基於電流反饋的無位置傳感器無刷直流電機起動方法

2024-03-05 20:43:15

專利名稱：：基於電流反饋的無位置傳感器無刷直流電機起動方法
技術領域：
：本發明屬於電動機的控制
技術領域：
，特別是涉及一種基於電流反饋的無位置傳感器無刷直流電機的起動方法。
背景技術：
：無刷直流電機的運行需要檢測轉子實際位置來實現繞組的換相，因而一般需要轉子位置檢測裝置。一種比較先進的技術是使用無位置傳感器控制技術，省去位置檢測裝置，從而使得系統成本更低，可靠性更高。目前國內外已經研究出多種無刷直流電機無位置傳感器控制方法。但是，由於電機在零速或低速時反電勢很小，無法檢測，因此所有基於反電勢或者其諧波的無位置傳感器控制技術在靜止或低速時都不適用，而需要特殊的起動方法。無刷直流電機在無位置傳感器控制時的起動過程仍然是一個技術難點。對於永磁無刷直流電機，三段式起動是一種最常用的起動方法，在各類無位置傳感器無刷直流電機產品中得到了廣泛的應用，包括風機、水泵、壓縮機等。如圖1所示，其具體實現步驟如下(1)轉子預定位向電機繞組通一直流電，使轉子定位在某個角度。(2)開環加速按照預定相序依次導通定子繞組，逐步提高換流頻率，同時也逐步提高外施平均電壓，故又稱為升頻升壓起動。電壓初值、升壓曲線、升頻曲線斜率等起動參數受電機參數、負載大小、轉動慣量及摩擦係數等影響，需要在實驗中調試確定。(3)切換到閉環運行當換流頻率大於預定值，即已有足夠高的轉速獲反電勢信號時，可將電機切換至閉環運行，起動過程結束。由於電機在開環加速過程中完全不考慮轉子實際位置，因此採用傳統三段式法起動時存在電流、轉速脈動，峰值電流較大等問題，且出現過載或擾動時電機容易失步，導致起動失敗。基於以上原因，公開號為CN100388617C的專利文獻公開了一種無刷直流電動機控制方法首先，使轉子強制性地排列；其次，在無刷直流電動機的同步加速中規定的相位換向時刻進行相電流的相位換向；然後，檢測出提供給所述無刷直流電動機的所述相電流的大小超過預先設定的值的相電流施加時刻；再根據從所述相位換向時刻起、至所述相電流施加時刻為止的時間，檢測出給轉子旋轉位置對應的定子繞組的施加電壓的時刻是超前還是延遲，並通過調整所述電壓施加時刻，防止給無刷電動機提供的相電流變得過大。該技術方案是基於電流反饋的控制方法，雖然也從一定程度上解決了無位置傳感器無刷直流電動機的初始啟動階段存在的過電流等問題，但是，需要增加額外的定時器，並且算法比較複雜，對硬體要求較高，不利於實際推廣實施。為此，發明人對無刷直流電機的起動狀況進行了深入分析和實驗，以獲得另外一種起動方法。圖2、圖3是無刷直流電機在三相六拍運行時的定轉子磁勢示意圖，定子在6種導通狀況下可產生Fa—Fs6共6個方向的磁勢，Fs為定子磁勢，正處於Fs3方向，Fr為轉子磁勢(平均位置)。根據瞬時電磁轉矩公式其中，0為瞬時轉子磁勢落後於定子磁勢的電角度。由於無刷直流電機實際運行範圍為土30。，假設5為轉子相位超前理想狀況的平均相位角。則平均電磁轉矩大小為令7^^二i^屍r，即任意時刻瞬時0都為9O。時的最大轉矩，因此平均轉矩』7fe和5的關係如下表所示tableseeoriginaldocumentpage5由表1可知，在定、轉子磁勢大小不變的條件下，轉子位置超前角5在±30°以內平均轉矩下降並不十分明顯(小於20%)，而5=±60°時則平均轉矩大大下降(大於50%)。1)當50，才能使電機開環運行穩定，當然，起動時電機的效率會略有下降。圖4為電機在傳統三段式起動時的失步過程，假設相電流切換頻率不變，而轉速由於負載擾動原因下降，其中Eb、Ib分別為B相的反電勢和電流波形，Te為電機的瞬時電磁轉矩，隨著轉速的下降，電機由轉子位置超前狀態(5=75°)逐步到轉子位置滯後狀態(80，電機開環運行穩定，避免傳統三段式法起動時存在的電流、轉速脈動，峰值電流較大、出現過載或擾動時電機容易失步導致起動失敗等問題。