一種可自動補償霍爾偏差的抑制無刷直流電機換相轉矩脈動的方法與流程

2023-06-12 11:57:01 3

本發明涉及無刷直流電機控制領域，具體來說是一種可自動補償霍爾偏差的抑制無刷直流電機換相轉矩脈動的方法。

背景技術：

無刷直流電機是以電子換相來代替機械換相的直流電機，它保持了直流電機的優良特性，具有較好的啟動和調速特性，具有結構簡單、轉速範圍廣、功率密度大等優點，其在航天、電動機車、家電、工業自動化系統方面有廣泛應用。

由於電機繞組中存在電感，換相期間，關斷相電流下降速率與導通相電流上升速率不一致，引起換相轉矩脈動，限制無刷直流電機在高精度低噪音領域的應用。

另一方面，霍爾傳感器理想安裝間隔為120°電角度，但是，由於機械安裝過程中可能存在細微的誤差，導致霍爾傳感器檢測位置信號延遲或提前，影響電機穩定運行。

技術實現要素：

本發明目的在於提供一種可自動補償霍爾偏差的抑制無刷直流電機換相轉矩脈動的方法。

步驟一：檢測霍爾信號上升沿瞬間關斷相電流，與相電流穩定值進行比較，大於穩定值時為延遲放置，反之為提前放置；

步驟二：由關斷相電流關於延遲時間td的表達式獲得延遲角度θd＝ωtd，其中延遲期間佔空比關於延遲時間td的表達式為：檢測關斷相電流從穩定值下降到0的時間間隔，由時間間隔關於提前時間tp的表達式獲得提前角度θp＝ωtp，其中，ubus為母線電壓，i0為相電流穩定值，l是等效電感，e是反電動勢幅值，ω為電機電角速度；

步驟三：獲得最佳延遲角度θd.opt；

步驟四：最佳延遲角度與偏差角度作差，得到補償角度，在下個電周期內進行補償。

2.根據權利要求1所述的一種可自動補償霍爾偏差的抑制無刷直流電機換相轉矩脈動的方法，其特徵在於：

最佳延遲角度的實現步驟如下：

第一步：輸入電機運行參數，及設置換相佔空比為dd.com＝1；

第二步：延遲時間初始化為td＝0；

第三步：按公式求得對應延遲時間下佔空比，按公式求得對應延遲時間下關斷相電流；

第四步：換相時間初始化為tf＝0；

第五步：按公式求換相期間導通相電流；

第六步：換相期間導通相電流與電流穩定值比較，小於時執行第七步，大於時執行第八步；

第七步：換相時間自增一個採樣周期ts，跳至第五步；

第八步：跳出內循環，獲得導通相電流上升到穩定值的時間；

第九步：按公式求導通相電流上升到穩定值瞬間時關斷相電流；

第十步：導通相電流上升到穩定值瞬間時關斷相電流與0比較，小於時執行第十一步，大於時執行第十二步；

第十一步；延遲時間自增一個採樣周期ts，調至第三步；

第十二步：跳出外循環，得到延遲時間即為最佳延遲時間td.opt，從而得到最佳延遲角度θd.opt；

其中，td1為霍爾信號延遲時間，i1為關斷相在換相瞬間時電流值,tf為換相時間變量。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：提供了一種可自動補償霍爾偏差的抑制無刷直流電機換相轉矩脈動的方法。該方法在補償霍爾安裝偏差的同時抑制換相轉矩脈動，提高電機運行效率，方法簡單，易於實現。

附圖說明

圖1為本發明霍爾安裝偏差下抑制無刷直流電機換相轉矩脈動原理控制圖。

圖2為本發明霍爾理想安裝下無刷直流電機控制圖。

圖3為本發明無刷直流電機等效電路圖。

圖4為本發明理想霍爾信號、相電流和反電動勢波形圖。

圖5為本發明霍爾傳感器ha延遲放置控制圖。

圖6為本發明霍爾傳感器ha延遲下三相電流波形圖。

圖7為本發明霍爾傳感器ha提前放置控制圖。

圖8為本發明關霍爾傳感器ha提前下三相電流波形圖。

圖9為本發明最佳延遲角度算法流程圖。

圖10為本發明延遲期間佔空比dd隨延遲角度θd的變化曲線圖。

圖11為本發明延遲期間關斷相電流i1隨延遲角度θd的變化曲線圖。

圖12(a)為本發明補償前a相霍爾傳感器ha延遲3°電角度放置下電流轉矩波形圖。

圖12(b)為本發明補償後a相霍爾傳感器ha延遲3°電角度放置下電流轉矩波形圖。

圖13(a)為本發明補償前a相霍爾傳感器ha提前5°電角度放置下電流轉矩波形圖。

圖13(b)為本發明補償後a相霍爾傳感器ha提前5°電角度放置下電流轉矩波形圖。

圖14(a)為本發明補償前三相霍爾傳感器錯誤放置下電流轉矩波形圖。

圖14(b)為本發明補償後三相霍爾傳感器錯誤放置下電流轉矩波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明：

