磁鏈基/三次波組合優(yōu)化無刷直流電機(jī)位置連續(xù)檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種磁鏈基/三次波組合優(yōu)化無刷直流電機(jī)位置連續(xù)檢測(cè)方法，綜合利用轉(zhuǎn)子磁鏈基波和三次諧波來進(jìn)行無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制，利用轉(zhuǎn)子基波磁鏈信號(hào)提供轉(zhuǎn)子的位置范圍，利用三次諧波進(jìn)行邏輯運(yùn)算來精確定位，解決了三次諧波需要其他方法配合檢測(cè)的問題，對(duì)三次諧波的邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了三次諧波檢測(cè)連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，準(zhǔn)確地檢測(cè)到了電機(jī)所需連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。
【專利說明】
磁鏈基/Ξ次波組合優(yōu)化無刷直流電機(jī)位置連續(xù)檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電機(jī)控制領(lǐng)域，特別設(shè)及一種磁鏈基/Ξ次波組合優(yōu)化無刷直流電機(jī) 位置連續(xù)檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、出力大和效率高等特點(diǎn)。相比于物理位置傳感器如 旋變、霍爾位置傳感器等無位置傳感器位置檢測(cè)方式不僅減小了電機(jī)體積，也降低了控制 系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了穩(wěn)定性。對(duì)于無位置傳感器的無刷直流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的準(zhǔn) 確度直接影響了控制性能。特別是電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)電流滯后反電勢(shì)較多，往往需要超前導(dǎo) 通控制，得到連續(xù)的位置信號(hào)更有利于控制。
[0003] 經(jīng)典的反電勢(shì)過零法在重載或繞組電氣時(shí)間常數(shù)大等情況下，續(xù)流二極管導(dǎo)通角 很大，此時(shí)通過檢測(cè)每相反電勢(shì)過零點(diǎn)的方法并不適合無位置傳感器運(yùn)行。轉(zhuǎn)子磁鏈基波 觀測(cè)法不受二極管導(dǎo)通角和逆變器nm斬波的影響，對(duì)濾波器要求低，有更寬的調(diào)速范圍， 但轉(zhuǎn)子磁鏈基波信號(hào)由于受電機(jī)電抗值的變化會(huì)產(chǎn)生一定誤差。轉(zhuǎn)子磁鏈Ξ次諧波過零檢 測(cè)法與電抗值無關(guān)，不受其影響，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)精度高，但過零檢測(cè)法不能獲得連續(xù)的轉(zhuǎn)子 位置信號(hào)，且由于轉(zhuǎn)子Ξ次諧波周期為電機(jī)旋轉(zhuǎn)周期的Ξ分之一，需要其他方法進(jìn)行配合 檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 要解決的技術(shù)問題
[0005] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種磁鏈基/Ξ次波組合優(yōu)化無刷直 流電機(jī)位置連續(xù)檢測(cè)方法，得到準(zhǔn)確可靠的連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。在檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的過程中， 有效結(jié)合了電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈基波和Ξ次諧波信號(hào)，準(zhǔn)確檢測(cè)連續(xù)的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，提高電機(jī) 的運(yùn)行性能。
[0006] 技術(shù)方案
[0007] -種磁鏈基/Ξ次波組合優(yōu)化無刷直流電機(jī)位置連續(xù)檢測(cè)方法，其特征在于步驟 如下：
[000引步驟1:在電機(jī)完成起動(dòng)，進(jìn)入運(yùn)行階段后計(jì)算出反電勢(shì)Ξ次諧波：
[0009] Ua+叫+Uc = ea+eb+ec = U3+Uh (1)