為了達到上述的目的，本發明採用了以下的技術方案一種基於電流反饋的無位置傳感器無刷直流電機起動方法，包括轉子預定位；轉向換流；根據升壓曲線計算給定電壓值，並以PWM形式輸出；檢測到相電流值I超過預定值lH時，執行轉向換流，同時根據升壓曲線計算出下一步的給定電壓值，以此循環；當換流頻率大於預定值，即已有足夠高的轉速獲得反電勢信號時，將電機切換至閉環運行。作為優選，上述預定值IH為5^時的相電流值的110%150%，其中，5為電機轉子相位超前理想狀況的平均相位角。作為優選，30°《5《60°。上述升壓曲線通過IH和5確定。本發明由於採用了以上的技術方案，基於對起動電流的實時檢測，和傳統的三段式起動方法相比能夠獲得更好的起動性能，能在整個加速過程保證5的穩定和可控，使得起動電流更穩定，加速過程更平穩，當遇到負載擾動時，能夠自動降低轉速和5以獲得較大的電磁轉矩而不失步，避免了傳統三段式法起動時存在的電流、轉速脈動，峰值電流較大、出現過載或擾動時電機容易失步導致起動失敗等問題。並且，不需要增加額外的硬體或者定時器，因而更簡單，可靠。圖1是傳統的三段式法起動實驗結果圖。圖2是無刷直流電機定/轉子磁勢圖(轉子位置滯後理想狀況)。圖3是無刷直流電機定/轉子磁勢圖(轉子位置超前理想狀況)。圖4是傳統三段式起動方法的失步過程(仿真)圖。圖5是本發明的原理圖。圖6是不同5值下峰值電流力^值的計算方法示意圖。圖7是不同Ih和5下的起動的電壓一轉速曲線圖。圖8是兩種起動方法的起動性能比較示意圖(傳統三段式起動方法)。圖9是兩種起動方法的起動性能比較示意圖(本發明)。圖IO是兩種起動方法的起動性能比較示意圖(實際轉速)。圖11是兩種起動方法的起動性能比較示意圖(轉子位置超前角5)。圖12是兩種起動方法的起動性能比較示意圖(電流峰值)。圖13是本發明起動時突加負載擾動時的電流波形圖。圖14是本發明正常起動和突加負載擾動的比較示意圖(實際轉速)。圖15是本發明正常起動和突加負載擾動的比較示意圖(轉子位置超前角5)。圖16是本發明正常起動和突加負載擾動的比較示意圖(電流峰值)。圖17是本發明中lH設為2A和4A時5值的變化示意圖。圖18是本發明的控制流程圖。圖19是本發明的實驗電路圖。具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式做一個詳細的說明。對圖4電機失步過程的研究表明，在同樣的給定電壓、同樣電機轉速下，轉子位置超前角5對電流大小有很大的影響。在5=0時電流峰值最小，電流穩定，類似閉環工作時的電流波形；當S〉0，電流峰值隨著S的增大而增大;當50，因此可以在電機開環起動過程中確保每個換流周期的電流峰值都大於6=0時的電流峰值，這樣就可以避免出現5=0或S<0的情況，也就不會失步。在轉子位置超前時，5〉0，電機若受到負載轉矩擾動當電機轉矩小於負載轉矩，轉速的下降將引起5的減小，但此時電機力矩隨著5的減小而增大，從而重新建立新的轉矩平衡，使轉速保持穩定；當電機轉矩大於負載轉矩，轉速的升高將引起5的增大，電機力矩隨著5的增大而減小，因而也可以重新建立新的轉矩平衡，使轉速保持穩定。這種基於電流反饋的優化起動方法原理如圖5所示，起動過程中的換流點(即圖1中的切換頻率一時間曲線)並不是預先設定，而是當檢測到即時電流I》lH時，再執行換流。IH電流必須大於5二0理想狀態下的電流，其實際大小可以根據起動時的負載大小調整。S的超前和滯後都會引起I〉Ih，如果運行時保證S〉0，由於外界原因引起S從超前到滯後有一段過程，即S先減小到S=0，再到S0到S=0其實是一個電磁轉矩加大的過程，這個過程大大提高了系統的抗過載和負載擾動的能力，只要電流足夠大，就可以保證起動。為了使電機在開環加速一幵始就保證轉子位置超前，'可在電機幵始的幾個換流周期人為將電壓提高，即加大電流，保證電機力矩大於負載力矩，從而保證電機剛起動時就滿足轉子相位角超前即s〉o的條件，同時避免進入s<o的不穩定區。