如圖2所示為霍爾理想安裝下無刷直流電機控制圖，霍爾傳感器檢測轉子磁場變化，形成霍爾信號，通過控制器控制逆變器導通相對應的開關管，驅動電機穩定運行。如圖3、圖4所示，分別為無刷直流電機等效電路圖和理想霍爾信號、相電流和反電動勢波形圖，非換相期間，電流和反電動勢保持恆定，無轉矩脈動；換相期間，由於繞組存在電感，電流不能瞬間變化，從而引起轉矩脈動。

a、單一霍爾傳感器延遲放置錯誤影響分析

以a相霍爾傳感器ha延遲θd.a電角度為例，如圖5所示，電機順時針旋轉，電機由cb相導通(霍爾信號001)向ab相導通(霍爾信號101)換流時，三相電流波形圖如圖6所示，t＝0處表示ha理想放置點，t＝td1處表示ha實際放置點，t＝td2處表示換相結束時刻，霍爾信號延遲時間td＝td1，換相時間tdf＝td2-td1。

(0～td1)延遲期間：

由於霍爾傳感器ha延遲放置，在延遲期間，a相電流為ia＝0，bc相電流保持導通，則反電動勢在延遲期間的表達式為：

假設電機三相對稱，且忽略電機電阻和各種損耗影響，pwm調製模式為上下橋臂同時調製模式(hpwm_lpwm)，則bc相端電壓為：

將式(1)代入式(2)，推導出延遲期間關斷相電流表達式：

由式(1)(3)可推導出延遲期間轉矩表達式為：

其中，ux,ix,ex(x∈{a,b,c})分別是三相定子繞組端電壓，相電流，反電動勢，l是等效電感，un是中性點電位，ω是電機機械角速度，te是電磁轉矩。dd為延遲期間pwm佔空比，ubus為母線電壓，i0為相電流穩定值。

由式(4)可知，延遲期間轉矩大小與佔空比dd和延遲時間td有關，而為了確保在此期間轉矩恆定，即可推導出佔空比dd關於延遲時間td的表達式：

由式(3)(5)可知，關斷相電流在延遲期間不斷上升，在t＝td1處達到最大值。即通過採樣c相在霍爾傳感器ha上升沿處的電流值，通過式(3)(5)可以獲得霍爾傳感器ha的延遲時間td，從而得到霍爾傳感器ha延遲角度θd.a＝ωtd，其中ω為電機電角速度。

(td1～td2)換相期間：

霍爾信號ha由0變為1時，a相電流上升，c相電流由二極體vd2續流，則三相端電壓表達式為：

由於電機運行在高速下，忽略電機換相時間對c相反電動勢的影響，即：

將式(7)代入式(6)，推導出換相期間導通相和關斷相電流關於換相時間的表達式

其中：dd.com為換相期間pwm佔空比，i1為關斷相在t＝td1處的電流值，tf＝t-td1為換相時間變量。

由式(8)可知，在延遲角度一定的情況下，dd.com越大，導通相電流上升到穩定值的時間越短；由式(9)可知，關斷相電流與換相佔空比無關，延遲角度越大，其由i1下降到0的時間越長。因此，為了保證換相轉矩脈動最小且換相時間最短，則關斷相電流下降到0的時間應與導通相電流上升到穩定值的時間一致(tdfa(ia＝i0)＝＝tdfc(ic＝0))，且換相佔空比dd.com＝1，從而推導出滿足上述條件的最佳延遲角度θd.opt，其實現算法如圖9所示，詳細說明在實現補償方法中給出。

其他相霍爾傳感器延遲放置錯誤影響分析與a相霍爾傳感器ha延遲放置原理相同。

b、單一霍爾傳感器提前放置錯誤影響分析

如圖7所示，a相霍爾傳感器ha提前θp.a電角度放置的控制框圖，電機由cb相導通(霍爾信號001)向ab相導通(霍爾信號101)換流時，三相電流波形圖如8所示，t＝0處表示ha實際放置點，t＝tp1處表示換相結束時刻，t＝tp2處表示ha理想放置點，霍爾信號提前時間tp＝tp2，換相時間tpf＝tp1。

