一種用于無刷直流電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于無刷直流電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法，涉及無刷直流電機(jī)領(lǐng)域，該方法包括以下步驟：在直流電源和三相橋式逆變器之間設(shè)置一個(gè)可避免直通矢量作用下電源正負(fù)極發(fā)生短路的二端口電路網(wǎng)絡(luò)；在直通矢量作用下利用比較器電路或?qū)Ｓ眯酒瑢o刷直流電機(jī)端電壓的電平進(jìn)行周期性過零點(diǎn)檢測；有效矢量和零矢量被專用于無刷直流電機(jī)調(diào)速或其他控制。本方法在直通矢量作用下進(jìn)行過零點(diǎn)檢測，端電壓經(jīng)過限幅后可直接與零電平進(jìn)行比較，避免了對端電壓信號進(jìn)行分壓衰減，減小了檢測誤差，提高了反電勢過零點(diǎn)檢測精度。
【專利說明】一種用于無刷直流電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無刷直流電機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于無刷直流電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法，本發(fā)明完成了無刷直流電機(jī)的換相或其他控制功能，適合于無刷直流電機(jī)進(jìn)行無位置傳感器控制或其他依賴于反電勢過零點(diǎn)的無刷直流電機(jī)控制操作。
【背景技術(shù)】
[0002]無刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。無刷直流電機(jī)的位置傳感器增大了電機(jī)體積，其安裝精度將直接影響無刷直流電機(jī)的運(yùn)行性能。在高溫、高壓、濕度灰塵大的惡劣工況下，位置傳感器亦將限制無刷直流電機(jī)的應(yīng)用。
[0003]反電勢法是實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制的常用方法之一，其關(guān)鍵在于檢測反電勢的過零點(diǎn)。J.Shao和D.Nolan等提出了直接反電勢法(IEEE Trans.1nd.Appl, vo
1.39，n0.6，pp.1734 - 1740, 2003年11/12月)，直接反電勢法在零矢量作用時(shí)檢測斷開相端電壓和參考零電平的大小關(guān)系，如果檢測結(jié)果相對上一個(gè)周期發(fā)生跳變則觸發(fā)過零點(diǎn)信號。直接反電勢法不使用電流傳感器，無需構(gòu)造虛擬中性點(diǎn)，避免了由低通濾波器帶來的相移問題。但是，在電機(jī)高速運(yùn)行區(qū)間，零矢量的脈沖寬度很窄，將導(dǎo)致反電勢法難以實(shí)現(xiàn)。
[0004]Y.S.Lai和F.S.Shyu等提出了在有效矢量作用時(shí)進(jìn)行檢測的方法(Proc.1EEEIECONConf.，2003, pp.2144 - 2149)，該方法的有效矢量占空比可達(dá)到I，直流電源電壓利用率得到了保證，適合于電機(jī)高速運(yùn)行。但是，電機(jī)低速運(yùn)行區(qū)間，有效矢量的脈沖寬度很窄，該方法亦難以實(shí)現(xiàn)。
[0005]Jianwen Shao在美國專利US7301298B2提出了根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速高低分別在零矢量和有效矢量作用時(shí)進(jìn)行過零點(diǎn)檢測。該方法可以使無刷直流電機(jī)在較寬的速度范圍內(nèi)運(yùn)行，并保證了直流電源電壓利用率。但是，檢測點(diǎn)需要根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行切換。Y.S.Lai和Y.K.Lin提出了根據(jù)不同的調(diào)制方式設(shè)置了對應(yīng)的參考電平(IEEE Trans.Power Electron,vol.26, n0.6，pp.1704 - 1713，2011年6月)，從而使改進(jìn)的直接反電勢法適用于多種調(diào)制方式。
[0006]為了提高過零點(diǎn)檢測精度，J.Shao和D.Nolan提出了基于互補(bǔ)PWM調(diào)制的直接反電勢法(Proc.1EEE APEC, 2003, pp.300 - 305)，互補(bǔ)PWM調(diào)制的零矢量以兩個(gè)MOS管作為續(xù)流通道，這有助于降低功率器件導(dǎo)通損耗，也可避免因反并聯(lián)二極管導(dǎo)通壓降導(dǎo)致的檢測誤差，同時(shí)還能避免輕載工況下電流斷續(xù)對過零點(diǎn)檢測的影響。但是，互補(bǔ)PWM調(diào)制需要考慮死區(qū)的設(shè)置。
