CN112803851A - 一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法 - Google Patents

一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法 Download PDF

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CN112803851A CN202011641973.5A CN202011641973A CN112803851A CN 112803851 A CN112803851 A CN 112803851A CN 202011641973 A CN202011641973 A CN 202011641973A CN 112803851 A CN112803851 A CN 112803851A
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陈宝栋
金浩
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Abstract

本发明公开了一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法，属于永磁电机控制的技术领域。该发明的换相误差提取方法主要包括电流积分及磁链观测器、双二阶广义积分‑正序提取器和换相误差提取器等部分。首先通过坐标变换将采集的无刷直流电机的相电压和相电流转换到α‑β坐标系，并利用电流积分及磁链观测器获得电流的积分及磁链；其次利用双二阶广义积分‑正序提取器抑制电流和磁链中的直流分量和高次谐波成分并提取正序分量；然后使用换相误差提取器获得脉冲形式的换相误差；最后通过低通滤波器对脉冲形式的换相误差进行平滑，并进行PI控制获得无刷直流电机的换相误差。本发明的基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法可以实现对换相误差的提取，该方法具有检测精度高、抗干扰能力强等优点。

Description

一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种无刷直流电机换相误差提取方法。
背景技术
随着永磁材料的发展及价格的降低，无刷直流电机得到了更加广泛的应用，被认为是21世纪最有发展前途和应用前景的电子控制电机，在航空航天、国防装备、科学仪器、医疗器械等应用中发挥了巨大的作用。无刷直流电机相对普通的有刷直流电机，采用电子换相取代了传统的电刷，避免了换相时产生的火花，极大提高了电机的运行转速，延长了电机的使用寿命。转子位置是用于电子换相必不可少的信息，可以通过间隔120°安装的三个开关霍尔传感器获得，也可以利用反电动势获取。
采用霍尔传感器获取转子位置信息进行换相的方式称为有位置传感器控制，不使用位置传感器而采用反电动势等信息获得转子位置信息进行换相的方式称为无位置传感器控制。为了避免干扰并增加位置信息获取的可靠性，在位置获取过程中需要使用低通滤波器、触发器等对信号进行处理。在对信号进行处理的过程中，不可避免的导致信号滞后，使得用于换相的转子位置滞后于实际的转子位置，用于换相的转子位置与实际转子位置的差叫做换相误差。换相误差降低了电机的运行效率，甚至会导致换相失败，因此必须对换相误差进行补偿以提高电机的运行效率及提高可靠性。
针对换相误差的问题，目前主要有两种解决思路。第一种解决思路是，对可能产生换相误差的环节进行分析，通过建模的方式获取并补偿不同转速下的换相误差，这种方法也叫做开环补偿法。该方法较为简单，可以实现对绝大部分换相误差的有效估计和补偿，但是换相误差补偿的精度有限，特别是受到扰动或者转速变化时。第二种解决思路是以电机的相电压、相电流、母线电流等信号的特性进行闭环控制以达到换相误差补偿的目的。该方法虽然运算量稍大，但具有补偿精度高、实时性好、抗干扰能力强的优点。随着数字信号处理器处理能力的不断发展，更多先进的信号处理及控制算法得以应用到电机控制***中，降低了参数变化及扰动对***的影响，大大提高了电机的运行性能。因此，第二种采用闭环控制的方式解决换相误差问题的方法成为了研究的趋势。
发明内容
本发明技术解决问题：针对换相误差对无刷直流电机运行效率及可靠性的影响，提供一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法，通过所提取的换相误差可以对电机的换相过程进行校正和补偿，以提高电机的运行效率。该发明的换相误差提取方法主要包括电流积分及磁链观测器、双二阶广义积分-正序提取器和换相误差提取器等部分。首先通过坐标变换将采集的无刷直流电机的相电压和相电流转换到坐标系，并利用电流积分及磁链观测器获得电流的积分及磁链；其次利用双二阶广义积分-正序提取器抑制电流和磁链中的直流分量和高次谐波成分并提取正序分量；然后使用换相误差提取器获得脉冲形式的换相误差；最后通过低通滤波器对脉冲形式的换相误差进行平滑，并进行PI控制获得无刷直流电机的换相误差。
