本發(fā)明涉及無刷直流電機(jī)控制領(lǐng)域，具體來說是一種可自動補(bǔ)償霍爾偏差的抑制無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動的方法。

背景技術(shù)：

無刷直流電機(jī)是以電子換相來代替機(jī)械換相的直流電機(jī)，它保持了直流電機(jī)的優(yōu)良特性，具有較好的啟動和調(diào)速特性，具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)速范圍廣、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，其在航天、電動機(jī)車、家電、工業(yè)自動化系統(tǒng)方面有廣泛應(yīng)用。

由于電機(jī)繞組中存在電感，換相期間，關(guān)斷相電流下降速率與導(dǎo)通相電流上升速率不一致，引起換相轉(zhuǎn)矩脈動，限制無刷直流電機(jī)在高精度低噪音領(lǐng)域的應(yīng)用。

另一方面，霍爾傳感器理想安裝間隔為120°電角度，但是，由于機(jī)械安裝過程中可能存在細(xì)微的誤差，導(dǎo)致霍爾傳感器檢測位置信號延遲或提前，影響電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種可自動補(bǔ)償霍爾偏差的抑制無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動的方法。

步驟一：檢測霍爾信號上升沿瞬間關(guān)斷相電流，與相電流穩(wěn)定值進(jìn)行比較，大于穩(wěn)定值時(shí)為延遲放置，反之為提前放置；

步驟二：由關(guān)斷相電流關(guān)于延遲時(shí)間td的表達(dá)式獲得延遲角度θd＝ωtd，其中延遲期間占空比關(guān)于延遲時(shí)間td的表達(dá)式為：檢測關(guān)斷相電流從穩(wěn)定值下降到0的時(shí)間間隔，由時(shí)間間隔關(guān)于提前時(shí)間tp的表達(dá)式獲得提前角度θp＝ωtp，其中，ubus為母線電壓，i0為相電流穩(wěn)定值，l是等效電感，e是反電動勢幅值，ω為電機(jī)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(bǔ)償角度，在下個(gè)電周期內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可自動補(bǔ)償霍爾偏差的抑制無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動的方法，其特征在于：

最佳延遲角度的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第一步：輸入電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，及設(shè)置換相占空比為dd.com＝1；

第二步：延遲時(shí)間初始化為td＝0；

第三步：按公式求得對應(yīng)延遲時(shí)間下占空比，按公式求得對應(yīng)延遲時(shí)間下關(guān)斷相電流；

第四步：換相時(shí)間初始化為tf＝0；

第五步：按公式求換相期間導(dǎo)通相電流；

第六步：換相期間導(dǎo)通相電流與電流穩(wěn)定值比較，小于時(shí)執(zhí)行第七步，大于時(shí)執(zhí)行第八步；

第七步：換相時(shí)間自增一個(gè)采樣周期ts，跳至第五步；

第八步：跳出內(nèi)循環(huán)，獲得導(dǎo)通相電流上升到穩(wěn)定值的時(shí)間；

第九步：按公式求導(dǎo)通相電流上升到穩(wěn)定值瞬間時(shí)關(guān)斷相電流；

第十步：導(dǎo)通相電流上升到穩(wěn)定值瞬間時(shí)關(guān)斷相電流與0比較，小于時(shí)執(zhí)行第十一步，大于時(shí)執(zhí)行第十二步；

第十一步；延遲時(shí)間自增一個(gè)采樣周期ts，調(diào)至第三步；

第十二步：跳出外循環(huán)，得到延遲時(shí)間即為最佳延遲時(shí)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(shí)間，i1為關(guān)斷相在換相瞬間時(shí)電流值,tf為換相時(shí)間變量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：提供了一種可自動補(bǔ)償霍爾偏差的抑制無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動的方法。該方法在補(bǔ)償霍爾安裝偏差的同時(shí)抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動，提高電機(jī)運(yùn)行效率，方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明霍爾安裝偏差下抑制無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動原理控制圖。