[0007]已有的直接反電勢法及其改進(jìn)方法用于無刷直流電機(jī)反電勢過零點(diǎn)檢測依然存在一些問題:反電勢過零點(diǎn)檢測和無刷直流電機(jī)調(diào)速兩個(gè)控制過程之間相互影響；在零矢量作用下進(jìn)行過零點(diǎn)檢測將限制直流電源電壓利用率；在有效矢量作用下進(jìn)行過零點(diǎn)檢測需要對斷開相端電壓進(jìn)行分壓衰減，這將降低信噪比，帶來一定的檢測誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明提供了一種用于無刷直流電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法，本發(fā)明將反電勢過零點(diǎn)檢測和無刷直流電機(jī)調(diào)速兩個(gè)控制過程分離，直通矢量不直接參與電機(jī)調(diào)速，而有效矢量和零矢量被專用于電機(jī)調(diào)速，詳見下文描述:
[0009]一種用于無刷直流電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法，所述方法包括以下步驟:
[0010]在直流電源和三相橋式逆變器之間設(shè)置一個(gè)可避免直通矢量作用下電源正負(fù)極發(fā)生短路的二端口電路網(wǎng)絡(luò)；
[0011 ] 在直通矢量作用下利用比較器電路或?qū)Ｓ眯酒瑢o刷直流電機(jī)端電壓的電平進(jìn)行周期性過零點(diǎn)檢測；
[0012]有效矢量和零矢量被專用于無刷直流電機(jī)調(diào)速或其他控制。
[0013]所述無刷直流電機(jī)采用六步換相驅(qū)動策略，在每一步中，無刷直流電機(jī)只有兩相存在驅(qū)動電流，另外一相不存在驅(qū)動電流，存在驅(qū)動電流的電機(jī)定子繞組及三相橋式逆變器對應(yīng)橋臂被稱為導(dǎo)通相，不存在驅(qū)動電流的電機(jī)定子繞組及三相橋式逆變器對應(yīng)橋臂被稱為斷開相。
[0014]所述直通矢量由三相橋式逆變器的導(dǎo)通兩相的上、下橋臂兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而產(chǎn)生，或，
[0015]由導(dǎo)通兩相的四個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而產(chǎn)生，或，
[0016]由并聯(lián)在三相橋式逆變器輸入端的獨(dú)立開關(guān)管導(dǎo)通而產(chǎn)生，
[0017]上述三種方式應(yīng)控制斷開相的上、下橋臂兩個(gè)開關(guān)管保持關(guān)斷。
[0018]所述周期性過零點(diǎn)檢測具體為:在每個(gè)調(diào)制周期都將直通矢量作用下的斷開相端電壓與參考電平進(jìn)行比較，若比較結(jié)果相對于上一個(gè)調(diào)制周期的比較結(jié)果發(fā)生變化則觸發(fā)反電勢過零點(diǎn)信號。
[0019]所述二端口網(wǎng)絡(luò)為:Z源網(wǎng)絡(luò)或準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)，
[0020]當(dāng)為Z源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，Z源網(wǎng)絡(luò)與所述三相橋式逆變器構(gòu)成了一個(gè)Z源逆變器。
[0021]當(dāng)為準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)與所述三相橋式逆變器構(gòu)成了一個(gè)準(zhǔn)Z源逆變器。
[0022]本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:
[0023](I)本發(fā)明在直通矢量作用下進(jìn)行反電勢過零點(diǎn)檢測，零矢量和有效矢量被用于電機(jī)調(diào)速，所以反電勢過零點(diǎn)檢測和電機(jī)調(diào)速被分離，因此本發(fā)明可適用于較寬的速度范圍，避免了在不同轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行檢測點(diǎn)和參考電平的切換，也無需在不同調(diào)制方式下根據(jù)零矢量的種類對參考電平進(jìn)行分別設(shè)置。
[0024](2)Z源網(wǎng)絡(luò)/準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)與三相橋式逆變器聯(lián)合構(gòu)成Z源逆變器/準(zhǔn)Z源逆變器，此時(shí)直通矢量除了提供反電勢過零點(diǎn)檢測窗口以外，Z源網(wǎng)絡(luò)/準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)還可以使驅(qū)動系統(tǒng)具有一級升壓環(huán)節(jié)，可以有效提高直流電源電壓的利用率，適合于采用低壓電源的工業(yè)應(yīng)用；并且，Z源逆變器/準(zhǔn)Z源逆變器的使用提高了系統(tǒng)的安全性，在使用互補(bǔ)PWM調(diào)制時(shí)也無需考慮死區(qū)的設(shè)置。
[0025](3)在直通矢量作用下進(jìn)行過零點(diǎn)檢測，端電壓經(jīng)過限幅后可直接與零電平進(jìn)行比較，避免了對端電壓信號進(jìn)行分壓衰減，減小了檢測誤差，提高了反電勢過零點(diǎn)檢測精度。
【專利附圖】

【附圖說明】[0026]圖1為一種用于無刷直流電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法的原理圖；
