變化時繞組阻抗壓降對繞組端電壓的影響。
[0005] 其中，參考文獻為：
[0006] [1]宋飛，周波，吳小婿.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[J].中國電機工程學報，2009, 29 (12) : 52-56.
[0007] 凹劉剛，崔臣君，韓邦成，鄭世強，王坤.高速磁懸浮無刷直流電機無位置換相誤 差閉環校正策略[J].電工技術學報，2014, 29巧）：100-109.
[000引 [3]楊明，劉杰，徐殿國.重載條件下無刷直流電機無位置傳感器驅動換相續流影 響的分析及其補償[J].中國電機工程學報，，2013, 33(30) : 106-112.
[0009] [4]吳小婿，周波，宋飛.基于端電壓對稱的無位置傳感器無刷直流電機位置信號 相位校正[J].電工技術學報，2009, 24 (4)，54-59。
【發明內容】
[0010] 本發明為了解決上述問題，提出了一種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，該方法建立無位置傳感器相位校正系統，消除換相誤差，使得電機在最 佳換相點進行換相。
[0011] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0012] 一種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，包括W下步 驟：
[0013] (1)構建無刷電機端電壓數學統一模型；
[0014] (2)對無刷電機相繞組工作的換流過程與導通過程的中性點電壓進行分析，利用 正相換相點前后30°虛擬中性點的電壓差值AU,，作為永磁無刷電機換向相位校正系統的 相位誤差反饋參數；
[00巧]做建立BLDCM換向相位自動校正控制系統，增加基于中性點電壓的繞組換向相 位自動校正環節，通過適當的PI調節器計算出換向位置校正角A0，作為過零點換向位置 角的反饋調節參數，對繞組換相位置角進行自動校正。
[0016] 所述步驟（1)的具體方法為；Ud表示直流母線電壓；R，L分別表示電機相繞組電阻 與解禪后自感；e。，種，e。表示=相繞組相感應電動勢，假設相繞組感生電動勢呈正弦變化； U。，&分別表示無刷電機實際中性點電壓與虛擬中性點電壓；U。，Ub，U。表示S相對地端電 壓；i。，ib，i。表示S相繞組電流，則無刷電機端電壓數學模型如下：
[0017]數式（1)
【主權項】
1. 一種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，其特征是：包括 以下步驟： (1) 構建無刷電機端電壓數學統一模型； (2) 對無刷電機相繞組工作的換流過程與導通過程的中性點電壓進行分析，利用正相 換相點前后30°虛擬中性點的電壓差值AUx,作為永磁無刷電機換向相位校正系統的相位 誤差反饋參數； (3) 建立BLDCM換向相位自動校正控制系統，增加基于中性點電壓的繞組換向相位自 動校正環節，通過適當的PI調節器計算出換向位置校正角Δ 〇,作為過零點換向位置角 σ #的反饋調節參數，對繞組換相位置角進行自動校正。
2. 如權利要求1所述的一種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，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分別表示電機相 繞組電阻與解耦后自感；ea，eb，e。表示三相繞組相感應電動勢，假設相繞組感生電動勢呈正 弦變化；U n，Ux分別表示無刷電機實際中性點電壓與虛擬中性點電壓；U a，Ub，U。表示三相對 地端電壓；ia，ib，i。表示三相繞組電流，則無刷電機端電壓數學模型如下： 數式（1)
對于三相正弦感生電動勢，有ea+eb+e。= 0,由數式（1)~數式（3)得 數式（4) Ux= Un= (U a+Ub+Uc)/3。
3. 如權利要求1所述的一種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，其特征是：所述步驟（1)中，當無刷電機工作于兩相導通的三相六狀態工作方式時， 無刷電機相繞組工作狀態分為換流過程與導通過程兩種狀態，為建立統一模型不妨假設：X 表示繞組端電壓的電平變化函數，X = 1代表繞組上橋VT開通或者經過上橋的VD續流；X =〇代表繞組下橋VT開通或者經過下橋的VD續流，設Y表示繞組電流方向函數，Y = 1代 表繞組中實際電流與參考方向相同，Y = -1代表與參考方向相反，MO為關斷相，Ml為正向 導通相，M2為反向導通相。
4. 如權利要求1所述的一種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，其特征是：所述步驟（2)中，換流過程分析為：換流過程中，由于三相繞組中均有繞組 電流流過，且繞組端電壓都被鉗位，其端電壓電壓方程為數式（5)、數式（6)、數式（7): 數式（5) Umq =U dXMQ-VDYM。 數式（6) Umi =U dXM1-VDYm 數式（7) Um2 =U dXM2-VDYM2 式（5)，式(6)，式（7)中Vd代表調制管或者續流管管壓降，將上述表達式代入數式（4) 中得數式（8): 數式（8