本发明采用的技术方案如下：一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法，主要包括电流积分及磁链观测器、双二阶广义积分-正序提取器和换相误差提取器，其包括下述步骤：
步骤A)通过坐标变换将采集的无刷直流电机ABC坐标系下的相电压和相电流转换到α-β坐标系；
步骤B)利用电流积分及磁链观测器获得α-β坐标系下α轴、β轴的电流积分和磁链；
步骤C)利用双二阶广义积分-正序提取器抑制步骤B)中电流积分和磁链中的直流分量和高次谐波成分并提取α-β坐标系下α轴、β轴的电流积分和磁链的正序分量；
步骤D)基于α-β坐标系下α轴、β轴的电流积分和磁链的正序分量，基于同步锁相的原理，使用换相误差提取器获得脉冲形式的换相误差；
步骤E)通过低通滤波器对脉冲形式的换相误差进行平滑，并进行PI控制获得无刷直流电机的换相误差。
所述步骤A中的坐标变换采用如下形式：
Figure BDA0002880687880000021
式中，ua、ub、uc和ia、ib、ic分别为ABC坐标系下A相、B相、C相的相电压和相电流，uα、uβ和iα、iβ分别为α-β坐标系下α轴、β轴的电压和电流；
所述步骤B中电流积分及磁链观测器分别为：
Figure BDA0002880687880000031
Figure BDA0002880687880000032
式中，hα、hβ和ψα、ψβ分别为α-β坐标系下α轴、β轴的电流积分和磁链，R和L分别为无刷直流电机的相电阻和相电感；
所述步骤C中电流积分和磁链的正序分量通过一下方式获得：
首先，二阶广义积分器的传递函数为：
Figure BDA0002880687880000033
式中，Gd(s)和Gq(s)分别为二阶广义积分器同向输出和正交输出的传递函数、k为增益系数、ωe为电机的角速度；
然后，利用正序提取器提取hα、hβ、ψα、ψβ的正序分量：
Figure BDA0002880687880000034
Figure BDA0002880687880000035
式中，
Figure BDA0002880687880000036
分别为hα、hβ、ψα、ψβ的正序分量；
所述步骤D中脉冲形式的换相误差通过以下方式获得：
首先，对
Figure BDA0002880687880000037
进行如下变换：
Figure BDA0002880687880000038
式中，
Figure BDA0002880687880000039
和
Figure BDA00028806878800000310
和
Figure BDA00028806878800000311
分别为
Figure BDA00028806878800000312
和
Figure BDA00028806878800000313
和
Figure BDA00028806878800000314
的二值形式，基于同步锁相的原理，进行异或运算得无符号的换相误差脉冲：
Figure BDA00028806878800000315
式中，
Figure BDA0002880687880000041
和
Figure BDA0002880687880000042
分别为α轴和β轴的无符号的换相误差脉冲；
然后，检测
Figure BDA0002880687880000043
和
Figure BDA0002880687880000044
及
Figure BDA0002880687880000045
和
Figure BDA0002880687880000046
的边沿用于判断当前的换相状态为超前换相还是滞后换相；当
Figure BDA0002880687880000047
的上升沿和下降沿分别对应的
Figure BDA0002880687880000048
为0和1时，表明当前的换相状态为滞后换相；当
Figure BDA0002880687880000049
的上升沿和下降沿分别对应的
Figure BDA00028806878800000410
为0和1时，表明当前的换相状态为超前换相；
最后，根据当前的换相状态给出带符号的换相误差脉冲，当换相状态为滞后换相时，给
Figure BDA00028806878800000411
和
Figure BDA00028806878800000412
的输出乘以-1，获得带符号的换相误差脉冲
Figure BDA00028806878800000413
和
Figure BDA00028806878800000414
当换相状态为超前换相时，给
Figure BDA00028806878800000415
和
Figure BDA00028806878800000416