[0027]圖2為采用Z源網(wǎng)絡(luò)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法的原理圖；
[0028]圖3為三相橋式逆變器產(chǎn)生直通矢量的示意圖；
[0029]圖4為無刷直流電機(jī)六步驅(qū)動的原理圖；
[0030]圖5為三相橋式逆變器和無刷直流電機(jī)在一種直通矢量作用下的等效電路；
[0031]圖6為存在直通矢量的端電壓波形圖；
[0032]圖7為采用準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0034]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn).Z.Peng提出了一種Z源逆變器(IEEE Trans.1nd.Appl.，vol.39，n0.2，pp.504 - 510，2003年3月/4月)。傳統(tǒng)的電壓源型逆變器禁止直通，而Z源逆變器允許直通，且無需考慮死區(qū)的設(shè)置，并具有較好的升壓能力。Z源逆變器已經(jīng)被應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動、風(fēng)力發(fā)電等電力電子變換場合。
[0035]本發(fā)明的基本原理如圖1所示，系統(tǒng)，包括:直流電源、二端口網(wǎng)絡(luò)、三相橋式逆變器、無刷直流電機(jī)、比較電路或?qū)Ｓ眯酒⒖刂破?，其中?br> [0036]二端口網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在直流電源和三相橋式逆變器之間，二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入是直流電源電壓Ud，二端口網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓Uin將作為三相橋式逆變器的輸入，二端口網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)應(yīng)保證在直通矢量作用下直流電源不發(fā)生短路。比較電路或?qū)Ｓ眯酒瑢o刷直流電機(jī)的端電壓與參考零電平比較后輸出比較邏輯結(jié)果，控制器利用比較邏輯結(jié)果得到無刷直流電機(jī)反電勢過零點(diǎn)，并將反電勢過零點(diǎn)用于無刷直流電機(jī)的控制，最終輸出PWM信號驅(qū)動三相橋式逆變器進(jìn)行開關(guān)操作。
[0037]其中，直流電源、無刷直流電機(jī)和三相橋式逆變器與常見的無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中使用的結(jié)構(gòu)相同，本發(fā)明實(shí)施例對此不做贅述。
[0038]圖2，二端口網(wǎng)絡(luò)為Z源網(wǎng)絡(luò)，該Z源網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)大小相等的電容C1和C2，兩個(gè)大小相等的電感L1和L2,以及一個(gè)二極管D7構(gòu)成。Z源網(wǎng)絡(luò)特殊的電路結(jié)構(gòu)可保證直通矢量作用下直流電源不發(fā)生短路。Z源網(wǎng)絡(luò)與三相橋式逆變器構(gòu)成了一個(gè)Z源逆變器，
[0039]上述的三相橋式逆變器由T1?T6六個(gè)MOS管和D1?D6六個(gè)反并聯(lián)二極管構(gòu)成。ia> ib、ic為a、b、c三相的相電流。
[0040]圖1和圖2中的控制器可再細(xì)分為延時(shí)及換相控制器、直通占空比ds計(jì)算、速度控制器、PWM發(fā)生器、過零點(diǎn)檢測控制器五部分。
[0041]其中，延時(shí)及換相控制器輸出換相信號，用來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)常用的三相六步換相驅(qū)動方式，當(dāng)無刷直流電機(jī)為無位置傳感器控制時(shí)，可以在檢測到反電勢過零點(diǎn)后再延時(shí)30°電角度對應(yīng)的時(shí)間作為無刷直流電機(jī)換相信號。
[0042]參見圖3 (a)，傳統(tǒng)方法采用三角載波和調(diào)制信號Vm獲得PWM信號，當(dāng)三角載波大于調(diào)制信號Vm的幅值時(shí)輸出有效矢量PWM信號，當(dāng)三角載波小于調(diào)制信號Vm的幅值時(shí)輸出零矢量PWM信號，在一個(gè)周期內(nèi)設(shè)有效矢量占空比為屯。
[0043]參見圖3(b)，一個(gè)額外的調(diào)制信號Vsh被用于產(chǎn)生直通矢量，當(dāng)三角載波小于調(diào)制信號Vsh的幅值時(shí)輸出直通矢量PWM信號，在一個(gè)周期內(nèi)設(shè)直通矢量占空比為ds。直通矢量的插入不應(yīng)影響有效矢量占空比，因此一部分直通矢量替代了零矢量，且調(diào)制信號Vsh應(yīng)小于調(diào)制信號Vm，故存在關(guān)系(!,〈Ι-+。圖3(b)還給出了反電勢過零點(diǎn)檢測觸發(fā)脈沖信號，在每個(gè)直通矢量即將結(jié)束的時(shí)刻觸發(fā)過零點(diǎn)檢測操作，為了保證反電勢過零點(diǎn)檢測的正常進(jìn)行，需要使直通矢量維持一段時(shí)間，因此ds存在一個(gè)最小值dsmin，該最小值由開關(guān)頻率和無刷直流電機(jī)的參數(shù)而決定，故ds>dsmin，且(Kd1U-Clstj
