一种直流无刷电机无位置传感器控制系统换相控制方法

摘要

本发明提供的是一种直流无刷电机无位置传感器控制系统换相控制方法。直流无刷电机与三相全控桥逆变电路连接，三相全控桥逆变电路驱动无位置传感器控制的直流无刷电机工作，通过重虚构电机中性点获取直流无刷电机的相电压，通过位置检测模块采集直流无刷电机的相电压，对相电压进行滤波，得到过零点，获取直流无刷电机转子的位置信息，利用位置补偿模块计算出当前转子换相位置与最佳换相位置的角度差，在下一个周期进行角度补偿。这种方法推动每个导通周期前后电流波形不出现上翘的现象，实现最小的转矩脉动。利用仿真手段实现的控制系统，在系统检测出误差后，在下面的换相周期中进行了相应的补偿，结果表明这种方法的可行性和有效性。

权利要求

1.一种直流无刷电机无位置传感器控制系统换相控制方法，其特征是：直流无刷电机与三相全控桥逆变电路连接，三相全控桥逆变电路驱动无位置传感器控制的直流无刷电机工作，通过重虚构电机中性点获取直流无刷电机的相电压，通过位置检测模块采集直流无刷电机的相电压，对相电压进行滤波，得到过零点，获取直流无刷电机转子的位置信息，利用位置补偿模块计算出当前转子换相位置与最佳换相位置的角度差，在下一个周期进行角度补偿；

所述利用位置补偿模块计算出当前转子换相位置与最佳换相位置的角度差具体包括：得到的导通相的相电压信号，计算前后60°的积分差得到滞后的角度θ，预测下一周期的换相信号，提前导通θ角度换相；

A相 导通 相相电 压 前后 60 °积 分差 计算 出的 滞后 角度 表达式 为 ：其中，t1为前60°的起始时刻，t2为前60°的终止时刻，t3

为后60°的终止时刻，uan为A相的相电压，Ke是反电动势系数，θ是滞后的角度，p为电机极对数。

说明书

一种直流无刷电机无位置传感器控制系统换相控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种使直流无刷电机无位置传感器控制系统精确换相的方法。

背景技术

[0002] 直流无刷电机既具有直流电机很好的调速性能、运行稳定、控制方法简单，又具有交流伺服系统无电刷、体积小、可以在较为恶劣的环境下稳定运行等优点。因此在航天、电动车、家电等领域有着广泛的应用。直流无刷电机控制系统必须要检测出转子的位置并进行准确的换相，在这个过程中位置传感器是必要的，常见的直流无刷电动机是依靠霍尔式位置传感器来检测转子位置的，但是这样的磁敏式元件及其容易受到外界环境的干扰，这就限制直流无刷电机控制系统的应用范围。在这样的背景下，无位置传感器控制系统的理论被提出了。在直流无刷电机无位置传感器控制系统中，并不是不需要位置信息，而是位置信息不再由位置传感器来提供，而是由可以继承位置信息的信号来提供，如反电动势，续流电流等。但是在获取反电动势的过程中，由于滤波器产生的滞后、PWM死区时间、以及ADC的量化误差等，会使无位置传感器控制系统换相并不准确，限制了直流无刷电机在高精度场合的应用。

[0003] 刘刚等人在电工技术学报中发表了“高速磁悬浮无刷直流电机无位置换相误差闭环校正策略”，该文献利用换相前后30度内的电流积分作为反馈参数进行无刷直流电机无位置换相误差校正，但是这种方法在表达式中含有阻抗参数，而阻抗参数在电机实际的运行过程中会发生变化，这会导致测量的角度并不准确。申请号为200710075424.4的专利文件中，公开了“一种无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法”；但是在补偿滤波的延迟时也是需要滤波器阻抗参数，而且只能补偿滤波所带来的滞后。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种可以不加成本的使直流无刷电机精确地换相，能提高电机的运行效率，简单易于实现的直流无刷电机无位置传感器控制系统换相控制方法。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：

[0006] 直流无刷电机与三相全控桥逆变电路连接，三相全控桥逆变电路驱动无位置传感器控制的直流无刷电机工作，通过重虚构电机中性点获取直流无刷电机的相电压，通过位置检测模块采集直流无刷电机的相电压，对相电压进行滤波，得到过零点，获取直流无刷电机转子的位置信息，利用位置补偿模块计算出当前转子换相位置与最佳换相位置的角度差，在下一个周期进行角度补偿。

