本發(fā)明適用于永磁無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制領(lǐng)域,具體涉及一種永磁無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制換相位置優(yōu)化方法。
背景技術(shù):
無(wú)刷直流電機(jī)因其高可靠性、高功率密度、高效率等優(yōu)點(diǎn),在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機(jī)省去了位置傳感器,可以使電機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊,有效降低電機(jī)系統(tǒng)成本。因此,對(duì)于永磁無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制策略的研究具有重要的意義。
常見(jiàn)的永磁無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法主要有反電勢(shì)法、續(xù)流二極管法、磁鏈法、滑模觀測(cè)器法和電流注入法等。以上各種無(wú)位置傳感器檢測(cè)方法均需要通過(guò)電機(jī)參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)得到轉(zhuǎn)子的位置信息,且位置信息的準(zhǔn)確性是影響無(wú)位置傳感器控制方式能否高效運(yùn)行的關(guān)鍵。但是任意一種無(wú)位置傳感器控制方法都無(wú)法保證其得到的位置信息絕對(duì)準(zhǔn)確;電機(jī)參數(shù)的誤差,溫度及外界環(huán)境的變化,濾波及干擾因素的影響等都會(huì)導(dǎo)致提取到的轉(zhuǎn)子位置信息出現(xiàn)偏差。
無(wú)位置傳感器永磁無(wú)刷電機(jī)換相位置的準(zhǔn)確性,不僅包含提取到的轉(zhuǎn)子位置信息的準(zhǔn)確性,還須考慮電機(jī)繞組電感引起的電流滯后。因此,對(duì)于換相位置準(zhǔn)確與否包括兩個(gè)方面,一是檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置是否準(zhǔn)確,二是能否準(zhǔn)確計(jì)算繞組電感引起的電流滯后角度,即應(yīng)當(dāng)施加的超前觸發(fā)角。目前已知的換相位置優(yōu)化方法大多對(duì)于電感引起的電流滯后問(wèn)題避而不談,或者因?yàn)榭紤]該角度而導(dǎo)致計(jì)算量大增;另外,部分優(yōu)化方法采用查表形式,但因無(wú)法考慮所有變量而導(dǎo)致通用性較差。
基于上述原因,尋找一種通用性強(qiáng),計(jì)算量小,能夠同時(shí)補(bǔ)償位置檢測(cè)誤差和電樞電感引起的電流滯后角度誤差的換相位置優(yōu)化方法成為永磁無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制中亟待解決的問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是:
本發(fā)明提供了一種新型永磁無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器換相位置優(yōu)化方法,該方法可以同時(shí)補(bǔ)償位置檢測(cè)誤差和電樞電感引起的電流滯后角度誤差,通用性強(qiáng)且計(jì)算量小,適用于大多數(shù)永磁無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
本發(fā)明首先通過(guò)電機(jī)換相位置與電機(jī)母線電流的數(shù)學(xué)關(guān)系,構(gòu)造以換相位置補(bǔ)償角為控制對(duì)象,以母線電流隨角度的變化率為偏差量的PI調(diào)節(jié)器,并以此PI調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)該無(wú)刷直流電機(jī)換相位置優(yōu)化策略。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程,如下:
1、在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中按一定頻率檢測(cè)母線電流并進(jìn)行記錄;
2、根據(jù)當(dāng)前采樣時(shí)刻母線電流、前一采樣時(shí)刻母線電流及換相位置角的變化量計(jì)算母線電流隨換相位置角的變化率;
3、將母線電流隨換相位置角的變化率帶入到PI調(diào)節(jié)器中進(jìn)行換相補(bǔ)償角的計(jì)算;
4、根據(jù)得到的換相補(bǔ)償角與原換相位置計(jì)算得到校正后的換相位置。
本發(fā)明與現(xiàn)有啟動(dòng)方法相比,優(yōu)勢(shì)在于:
1、能同時(shí)補(bǔ)償位置檢測(cè)誤差和電樞電感引起的電流滯后角度誤差;
2、通用性強(qiáng),可以與多種無(wú)位置傳感器控制方法結(jié)合使用;
3、計(jì)算量小,通過(guò)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行補(bǔ)償角度的計(jì)算,沒(méi)有復(fù)雜的運(yùn)算過(guò)程。
附圖說(shuō)明
圖1為無(wú)相位差時(shí)A相電樞電流與反電動(dòng)勢(shì)波形;