的输出乘以1，获得带符号的α轴和β轴换相误差脉冲
Figure BDA00028806878800000417
和
Figure BDA00028806878800000418
所述步骤E中的换相误差通过以下方式获得：
首先通过以下低通滤波器对
Figure BDA00028806878800000419
和
Figure BDA00028806878800000420
进行平滑，获得平滑的换相误差：
Figure BDA00028806878800000421
式中，
Figure BDA00028806878800000422
和
Figure BDA00028806878800000423
分别为α轴和β轴平滑后的换相误差，ωc为低通滤波器的截止频率；
然后对
Figure BDA00028806878800000424
和
Figure BDA00028806878800000425
进行相加，并通过PI进行调节获得换相误差。
本发明带来的有益效果可体现在如下方面：
(1)本发明的双二阶广义积分-正序提取器可以抑制电流积分和磁链的直流偏置及高次谐波成分并提取其正序分量，降低了反电动势非对称及信号处理过程中引入的非理想因素对换相误差提取精度的影响。
(2)本发明的换相误差提取器可以根据电流积分和磁链采用简单的异或运算提取出换相误差脉冲，并根据两种信号的相位关系利用边沿检测和幅值判定的方法得到带符号的换相误差脉冲，实现对超前换相和滞后换相的区分，便于确定补偿角度的符号。
(3)由于本发明的换相误差提取方法基于电流积分和磁链同步锁相的原理，从根本上消除了电感导致的电流滞后问题，提高了检测精度。
附图说明
图1为本发明基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法原理框图；
图2为本发明中电流积分及磁链观测器原理框图；
图3为本发明中二阶广义积分器原理框图；
图4为本发明中双二阶广义积分-正序提取器原理框图；
图5为本发明中换相误差提取器原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法包括坐标变换部分1、电流积分及磁链观测器部分2和3、双二阶广义积分-正序提取器部分4和5、换相误差提取器部分6和7、低通滤波器部分8和9、PI控制部分10。
在具体实施中，所述的一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法包括以下步骤：
步骤A)通过坐标变换将采集的无刷直流电机ABC坐标系下的相电压和相电流转换到α-β坐标系；
步骤B)利用电流积分及磁链观测器获得α-β坐标系下α轴、β轴的电流积分和磁链；
步骤C)利用双二阶广义积分-正序提取器抑制步骤B)中电流积分和磁链中的直流分量和高次谐波成分并提取α-β坐标系下α轴、β轴的电流积分和磁链的正序分量；
步骤D)基于α-β坐标系下α轴、β轴的电流积分和磁链的正序分量，基于同步锁相的原理，使用换相误差提取器获得脉冲形式的换相误差；
步骤E)通过低通滤波器对脉冲形式的换相误差进行平滑，并进行PI控制获得无刷直流电机的换相误差。
所述步骤A中的坐标变换采用如下形式：
Figure BDA0002880687880000051
式中，ua、ub、uc和ia、ib、ic分别为ABC坐标系下A相、B相、C相的相电压和相电流，uα、uβ和iα、iβ分别为α-β坐标系下α轴、β轴的电压和电流；
如图2所示，所述步骤B中电流积分及磁链观测器分别为：
Figure BDA0002880687880000052
Figure BDA0002880687880000061
式中，hα、hβ和ψα、ψβ分别为α-β坐标系下α轴、β轴的电流积分和磁链，R和L分别为无刷直流电机的相电阻和相电感；
如图3和图4所示，所述步骤C中电流积分和磁链的正序分量通过一下方式获得：
首先，二阶广义积分器的传递函数为：
Figure BDA0002880687880000062
式中，Gd(s)和Gq(s)分别为二阶广义积分器同向输出和正交输出的传递函数、k为增益系数、ωe为电机的角速度；
然后，利用正序提取器提取hα、hβ、ψα、ψβ的正序分量：
Figure BDA0002880687880000063
Figure BDA0002880687880000064
式中，
Figure BDA0002880687880000065
和
Figure BDA0002880687880000066
分别为hα、hβ、ψα、ψβ的正序分量；
如图5所示，所述步骤D中脉冲形式的换相误差通过以下方式获得：
首先，对
Figure BDA0002880687880000067
和
Figure BDA0002880687880000068
进行如下变换：
Figure BDA0002880687880000069
式中，
Figure BDA00028806878800000610
