CN109546903B - 一种无位置传感器无刷直流电机电压采样偏移的补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无位置传感器无刷直流电机电压采样偏移的补偿方法，基于反电动势法，无位置传感器无刷直流电机在获取位置信息的过程中，需采样相电压或线电压差，由于电压传感器灵敏度不足以及滤波电路中运算放大器的零点漂移会使采样的线电压差或相电压信号产生偏移，形成不平衡的过零点，影响电机换相，严重影响电机运行。针对这一问题，本发明根据换相期间反电动势过零点信息，分析了电压偏移对过零点采样的影响，提出了一种无位置传感器无刷直流电机电压采样偏移的补偿方法。利用仿真手段实现的补偿控制***，在***计算出误差后，在后续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。

Description

一种无位置传感器无刷直流电机电压采样偏移的补偿方法
技术领域
本发明涉及一种无位置传感器无刷直流电机电压采样偏移的补偿方法，属于电机驱动领域。
背景技术
无刷直流电机由于具有高功率密度、高效率、低维护成本、结构简单和易于控制等优点，被广泛应用于各种领域，如家用电器、工业设备、无人机和电动汽车。无刷直流电机由三相逆变器驱动，通常使用三个霍尔传感器提供六个离散的转子位置，对三相绕组进行控制换相控制，进而进行适当的换向。然而，转子位置传感器增加了成本并降低了可靠性。因此，无位置传感器控制方法在过去十年中得到了发展。在无位置传感器无刷直流电机控制方法中，主要包括反电动势法、续流二极管法以及磁链估计法等。其中反电动势法无位置传感器无刷直流电机的应用最为广泛。无刷直流电机的反电动势无法直接测量，通常利用电压传感器采样电机的相电压或者线电压差信号，然后用滤波器滤除线电压差或者相电压中的高频干扰，再检测其过零点。但是因为电压传感器的灵敏度不足以及滤波电路中运算放大器的零点漂移，经常会使采样的线电压差或者相电压信号产生偏移，形成不平衡的过零点，影响无刷直流电机准确换相，严重情况会造成无刷直流电机运行性能异常。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种可以解决电压采样偏移形成的不平衡过零点的无位置传感器无刷直流电机电压采样偏移的补偿方法。
为解决上述技术问题，本发明一种无位置传感器无刷直流电机电压采样偏移的补偿方法，包括以下步骤：
步骤一：将无刷直流电机转子预定位，给无刷直流电机施加换相逻辑，拖动电机到一定转速；
步骤二：检测无刷直流电机端电压或线电压差信号，对端电压或线电压差信号进行滤波，检测端电压或线电压差信号过零点，形成三路虚拟霍尔信号Ta、Tb、Tc；
步骤三：对三路虚拟霍尔信号Ta、Tb、Tc进行异或运算得到Tpos，其中Tpos的上升沿和下降沿与反电动势零点位置相同；
步骤四：计算Tpos为高电平持续时间tθ1，计算Tpos为低电平持续时间tθ2；
步骤五：利用当前周期tθ1、tθ2计算无刷直流电机的转速，转速表达式为：
Figure BDA0001865697220000021
其中p为电机的极对数；
步骤六：将下一周期反电动势过零点信息Ta、Tb、Tc滞后0.5tθ1-tθf，形成Ta'、Tb'、Tc'。滞后0.5tθ2-tθf，形成Ta”、Tb”、Tc”，其中tθf为滤波引起的滞后时间；
步骤七：进行Sa＝Ta'∩Ta”、Sb＝Tb'∩Tb”、Sc＝Tc'∩Tc”运算，分别得到换相信号Sa、Sb、Sc；
步骤八：换相信号产生电机的换相逻辑，输入到三相全控逆变电路驱动电机运行。
本发明有益效果：与现有技术相比，本发明考虑到电压传感器和运放电路对无位置传感器无刷直流电机位置信号的采样的影响，在电压传感器灵敏度不足的情况下仍然可以准确的校正不平衡的过零点，降低硬件成本。
附图说明
图1为无刷直流电机等效电路；
图2(a)为电压传感器线电压差采样波形图；
图2(b)为电压传感器线电压差采样波形图；
图3为电压偏移对过零点采样的影响；
图4为补偿算法***图；
图5为滤波器电路图；
图6为反电动势过零点信号与换相点信号；
图7为延迟角度计算波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
基于反电动势法，无位置传感器无刷直流电机在获取位置信息的过程中，需采样相电压或线电压差，由于电压传感器灵敏度不足以及滤波电路中运算放大器的零点漂移会使采样的线电压差或相电压信号产生偏移，形成不平衡的过零点，影响电机换相，严重影响电机运行。针对这一问题，本发明根据换相期间反电动势过零点信息，分析了电压偏移对过零点采样的影响，提出了一种无位置传感器无刷直流电机电压采样偏移的补偿方法。利用仿真手段实现的补偿控制***，在***计算出误差后，在后续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。
本发明一种无位置传感器无刷直流电机电压采样偏移的补偿方法，包括无刷直流电机、三相全控逆变电路、位置检测模块、控制器、电压偏移补偿模块和滤波补偿模块；位置检测模块利用电压传感器采样电机的线电压差或相电压，并通过滤波器滤除线电压差或者相电压中的高频干扰，通过检测过零点产生换相逻辑。滤波补偿模块补偿因滤波器带来的滞后角度，控制器包括转速调节器和电流调节器，电压偏移补偿模块用来补偿因电压偏移造成的不平衡的换相信号。包括以下步骤：
步骤一：将无刷直流电机转子预定位，给无刷直流电机施加换相逻辑，拖动电机到一定转速，通常约300rpm。
步骤二：检测无刷直流电机端电压或线电压差，进行滤波，检测其过零点，形成三路虚拟霍尔信号Ta、Tb、Tc。
步骤三：对三路虚拟霍尔信号Ta、Tb、Tc进行异或运算得到Tpos，其中Tpos的上升沿和下降沿与反电动势零点位置相同。
步骤四：当Tpos＝1时，计算高电平持续时间tθ1，当Tpos＝0时，计算低电平时间tθ2。
步骤五：利用当前周期tθ1、tθ2计算无刷直流电机的转速，转速表达式为：
Figure BDA0001865697220000031
其中p为电机的极对数。
步骤六：将下一周期反电动势过零点信息Ta、Tb、Tc滞后0.5tθ1-tθf，形成Ta'、Tb'、Tc'。滞后0.5tθ2-tθf，形成Ta”、Tb”、Tc”。其中tθf为滤波引起的滞后时间。
步骤七：进行Sa＝Ta'∩Ta”、Sb＝Tb'∩Tb”、Sc＝Tc'∩Tc”运算，分别得到换相信号Sa、Sb、Sc。
步骤八：换相信号产生电机的换相逻辑，输入到三相全控逆变电路驱动电机运行。
本发明以线电压差采样为例，如图1所示，无刷直流电机，两两导通120°导通方式下，电机的线电压差方程为
Figure BDA0001865697220000032
图中R，L分别表示每相绕组的电阻和电感(电感为自感和互感的差值)。ua、ub、uc为相电压，ea、eb、ec为相反电动势，ia，ib，ic为相电流。
将ubc与uca相减，得到
Figure BDA0001865697220000041
AC相导通时，B相为非导通相。即有ia+ib+ic＝0，ea+ec＝0。代入到公式(2)得到
Figure BDA0001865697220000042
B相作为非导通相，电流为0。即2eb＝ubc-uab。反电动势只和线电压差有关。故通过采样线电压差的过零点即可得到反电动势的过零点。实际测量中某一转速下线电压差采样如图2(a)和图2(b)所示，峰值为3.74V，谷值为-3.5V，故存在着0.12V电压偏移。
电压传感器以及滤波模块中的运算放大器的零点漂移，产生了非平衡的过零点。传统的无位置传感器无刷直流电机在采样到反电动势的过零点后延迟30°换相，但是按照这种方法，非平衡的过零点产生的换相点也是宽窄不同的。图3显示了平衡过零点检测和不平衡过零点检测的比较。通过图3所示，无论过零点是否平衡，换相点在两个过零点的中间位置处，因此可以利用权利要求书中的不平衡过零点的补偿方法解决线电压差采样时遇到的非平衡过零点的问题，如图4所示，为权利要求书所提出方法的***图。
实施例
为了验证本发明所提出的一种无位置传感器无刷直流电机电压采样偏移的补偿方法有效性，本发明进行了仿真验证。本发明所用滤波采用二阶低通滤波，滤波电路阻抗参数及原理图如图5所示。
采用传统的三段式起动，由控制程序给定任意两相定子绕组通电一段时间，定子磁场将转子拖到指定的位置，按照开关表给绕组依次通电，待无刷直流电机转速升高到一定值后，切换到无位置传感器控制方法下运行。由权利要求书中转速的计算方法，计算当前转速。并根据电路滤波参数计算由滤波引起的滞后角度，其中α为***阻尼系数，ω0为***固有频率，ω为角速度，θf(ω)为相位延迟角，具体计算公式如下
Figure BDA0001865697220000043
Figure BDA0001865697220000044
Figure BDA0001865697220000051
Figure BDA0001865697220000052
线电压差滤波后过零产生三路过零点信号Ta、Tb、Tc如图6所示，按照权利要求书中的方法进行信号处理，换相延迟角度计算如图7所示。在仿真中对比无位置传感器产生的换相信号Sa与有位置传感器产生的换相信号Ha，Sa与Ha具有相同的上升沿和下降沿，校正后的无位置传感器无刷直流电机的换相信号可以代替位置传感器提供的换相信息，并精确换相，因此本发明所提出的一种无位置传感器无刷直流电机电压采样偏移的补偿方法可以解决因采样及滤波产生的电压偏移造成的过零点不平衡现象。