[0007] 所述利用位置补偿模块计算出当前转子换相位置与最佳换相位置的角度差具体包括：得到的导通相的相电压信号，计算前后60°的积分差得到滞后的角度θ，预测下一周期的换相信号，提前导通θ角度换相。

[0008] A相导通相相电压前后60 °积分差计算出的滞后角度表达式为：其中，t1为前60°的起始时刻，t2为前60°的终止时刻，t3
为后60°的终止时刻，uan为A相的相电压，Ke是反电动势系数，θ是滞后的角度，p为电机极对数。

[0009] 本发明提供了一种新型的直流无刷电机无位置传感器控制系统精确的换相方法。本发明的技术方案特点为：在获取电机参数，并重新构造电机的虚拟中性点的前提下，检测电机某一导通相的相电压，计算导通相前后60°相电压的积分差，这个积分差是一个与θ的平方成正比的值，由此就可以得出滞后的角度，在下一个换相周期，提前这个角度换相就可以达到精确换相的目的。此方法需要虚构中性点，但是对于无位置传感器控制系统来说，本身就需要重新构造中性点来获取反电动势信号，也就是说在无位置传感器控制系统的基础上，可以不加成本的使直流无刷电机精确地换相，提高电机的运行效率，方法简单易于实现。

附图说明

[0010] 图1为本发明一种直流无刷电机无位置传感器控制系统精确换相的方法原理图。

[0011] 图2为本发明三相全控桥逆变电路直流无刷电机电路图。

[0012] 图3为本发明理想反电动势和电流的波形图。

[0013] 图4为本发明延迟θ电角度的反电动势和电流的波形图。

[0014] 图5为本发明仿真中直流无刷电机A相电流与A相反电动势波形。

[0015] 图6为本发明由相电压滤波电路图。

[0016] 图7为本发明A相在相位延迟下的换相瞬间与理想反电动势的波形。

[0017] 图8为本发明补偿前VT1驱动信号与精确换相信号对于VT1的驱动信号的对比。

[0018] 图9为本发明实现精确换相的流程图。

[0019] 图10为本发明补偿后VT1驱动信号与精确地换相信号对于VT1的驱动信号的对比。

[0020] 图11为本发明补偿前后电流与反电动势波形的对比。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图举例对本发明做进一步说明。

[0022] 一种直流无刷电机无位置传感器控制系统精确换相的方法，其包括直流无刷电机、三相全控桥式逆变电路、虚构电机中性点、位置检测模块，位置补偿模块。原理图如图1所示。

[0023] 所述直流无刷电机与三相全控桥驱动控制电路连接；

[0024] 所述三相全控桥逆变电路驱动无位置传感器控制的直流无刷电机工作；

[0025] 所述重虚构电机中性点，用来以获取直流无刷电机的相电压。

[0026] 所述的位置检测模块采集直流无刷电机的相电压，并对相电压经行滤波，得到过零点，获取直流无刷电机转子的位置信息，但是这个信息是存在一定误差的。

[0027] 所述的位置补偿模块可以计算出当前转子换相位置与最佳换相位置的角度差，在下一个周期进行角度补偿，使直流无刷电机无位置传感器控制系统精确地换相。

[0028] 所述的位置补偿模块，首先获取相电压信号，这里以A相为例，A相导通相相电压前后60°积分差计算出的滞后角度表达式为： 其中，t1为前60°的起始时刻，t2前60°的终止时刻(也是后60°的起始时刻),t3后60°的终止时刻，uan为A相的相电压，Ke是反电动势系数，θ是滞后的角度，p为电机极对数。由公式获取到滞后的角度θ，并在下一周期补偿。

[0029] 直流无刷电机无位置传感器控制系统换相控制方法，主要包括如下步骤：

[0030] (1)获取直流无刷电机各相电机的相电压信号；

[0031] (2)相电压信号在滤波后获取其过零点，得到具有一定误差的转子位置信息，驱动三相全控桥换相；

[0032] (3)得到的导通相的相电压信号，计算前后60°的积分差得到滞后的角度θ；

[0033] (4)预测下一周期的换相信号，提前导通θ角度换相，保证换相的精确性；

[0034] (5)重复(1)-(4)进行相位补偿，实现直流无刷电机无位置传感器控制系统精确地换相。

[0035] 根据图2所示的三相全控桥逆变电路直流无刷电机电路图。在AB相导通时，三相端电压方程为：

[0036]