(0～tp1)換相期間：

由於換相時間相對於提前時間小，為方便分析，假設a相反電動勢在換相期間內保持不變，即：

霍爾傳感器提前放置換相期間內三相端電壓方程表達式與式(6)相同，則將式(10)代入(6)後，推導關斷相電流表達式：

由式(11)關斷相電流表達式可知，關斷相電流下降到0的時間受霍爾提前時間影響，則推導出關斷相電流下降到0的時間間隔關於提前時間tp的表達式為：

因此，通過檢測霍爾信號ha上升沿與關斷相電流下降到0的時間間隔，代入式(12)中，可推導出a相霍爾傳感器提前放置角度θp.a＝ωtp。

其他相霍爾傳感器延遲放置錯誤影響分析與a相霍爾傳感器ha延遲放置原理相同。

c、實現補償霍爾安裝偏差方法分析

在實現補償之前，還需解決一個問題，即判斷霍爾傳感器安裝是延遲還是提前，由圖6、圖8可知，在霍爾信號上升沿瞬間檢測關斷相電流大小，與穩定值進行比較，大於穩定值時為延遲放置，反之為提前放置。由此，圖1給出補償霍爾傳感器安裝偏差的結構框圖。由三相電流及霍爾信號上升沿判斷霍爾傳感器是延遲還是提前放置，每相檢測的電流及霍爾信號如表一所示，其誤差角度與最佳延遲角度作差，得到補償角度，在下個電周期內進行補償，實現霍爾傳感器安裝偏差下抑制無刷直流電機換相轉矩脈動的目的。

表一.電機規格和參數

其中最佳延遲角度實現算法框圖如圖9所示，實現步驟如下：

第一步：輸入電機運行參數，為了保證換相轉矩脈動最小且換相時間最短，換相佔空比設置為dd.com＝1；

第二步：延遲時間初始化為0；

第三步：式(5)(3)分別求得對應延遲時間下佔空比與關斷相電流；

第四步：換相時間初始化為0；

第五步：式(8)求換相期間導通相電流；

第六步：其值與電流穩定值比較，小於時執行第七步，大於時執行第八步；

第七步：換相時間自增一個採樣周期ts，跳至第五步；

第八步：跳出內循環，獲得導通相電流上升到穩定值的時間；

第九步：式(9)求導通相電流上升到穩定值瞬間時關斷相電流；

第十步：其值與0比較，小於時執行第十一步，大於時執行第十二步；

第十一步；延遲時間自增一個採樣周期ts，調至第三步；

第十二步：跳出外循環，得到延遲時間即為最佳延遲時間td.opt，從而得到最佳延遲角度θd.opt。

本發明實施例用來解釋本發明，而不是對本發明進行限制，在發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明做出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。

實施例

本發明採用無刷直流電機規格如表二所示：

表二.電機規格和參數

電機運行在額定狀態下，將表中參數加以轉化，得到電機機械角速度ω＝50π(rad/s),電機電角速度ω＝200π(rad/s)，反電動勢幅值e＝92.7v，相電流穩定值i0＝22a，穩態下電磁轉矩te＝26nm。

將參數代入式(5)(3)分別得到延遲期間佔空比dd和關斷相電流i1隨延遲角度θd的變化曲線圖，如圖10所示，佔空比dd在延遲30°電角度範圍內均小於1，即可通過pwm佔空比的調節，確保延遲期間電機轉矩恆定；如圖11所示，關斷相電流i1與延遲角度一一對應，即可通過獲取關斷相電流的大小，來推導霍爾傳感器延遲放置的角度。

在matlab中搭建無刷直流電機控制系統模型，分別對單相霍爾延遲放置、單相霍爾提前放置、三相錯誤放置進行仿真，並通過本文所提出的方法進行補償。

圖12(a)中虛線部分表示霍爾傳感器ha延遲3°電角度下三相電流和轉矩波形圖，關斷相電流在延遲期間不斷上升，換相期間，關斷相電流下降到0的時間仍小於導通相電流上升到穩定值的時間，轉矩從平均26nm跌至23nm，轉矩脈動率為11.54％，而霍爾傳感器理想安裝下換相轉矩跌至21.5nm，轉矩脈動率為17.31％，這說明霍爾傳感器延遲放置下能減小換相轉矩脈動。

通過圖9最佳延遲角度流程圖算法，獲得最佳延遲角度為θd.opt＝6.78°，補償後三相電流與轉矩波形圖如圖12(b)所示，關斷相電流下降到0的時間等於導通相電流上升到穩定值的時間，換相轉矩脈動完全被抑制。

圖13(a)中虛線部分表示霍爾傳感器ha提前5°電角度下三相電流和轉矩波形圖，由於a相反電動勢在提前換相期間未達到反電動勢幅值e，換相轉矩跌至21nm，轉矩脈動率為19.23％，這說明霍爾傳感器提前放置下能增大換相轉矩脈動。圖13(b)所示為補償後電流轉矩波形圖，換相轉矩脈動完全被抑制。

圖14(a)中虛線部分分別表示霍爾傳感器ha延遲5°、hc延遲4°、hb提前5°電角度下三相電流與轉矩波形圖，三個霍爾傳感器均錯誤放置。圖14(b)所示，對其進行補償後，換相轉矩脈動完全被抑制。

綜上可知，本文提出一種可自動補償霍爾偏差的抑制無刷直流電機換相轉矩脈動的方法。該方法在補償霍爾安裝偏差的同時抑制換相轉矩脈動，提高電機運行效率，方法簡單，易於實現。