和
Figure BDA00028806878800000611
和
Figure BDA00028806878800000612
分别为
Figure BDA00028806878800000613
和
Figure BDA00028806878800000614
和
Figure BDA00028806878800000615
的二值形式，基于同步锁相的原理，进行异或运算得无符号的换相误差脉冲：
Figure BDA00028806878800000616
式中，
Figure BDA00028806878800000617
和
Figure BDA00028806878800000618
分别为α轴和β轴的无符号的换相误差脉冲；
然后，检测
Figure BDA00028806878800000619
和
Figure BDA00028806878800000620
及
Figure BDA00028806878800000621
和
Figure BDA00028806878800000622
的边沿用于判断当前的换相状态为超前换相还是滞后换相；当
Figure BDA0002880687880000071
的上升沿和下降沿分别对应的
Figure BDA0002880687880000072
为0和1时，表明当前的换相状态为滞后换相；当
Figure BDA0002880687880000073
的上升沿和下降沿分别对应的
Figure BDA0002880687880000074
为0和1时，表明当前的换相状态为超前换相；
最后，根据当前的换相状态给出带符号的换相误差脉冲，当换相状态为滞后换相时，给
Figure BDA0002880687880000075
和
Figure BDA0002880687880000076
的输出乘以-1，获得带符号的换相误差脉冲
Figure BDA0002880687880000077
和
Figure BDA0002880687880000078
当换相状态为超前换相时，给
Figure BDA0002880687880000079
和
Figure BDA00028806878800000710
的输出乘以1，获得带符号的α轴和β轴换相误差脉冲
Figure BDA00028806878800000711
和
Figure BDA00028806878800000712
所述步骤E中的换相误差通过以下方式获得：
首先通过以下低通滤波器对
Figure BDA00028806878800000713
和
Figure BDA00028806878800000714
进行平滑，获得平滑的换相误差：
Figure BDA00028806878800000715
式中，
Figure BDA00028806878800000716
和
Figure BDA00028806878800000717
分别为α轴和β轴平滑后的换相误差，ωc为低通滤波器的截止频率；
然后对
Figure BDA00028806878800000718
和
Figure BDA00028806878800000719
进行相加，并通过PI进行调节获得换相误差。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：通过坐标变换将采集的无刷直流电机ABC坐标系下的相电压和相电流转换到α-β坐标系；
步骤2：利用电流积分及磁链观测器获得α-β坐标系下α轴、β轴的电流积分和磁链；
步骤3：利用双二阶广义积分-正序提取器抑制所述步骤2中电流积分和磁链中的直流分量和高次谐波成分并提取α-β坐标系下α轴、β轴的电流积分和磁链的正序分量；
步骤4：基于α-β坐标系下α轴、β轴的电流积分和磁链的正序分量，基于同步锁相技术，使用换相误差提取器获得脉冲形式的换相误差；
步骤5：通过低通滤波器对脉冲形式的换相误差进行平滑，并进行PI控制获得无刷直流电机的换相误差。
2.根据权利要求1所述的一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法，其特征在于，所述步骤1中的坐标变换采用如下形式：
Figure FDA0002880687870000011
式中，ua、ub、uc和ia、ib、ic分别为ABC坐标系下A相、B相、C相的相电压和相电流，uα、uβ和iα、iβ分别为α-β坐标系下α轴、β轴的电压和电流。
3.根据权利要求1所述的一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法，其特征在于，所述步骤2中电流积分及磁链观测器分别为：
Figure FDA0002880687870000012
Figure FDA0002880687870000013
式中，hα、hβ和ψα、ψβ分别为α-β坐标系下α轴、β轴的电流积分和磁链，R和L分别为无刷直流电机的相电阻和相电感。
