无刷直流电机的换相方法、装置和无刷直流电机系统

1.本公开涉及无刷电机技术领域，尤其涉及一种无刷直流电机的换相方法、装置和无刷直流电机系统。


背景技术：

2.无刷直流电机的无位置传感器的换相方法，无需采用三路霍尔信号或者编码器等位置传感器，避免位置传感器安装引入换相误差，提高换相系统的可靠性。然而，无位置传感器换相技术在具体实现时，低通滤波器的使用以及软、硬件环节中的延迟等，会引入换相误差。换相误差的存在会降低换相控制的精度，增大电流的波动，引起转矩脉动，严重影响电机运行效率，因此，需对换相误差进行较准确地判断和提取，并进行补偿。
3.现有技术中，采用积分或采样的方法，将换相点前后的电压、电流或积分偏差作为换相误差的反馈量，并进行误差补偿；或通过对磁链与电流进行积分，再利用脉冲进行换相误差角度提取，并进行误差补偿。
4.然而，采用上述方法，均无法获得比较准确的换相误差，导致换相的精度降低。


技术实现要素：

5.本公开提供了一种无刷直流电机的换相方法、装置和无刷直流电机系统，能够获得比较准确的换相误差以校正换相，从而提高换相的精度。
6.第一方面，本公开提供了一种无刷直流电机的换相方法，包括：
7.获取两相静止坐标系下所述无刷直流电机的目标相反电动势和目标相电流；
8.基于同频提取器滤除所述目标相反电动势中的多次谐波和所述目标相电流中的多次谐波，得到相反电动势基波和相电流基波；
9.根据所述相反电动势基波和所述相电流基波，构造所述无刷直流电机的换相误差；
10.根据所述换相误差，校正所述无刷直流电机的换相。
11.可选的，所述获取两相静止坐标系下无刷直流电机的相反电动势和相电流之前，还包括：
12.获取三相静止坐标系下，三相绕组的端电压，所述无刷直流电机包括所述三相绕组；
13.根据所述三相绕组的端电压，确定所述三相绕组的相反电动势。
14.可选的，所述获取两相静止坐标系下，所述无刷直流电机的目标相反电动势，包括：
15.基于坐标系变换，将所述三相绕组的相反电动势转换为所述目标相反电动势；
16.所述获取两相静止坐标系下，所述无刷直流电机的目标相电流，包括：
17.基于所述坐标系变换，将所述三相静止坐标系下的所述三相绕组的相电流转换为所述目标相电流。
18.可选的，其特征在于，所述根据所述相反电动势基波和所述相电流基波，构造所述无刷直流电机的换相误差，包括：
19.基于双锁相环结构，根据所述相反电动势基波，确定反电动势基波相位角；
20.基于所述双锁相环结构，根据所述相电流基波，确定电流基波相位角；
21.根据所述反电动势基波相位角和所述电流基波相位角，构造所述换相误差。
22.可选的，其特征在于，所述根据所述换相误差，校正所述无刷直流电机的换相，包括：
23.根据所述换相误差的积分、积分系数、所述换相误差和增益系数，确定换相误差补偿量；
24.根据所述换相误差补偿量和过零点信号，确定换相信号；
25.根据所述换相信号，控制所述无刷直流电机换相。
26.可选的，所述根据所述相反电动势基波，确定反电动势基波相位角，包括：
27.在如下公式为零的情况下，确定所述反电动势基波相位角θe：
[0028][0029]
其中，a
e1
为相反电动势基波，为反电动势基波相位角的估计值；
[0030]
所述根据所述相电流基波，确定电流基波相位角，包括：
[0031]
在如下公式为零的情况下，确定所述电流基波相位角θi：
[0032][0033]
其中，a
i1
为电流基波，为电流基波相位角的估计值。
[0034]
可选的，所述根据所述反电动势基波相位角和所述电流基波相位角，构造所述换相误差，包括：
[0035]
根据如下公式构造所述换相误差θ
dif
：
[0036]
θ
dif
＝θ
e-θi[0037]
其中，θe为反电动势基波相位角，θi为电流基波相位角。
[0038]
可选的，所述根据所述换相误差的积分、积分系数、所述换相误差和增益系数，确定换相误差补偿量，包括：
[0039]
根据如下公式确定所述换相误差补偿量θ
com
：
[0040]
θ
com
＝k
p
(θ
dif
ki∫θ
dif
dt)
[0041]
其中，k
p
为增益系数，ki为积分系数，θ
dif
为换相误差。
[0042]
第二方面，本公开提供了一种无刷直流电机的换相装置，包括：
[0043]
采集模块，用于获取两相静止坐标系下，所述无刷直流电机的目标相反电动势和目标相电流；
[0044]
滤波提取模块，用于基于同频提取器滤除所述目标相反电动势中的多次谐波和所述目标相电流中的多次谐波，得到相反电动势基波和相电流基波；
[0045]
换相误差构造模块，用于根据所述相反电动势基波和所述相电流基波，构造所述无刷直流电机的换相误差；