圖2為本發(fā)明霍爾理想安裝下無刷直流電機(jī)控制圖。

圖3為本發(fā)明無刷直流電機(jī)等效電路圖。

圖4為本發(fā)明理想霍爾信號、相電流和反電動勢波形圖。

圖5為本發(fā)明霍爾傳感器ha延遲放置控制圖。

圖6為本發(fā)明霍爾傳感器ha延遲下三相電流波形圖。

圖7為本發(fā)明霍爾傳感器ha提前放置控制圖。

圖8為本發(fā)明關(guān)霍爾傳感器ha提前下三相電流波形圖。

圖9為本發(fā)明最佳延遲角度算法流程圖。

圖10為本發(fā)明延遲期間占空比dd隨延遲角度θd的變化曲線圖。

圖11為本發(fā)明延遲期間關(guān)斷相電流i1隨延遲角度θd的變化曲線圖。

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

圖12(b)為本發(fā)明補(bǔ)償后a相霍爾傳感器ha延遲3°電角度放置下電流轉(zhuǎn)矩波形圖。

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

圖13(b)為本發(fā)明補(bǔ)償后a相霍爾傳感器ha提前5°電角度放置下電流轉(zhuǎn)矩波形圖。

圖14(a)為本發(fā)明補(bǔ)償前三相霍爾傳感器錯(cuò)誤放置下電流轉(zhuǎn)矩波形圖。

圖14(b)為本發(fā)明補(bǔ)償后三相霍爾傳感器錯(cuò)誤放置下電流轉(zhuǎn)矩波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

如圖2所示為霍爾理想安裝下無刷直流電機(jī)控制圖，霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子磁場變化，形成霍爾信號，通過控制器控制逆變器導(dǎo)通相對應(yīng)的開關(guān)管，驅(qū)動電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。如圖3、圖4所示，分別為無刷直流電機(jī)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恒定，無轉(zhuǎn)矩脈動；換相期間，由于繞組存在電感，電流不能瞬間變化，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動。

a、單一霍爾傳感器延遲放置錯(cuò)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(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)由cb相導(dǎo)通(霍爾信號001)向ab相導(dǎo)通(霍爾信號101)換流時(shí)，三相電流波形圖如圖6所示，t＝0處表示ha理想放置點(diǎn)，t＝td1處表示ha實(shí)際放置點(diǎn)，t＝td2處表示換相結(jié)束時(shí)刻，霍爾信號延遲時(shí)間td＝td1，換相時(shí)間tdf＝td2-td1。

(0～td1)延遲期間：

由于霍爾傳感器ha延遲放置，在延遲期間，a相電流為ia＝0，bc相電流保持導(dǎo)通，則反電動勢在延遲期間的表達(dá)式為：

假設(shè)電機(jī)三相對稱，且忽略電機(jī)電阻和各種損耗影響，pwm調(diào)制模式為上下橋臂同時(shí)調(diào)制模式(hpwm_lpwm)，則bc相端電壓為：

將式(1)代入式(2)，推導(dǎo)出延遲期間關(guān)斷相電流表達(dá)式：

由式(1)(3)可推導(dǎo)出延遲期間轉(zhuǎn)矩表達(dá)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(diǎn)電位，ω是電機(jī)機(jī)械角速度，te是電磁轉(zhuǎn)矩。dd為延遲期間pwm占空比，ubus為母線電壓，i0為相電流穩(wěn)定值。

由式(4)可知，延遲期間轉(zhuǎn)矩大小與占空比dd和延遲時(shí)間td有關(guān)，而為了確保在此期間轉(zhuǎn)矩恒定，即可推導(dǎo)出占空比dd關(guān)于延遲時(shí)間td的表達(dá)式：