由於電機開環運行的穩定性取決於5在起動過程中的變化，而Ih植的大小將影響相位角5。因此有必要對lH和5的關係進行分析，來驗證這種起動方法的可行性，並推導出起動時的升壓曲線。假設電機極對數為戶，轉速為n(^m)，繞組電感為丄，電阻為i，電機的反電勢為理想120。平頂梯形波反電勢，反電勢常數為Ke(r/;pm)，轉子位置超前角為5(°)，t/為外施電壓。圖5為A相電流4、反電勢&波形，將理想換流點設為？=0時刻，並建立坐標。此時A、C兩相導通，B相關斷，那麼電機滿足方程formulaseeoriginaldocumentpage9(5—2)此時=^=0,/7。一且&為常數，五。為直線下降(見圖6)，所以-五c——,五。=X"e"—/V5,5—1式減去5—2式得formulaseeoriginaldocumentpage9得到/。關於^的微分方程:formulaseeoriginaldocumentpage9解常微分方程得:formulaseeoriginaldocumentpage10式中Ce—⑤'為微分方程通解，C為任意常數；由於在低速時，電流能夠達到穩定值/。(如圖6中所標)，艮IU二O時的電流初值滿足formulaseeoriginaldocumentpage10實際換流時刻！(圖6中計算點)，因此當電流波形滯後5角時，峰值電流:6Pmformulaseeoriginaldocumentpage10式5—3中除電機常數&、i、丄、屍之外，/p^的大小還與5、轉速w、外施電壓"相關，其中^/決定5=0時(即理想情況)峰值電流/c的大小，而5、《決定/p^在^基礎上電流增量。若/^。4=///、5為確定值(目標)，那麼5—3式可化為formulaseeoriginaldocumentpage10式5—4就是本發明起動時應採用的電壓一轉速函數，這樣可得到不同Ih和5下的電機起動的電壓一轉速曲線(見圖7)，lH決定升壓曲線初值，而5決定斜率。適當選擇lH和升壓曲線就能在起動中一直保證5的穩定和可控。(電機參數為Z5=3;/=0.2"，'&=3.6xf7/pm,-丄=0jx/圖19為本發明的實驗電路圖，包括三相逆變橋電路l，電機2，反電勢檢測電路3和功率管VT1VT6的驅動電路(圖上未視出)，功率管VT1VT6的控制極G1G6和反電勢檢測電路3的WAVE輸出端分別與上述驅動電路連接。起動時的電流檢測是通過在母線上串聯採樣電阻4實現，採樣電流值I在每個PWM脈衝下降沿時與設定lH值進行比較。圖18為本發明的控制流程圖，步驟如下(1)轉子預定位向電機繞組通一直流電，使轉子定位在某個角度。(2)轉向換流按照預定的轉向和相序決定初次導通相序；(3)計算施加電壓值根據升壓曲線計算給定電壓值，並以PWM形式輸出。(4)當檢測到採樣電阻4上的採樣電流值(相電流I)超過預定值時，即滿足1〉Ih吋，執行換流，同時根據升壓曲線計算出下一步的給定電壓值，以此循環；(5)當換流頻率大於預定值，即已有足夠高的轉速獲得反電勢信號時，將電機切換至閉環運行。與傳統三段式起動方法相比，本發明起動過程中的換流點並不是預先設定(傳統三段式起動方法通過升頻曲線預先設定了換流點)，而是通過檢測相電流I，當1^Ih吋，就執行換流。通過這種方式來保證啟動過程中5>0，同時也使得啟動過程中的電流峰值相對穩定。本發明中，5值的變化對起動性能和穩定性有很大影響。若5大於60。，由於無刷直流電機工作在5±30°範圍，因此可能會產生瞬時負力矩，引起系統不穩定和較大的轉矩脈動；若6小於0，出現過載或擾動時，5的下降將導致電磁轉矩的下降，這是不穩定的工作區域，易失步。同時，考慮到系統運行時5角的自動調整空間，需留一定裕量，5不宜小於30°。所以，在滿足30°《5《60°時電機的起動性能最佳。本發明中，lH和升壓曲線可根據如下方式確定在理想狀況，令5=0代入式5—3可得到換流點電流的值(o)=^—;由於起動階段轉速較低，上式中的第二項近似估計時可以忽略，於是可以根據起動結束時的電壓值，估計出5=0時的電流值/(0)，這樣只要給定的&>/(0)就能保證在整個起動過程中換相的瞬間5〉0;實際調試時，可以根據具體負載情況選擇^的大小，一般超出/(0)的10%50%是合適的。