[0037] 其中，ua,ub,uc是三相定子绕组的端电压，ia,ib,ic是三相定子绕组相电流，ea,eb,ec是三相反电动势，R，L是相电阻和等效电感，un是中性点电位。以A、B相导通为例，电流的关系：ia＝-ib,ic＝0               (2)

[0038] 结合(1)和(2)

[0039]

[0040] 其中Z为电机的阻抗参数，在这个导通周期A相电流表示为：

[0041]

[0042] 理想换相时，反电动势在导通周期30°到90°有关系

[0043] ea＝-eb                            (5)

[0044] 发生理想换相时，相A电流会保持理想的矩形的形状，如图3所示。但是如果发生换相误差θ，那么下桥臂换相的瞬间会变为90+θ度，A相反电动势保持着恒定值，但是B相反电动势变大。

[0045] ea＞-eb                             (6)

[0046] 由于B相反电动势的增加，A相电流：

[0047] ia(30°～90°+θ)＜ia(90°～90°+θ)                      (7)

[0048] 如图4，5所示，就会发生电流脉动。

[0049] 直流无刷电机无位置传感器在获取位置信息的时候，需要采样相电压信号，相电压经过滤波后可以得到三相反电动势的过零点，如图6所示。经滤波后的相电压采得的过零点和真正的反电动势过零点有一定的滞后，这时会发生换相误差，发生换相误差时，产生脉动的电流，在导通相相电压的前后60°的积分值不相等，第一半的相电压积分值大于第二半相电压积分值。

[0050] 对于理想反电动势的情况下，图7所示出在相位延迟下的换相瞬间与理想反电动势的波形，其中t30°、t90°、t120°是转子位于30°、90°、150°电角度的时刻；Tθ是换相相位滞后的时间，t1、t2、t3分别是转子位于30+θ°、90+θ°、120+θ°电角度的时刻。

[0051]

[0052] 前半区域相电压的积分：

[0053]

[0054] 后半区域相电压的积分：

[0055]

[0056] 计算右侧定积分：

[0057]

[0058] 前后60°电流积分相等,即：

[0059]

[0060] 前半区域相电压积分值减去后半区域相电压积分值，结合公式(12)，即：

[0061]

[0062] 其中，反电动势梯形波平顶值为：

[0063] Ea＝Ken                    (14)

[0064] 反电动势周期T为：

[0065]

[0066]

[0067]

[0068] 将(14)，(16)，(17)代入(13)中：

[0069]

[0070] 由导通相相电压前后60°积分差可以得到一个和滞后角度θ相关的函数，因此得到差值就能得到相位滞后的角度。

[0071] 本发明用以下实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

[0072] 实施例

[0073] 本发明采用无刷直流电机规格如表一所示：

[0074] 表一.电机规格和参数

[0075]

[0076] 如图2所示，直流无刷电机三相绕组采用星型连接结构，三相全控桥式逆变电路采用两两导通的方式，每个功率管导通120°，每60°电角度换相一次。所用的直流无刷电机采用的是反电动势为120°平顶的梯形波，采用的调制方式为Hpwm-Lon的调制方式。构造虚构中性点，端电压与虚构中点比较获得的相电压经过滤波得到的波形，采其过零点时刻，再延迟30°就是直流无刷电机的换相点。但是因为滤波电路以及系统内造成的延迟使得这个换相点由一定的延迟。如图8所示，补偿前的VT1驱动信号，与精确地VT1驱动信号滞后一定角度，导致电流的脉动。

[0077] 如图9所示，为实现精确换相的流程图以导通相A为例，当A、B相导通换相到A、C相导通，上桥臂VT1驱动信号一直为高电平，前60°下桥臂的VT6高电平，后60°下桥臂VT6关断，下桥臂VT2导通。取A相相电压做前后60°的积分差，由式(18)计算出本周期延迟的角度θ，从而预测出下一周期的精确换相点，再下一周期提前θ角度导通，以完成精确地换相。

[0078] 如图10所示，补偿后的VT1驱动信号与精确地VT1的驱动信号，图11所示为补偿前后相电流与反电动势波形的对比。可以看出补偿后VT1信号与精确地VT1的驱动信号是一致的，电流的脉动在补偿后也减小了很多，说明本发明可以实现直流无刷电机无位置传感器控制系统的精确换相。

[0079] 综上可知，采用一种直流无刷电机无位置传感器控制系统精确换相的方法，在不增加成本的前提下，有效精确的抑制电流的波动，提高电机运行效率，方法简单，易于实现。