4.根据权利要求1所述的一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法，其特征在于，所述步骤3中电流积分和磁链的正序分量通过一下方式获得：
首先，二阶广义积分器的传递函数为：
Figure FDA0002880687870000021
式中，Gd(s)和Gq(s)分别为二阶广义积分器同向输出和正交输出的传递函数、k为增益系数、ωe为电机的角速度；
然后，利用正序提取器提取hα、hβ、ψα、ψβ的正序分量：
Figure FDA0002880687870000022
Figure FDA0002880687870000023
式中，
Figure FDA0002880687870000024
和
Figure FDA0002880687870000025
分别为hα、hβ、ψα、ψβ的正序分量。
5.根据权利要求1所述的一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法，其特征在于，所述步骤4中，脉冲形式的换相误差通过以下方式获得：
首先，对
Figure FDA0002880687870000026
和
Figure FDA0002880687870000027
进行如下变换：
Figure FDA0002880687870000028
式中，
Figure FDA0002880687870000029
和
Figure FDA00028806878700000210
和
Figure FDA00028806878700000211
分别为
Figure FDA00028806878700000212
和
Figure FDA00028806878700000213
和
Figure FDA00028806878700000214
的二值形式，基于同步锁相的原理，进行异或运算得无符号的换相误差脉冲：
Figure FDA00028806878700000215
式中，
Figure FDA00028806878700000216
和
Figure FDA00028806878700000217
分别为α轴和β轴的无符号的换相误差脉冲；
然后，检测
Figure FDA00028806878700000218
和
Figure FDA00028806878700000219
及
Figure FDA00028806878700000220
和
Figure FDA00028806878700000221
的边沿用于判断当前的换相状态为超前换相还是滞后换相；当
Figure FDA00028806878700000222
的上升沿和下降沿分别对应的
Figure FDA00028806878700000223
为0和1时，表明当前的换相状态为滞后换相；当
Figure FDA00028806878700000224
的上升沿和下降沿分别对应的
Figure FDA00028806878700000225
为0和1时，表明当前的换相状态为超前换相；
最后，根据当前的换相状态给出带符号的换相误差脉冲，当换相状态为滞后换相时，给
Figure FDA0002880687870000031
和
Figure FDA0002880687870000032
的输出乘以-1，获得带符号的换相误差脉冲
Figure FDA0002880687870000033
和
Figure FDA0002880687870000034
当换相状态为超前换相时，给
Figure FDA0002880687870000035
和
Figure FDA0002880687870000036
的输出乘以1，获得带符号的α轴和β轴换相误差脉冲
Figure FDA0002880687870000037
和
Figure FDA0002880687870000038
6.根据权利要求1所述的一种基于同步锁相的无刷直流电机换相误差提取方法，其特征在于，所述步骤5中的换相误差通过以下方式获得：
首先，通过以下低通滤波器对
Figure FDA0002880687870000039
和
Figure FDA00028806878700000310
进行平滑，获得平滑的换相误差：
Figure FDA00028806878700000311
式中，
Figure FDA00028806878700000312
和
Figure FDA00028806878700000313
分别为α轴和β轴平滑后的换相误差，ωc为低通滤波器的截止频率；
然后，对
Figure FDA00028806878700000314
和
Figure FDA00028806878700000315
进行相加，并通过PI进行调节获得换相误差。
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