[0044]參見圖4,其中ea、eb、e。為a、b、c三相的相反電勢，ia、ib、i。為a、b、c三相的相電流，曲線ZCP的每一個(gè)邊沿對應(yīng)無刷直流電機(jī)相反電勢的一個(gè)過零點(diǎn)，曲線CP的每一個(gè)邊沿對應(yīng)無刷直流電機(jī)的一個(gè)換相點(diǎn)，無刷直流電機(jī)相反電勢的每個(gè)過零點(diǎn)都超前下一個(gè)換相點(diǎn)30°電角度，在無位置傳感器控制中利用反電勢過零點(diǎn)延時(shí)后得到無刷直流電機(jī)的換相點(diǎn)。同一時(shí)刻無刷直流電機(jī)只有兩相導(dǎo)通電流，這兩相被稱為該時(shí)刻的導(dǎo)通相，剩下的一相被稱為該時(shí)刻的斷開相，每經(jīng)過一個(gè)換相周期，控制器將根據(jù)導(dǎo)通邏輯對導(dǎo)通相和斷開相進(jìn)行切換。
[0045]以實(shí)施例1為例，Z源網(wǎng)絡(luò)可以使驅(qū)動系統(tǒng)具有一級升壓環(huán)節(jié)，這將有效提高直流電源電壓的利用率，適合于采用低壓電源的工業(yè)應(yīng)用，電源電壓UJP三相橋式逆變器的輸出平均電壓的最大值Uavmax存在以下關(guān)系:
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種用于無刷直流電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 在直流電源和三相橋式逆變器之間設(shè)置一個(gè)可避免直通矢量作用下電源正負(fù)極發(fā)生短路的二端口電路網(wǎng)絡(luò)； 在直通矢量作用下利用比較器電路或?qū)Ｓ眯酒瑢o刷直流電機(jī)端電壓的電平進(jìn)行周期性過零點(diǎn)檢測； 有效矢量和零矢量被專用于無刷直流電機(jī)調(diào)速或其他控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無刷直流電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法，其特征在于，所述無刷直流電機(jī)采用六步換相驅(qū)動策略， 在每一步中，無刷直流電機(jī)只有兩相存在驅(qū)動電流，另外一相不存在驅(qū)動電流，存在驅(qū)動電流的電機(jī)定子繞組及三相橋式逆變器對應(yīng)橋臂被稱為導(dǎo)通相，不存在驅(qū)動電流的電機(jī)定子繞組及三相橋式逆變器對應(yīng)橋臂被稱為斷開相。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無刷直流電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法，其特征在于， 所述直通矢量由三相橋式逆變器的導(dǎo)通兩相的上、下橋臂兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而產(chǎn)生,或， 由導(dǎo)通兩相的四個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而產(chǎn)生，或， 由并聯(lián)在三相橋式逆變器輸入端的獨(dú)立開關(guān)管導(dǎo)通而產(chǎn)生； 上述三種方式應(yīng)控制斷開相的上、下橋臂兩個(gè)開關(guān)管保持關(guān)斷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無刷直流電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法，其特征在于，所述周期性過零點(diǎn)檢測具體為: 在每個(gè)調(diào)制周期都將直通矢量作用下的斷開相端電壓與參考電平進(jìn)行比較，若比較結(jié)果相對于上一個(gè)調(diào)制周期的比較結(jié)果發(fā)生變化則觸發(fā)反電勢過零點(diǎn)信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無刷直流電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)檢測方法，其特征在于，所述二端口網(wǎng)絡(luò)為:z源網(wǎng)絡(luò)或準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)， 當(dāng)為Z源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，Z源網(wǎng)絡(luò)與所述三相橋式逆變器構(gòu)成了一個(gè)Z源逆變器。 當(dāng)為準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)與所述三相橋式逆變器構(gòu)成了一個(gè)準(zhǔn)Z源逆變器。
【文檔編號】H02P6/18GK103973180SQ201410172807
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】夏長亮, 李新旻, 陳煒 申請人:天津大學(xué)