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

本發明專利技術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，本發明專利技術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。

【技術實現步驟摘要】
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
本專利技術涉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。
技術介紹
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。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，諸多學者在這方面進行了深入研究并提出了多種相位校正方法。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。其中，參考文獻為：[1]宋飛，周波，吳小婧.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.[2]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(9):100-109.[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.[4]吳小婧，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。
技術實現思路
本專利技術為了解決上述問題，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。為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：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ΔUx，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Δσ，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。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耦后自感；ea，eb，ec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；Un，Ux分別表示無刷電機實際中性點電壓與虛擬中性點電壓；Ua，Ub，Uc表示三相對地端電壓；ia，ib，ic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)數式(2)數式(3)對于三相正弦感生電動勢，有ea+eb+ec＝0，由數式(1)～數式(3)得數式(4)Ux＝Un＝(Ua+Ub+Uc)/3。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＝0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，M0為關斷相，M1為正向導通相，M2為反向導通相。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)UM0＝UdXM0-VDYM0數式(6)UM1＝UdXM1-VDYM1數式(7)UM2＝UdXM2-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XM1+XM2＝1；對于正相導通相YM1＝1，反向導通相YM2＝-1；代入式(8)，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，YM0＝1，XM0＝0，Ux＝Ud/3-VD/3；當電機處于反向關斷時，YM0＝-1，XM0＝1，Ux＝2Ud/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。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＝0和ea+eb+ec＝0可求得實際中性點電壓為數式(12)：數式(12)由于XM1+XM2＝1，YM1＝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。所述步驟(2)中，假設三相繞組感生電動勢表達式為ea＝Kcωsin(θ)，eb＝Kcωsin(θ-2π/3)，ec＝Kcωsin(θ+2π/3)，其中Kc為繞組感生電動勢常數，ω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，5π/6+β]時，電機處于A+C-的導通狀態，θ＝5π/6+β時刻為電機從A+C-到B+C-的換相點，[5π/6+β，7π/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5π/6+β換相時刻之前30°Ux的瞬時值為數式(15)：數式15而在該換相時刻之后30°Ux的瞬時值為數式(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ΔUx與β有關。所述步驟(2)中，正確換相時，β＝0，換相前后30°恰為關斷相繞組感生電動勢eM0的過零點，即ΔUx＝0；超前換相時，β<0，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eM0偏低、換相后30°的eM0偏高，虛擬中性點電壓偏差ΔUx<0，且隨著|β|本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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ΔUx，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Δσ，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。

【技術特征摘要】
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ΔUx，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Δσ，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：Ud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，ec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；Un，Ux分別表示無刷電機實際中性點電壓與虛擬中性點電壓；Ua，Ub，Uc表示三相對地端電壓；ia，ib，ic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)數式(2)數式(3)對于三相正弦感生電動勢，有ea+eb+ec＝0，由數式(1)～數式(3)得數式(4)Ux＝Un＝(Ua+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＝0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，M0為關斷相，M1為正向導通相，M2為反向導通相。4.如權利要求3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)UM0＝UdXM0-VDYM0數式(6)UM1＝UdXM1-VDYM1數式(7)UM2＝UdXM2-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XM1+XM2＝1；對于正相導通相YM1＝1，反向導通相YM2＝-1；代入式(8)，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，YM0＝1，XM0＝0，Ux＝Ud/3-VD/3；當電機處于反向關斷時，YM0＝-1，XM0＝1，Ux＝2Ud/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4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，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王強，王興華，雷艷華，吉方，李光友，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：山東;37