Claims (1)

1.一种无位置传感器无刷直流电机电压采样偏移的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将无刷直流电机转子预定位，给无刷直流电机施加换相逻辑，拖动电机到一定转速；
步骤二：检测无刷直流电机端电压或线电压差信号，对端电压或线电压差信号进行滤波，检测端电压或线电压差信号过零点，形成三路虚拟霍尔信号Ta、Tb、Tc；
步骤三：对三路虚拟霍尔信号Ta、Tb、Tc进行异或运算得到Tpos，其中Tpos的上升沿和下降沿与反电动势零点位置相同；
步骤四：计算Tpos的高电平持续时间tθ1，计算Tpos的低电平持续时间tθ2；
步骤五：利用当前周期tθ1、tθ2计算无刷直流电机的转速，转速表达式为：
Figure FDA0003103047590000011
其中p为电机的极对数；
步骤六：将下一周期三路虚拟霍尔信号Ta、Tb、Tc滞后0.5tθ1-tθf，形成Ta'、Tb'、Tc'，将Ta、Tb、Tc滞后0.5tθ2-tθf，形成Ta”、Tb”、Tc”，其中tθf为滤波引起的滞后时间；
步骤七：进行Sa＝Ta'∩Ta”、Sb＝Tb'∩Tb”、Sc＝Tc'∩Tc”运算，分别得到换相信号Sa、Sb、Sc；
步骤八：换相信号产生电机的换相逻辑，输入到三相全控逆变电路驱动电机运行。
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