[0046]
换相校正模块，用于根据所述换相误差，校正所述无刷直流电机的换相。
[0047]
第三方面，本公开提供了一种无刷直流电机系统，包括：无刷直流电机、三相全桥和第二方面提供的换相装置。
[0048]
本公开提供的技术方案中，通过获取两相静止坐标系下无刷直流电机的目标相反电动势和目标相电流；基于同频提取器滤除目标相反电动势中的多次谐波和目标相电流中的多次谐波，得到相反电动势基波和相电流基波；根据相反电动势基波和相电流基波，构造无刷直流电机的换相误差；根据换相误差，校正无刷直流电机的换相，由于同频提取器不会对相反电动势基波和相电流基波的相位造成影响，因此，基于同频提取器得到的换相误差比较准确，如此，基于换相误差进行换相校正，使得无刷直流电机的换相比较准确，从而能够提升换相的精度。
附图说明
[0049]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
[0050]
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0051]
图1为本公开提供的一种无刷直流电机系统的结构示意图；
[0052]
图2为本公开提供的一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图；
[0053]
图3为本公开提供的一种同频提取器的结构示意图；
[0054]
图4为本公开提供的另一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图；
[0055]
图5为本公开提供的又一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图；
[0056]
图6为本公开提供的又一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图；
[0057]
图7为本公开提供的一种双锁相环结构的结构示意图；
[0058]
图8为本公开提供的又一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图；
[0059]
图9为本公开提供的又一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图；
[0060]
图10为本公开提供的又一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图；
[0061]
图11为本公开提供的又一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图；
[0062]
图12为本公开提供的一种无刷直流电机的换相装置的结构示意图。
具体实施方式
[0063]
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0064]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0065]
图1为本公开提供的一种无刷直流电机系统的结构示意图，如图1所示，无刷直流电机系统100包括：无刷直流电机110、三相全桥120换相装置130，其中，三相全桥120的控制端与换相装置130的输出端电连接，三相全桥120与无刷直流电机110电连接，换相装置130
的输入端与无刷直流电机110电连接。
[0066]
示例性的，三相全桥120中包括六个开关，各开关受控于换相信号，三相全桥120的三个输出端分别与无刷直流电机110中的三相绕组电连接。三相全桥120可以相换相信号，控制自身开关的通断，使得同一时刻三相绕组中的任意两相导通，一相悬空，从而驱动无刷直流电机110运转。
[0067]
换相装置130可以用于执行本公开中的任意方法实施例，下面以几个具体实施例对此进行详细描述：
[0068]
图2为本公开提供的一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图，如图2所示，包括：
[0069]
s101，获取两相静止坐标系下所述无刷直流电机的目标相反电动势和目标相电流。
[0070]
电机控制领域中，包括静止坐标系和旋转坐标系，其中，静止坐标系包括两相静止坐标系和三相静止坐标系，两相静止坐标系即αβ坐标系，三相静止坐标系即abc坐标系，旋转坐标系为两相旋转坐标系，即dq坐标系。基于不同的坐标系，可以建立不同的数学模型，使得在不同的使用场景中，方便进行电机控制。
[0071]
在两相静止坐标系(αβ坐标系)下，无刷直流电机对应有α相反电动势e