對于雙極性調制永磁無刷電機驅動系統，每一橋臂總有Xm+Xm2= 1 ;對于正相導通相 Ym= 1，反向導通相Ym2=-1 ;代入式⑶，得數式（9): 數式（9
數式（9)表明，在無刷電機換相過程中，虛擬中性點電壓與關斷相繞組的續流方向有 關，當電機處于正相關斷，Ymq= 1，Xmq= 〇, Ux= U d/3-VD/3 ;當電機處于反向關斷時，Ymq =_1，Xmo= 1，U x= 2U d/3+VD/3 ; 由此可見，在相繞組換流過程中，虛擬中性點電壓不受調制管開通與關斷的影響，即與 PWM調制占空比無關。
5. 如權利要求1所述的一種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，其特征是：所述步驟（2)中，導通過程分析方法為： 當電機進入兩相導通狀態時，其相繞組端電壓方程為數式（10)、數式（11):
數式（10) 數式（11) 由數式（10)、（11)、iM1+iM2= 〇和e a+eb+e。= 0可求得實際中性點電壓為數式（12): 數式（12)
由于Xm+Xm2= 1，Ym= 1，Ym2= -1仍然成立，代入數式（12)，可得數式（13) 數式（13:
數式（13)表明，雙極性調制方式下，電機兩相導通過程中，虛擬中性點電壓只與直流 母線電壓和關斷相繞組感生電動勢有關，與PWM調制占空比無關。
6. 如權利要求1所述的一種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，其特征是：所述步驟（2)中，假設三相繞組感生電動勢表達式為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(。為繞組感生電動勢常數，〇表示 電角頻率，Θ代表轉子磁極電角度，繞組換流過程持續電角度為α，實際換相時刻相對于 正確換相時刻的偏差為β，在[ π/2+β，5 π/6+β ]時，電機處于A+C-的導通狀態，Θ = 5 π /6+ β時刻為電機從A+C-到B+C-的換相點，[5 π /6+ β，7 π /6+ β ]時，電機處于B+C-的 導通狀態，其虛擬中性點電壓解析表達式為數式（14): 數式（14)
根據數式（14)，在5 π/6+β換相時刻之前30°仏的瞬時值為數式（15): 數式（15:
而在該換相時刻^后30° 11的_時倌為數式（16): 數式（16)
則換相前后30°虛擬中性點電壓差值： 數式（17)
數式（17)表明，當電機穩態運行時，正相換相點前后30°虛擬中性點電壓差值八1與 β有關。
7. 如權利要求1所述的一種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，其特征是：所述步驟（2)中，正確換相時，β =0,換相前后30°為關斷相繞組感生電 動勢eM(l的過零點，即AUx=O; 超前換相時，β〈〇,相比于正確換相，繞組換相超前觸發，關斷相感生電動勢過零點滯 后，導致正相換相前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，β>0,相比于正確換相，此時關斷相感生電動勢的過零點超前，導致正相 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. 如權利要求1所述的一種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，其特征是：所述步驟（2)中，對于雙極性調制下永磁無刷電機驅動系統，在正相 換相點前后30°虛擬中性點的電壓差值AU x與換相相位偏差角β滿足關系式AUx = Κ。ω sin ( β )，它們的極性同步變化且幅值近似呈正比關系，利用Λ Ux作為永磁無刷電機換 向相位校正系統的相位誤差反饋參數，建立無位置傳感器無刷電機的換相相位自動校正控 制模型，實現該類電機換相相位的自動校正。
9. 如權利要求1所述的一種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，其特征是：所述步驟（3)中，無刷直流電機控制系統除速度環反饋控制和電流環反饋 控制兩部分以外，增加了基于中性點電壓的繞組換向相位自動校正環節，通過適當的PI調 節器計算出換向位置校正角△ σ，作為過零點換向位置角〇?的反饋調節參數，對繞組換相 位置角進行自動校正，以保證永磁無刷電機繞組始終以最佳換相位置進行準確換向，實現 無刷電機的最佳運行狀態。
【專利摘要】本發明公開了一種基于中性點電壓的無傳感器永磁無刷電機換相相位實時校正方法，使用本方法能夠有效減少無位置傳感器永磁無刷電機的換相位置誤差，實現最佳位置換相。本方法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。實驗表明，本發明在輕載與重載條件下，都能夠有效實現無位置傳感器永磁無刷電機的換相相位校正。
【IPC分類】H02P6-18
【公開號】CN104767435
【申請號】CN201510207731
【發明人】王強, 王興華, 雷艷華, 吉方, 李光友
【申請人】山東大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月27日