[0010] Uh為高于Ξ次的高次諧波分量，其占比例很小忽略不計(jì)，然后對(duì)反電勢(shì)Ξ次諧波 進(jìn)行積分，得到轉(zhuǎn)子磁鏈Ξ次諧波：
[0011] i])3f = /u3dt (2)
[0012] 其中，Ua、叫、Uc為電機(jī)Ξ相相電壓；
[0013]步驟2、對(duì)得到的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈Ξ次諧波信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算:不斷比較前后兩次計(jì) 算得到的恥f值，若后一次的值大于前一次則記一個(gè)變量P值為1，后一次小于前一次則將巧己 為0，當(dāng)P由1變?yōu)?時(shí)記當(dāng)前ihf值為K，按照恥3 =恥f/K進(jìn)行幅值縮放使恥f幅值為1記為恥3;按 照下述公式進(jìn)行處理得到Ξ次諧波邏輯運(yùn)算中間過程波形信號(hào)：
[0014] Fi = arcsin(-itf3) · 60A+30 (3)
[001引然后，不斷比較前后兩次計(jì)算得到的Fi，若后一次的Fi小于前一次Fi，則給后一次 的Fi取反再加上120,得到電角度為周期的連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)θι;
[0016] 步驟3:對(duì)采樣得到的電機(jī)Ξ相電壓Ua、化和UcW及Ξ相電流Ia、Ib及Ic進(jìn)行坐標(biāo)變 換，將電壓和電流從a-b-cS相坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換為α-β兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓Ua、Ue和電流 Ia、Ie，再計(jì)算電機(jī)繞組中的定子磁鏈?zhǔn)噶繍u在α-β兩相靜止坐標(biāo)系下的分量恥a、4se，R為電 機(jī)相電阻:計(jì)算公式為：
[0017] (4)
[0018] 定子磁鏈?zhǔn)噶縒s由兩部分構(gòu)成，一部分是轉(zhuǎn)子磁體勵(lì)磁產(chǎn)生Ψ?，另一部分是電樞 反應(yīng)LsIa、LsIe，電感Ls是電機(jī)的常數(shù)；
[0019] 計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在α-β兩相靜止坐標(biāo)系下的分量恥α、恥e:
[0024]步驟4、利用電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈Ξ次諧波和基波進(jìn)行位置檢測(cè)：當(dāng)0<θτ<120時(shí)，令θ = 01，當(dāng)12〇<0r<24〇時(shí)，令θ = θι+120,當(dāng)24〇<0r<36〇時(shí)，令θ = θι+240,得到不受電機(jī)電抗變 化影響的全周期連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)9。
[00巧]有益效果
[0026] 本發(fā)明提出的一種磁鏈基/Ξ次波組合優(yōu)化無刷直流電機(jī)位置連續(xù)檢測(cè)方法，利 用電機(jī)的相電壓、相電流信號(hào)，通過計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈基波和Ξ次諧波信號(hào)，如圖4通 過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈Ξ次諧波進(jìn)行一定的邏輯運(yùn)算，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)360°電角度完整周期中得到 3段120°電角度為周期的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)θι;如圖5使用轉(zhuǎn)子磁鏈基波信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)子位置角度進(jìn) 行估算。如圖6W基波信號(hào)得到的大致轉(zhuǎn)子位置信號(hào)0r為根據(jù)，當(dāng)0<θτ<120時(shí)，令θ = θι，當(dāng) 120<θτ<240時(shí)，令θ = θι+120,當(dāng)240<θτ<360時(shí)，令θ = θι+240。從而可W得到不受電機(jī)電 抗變化影響的全周期360°電角度連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。其中在120°、240°和360° (0°)運(yùn)幾個(gè) 位置由于基波磁鏈由電抗變化引起的位置信號(hào)誤差所W會(huì)帶來相應(yīng)的誤差，但運(yùn)幾個(gè)位置 至少與電機(jī)換向的關(guān)鍵位置相差30%所W對(duì)無刷直流電機(jī)的控制甚至一定的超前導(dǎo)通控 制不造成影響。