αh
和β相反电动势e
βh
，即目标相反电动势，以及α相电流i
αh
和β相电流i
βh
，即目标相电流。示例性的，可以基于三相静止坐标系(abc坐标系)下，无刷直流电机的三相端电压，确定出α相反电动势e
αh
和β相反电动势e
βh
，无刷直流电机的三相电流，确定出α相电流i
αh
和β相电流i
βh
。在其他实施方式中，还可以基于两相旋转坐标系(dq坐标系)下，无刷直流电机的d相反电动势和q相反电动势，确定出α相反电动势e
αh
和β相反电动势e
βh
，无刷直流电机的d相电流和q相电流，确定出α相电流i
αh
和β相电流i
βh
。
[0072]
s102，基于同频提取器滤除所述目标相反电动势中的多次谐波和所述目标相电流中的多次谐波，得到相反电动势基波和相电流基波。
[0073]
示例性的，基于傅里叶分解，目标反电动势可以表示为公式(1)：
[0074][0075]
其中，e
αh
为α相反电动势，e
βh
为β相反电动势，a
en
为目标相反电动势的n次系数，n为大于等于1的正整数，若n＝1，公式(1)即为目标相反电动势中的相反电动势基波的表达式；若n≥2，公式(1)即为目标相反电动势中的相反电动势多次谐波的叠加的表达式。
[0076]
示例性的，基于傅里叶分解，目标相电流可以表示为公式(2)：
[0077][0078]
其中，i
αh
为α相电流，i
βh
为β相电流，a
in
为目标相电流的n次系数，n为大于等于1的正整数，若n＝1，公式(2)即为目标相电流中的相电流基波的表达式；若n≥2，公式(2)即为目标相电流中的相电流多次谐波的叠加的表达式。
[0079]
图3为本公开提供的一种同频提取器的结构示意图，如图3所示，同频提取器的输入信号为目标相反电动势/目标相电流，若同频提取器输入信号为目标相反电动势，则输出
信号为目标相反电动势中的相反电动势基波，可以表示为公式(3)：
[0080][0081]
其中，f
eα
为α相反电动势对应的输出信号，f
eβ
为β相反电动势对应的输出信号，e
α
为α相反电动势基波，e
β
为β相电动势基波。
[0082]
若同频提取器输入信号为目标相电流，则输出信号为目标相电流中的相电流基波，可以表示为公式(4)：
[0083][0084]
其中，f
iα
为α相电流对应的输出信号，f
iβ
为β相电流对应的输出信号，i
α
为α相电流基波，i
β
为β相电流基波。
[0085]
基于上述实施例可知，同频提取器能够滤除输入信号中的多次谐波，从而使得输出信号中仅包括相反电动势基波和相电流基波。此外，同频提取器在所提取频率处无幅值衰减、无相位延迟，如此能够保持相反电动势基波和相电流基波的幅值和相位，从而能够避免引入额外的误差，得到比较准确的换相误差。
[0086]
s103，根据所述相反电动势基波和所述相电流基波，构造所述无刷直流电机的换相误差。
[0087]
反电动势基波和电流基波的相位差，可以从根本上反映出各种换相误差的叠加效果，而基于相反电动势基波和相电流基波，可以确定出反电动势基波和电流基波的相位差，即换相误差。如此，本公开中的换相误差包括内功率因数角引起的换相误差，内功率因数角是指反电动势和电流矢量之间的夹角，电磁转矩与反电动势和电流成正相关，当反电动势与电流矢量之间存在一定夹角时，导致两者矢量乘积值变小，从而降低了电机转矩，只有当内功率因数角为零时，才能获得最大转矩。故而，得到的换相误差包括多方面因素引起的换相误差，使得换相误差比较准确。
[0088]
s104，根据所述换相误差，校正所述无刷直流电机的换相。
[0089]
根据换相误差可以得到三相换相信号，即a相换相信号、b相换相信号和c相换相信号，基于a相换相信号、b相换相信号和c相换相信号，通过三相全桥可以控制无刷直流电机进行换相。如此，在考虑换相误差的前提下，实现对无刷直流电机的换相控制，使得无刷直流电机的换相比较准确。
[0090]
本实施例中，通过获取两相静止坐标系下无刷直流电机的目标相反电动势和目标相电流；基于同频提取器滤除目标相反电动势中的多次谐波和目标相电流中的多次谐波，得到相反电动势基波和相电流基波；根据相反电动势基波和相电流基波，构造无刷直流电机的换相误差；根据换相误差，校正无刷直流电机的换相，由于同频提取器不会对相反电动势基波和相电流基波的相位造成影响，因此，基于同频提取器得到的换相误差比较准确，如此，基于换相误差进行换相校正，使得无刷直流电机的换相比较准确，从而能够提升换相的精度。
[0091]
图4为本公开提供的另一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图，图4为图2所示实施例的基础上，执行s101之前，还包括：