圖2為存在相位差時(shí)三相電樞電流與反電動(dòng)勢(shì)波形;
圖3為母線電流與換相角度偏差的關(guān)系;
圖4為電流變化率與換相角度偏差的關(guān)系;
圖5采用換相位置優(yōu)化策略的控制系統(tǒng)邏輯框圖;
圖6為基于母線電流的換相位置優(yōu)化策略的程序流程圖;
圖7為超前換相時(shí)A相電流及端電壓波形;
圖8為滯后換相時(shí)A相電流及端電壓波形;
圖9為準(zhǔn)確換相時(shí)A相電流及端電壓波形。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的理論模型、技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解,以?xún)蓸O電機(jī)反電勢(shì)發(fā)無(wú)位置傳感器控制為例,結(jié)合具體圖示,進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
本發(fā)明數(shù)學(xué)模型的建立:
電機(jī)輸出的電磁功率等于反電動(dòng)勢(shì)與電樞電流的數(shù)量積,換相位置不準(zhǔn)確會(huì)引起電樞電流與反電動(dòng)勢(shì)相位不一致,造成電機(jī)功率因數(shù)降低進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)效率下降,而對(duì)電機(jī)換相位置優(yōu)化的最終目的是使電樞電流和反電動(dòng)勢(shì)相位保持一致。文中為了簡(jiǎn)化計(jì)算,設(shè)梯形波反電動(dòng)勢(shì)的平頂寬度為120°,將電樞電流等效為標(biāo)準(zhǔn)的方波電流,不考慮弱磁增磁作用的影響。
圖1所示為A相電樞電流與反電動(dòng)勢(shì)同相位時(shí)的波形圖,此時(shí)電機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài),其力矩波動(dòng)最小,效率最高。
選取圖1中一個(gè)換相周期(π/6~π/2)為分析對(duì)象,在(π/6~π/2)期間,電機(jī)輸出的電磁功率P0為:
P0=ea·ia+eb·ib+ec·ic (1)
其中ea,eb和ec為相反電動(dòng)勢(shì),ia,ib和ic為相電流,在此換相周期內(nèi)有ea=-eb=E,ia=-ib=I0為相電流和相反電動(dòng)勢(shì)同相位時(shí)的直流母線電流,ic=0,由式(1)可知:
P0=2EI0 (2)
如圖2所示為電樞電流與反電動(dòng)勢(shì)存在相位差θ時(shí)的三相反電動(dòng)勢(shì)和電流波形圖,θ為負(fù)時(shí)表示電流超前,θ為正時(shí)表示電流滯后,取一個(gè)換相周期(π/6+θ~π/2+θ)作為分析對(duì)象,該換相周期內(nèi)輸出的電磁功率為:
Pθ=e′a·i′a+e′b·i′b+e′c·i′c (3)
中e′a,e′b,e′c為存在相位差θ時(shí)的相反電動(dòng)勢(shì),i′a,i′b,i′c為存在相位差θ時(shí)的相電流,在此換相周期內(nèi)有i′a=-i′b=Iθ,i′c=0,其中Iθ為存在相位差θ時(shí)的母線電流,因此可由式(3)得:
Pθ=(e′a-e′b)·Iθ (4)
電機(jī)在固定轉(zhuǎn)速、固定功率運(yùn)行時(shí),在每一個(gè)換相周期內(nèi)輸出的電磁功相同,因此有下式:
由圖2可知,θ≤0時(shí),換相周期(π/6+θ~π/2+θ)內(nèi)各相反電動(dòng)勢(shì)的值為(ω為電角速度):
θ>0時(shí),該換相周期內(nèi)各相反電動(dòng)勢(shì)的值為:
以(π/6+θ)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為式(5)中積分的零時(shí)刻,分別由式(2)(4)(5)(6)和(2)(4)(5)(7)可得,換相超前和滯后時(shí)的母線電流Iθ均滿足下式:
隨著電流超前滯后角的增大,得到的母線電流Iθ會(huì)增大,其最小值為I0,I0為相電流和相反電動(dòng)勢(shì)同相位時(shí)的直流母線電流,其值不受換相角度偏差的影響,I0的具體值對(duì)后續(xù)換相位置優(yōu)化策略影響比較小,因此無(wú)需計(jì)算其精確值,用該轉(zhuǎn)速下的額定電流近似代替即可。
方程(8)是在(π/6+θ~π/2+θ)換相周期計(jì)算得到,但由于三相對(duì)稱(chēng)的無(wú)刷直流電機(jī)六個(gè)換相周期是等價(jià)的,因此在電機(jī)運(yùn)行期間,換相角度偏差和母線電流之間恒滿足式(8)。
由于在數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程中進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化,為了驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性,將式(8)的曲線與仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際電流與θ的曲線進(jìn)行對(duì)比,其關(guān)系如圖3所示,隨著換相角度偏差增大,母線電流增加越來(lái)越明顯,θ為零時(shí)表示電機(jī)相電流和相反電勢(shì)同相位。由于換相位置偏差過(guò)大時(shí)電機(jī)容易失步,此時(shí)電機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行,因此上述分析均在-π/3<θ<π/3區(qū)間進(jìn)行。