[0027] 本發(fā)明綜合利用轉(zhuǎn)子磁鏈基波和Ξ次諧波來進(jìn)行無位置傳感器無刷直流電機(jī)的 控制，利用轉(zhuǎn)子基波磁鏈信號(hào)提供轉(zhuǎn)子的位置范圍，利用Ξ次諧波進(jìn)行邏輯運(yùn)算來精確定 位，解決了 Ξ次諧波需要其他方法配合檢測(cè)的問題，對(duì)Ξ次諧波的邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了 Ξ次諧 波檢測(cè)連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，準(zhǔn)確地檢測(cè)到了電機(jī)所需連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明所使用方法的流程圖。
[0029] 圖2是本發(fā)明所使用的電機(jī)星形連接繞線方式和電機(jī)相反電勢(shì)及相電流信號(hào)。
[0030] 圖3是電機(jī)坐標(biāo)變換矢量圖。
[0031 ]圖4是轉(zhuǎn)子磁鏈Ξ次諧波波形及其邏輯變換過程及結(jié)果。
[0032] 圖5是兩相靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈基波波形和得到的轉(zhuǎn)子位置角度。
[0033] 圖6是本發(fā)明使用的信號(hào)波形W及通過電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈基波和Ξ次諧波配合得到的 電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0035] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0036] 1、磁鏈基/Ξ次波組合優(yōu)化無刷直流電機(jī)位置連續(xù)檢測(cè)方法。其特征在于:首先， 電機(jī)完成起動(dòng)，進(jìn)入運(yùn)行階段。根據(jù)電機(jī)Ξ相電壓計(jì)算出反電勢(shì)Ξ次諧波，對(duì)反電勢(shì)Ξ次諧 波進(jìn)行積分，得到轉(zhuǎn)子磁鏈Ξ次諧波。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈Ξ次諧波進(jìn)行一定的邏輯運(yùn)算:不斷 比較前后兩次計(jì)算得到的Φ3?值，若后一次的值大于前一次則記一個(gè)變量P值為1，后一次小 于前一次則將巧己為0,當(dāng)Ρ由1變?yōu)榧哟缬洰?dāng)前恥f值為Κ，按照恥3=化f/K進(jìn)行幅值縮放使恥f幅 值為1記為恥3,然后按照公式Fi = arcsin(-恥3) · 60A+30得到信號(hào)Fi。然后，不斷比較前后 兩次計(jì)算得到的Fi，若后一次的Fi小于前一次Fi，則給后一次的Fi取反再加上120，按照運(yùn)一 方法即得到3段電角度為周期的連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)θι。
[0037] 2、磁鏈基/Ξ次波組合優(yōu)化無刷直流電機(jī)位置連續(xù)檢測(cè)方法。其特征在于:通過傳 感器分別檢測(cè)電機(jī)Ξ相電壓和Ξ相電流，并進(jìn)行3-2坐標(biāo)變換將Ξ相電壓、電流轉(zhuǎn)換為兩相 靜止坐標(biāo)系下的電壓和電流，進(jìn)一步計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈基波在α軸和β軸方向的分量 恥。、帖，貝峭到受電機(jī)電抗變化影響的連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)
[0038] 3、磁鏈基/Ξ次波組合優(yōu)化無刷直流電機(jī)位置連續(xù)檢測(cè)方法。其特征在于:使用轉(zhuǎn) 子磁鏈基波信號(hào)得到的連續(xù)位置信號(hào)配合Ξ次諧波信號(hào)通過邏輯運(yùn)算得到的轉(zhuǎn)子位置信 號(hào)，W基波信號(hào)得到的大致轉(zhuǎn)子位置信號(hào)θτ為根據(jù)，當(dāng)〇<0r<12〇時(shí)，令θ = θι，當(dāng)120<θτ< 240時(shí)，令θ = θι+120,當(dāng)24〇<0r<36〇時(shí)，令θ = θι+240。從而可W得到不受電機(jī)電抗變化影 響的全周期360°電角度連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。其中在120°、240°和360° (0°)運(yùn)幾個(gè)位置由于 基波磁鏈由電抗變化引起的位置信號(hào)誤差所W會(huì)帶來相應(yīng)的誤差，但運(yùn)幾個(gè)位置至少與電 機(jī)換向的關(guān)鍵位置相差30°，所W對(duì)無刷直流電機(jī)的控制甚至一定的超前導(dǎo)通控制不造成 影響。