[0092]
s201，获取三相静止坐标系下，三相绕组的端电压和所述三相绕组的相电流。
[0093]
所述无刷直流电机包括所述三相绕组。
[0094]
示例性的，无刷直流电机包括a相绕组、b相绕组和c相绕组。三相静止坐标系下，无刷直流电机的平衡方程如下：
[0095][0096]
其中，l为无刷直流电机的等效相电感，r为无刷直流电机的相电阻，ea为a相反电动势、eb为b相反电动势、ec为c相反电动势，n为无刷直流电机中绕组的中性点，ia为a相电流、ib为b相电流、ic为c相电流，t为时间，ua为a相绕组的端电压，ub为b相绕组的端电压、uc为c相绕组的端电压，un为三相绕组的中性点电压。
[0097]
s202，根据所述三相绕组的端电压，确定所述三相绕组的相反电动势。
[0098]
根据公式(5)可以得到相反电动势，如公式(6)所示：
[0099][0100]
高速无刷直流电机中的电感非常小，在运行时，相电流的变化量也非常小，因此可以忽略公式(6)中的电感项，相反电动势可由三相绕组的端电压、中性点电压的差值估计得到，如公式(7)所示：
[0101][0102]
在a相绕组悬空时，a相电流ia为0，u
a-un等于a相反电动势ea，在b相绕组悬空时，b相电流ib为0，u
b-un等于b相反电动势eb，在c相绕组悬空时，c相电流ic为0，u
c-un等于c相反电动势ec，因此，根据a相端电压ua、b相端电压ub、c相端电压ub和中性点电压un估计出a相反电动势ea、b相反电动势eb和c相反电动势ec。
[0103]
图5为本公开提供的又一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图，图5为图4所示实施例的基础上，执行s101时的一种可能的实现方式的具体描述：
[0104]
s1011，基于坐标系变换，将所述三相绕组的相反电动势转换为所述目标相反电动势。
[0105]
示例性的，基于克拉克(clark)变换，根据公式(8)可以将abc坐标系下的相反电动势，转换为αβ坐标系下的目标相反电动势：
[0106]
[0107]
其中，e
αh
为α相反电动势，e
βh
为β相反电动势。
[0108]
s1012，基于所述坐标系变换，将所述三相静止坐标系下的所述三相绕组的相电流转换为所述目标相电流。
[0109]
示例性的，基于克拉克(clark)变换，根据公式(9)可以将abc坐标系下的相电流，转换为αβ坐标系下的目标相电流：
[0110][0111]
其中，i
αh
为α相电流，i
βh
为β相电流。
[0112]
图6为本公开提供的又一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图，图6为图2所示实施例的基础上，执行s103时的一种可能的实现方式的具体描述：
[0113]
s301，基于双锁相环结构，根据所述相反电动势基波，确定反电动势基波相位角。
[0114]
图7为本公开提供的一种双锁相环结构的结构示意图，如图7所示，双锁相环结构包括四个输入端，分别用于接收α相反电动势基波、β相反电动势基波、α相电流基波和β相电流基波。双锁相环结构基于接收到的α相反电动势基波和接收到的β相反电动势基波，确定反电动势基波相位角。
[0115]
作为执行s301时的一种可能的实现方式的具体描述，如图8所示：
[0116]
s301’，在公式(10)为零的情况下，确定所述反电动势基波相位角θe：
[0117][0118]
其中，a
e1
为相反电动势基波，为反电动势基波相位角的估计值，εe为反电动势基波相位角的估计值与反电动势基波相位角的偏差。在εe闭环控制为0时，达到锁相目的，如此，基于双锁相环结构确定的即可以作为反电动势基波相位角。
[0119]
s302，基于所述双锁相环结构，根据所述相电流基波，确定电流基波相位角。
[0120]
双锁相环结构可以基于接收到的α相电流基波和接收到的β相电流基波，确定电流基波相位角。
[0121]
作为执行s302时的一种可能的实现方式的具体描述，如图9所示：
[0122]
s302’，在公式(11)为零的情况下，确定所述电流基波相位角θi：
[0123][0124]
其中，a
i1
为相电流基波，为电流基波相位角的估计值，εi为电流基波相位角的估计值与电流基波相位角的偏差。在εi闭环控制为0时，达到锁相目的，如此，基于双
锁相环结构确定的即可以作为电流基波相位角。
[0125]
s303，根据所述反电动势基波相位角和所述电流基波相位角，构造所述换相误差。
[0126]