本發(fā)明PI調(diào)節(jié)器的構(gòu)建:
由上文分析可知Iθ是隨換相角度偏差θ變化的值,取Iθ對(duì)θ的變化率記為:
G與θ關(guān)系如圖4所示,θ越接近0,G的絕對(duì)值越小,反之G的絕對(duì)值越大,且電流超前時(shí)G為負(fù)值,電流滯后時(shí)G為正值。
通過(guò)上述數(shù)學(xué)分析,可以構(gòu)造以G為偏差量,以相位補(bǔ)償角Δα作為被控制量的PI調(diào)節(jié)器。構(gòu)建的G和α的關(guān)系為:
Δα=Kp·G+Ki·∫Gdt (10)
式中Kp為比例系數(shù),Ki為積分系數(shù)。
以無(wú)位置傳感器反電勢(shì)法為例,實(shí)際工作中,通過(guò)反電勢(shì)法得到的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)與實(shí)際換相位置并非直接對(duì)應(yīng)(采用30°或90°相位延時(shí)),通常需要外加一定延時(shí)角度τ,最終延時(shí)角度τ可以表示為:
式中τ為綜合考慮信號(hào)濾波電路引起的相位延時(shí)、電感引起的電流滯后、電壓比較器和光耦等芯片引起的延時(shí)及計(jì)算過(guò)程引起的延時(shí)等得到的相位延時(shí)角,Δα為通過(guò)該換相位置優(yōu)化策略得到的相位補(bǔ)償角。
由圖4可知,Kp<0,Ki<0,當(dāng)電流超前于反電動(dòng)勢(shì)時(shí),θ<0,G<0,根據(jù)式(10)得Δα,由式(11)可得延時(shí)角度增大,從而減小電流與反電勢(shì)的相位差;反之,延時(shí)角度減小。
將式(11)按照增量式PI調(diào)節(jié)器離散化后可以得到:
Δαk=Kp·(Gk-Gk-1)+Ki·Gk (12)
其中Gk為第k次進(jìn)入PI調(diào)節(jié)時(shí)的G值,Δαk為第k次相位補(bǔ)償角的變化量,k為正整數(shù)。離散化以后的軟件延時(shí)角度可以表示為:
本發(fā)明的邏輯框圖:
本文通過(guò)分析母線電流與換相角度偏差之間的關(guān)系提出了以母線電流變化率為基礎(chǔ)的換相位置優(yōu)化策略。圖5為采用該換相位置優(yōu)化策略的控制系統(tǒng)邏輯框圖,與傳統(tǒng)的永磁無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)相比,采用換相位置優(yōu)化策略的調(diào)速系統(tǒng)增加了母線電流檢測(cè),計(jì)算G值和PI調(diào)節(jié)三部分。該控制系統(tǒng)中首先通過(guò)三相端電壓分壓、濾波和比較等環(huán)節(jié)得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn),然后根據(jù)轉(zhuǎn)速、繞組電感、濾波電路和計(jì)算耗時(shí)等估算延時(shí)時(shí)間,最后在估算延時(shí)的基礎(chǔ)上通過(guò)本文提出的換相位置優(yōu)化策略進(jìn)行PI調(diào)節(jié),得到換相位置補(bǔ)償角,進(jìn)一步優(yōu)化換相位置。圖6為該換相位置優(yōu)化策略的程序流程圖,該流程圖詳細(xì)介紹了計(jì)算換相位置補(bǔ)償角的過(guò)程及計(jì)算過(guò)程中所需的公式。
本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:
實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用氫燃料電池汽車(chē)用高速電動(dòng)離心式空氣壓縮機(jī),該電機(jī)額定功率為10kW,額定轉(zhuǎn)速為100000r/min,線電感80μH,線電阻40mΩ,額定電流50A,額定電壓250V。圖7-9為穩(wěn)態(tài)下30000r/min時(shí)A相電流及端電壓波形圖,上半屏為A相電流波形,下半屏為A相對(duì)地的端電壓波形。如圖7,當(dāng)換相超前時(shí),A相導(dǎo)通前S1處的反電動(dòng)勢(shì)明顯小于A相關(guān)斷后S2處的反電動(dòng)勢(shì);如圖8,當(dāng)換相滯后時(shí),S1處的反電動(dòng)勢(shì)大于S2處的反電動(dòng)勢(shì);如圖9,經(jīng)過(guò)換相位置優(yōu)化以后S1與S2處的反電動(dòng)勢(shì)大致相同。通過(guò)端電壓波形對(duì)比可以看出該換相位置優(yōu)化策略能有效補(bǔ)償換相位置偏差。
以上描述了本發(fā)明的基本原理和本發(fā)明的特點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解,本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制,上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理,在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下,本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn),這些變化和改進(jìn)都落入本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。