[0039] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例，如圖1、圖2所示，電機(jī)采用繞組星型連接Ξ相六狀態(tài)的控 制方式，提供了一種應(yīng)用于無位置傳感器無刷直流電機(jī)連續(xù)位置檢測(cè)的新方法。本發(fā)明包 括：由硬件電路得到轉(zhuǎn)子磁鏈基波和Ξ次諧波信號(hào)，由軟件計(jì)算得到準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)子位置角。
[0040] 步驟一：引出電機(jī)繞組中性點(diǎn)，通過硬件電路計(jì)算電機(jī)反電勢(shì)Ξ次諧波，計(jì)算公式 如下：
[0041 ] Ua+Ub+Uc = ea+eb+ec = U3+Uh (1)
[0042] 其中，Ua、Ub、Uc為電機(jī)Ξ相相電壓，Uh為高于Ξ次的高次諧波分量，其占比例很小 忽略不計(jì)。ea、eb、ec為電機(jī)Ξ相反電勢(shì)。對(duì)反電勢(shì)Ξ次諧波進(jìn)行積分，得到轉(zhuǎn)子磁鏈Ξ次諧 波Φ3? :
[0043] φ3? = /u3dt (2)
[0044] 步驟二:如圖4所示對(duì)得到的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈Ξ次諧波信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。不斷比較 前后兩次計(jì)算得到的Φ3?值，若后一次的值大于前一次則記一個(gè)變量Ρ值為1，后一次小于前 一次則將巧己為0，當(dāng)Ρ由1變?yōu)?時(shí)記當(dāng)前化f值為Κ，按照恥3=化f/Κ進(jìn)行幅值縮放使化f幅值為 1記為恥3,按照公式3進(jìn)行處理得到如圖4中所示的Ξ次諧波值邏輯運(yùn)算中間過程波形信號(hào)， 計(jì)算公式如下：
[0045] Fi = arcsin(-itf3) · 60A+30 (3)
[0046] 然后，不斷比較前后兩次計(jì)算得到的Fi，若后一次的Fi小于前一次Fi，則給后一次 的Fi取反再加上120,得到圖4中Ξ次諧波邏輯運(yùn)算結(jié)果的波形，即得到電角度為周 期的連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)曰1。
[0047] 步驟通過傳感器檢測(cè)電機(jī)Ξ相電壓Ua、化和UcW及Ξ相電流Ia、Ib及Ic。對(duì)Ξ相 電壓和電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，如圖3所示。將電壓和電流從a-b-cS相坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換為α-β兩相 靜止坐標(biāo)系下的電壓U。、化和電流Ia、Ie。通過硬件電路計(jì)算電機(jī)繞組中的定子磁鏈?zhǔn)噶縒s 在α-β兩相靜止坐標(biāo)系下的分量恥a、4se，R為電機(jī)相電阻，計(jì)算公式為：
[004引
（4)
[0049] 定子磁鏈?zhǔn)噶縒s由兩部分構(gòu)成，一部分是轉(zhuǎn)子磁體勵(lì)磁產(chǎn)生Ψ?，另一部分是電樞 反應(yīng)LsIa、LsIe。運(yùn)里，電感Ls是常數(shù)，由電機(jī)決定。通過硬件電路計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在α-β兩相靜 止坐標(biāo)系下的分量恥。、帖，如圖5所示。計(jì)算公式為：
[00 加]
(5)
[0051]轉(zhuǎn)子位置θτ即d軸與a軸的夾角，如圖3所示?？捎上率脚袛啵?br>[0化2]
[0053 ]如圖3、5所示可得轉(zhuǎn)子位置角度：
[0054]
巧）
[0055] 步驟四：如圖6所示，綜合利用電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈Ξ次諧波和基波進(jìn)行位置檢測(cè)，如圖6 W基波信號(hào)得到的大致轉(zhuǎn)子位置信號(hào)為根據(jù)，當(dāng)0<er<120時(shí)，令θ = θι，當(dāng)120<θτ<240 時(shí)，令目=目1+120，當(dāng)240< 0r<360時(shí)，令目=目1巧40，從而可W得到不受電機(jī)電抗變化影響的 全周期連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)Θ。其中在120°、240°和360° (0°)運(yùn)幾個(gè)位置由于基波磁鏈由電抗 變化引起的位置信號(hào)誤差所W會(huì)帶來相應(yīng)的誤差，但運(yùn)幾個(gè)位置至少與電機(jī)換向的關(guān)鍵位 置相差30%所W對(duì)無刷直流電機(jī)的控制甚至一定的超前導(dǎo)通控制不造成影響。
