CN111064396B - 基于虚拟中性点电压的无刷直流电机功率因数校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟中性点电压的无刷直流电机功率因数校正方法，针对虚拟中性点电压波形，将非续流时间的虚拟中性点电压与1/2母线电压的压差对时间积分，当积分值为零时，位置误差得到校正。本发明可以简单快速地实现电机功率因数校正和位置误差校正。

Description

基于虚拟中性点电压的无刷直流电机功率因数校正方法
技术领域
本发明属于自动化技术领域，涉及一种无刷直流电机功率因数校正方法，具体涉及一种基于虚拟中性点电压的无刷直流电机功率因数校正方法。
背景技术
无刷直流电机具有控制简单，功率密度高等优点，在航空航天、工业、民用方面得到了广泛应用，比如高精度陀螺仪，机器人手臂，风机，压缩机，电动车等都是由无刷直流电机驱动。在某些高温、潮湿的应用环境中，位置传感器经常失效，降低了***的可靠性。因此，无位置传感器成为了无刷直流电机的研究热点，此外无位置传感器还可以减小无刷直流电机的体积重量。
反电势过零点法由于简单可靠，成为了工程上最广泛的使用方法，包括端电压法、线电压法、虚拟中性点法等。这三种方法都是通过硬件电路及简单的计算得到反电势过零点，将反电势过零点延迟30电角度得到换相信号，实现电机的正常运行。检测电路、滤波电路、复杂计算等都会产生信号延迟，使检测到的位置与实际位置出现偏差，位置传感器本身安装也可能存在较大误差，这些误差会造成电机反电势与相电流不同相，从而降低了电机的功率因数，进而影响电机的性能，严重时甚至会损坏电机。文献1(Park J S,Lee KD.Online advanced angle adjustment method for sinusoidal BLDC motors withmisaligned Hall sensors[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2017,32(11):8247-8253.)提出最优超前时间是换相续流时间的一半，通过计算续流时间来达到功率因数校正，提高电流利用率的目的，但是续流时间受电压、转速、电感、电流等多因素影响，计算复杂并且计算偏差大。文献2(Tan B,Wang X,Zhao D,et al.A Lag AngleCompensation Strategy of Phase Current for High-Speed BLDC Motors[J].IEEEAccess,2018,7:9566-9574.)分析反电势与电流的相位关系，推导出超前角与电流的关系，但是在化简过程中省略了很多变量，计算的结果与实际结果误差较大。文献3(Song X,HanB,Wang K.Sensorless Drive of High-speed BLDC Motors Based on Virtual3rd-harmonic Back-EMF and High-precision Compensation[J].IEEE Transactions onPower Electronics,2018.)通过使永磁体磁链与电流之间的夹角为90电角度得到最优超前时间，但是该方法需要多个电压电流传感器，并且计算也相对复杂。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于虚拟中性点电压的无刷直流电机功率因数校正方法。
技术方案
一种基于虚拟中性点电压的无刷直流电机功率因数校正方法，其特征在于针对虚拟中性点电压波形，将非续流时间的虚拟中性点电压与1/2母线电压的压差对时间积分，当积分值为零时，位置误差得到校正；具体步骤如下：
步骤1：当虚拟中性点电压为
Figure BDA0002332841690000021
时，面积积分系数设置为1；所述的Ud为母线电压；
步骤2：虚拟中性点电压开始小于
Figure BDA0002332841690000022
时，启动对虚拟中性点电压积分；
步骤3：当虚拟中性点电压为
Figure BDA0002332841690000023
