专利名称：无位置传感器无刷直流电机重载相位补偿计算方法
技术领域：
本发明涉及无刷直流电机技术领域，具体地说是一种无位置传感器无刷直流电机重载相位补偿计算方法。
背景技术：
无刷直流电动机(Brushless DC Motor，以下简称BLDC)凭借其高可靠性、高效率、 调速方便、寿命长等特点在国际上已得到较为充分的发展，在一些较为发达的国家，无刷直流电动机将在未来几年内成为主导电动机，并逐步取代其他类型的电动机。BLDC驱动控制方式分为有位置传感器式和无位置传感器式两种。位置传感器的存在会给无刷电机的应用带来很多的缺陷与不便，首先，位置传感器会增加电机的体积和成本；其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性，再次，在某些恶劣工作环境中， 如在密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器根本就无法使用。此外，位置传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加生产的工艺难度，特别是当电机尺寸小到一定程度时，使用位置传感器的弊病日渐明显。经检索，2006年10月M日，北京航空航天大学申请了一种申请号为 2006101139873，专利名称为一种高速永磁无刷直流电机锁相稳速控制系统的发明专利， 其是由锁相环速度控制器、数字低通滤波器、功率放大器、永磁无刷直流电动机、霍尔效应转子位置传感器组成，该发明通过低精度的霍尔效应转子位置传感器获得转速反馈，实现了磁悬浮控制力矩陀螺用高速永磁无刷直流电机的高精度稳速控制，这种霍尔效应转子位置传感器在实际应用中存在一定程度的磁不敏感区，还存在锁相速度缓慢，鉴频鉴相范围低，计数器的模数范围变化窄，电机转速必须在锁相范围内才可锁相等不足。而使用无位置传感器驱动方式则省去了位置检测装置，降低了成本，缩小了驱动器的体积，更容易实现与驱动器与电机的一体化。考虑到风机的体积、工作环境和生产成本问题，无位置传感器控制无刷直流电机的方式是更好的选择。在无位置传感器方波控制中， 最常用的是采用两两导通方式控制，但是这种控制方式存在电流过大会造成续流过长，进而造成换向失败的问题。2010年6月，《黑龙江水专学报》第37卷第2期刊登了一篇名为“基于无位置传感器BLDCM控制系统的研究”一文，文中阐述通过检测反电势电压信号并经过鉴相处理后代替霍尔信号，同时对换相时刻进行软件补偿，实现BLDCM的近似准确换向。其不足是通过检测三相端电压，进行深度滤波后再与模拟中性点比较，生成转子位置信号，但在重载时由于电流很大，续流时间比较长，会影响“理想”的三相端电压波形，造成波形畸变，影响了检测到的位置信号的准确性，不能确保换向的正确进行，并且相角延时换相不利于减小无刷直流电机的转矩脉动。因此，这也是无位置传感器控制方式在大功率领域应用的主要技术难点。 发明内容
本发明的目的是对反电动势法无刷直流电机无位置传感器控制技术的补充完善， 使反电动势检测技术能在重载大电流续流的情况下依然保持良好的性能，扩宽反电动势检测技术的应用范围，提供一种通过检测电流、转速、占空比、母线电压和电机参数确定出电流续流影响的偏移角度，然后对该偏移角度进行补偿，从而使换相时刻接近最佳换相时刻， 确保换向的正确进行的无位置传感器无刷直流电机重载相位补偿计算方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种无位置传感器无刷直流电机重载相位补偿计算方法，其特征在于采用反电动势检测方法，通过反电动势检测电路(如
图1)检测三相端电压，经滤波电路进行深度滤波后再与模拟中性点比较，经DSP处理器生成转子位置信号，将端电压分成反电动势信号和电流续流干扰信号，对两种信号进行相位和幅值的计算，得到由电流续流造成的转子位置信号的相位超前角度，加以补偿，具体步骤如下为了分析使电机在重载时位置检测信号的相位偏移现象，下面对重载下的端电压进行分析
因为反电动势检测电路是一低通滤波器，高频分量经过检测电路将被滤除，因此可做如下简化
1)因为PWM调制频率远大于反电动势检测电路的低通滤波器的截止频率，高频的PWM 斩波电压可以用其电压平均值近似；
2)同样，电机中性点电压波动也被滤除，可以用其平均值近似；
3)相反电动势为120°平顶宽，等效幅值为母线电压的PWM波；
在采用上桥臂调制，下桥臂导通方式(PWM-ON)时端电压可以简化成如图4所示的模
型，其中，Ufl为理想线反电动势与理想中性点的电压之和，％为电流续流引起的电压畸变，端电压LJj■等于％与％之和，即CZr = Us + Ui (电压参考点为母线负极)； 图4中端电压t/y可以分成6个状态，分别为