[0056]由圖6中得到的電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)可知，使用本發(fā)明的方法可W準(zhǔn)確地得到 所需連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信息，通過對(duì)Ξ次諧波信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算解決了 Ξ次諧波過零檢測(cè)不能 檢測(cè)連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的問題，利用轉(zhuǎn)子磁鏈基波解決了 Ξ次諧波檢測(cè)周期只有電機(jī)旋轉(zhuǎn) 周期的Ξ分之一的問題，從而準(zhǔn)確的控制開關(guān)管的開關(guān)與電機(jī)的換相，使得無刷直流電機(jī) 在無位置傳感器的情況下能夠具有非常好的運(yùn)行性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種磁鏈基/三次波組合優(yōu)化無刷直流電機(jī)位置連續(xù)檢測(cè)方法，其特征在于步驟如 下： 步驟1:在電機(jī)完成起動(dòng)，進(jìn)入運(yùn)行階段后計(jì)算出反電勢(shì)三次諧波： Ua+Ub+Uc = ea+eb+ec = U3+Uh (1) uh為高于三次的高次諧波分量，其占比例很小忽略不計(jì)，然后對(duì)反電勢(shì)三次諧波進(jìn)行積 分，得到轉(zhuǎn)子磁鏈三次諧波： ifef = Ju3dt (2) 其中，Ua、Ub、Uc為電機(jī)三相相電壓； 步驟2、對(duì)得到的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈三次諧波信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算:不斷比較前后兩次計(jì)算得 到的fcf值，若后一次的值大于前一次則記一個(gè)變量P值為1，后一次小于前一次則將P記為0， 當(dāng)P由1變?yōu)?時(shí)記當(dāng)前值為K，按照fe=ifef/K進(jìn)行幅值縮放使ifef幅值為1記為fe;按照下 述公式進(jìn)行處理得到三次諧波邏輯運(yùn)算中間過程波形信號(hào)： Fi = arcsin(-itf3) · 60A+30 (3) 然后，不斷比較前后兩次計(jì)算得到的h，若后一次的h小于前一次h，則給后一次的^取 反再加上120,得到以120°電角度為周期的連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)θ1; 步驟3:對(duì)采樣得到的電機(jī)三相電壓Ua、Ub和Uc以及三相電流I a、Ib及I。進(jìn)行坐標(biāo)變換，將 電壓和電流從a-b-C三相坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換為α_β兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓Ua、Uf!和電流Ια、Ι?!， 再計(jì)算電機(jī)繞組中的定子磁鏈?zhǔn)噶筷?duì)在兩相靜止坐標(biāo)系下的分量為電機(jī)相電 阻:計(jì)算公式為：定子磁鏈?zhǔn)噶坑蓛刹糠謽?gòu)成，一部分是轉(zhuǎn)子磁體勵(lì)磁產(chǎn)生Ψ?，另一部分是電樞反應(yīng) LsIc^LsIfi，電感Ls是電機(jī)的常數(shù)； 計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在兩相靜止坐標(biāo)系下的分量轉(zhuǎn)子位置即d軸與a軸的夾角，由下式判斷：步驟4、利用電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈三次諧波和基波進(jìn)行位置檢測(cè)：當(dāng)〇<0r<12〇時(shí)，令0 = 0:，當(dāng) 12〇<0r<24〇時(shí)，令0 = 01+12〇，當(dāng)24〇<01<36〇時(shí)，令0 = 01+24〇，得到不受電機(jī)電抗變化影 響的全周期連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)Θ。
【文檔編號(hào)】H02P21/28GK106059437SQ201610368298
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】竇滿峰, 蘇超, 譚博, 趙冬冬, 方淳
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)