由式(3)(5)可知，關(guān)斷相電流在延遲期間不斷上升，在t＝td1處達(dá)到最大值。即通過采樣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(shí)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(jī)電角速度。

(td1～td2)換相期間：

霍爾信號ha由0變?yōu)?時(shí)，a相電流上升，c相電流由二極管vd2續(xù)流，則三相端電壓表達(dá)式為：

由于電機(jī)運(yùn)行在高速下，忽略電機(jī)換相時(shí)間對c相反電動勢的影響，即：

將式(7)代入式(6)，推導(dǎo)出換相期間導(dǎo)通相和關(guān)斷相電流關(guān)于換相時(shí)間的表達(dá)式

其中：dd.com為換相期間pwm占空比，i1為關(guān)斷相在t＝td1處的電流值，tf＝t-td1為換相時(shí)間變量。

由式(8)可知，在延遲角度一定的情況下，dd.com越大，導(dǎo)通相電流上升到穩(wěn)定值的時(shí)間越短；由式(9)可知，關(guān)斷相電流與換相占空比無關(guān)，延遲角度越大，其由i1下降到0的時(shí)間越長。因此，為了保證換相轉(zhuǎn)矩脈動最小且換相時(shí)間最短，則關(guān)斷相電流下降到0的時(shí)間應(yīng)與導(dǎo)通相電流上升到穩(wěn)定值的時(shí)間一致(tdfa(ia＝i0)＝＝tdfc(ic＝0))，且換相占空比dd.com＝1，從而推導(dǎo)出滿足上述條件的最佳延遲角度θd.opt，其實(shí)現(xiàn)算法如圖9所示，詳細(xì)說明在實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償方法中給出。

其他相霍爾傳感器延遲放置錯(cuò)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(cuò)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(jī)由cb相導(dǎo)通(霍爾信號001)向ab相導(dǎo)通(霍爾信號101)換流時(shí)，三相電流波形圖如8所示，t＝0處表示ha實(shí)際放置點(diǎn)，t＝tp1處表示換相結(jié)束時(shí)刻，t＝tp2處表示ha理想放置點(diǎn)，霍爾信號提前時(shí)間tp＝tp2，換相時(shí)間tpf＝tp1。

(0～tp1)換相期間：

由于換相時(shí)間相對于提前時(shí)間小，為方便分析，假設(shè)a相反電動勢在換相期間內(nèi)保持不變，即：

霍爾傳感器提前放置換相期間內(nèi)三相端電壓方程表達(dá)式與式(6)相同，則將式(10)代入(6)后，推導(dǎo)關(guān)斷相電流表達(dá)式：

由式(11)關(guān)斷相電流表達(dá)式可知，關(guān)斷相電流下降到0的時(shí)間受霍爾提前時(shí)間影響，則推導(dǎo)出關(guān)斷相電流下降到0的時(shí)間間隔關(guān)于提前時(shí)間tp的表達(dá)式為：

因此，通過檢測霍爾信號ha上升沿與關(guān)斷相電流下降到0的時(shí)間間隔，代入式(12)中，可推導(dǎo)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(cuò)誤影響分析與a相霍爾傳感器ha延遲放置原理相同。

c、實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償霍爾安裝偏差方法分析

在實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償之前，還需解決一個(gè)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(guān)斷相電流大小，與穩(wěn)定值進(jìn)行比較，大于穩(wěn)定值時(shí)為延遲放置，反之為提前放置。由此，圖1給出補(bǔ)償霍爾傳感器安裝偏差的結(jié)構(gòu)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(bǔ)償角度，在下個(gè)電周期內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)霍爾傳感器安裝偏差下抑制無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動的目的。

表一.電機(jī)規(guī)格和參數(shù)

其中最佳延遲角度實(shí)現(xiàn)算法框圖如圖9所示，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第一步：輸入電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，為了保證換相轉(zhuǎn)矩脈動最小且換相時(shí)間最短，換相占空比設(shè)置為dd.com＝1；

