无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法与流程

1.本发明适用于无刷电机无位置传感器控制技术领域，具体而言，涉及一种无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法。


背景技术：

2.在无刷电机无位置传感器控制系统中，为了实现电机能够平稳运行，首先需要估算转子的准确位置信息，从而实现电机精确换相。在工程应用中，为了准确检测电机转子的位置信息，一般采用相反电势法，将相反电动势过零点延迟30
°
电角度作为电机的换相点，这种方法电路结构简单、成本低，但是该方法会造成较大的换相误差，使得电机不能准确换相，而且不能满足不同灸载、不同工况下的高性能运行，尤其是负载和转速变化大的应用情况下，换相点检测和换相角补偿算法的适应性不好，会导致系统的运行鲁棒性不高。为了解决上述问题，国内外学者和工程师提出了很多基于电感和观测器的检测方法等，它们的优点是位置检测准确，但是既导致了系统算法复杂，也会让电路结构复杂化、系统响应变慢等。


技术实现要素：

3.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法，本发明无需延时电路和重构中性点，再结合最小二乘法拟合出相移角与转速的关系，能够自适应实时地检测相移角并进行快速补偿，满足不同转速和负载情况下的电机准确换相，能够降低系统的转矩脉动。相比于其他方法，本发明既降低了检测电路的复杂性，也简化了换相补偿算法，能够对换相误差自适应实时进行修正，进而使得无刷电机无位置传感器控制性能更优越。
4.本发明的技术方案是：无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法，步骤如下：
5.1)采集各相绕组电压、电流信号，根据线反电动势公式，计算出线反电动势和转速，并根据搭建的线反电动势检测电路实时解算出过零点角度；
6.2)根据转速进行换相角的自适应地实时计算，用最小二乘法拟合出相移角误差最小的换相角α；
7.3)再结合60
°-
α或者(120
°-
α)的方式进行换相补偿；
8.4)通过pwm调制获得换相角度更加准确的电压控制信号；
9.5)实现无刷电机无位置传感器控制的准确换相。
10.步骤1)中线反电动势和转速计算过程具体如下：
11.无刷电机定子三相绕组的计算公式：
[0012][0013]
式中，v
a
，v
b
，v
c
分别为三相定子端电压；r为定子相绕组，并且假设三相绕组都相等；l为定子有效电感，且假设三相电感都相等；i
a
，i
b
，i
c
为定子相电流；e
a
，e
b
，e
c
为三相反电动势。
[0014]
根据上述公式可推导出三相线反电动势的公式：
[0015][0016]
根据式(2)搭建线反电动势检测电路，实时检测线反电动势的过零点角度。
[0017]
根据线反电动势可以计算出电机当前角速度：
[0018]
ω＝e
xy
/k
e
(rad/s)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0019]
进而可获得电机当前转速：
[0020]
n＝60*ω/2π(rpm)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021]
式中，x和y分别为两相标号，可分别为a，b，c；k
e
为无刷电机的反电动势系数。
[0022]
步骤2)中的根据转速自适应拟合换相角α的过程如下：
[0023]
根据最小二乘法原理：设相移角与转速的关系为α＝a bn，设其实际关系为由最小二乘法原理可知，如若参数a和b达到最优解，需其误差的平方和为最小即可：
[0024][0025]
由上式分别对a和b求偏导并令其为零，便可求得关于a和b方程组的最小值：
[0026]
[0027]
接下来，根据步骤3)换相补偿之后的线反电动势过零点与理论霍尔信号进行对比，可以设定无刷电机的换相信号，进而可得线反电动势过零点与导通开关管之间的关系见表1：
[0028]
表1
[0029][0030]
本发明与现有技术相比优点在于：
[0031]
(1)本发明无需延时电路，也无需重构出三相虚拟中性点，这样就显著地降低了检测电路的复杂性；
[0032]
(2)能够自适应实时地检测出相移角并进行快速补偿，能够满足不同转速和负载情况下的电机准确换相；
[0033]
(3)既简化了换相补偿算法，也能够对换相误差进行自适应实时地修正，降低了系统的转矩脉动，进而使得无刷电机无位置传感器控制性能更优越。
附图说明
[0034]
图1是本发明方法的流程图。
[0035]
图2是应用本发明方法的无刷电机无位置传感器控制技术结构框图。
具体实施方式
[0036]
本发明解算转子位置和换相误差自适应实时修正流程见图1，应用系统结构框图见图2，具体步骤为：
[0037]
1)采集各相绕组电压、电流信号，根据线反电动势公式，计算出线反电动势和转速，并根据搭建的线反电动势检测电路实时解算出过零点角度；
[0038]
2)根据转速进行换相角的自适应地实时计算，用最小二乘法拟合出相移角误差最小的换相角α；
[0039]
3)再结合60
°-
α或者(120
°-
α)的方式进行换相补偿；
[0040]
4)通过pwm调制获得换相角度更加准确的电压控制信号；
[0041]
5)实现无刷电机无位置传感器控制的准确换相。
[0042]
步骤1)中线反电动势和转速计算过程具体如下：
[0043]
无刷电机定子三相绕组的计算公式：
[0044][0045]
式中，v
a
，v
b
，v
c
分别为三相定子端电压；r为定子相绕组，并且假设三相绕组都相等；l为定子有效电感，且假设三相电感都相等；i
a
，i
b
，i
c
为定子相电流；e
a
，e
b
，e
c
为三相反电动势。
[0046]
根据上述公式可推导出三相线反电动势的公式：
[0047][0048]
根据式(2)搭建线反电动势检测电路，实时检测线反电动势的过零点角度。
[0049]
根据线反电动势可以计算出电机当前角速度：
[0050]
ω＝e
xy
/k
e
(rad/s)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0051]
进而可获得电机当前转速：
[0052]
n＝60*ω/2π(rpm)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0053]
式中，x和y分别为两相标号，可分别为a，b，c；k
e
为无刷电机的反电动势系数。
[0054]
步骤2)中的根据转速自适应拟合换相角α的过程如下：
[0055]
根据最小二乘法原理：假设相移角与转速的关系为α＝a bn，并假设其实际关系为由最小二乘法原理可知，如若参数a和b达到最优解，只需令其误差的平方和为最小即可：
[0056][0057]
将上式对a和b分别求偏导并令其为零，便可求得关于a和b方程组的最小值：
[0058][0059]
接下来，根据步骤3)换相补偿之后的线反电动势过零点与理论霍尔信号进行对比，可以设定无刷电机的换相信号，进而可得线反电动势过零点与导通开关管之间的关系见表1：
[0060]
表1
[0061][0062]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。