^選定後，根據式5—4可以看出t/、"、5三者的關係。顯然，^決定了電壓t/的初值，即升壓曲線的初值；而式5—4中w的二次項對t/的影響相對"的一次項要小的多，因此可以看到電壓曲線上升的斜率主要是由5決定，反過來也就是說，只要保證啟動過程中t/的升高相對"保持一定的比率，就能夠保持5平均值維持在一個相對恆定的範圍而在啟動過程中，因此只要規定一個期望的5值，升壓曲線就能夠相應確定。並且只要不失步，其轉速w就可以通過換流頻率計算得出，從而根據升壓曲線可以計算出給定電壓值。圖8、圖9分別是採用傳統三段式起動方法和本發明的起動方法的電流波形以及對應位置信號。電機均帶風機負載起動，且兩者採用相同的電壓一時間曲線，IH給定為4A(實際上，現有技術中的三段式起動方法是以5=0和/(0)確定的升壓曲線，而本發明的起動法是以5〉0和&確定的升壓曲線，無論是初值還是斜率後者會高於前者7'而實驗時則統一採用本發明的升壓曲線)。圖中可以看出，採用傳統的三段式起動方法時電流波動很大。仔細比較起動時的實際轉速、超前角5和電流峰值(如圖IO—圖12所示)，可以看出，本發明的起動方法相比較在加速過程中轉速脈動小，加速平穩(圖IO)，5值更為穩定(圖ll)，電流波動小(圖12)，且峰值始終保持在1左右。從圖ll還可看出，傳統的三段式起動方法起動過程中5波動極大，在某些時刻甚至超過了90°，這將產生瞬時負力矩，這些特點決定了其起動的不穩定性。在起動過程中，如何克服負載擾動而正常起動是起動技術的關鍵之一。起動時突加負載擾動時的實驗結果及分析如圖13—圖16所示。從圖中可以看出，當出現負載擾動時，本發明的起動方法能夠自動調整5角以獲得較大的電磁轉矩而保證不失步，而且峰值電流也基本不受負載擾動的影響。根據圖7的結果和上述分析，調節lH或升壓曲線能夠控制起動過程中5角的大小，圖17將IH=2A時起動過程中5的變化和IH=4A時作了比較。權利要求1、一種基於電流反饋的無位置傳感器無刷直流電機起動方法，其特徵在於，包括轉子預定位；轉向換流；根據升壓曲線計算給定電壓值，並以PWM形式輸出；檢測到相電流值I超過預定值IH時，執行轉向換流，同時根據升壓曲線計算出下一步的給定電壓值，以此循環；當換流頻率大於預定值，即已有足夠高的轉速獲得反電勢信號時，將電機切換至閉環運行。2、根據權利要求1所述的一種基於電流反饋的無位置傳感器無刷直流電機起動方法，其特徵在於，所述預定值lH為5二0時的相電流值的110%150%，其中，5為電機轉子相位超前理想狀況的平均相位角。3、根據權利要求2所述的一種基於電流反饋的無位置傳感器無刷直流電機起動方法，其特徵在於，30°《5《60°。4、根據權利要求3所述的一種基於電流反饋的無位置傳感器無刷直流電機起動方法，其特徵在於，所述升壓曲線通過IH和5確定。全文摘要本發明公開了一種基於電流反饋的無位置傳感器無刷直流電機起動方法，包括轉子預定位；轉向換流；根據升壓曲線計算給定電壓值，並以PWM形式輸出；檢測到相電流值I超過預定值IH時，執行轉向換流，同時根據升壓曲線計算出下一步的給定電壓值，以此循環；當換流頻率大於預定值，即已有足夠高的轉速獲得反電勢信號時，將電機切換至閉環運行。本技術方案基於對起動電流的實時檢測，和傳統的三段式起動方法相比能夠獲得更好的起動性能，能在整個加速過程保證δ的穩定和可控，使得起動電流更穩定，加速過程更平穩，當遇到負載擾動時，能夠自動降低轉速和δ以獲得較大的電磁轉矩而不失步，並且，不需要增加額外的硬體或定時器，因而更簡單，可靠。文檔編號H02P6/20GK101478281SQ200910095570公開日2009年7月8日申請日期2009年1月22日優先權日2009年1月22日發明者瑾劉,陳陽生申請人:邱少傑;陳陽生