1)和时刻该相下桥臂导通，端电压[^与LJe相等，为母线负极电压，标记为0， U1也为0，此时Ui不影响位置信号的检测；
2)t2时间段电机换相，电流经过上桥臂反并联二极管续流，电压被钳位为母线电压 Ud , Ue随相反电动势的增大而线性上升；υ!为Ut与Ue之差，即U1=U7-Ue ；
3)t3时间段该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和。中性点电压为直流偏置，反电动势线性上升，端电压与i/e线性上升；LJi为0，不起作用；
4)/4时间段该相上桥臂调制，占空比￡)与母线电压[^的乘积与 、的关系为 UdxD = Us，端电压等于乙’有 =Ug = Ub ； U1为0，不影响位置信号的检测；
5) ,时间段电机换相，电流经过下桥臂反并联二极管续流，端电压被钳位为母线地电压0，Ug随反电动势的减小而线性下降，Ui为Ur与Ue之差，即
6)Z6时间段该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和，中性点电压为直
流偏置，反电动势线性下降，端电压ITjl与？Tg线性下降，LJi为0，不影响位置信号的检测；
通过对端电压的分解，Us在轻载和重载时一样，而乙 则有很大的差别，轻载时，电流小，t2和/5很短，U1的作用时间很短，其伏秒积很小，有F = Ujix 二0 ( tK =t2 , t5 )，因此对位置信号检测只造成微弱的影响，可以忽略不计；重载时，电流大，& 和I5持续较长的时间，伏秒积不可忽略，它对位置检测信号的影响严重，产生的相位
超前角度过大，图5为端电压Ut和其分解的电压Ue和U!经过低通滤波器后的生成的
信号，续流干扰信号超前反电动势信号，使得它们叠加合成的端电压信号超前于反电动势信号，续流干扰信号的幅值越大，端电压信号的超前角度越大，端电压相位超前使端电压的过零点时刻提前到来，检测得到的过零点偏离真实的反电动势过零点，当随着负载电流的增大，相位超前角度随之增大，当超前角度过大时，换相情况变恶劣，引起电流畸变，反过来影响到端电压波形和位置检测信号，造成换相的进一步恶化，最终导致换相失败；
通过上述模型的建立，对端电压的分解分析，我们可以得到轻载和重载时的反电动势
检测信号相位关系其实就是Lr+ U1的相位关系，由于与 /7周期一样，
权利要求
1.一种无位置传感器无刷直流电机重载相位补偿计算方法，其特征在于采用反电动势检测方法，通过反电动势检测电路检测三相端电压，经滤波电路进行深度滤波后再与模拟中性点比较，经DSP处理器生成转子位置信号，将端电压分成反电动势信号和电流续流干扰信号，对两种信号进行相位和幅值的计算，得到由电流续流造成的转子位置信号的相位超前角度，加以补偿，具体步骤如下为了分析使电机在重载时位置检测信号的相位偏移现象，下面对重载下的端电压进行分析因为反电动势检测电路是一低通滤波器，高频分量经过检测电路将被滤除，因此可做如下简化1)因为PWM调制频率远大于反电动势检测电路的低通滤波器的截止频率，高频的PWM 斩波电压可以用其电压平均值近似；2)同样，电机中性点电压波动也被滤除，可以用其平均值近似；3)相反电动势为120°平顶宽，等效幅值为母线电压的PWM波；在采用上桥臂调制，下桥臂导通方式(PWM-ON)时端电压可以简化成如图4所示的模型，其中，Ue为理想线反电动势与理想中性点的电压之和，CTj为电流续流引起的电压畸变，端电压等
2.中性点电压为直流偏置，反电动势线性上升，端电压ITf与Ug线性上升； 为0， 不起作用；4)Z4时间段该相上桥臂调制，占空比与母线电压％的乘积与的关系为
全文摘要
本发明涉及无刷直流电机技术领域，具体地说是一种无位置传感器无刷直流电机重载相位补偿计算方法，其特征在于采用反电动势检测方法，通过反电动势检测电路检测三相端电压，经滤波电路进行深度滤波后再与模拟中性点比较，经DSP处理器生成转子位置信号，将端电压分成反电动势信号和电流续流干扰信号，对两种信号进行相位和幅值的计算，得到由电流续流造成的转子位置信号的相位超前角度，加以补偿，本发明只需检测电机相电流，控制器即可实时确定超前的相位角度，因为相角超前换相有利于减小无刷直流电机的转矩脉动，所以可以根据电流大小和转速适当的进行相角补偿，从而使电机达到最佳运行状态。
文档编号H02P6/10GK102437805SQ20111033405
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年9月15日
发明者孟凡民, 徐殿国, 曹何金生, 杨明, 王公旺 申请人:威海克莱特机电有限公司