时，停止积分，记录上述积分值为S1，同时将面积积分系数设置为-1，将S1进行PI控制，使其趋近于零，PI控制器输出为功率因数校正角度；
步骤4：当虚拟中性点电压开始大于
Figure BDA0002332841690000024
时，启动对虚拟中性点电压积分；
步骤5：当虚拟中性点电压变为
Figure BDA0002332841690000025
时，停止积分，记录上述积分值为S2，同时将面积积分系数设置为1，将S2进行PI控制，使其趋近于零，PI控制器输出为功率因数校正角度；
步骤6：重复步骤2-5，最终功率因数得到校正。
有益效果
本发明提出的一种基于虚拟中性点电压的无刷直流电机功率因数校正方法，可以简单快速地实现电机功率因数校正和位置误差校正。本发明具有以下几个特点：
1、只需要一个电压传感器，不需要电流传感器。
2、方法与速度无关，适用于稳态和动态工况。
3、在实现功率因数校正的时候同时实现位置校正。
4、对有位置传感器和无位置传感器的电机都可以实现功率因数校正。
附图说明
图1校正前后反电势与相电流波形
图2稳态时校正前后虚拟中性点电压波形
图3动态时虚拟中性点电压波形
图4为校正前的电流波形和虚拟中性点电压波形
图5为校正后的相电流波形和虚拟中性点电压波形
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
首先证明当超前角为换相续流时间一半时，非导通相电流的中点刚好是与反电势过零点重合，反电势与相电流刚好同相位。图1中Δt是续流时间，O为反电势过零点，ω为电机的电角速度，ia、ib为校正前A、B相电流，ia′为校正后A相电流，ea为A相反电势，未加校正时AO时间间隔为
Figure BDA0002332841690000031
BO时间间隔为
Figure BDA0002332841690000032
很明显由于电感的作用，使得Δt1＜Δt2，因此相电流与反电势不是同相的。当加入超前角时间为续流时间的一半时
Figure BDA0002332841690000033
A点超前至A'点，B点超前至B'点。此时A'O时间间隔为
Figure BDA0002332841690000034
B'O时间间隔为
Figure BDA0002332841690000035
由于电机处于稳态，角速度为ω，那么A'O与B'O之间的电角度也是相等的，即相电流与反电势同相位。
下面分析当加入的超前时间为续流时间的一半时，虚拟中性点的电压波形关系。图2中ush是校正前的虚拟中性点电压与1/2母线电压波形，us′h是校正后的虚拟中性点电压与1/2母线电压波形。由上面的证明可以得到，校正前tAO＜tBO，因此三角形面积SAOM<SBON，而校正后tA′O＝tB′O，因此三角形面积SA'OM'＝SB'ON'。上述证明都是在电机转速处于稳态时的结果，下面证明当电机处于动态调节过程中该方法仍然有效。
图3为电机处于升速过程中，虚拟中性点电压与1/2母线电压随时间变化的波形，O为反电势过零点。假设在A点时电机角速度为ω1，反电势幅值为E1＝Ceω1，在B点时电机角速度为ω2，反电势幅值为E2＝Ceω2。M'O的斜率可以表示为
Figure BDA0002332841690000041
N'O的斜率可以表示为
Figure BDA0002332841690000042
由于电机速度在升高，那么时间tA′O＞tB′O，假设现在反电势与电流同相位，那么A'O与B'O之间电机经过的电角度是相等的，不妨设为
Figure BDA0002332841690000043
其中
Figure BDA0002332841690000044
为当前工况下续流时电机经过的电角度。所以
Figure BDA0002332841690000045
那么很容易可以得到三角形A'OM'的面积为
Figure BDA0002332841690000046
同理三角形B'ON'的面积为
Figure BDA0002332841690000047
即SA′OM′＝SB′ON′。因此无论是稳态还是动态过程，只要电机反电势与对应相电流同相位，SA′OM′＝SB′ON′。我们通过可以基于两个三角形面积的误差设计PI控制器，使该误差趋近于零，从而得到电机的最优超前角。由于位置误差会使两个三角形面积不相等，那么该方法可以同时实现位置误差的校准，无论是由位置传感器安装不准确带来的误差，还是由无位置传感器带来的误差，都可以使用该方法消除误差，并使电机工作在最优的状态下。