第二步：延遲時(shí)間初始化為0；

第三步：式(5)(3)分別求得對應(yīng)延遲時(shí)間下占空比與關(guān)斷相電流；

第四步：換相時(shí)間初始化為0；

第五步：式(8)求換相期間導(dǎo)通相電流；

第六步：其值與電流穩(wěn)定值比較，小于時(shí)執(zhí)行第七步，大于時(shí)執(zhí)行第八步；

第七步：換相時(shí)間自增一個(gè)采樣周期ts，跳至第五步；

第八步：跳出內(nèi)循環(huán)，獲得導(dǎo)通相電流上升到穩(wěn)定值的時(shí)間；

第九步：式(9)求導(dǎo)通相電流上升到穩(wěn)定值瞬間時(shí)關(guān)斷相電流；

第十步：其值與0比較，小于時(shí)執(zhí)行第十一步，大于時(shí)執(zhí)行第十二步；

第十一步；延遲時(shí)間自增一個(gè)采樣周期ts，調(diào)至第三步；

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

本發(fā)明實(shí)施例用來解釋本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例

本發(fā)明采用無刷直流電機(jī)規(guī)格如表二所示：

表二.電機(jī)規(guī)格和參數(shù)

電機(jī)運(yùn)行在額定狀態(tài)下，將表中參數(shù)加以轉(zhuǎn)化，得到電機(jī)機(jī)械角速度ω＝50π(rad/s),電機(jī)電角速度ω＝200π(rad/s)，反電動勢幅值e＝92.7v，相電流穩(wěn)定值i0＝22a，穩(wěn)態(tài)下電磁轉(zhuǎn)矩te＝26nm。

將參數(shù)代入式(5)(3)分別得到延遲期間占空比dd和關(guān)斷相電流i1隨延遲角度θd的變化曲線圖，如圖10所示，占空比dd在延遲30°電角度范圍內(nèi)均小于1，即可通過pwm占空比的調(diào)節(jié)，確保延遲期間電機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定；如圖11所示，關(guān)斷相電流i1與延遲角度一一對應(yīng)，即可通過獲取關(guān)斷相電流的大小，來推導(dǎo)霍爾傳感器延遲放置的角度。

在matlab中搭建無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型，分別對單相霍爾延遲放置、單相霍爾提前放置、三相錯(cuò)誤放置進(jìn)行仿真，并通過本文所提出的方法進(jìn)行補(bǔ)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(zhuǎn)矩波形圖，關(guān)斷相電流在延遲期間不斷上升，換相期間，關(guān)斷相電流下降到0的時(shí)間仍小于導(dǎo)通相電流上升到穩(wěn)定值的時(shí)間，轉(zhuǎn)矩從平均26nm跌至23nm，轉(zhuǎn)矩脈動率為11.54％，而霍爾傳感器理想安裝下?lián)Q相轉(zhuǎn)矩跌至21.5nm，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(bǔ)償后三相電流與轉(zhuǎn)矩波形圖如圖12(b)所示，關(guān)斷相電流下降到0的時(shí)間等于導(dǎo)通相電流上升到穩(wěn)定值的時(shí)間，換相轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩波形圖，由于a相反電動勢在提前換相期間未達(dá)到反電動勢幅值e，換相轉(zhuǎn)矩跌至21nm，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩脈動。圖13(b)所示為補(bǔ)償后電流轉(zhuǎn)矩波形圖，換相轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩波形圖，三個(gè)霍爾傳感器均錯(cuò)誤放置。圖14(b)所示，對其進(jìn)行補(bǔ)償后，換相轉(zhuǎn)矩脈動完全被抑制。

綜上可知，本文提出一種可自動補(bǔ)償霍爾偏差的抑制無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動的方法。該方法在補(bǔ)償霍爾安裝偏差的同時(shí)抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動，提高電機(jī)運(yùn)行效率，方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。