基于反电动势基波相位角θe和电流基波相位角θi，即双锁相环结构确定的和根据和的差值，可以得到反电动势基波相位角和电流基波相位角的相位差，将该相位差作为无刷直流电机的换相误差，即根据公式(12)构造所述换相误差θ
dif
：
[0127][0128]
图10为本公开提供的又一种无刷直流电机的换相方法的流程示意图，图10为图2所示实施例的基础上，执行s104时的一种可能的实现方式的具体描述，如下：
[0129]
s401，根据所述换相误差的积分、积分系数、所述换相误差和增益系数，确定换相误差补偿量。
[0130]
比例积分(proportionalintegral，pi)控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。将换相误差作为控制偏差，可以基于增益系数和积分系数，确定换相误差的积分项的系数和换相误差的系数，基于这两个系数将换相误差的积分和换相误差进行线性组合，得到换相误差的补偿量。
[0131]
作为执行s401时的一种可能的实现方式的具体描述，如图11所示：
[0132]
s401’，根据公式(13)确定所述换相误差补偿量θ
com
：
[0133]
θ
com
＝k
p
(θ
dif
ki∫θ
dif
dt)(13)
[0134]
其中，k
p
为增益系数，ki为积分系数，θ
dif
为换相误差。
[0135]
s402，根据所述换相误差补偿量和过零点信号，确定换相信号。
[0136]
在无换相误差的情况下，过零点信号延迟π/6即为换相点，但是实际的无刷直流电机系统中，存在换相误差，此时换相点为过零点信号延迟θ
com
π/6，如此可以得到新的换相信号。
[0137]
s403，根据所述换相信号，控制所述无刷直流电机换相。
[0138]
基于换相逻辑控制表，换相信号可以控制三相全桥中六个开关的通断状态，使得同一时刻三相绕组中的任意两相导通，一相悬空，从而驱动无刷直流电机进行换相，实现无刷直流电机的运转。
[0139]
本公开还提供了一种无刷直流电机的换相装置，图12为本公开提供的一种无刷直流电机的换相装置的结构示意图，如图12所示，换相装置包括：
[0140]
采集模块210，用于获取两相静止坐标系下，所述无刷直流电机的目标相反电动势和目标相电流。
[0141]
滤波提取模块220，用于基于同频提取器滤除所述目标相反电动势中的多次谐波和所述目标相电流中的多次谐波，得到相反电动势基波和相电流基波。
[0142]
换相误差构造模块230，用于根据所述相反电动势基波和所述相电流基波，构造所述无刷直流电机的换相误差。
[0143]
换相校正模块240，用于根据所述换相误差，校正所述无刷直流电机的换相。
[0144]
可选的，采集模块210，还用于获取三相静止坐标系下，三相绕组的端电压，所述无
刷直流电机包括所述三相绕组；根据所述三相绕组的端电压，确定所述三相绕组的相反电动势。
[0145]
可选的，采集模块210，进一步用于基于坐标系变换，将所述三相绕组的相反电动势转换为所述目标相反电动势；基于所述坐标系变换，将所述三相静止坐标系下的所述三相绕组的相电流转换为所述目标相电流。
[0146]
可选的，换相误差构造模块230，进一步用于基于双锁相环结构，根据所述相反电动势基波，确定反电动势基波相位角；基于所述双锁相环结构，根据所述相电流基波，确定电流基波相位角；根据所述反电动势基波相位角和所述电流基波相位角，构造所述换相误差。
[0147]
可选的，换相校正模块240，进一步用于根据所述换相误差的积分、积分系数、所述换相误差和增益系数，确定换相误差补偿量；根据所述换相误差补偿量和过零点信号，确定换相信号；根据所述换相信号，控制所述无刷直流电机换相。
[0148]
可选的，换相误差构造模块230，进一步用于在公式(10)为零的情况下，确定所述反电动势基波相位角θe；在公式(11)为零的情况下，确定所述电流基波相位角θi。
[0149]
可选的，换相误差构造模块230，进一步用于根据公式(12)构造所述换相误差θ
dif
。
[0150]
可选的，换相校正模块240，进一步用于根据公式(13)确定所述换相误差补偿量θ
com
。
[0151]
本实施例提供的换相装置用于执行上述任一方法实施例的步骤，具体被方法实施例相应的功能模块和有益效果，这里不再赘述。
[0152]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
…”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0153]
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。