通过分析虚拟中性点电压波形，证明了当虚拟中性点电压积分值为零时，功率因数得到校正，无刷直流电机工作在最佳状态。
本发明采用的技术方案是：针对虚拟中性点电压波形，将非续流时间的虚拟中性点电压与1/2母线电压的压差对时间积分，当积分值为零时，位置误差得到校正。即在非续流时间段对虚拟中性点电压与1/2母线电压的压差积分，在每一个时间段内都重新计算误差，避免PI控制器的积分项产生累计误差。
当续流时间结束时，将虚拟中性点电压与1/2母线电压的压差对时间积分，并基于该积分设计一个PI控制器，使该积分值趋于零，实现功率因数和位置误差校正。通过分析电路我们可以得到，发生换相续流时，虚拟中性点电压始终为
Figure BDA0002332841690000051
或
Figure BDA0002332841690000052
因此该电压阈值可以作为我们开始积分和结束积分的信号。当未加校正时，在虚拟中性点电压的一个周期内，我们发现半个周期积分值为正，半个周期积分值为负，为了方便闭环调节，我们根据上述电压阈值来给积分值加上积分系数1或-1。具体实施步骤如下：
[1]当虚拟中性点电压为
Figure BDA0002332841690000053
时，面积积分系数设置为1。
[2]虚拟中性点电压开始小于
Figure BDA0002332841690000054
时，启动对虚拟中性点电压积分；
[3]当虚拟中性点电压为
Figure BDA0002332841690000055
时，停止积分，记录上述积分值为S1，同时将面积积分系数设置为-1，将S1进行PI控制，使其趋近于零，PI控制器输出为功率因数校正角度；
[4]当虚拟中性点电压开始大于
Figure BDA0002332841690000056
时，启动对虚拟中性点电压积分；
[5]当虚拟中性点电压变为
Figure BDA0002332841690000057
时，停止积分，记录上述积分值为S2，同时将面积积分系数设置为1，将S2进行PI控制，使其趋近于零，PI控制器输出为功率因数校正角度；
[6]重复步骤[2]-[5]，最终功率因数得到校正；
之后对本发明提出的功率因数校正方法进行了建模仿真，图4和图5是仿真结果。图4为校正前的电流波形和虚拟中性点电压波形，从图中可以看出校正前，虚拟中性点电压波形严重不对称，相电流峰峰值为12.81A。图5为校正后的相电流波形和虚拟中性点电压波形，从图中可以看出，在校正后虚拟中性点电压波形完全对称，相电流峰峰值为12.02A。校正前后，电流减小6.2％，因此该方法是有效的。

Claims (1)

1.一种基于虚拟中性点电压的无刷直流电机功率因数校正方法，其特征在于针对虚拟中性点电压波形，将非续流时间的虚拟中性点电压与1/2母线电压的压差对时间积分，当积分值为零时，位置误差和功率因数得到校正；具体步骤如下：
步骤1：当虚拟中性点电压为
Figure FDA0003742672160000011
时，面积积分系数设置为1；所述的Ud为母线电压；
步骤2：虚拟中性点电压开始小于
Figure FDA0003742672160000012
时，启动对虚拟中性点电压与1/2母线电压的压差积分；
步骤3：当虚拟中性点电压为
Figure FDA0003742672160000013
时，停止积分，记录上述积分值为S1，同时将面积积分系数设置为-1，将S1进行PI控制，使S1趋近于零，PI控制器输出为功率因数校正角度；
步骤4：当虚拟中性点电压开始大于
Figure FDA0003742672160000014
时，启动对虚拟中性点电压与1/2母线电压的压差积分；
步骤5：当虚拟中性点电压变为
Figure FDA0003742672160000015
时，停止积分，记录上述积分值为S2，同时将面积积分系数设置为1，将S2进行PI控制，使S2趋近于零，PI控制器输出为功率因数校正角度；
步骤6：重复步骤2-5，最终功率因数得到校正。
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