磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法，综合利用转子磁链基波和三次谐波来进行无位置传感器无刷直流电机的控制，利用转子基波磁链信号提供转子的位置范围，利用三次谐波进行逻辑运算来精确定位，解决了三次谐波需要其他方法配合检测的问题，对三次谐波的逻辑运算实现了三次谐波检测连续转子位置信号，准确地检测到了电机所需连续转子位置信号。
【专利说明】
磁链基/Ξ次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于电机控制领域，特别设及一种磁链基/Ξ次波组合优化无刷直流电机 位置连续检测方法。
【背景技术】
[0002] 无刷直流电机具有结构简单、出力大和效率高等特点。相比于物理位置传感器如 旋变、霍尔位置传感器等无位置传感器位置检测方式不仅减小了电机体积，也降低了控制 系统的复杂性，增加了稳定性。对于无位置传感器的无刷直流电机，电机转子位置检测的准 确度直接影响了控制性能。特别是电机高速运行时电流滞后反电势较多，往往需要超前导 通控制，得到连续的位置信号更有利于控制。
[0003] 经典的反电势过零法在重载或绕组电气时间常数大等情况下，续流二极管导通角 很大，此时通过检测每相反电势过零点的方法并不适合无位置传感器运行。转子磁链基波 观测法不受二极管导通角和逆变器nm斩波的影响，对滤波器要求低，有更宽的调速范围， 但转子磁链基波信号由于受电机电抗值的变化会产生一定误差。转子磁链Ξ次谐波过零检 测法与电抗值无关，不受其影响，转子位置检测精度高，但过零检测法不能获得连续的转子 位置信号，且由于转子Ξ次谐波周期为电机旋转周期的Ξ分之一，需要其他方法进行配合 检测。
【发明内容】
[0004] 要解决的技术问题
[0005] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种磁链基/Ξ次波组合优化无刷直 流电机位置连续检测方法，得到准确可靠的连续转子位置信号。在检测转子位置的过程中， 有效结合了电机转子磁链基波和Ξ次谐波信号，准确检测连续的电机转子位置，提高电机 的运行性能。
[0006] 技术方案
[0007] -种磁链基/Ξ次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法，其特征在于步骤 如下：
[000引步骤1:在电机完成起动，进入运行阶段后计算出反电势Ξ次谐波：
[0009] Ua+叫+Uc = ea+eb+ec = U3+Uh (1)
[0010] Uh为高于Ξ次的高次谐波分量，其占比例很小忽略不计，然后对反电势Ξ次谐波 进行积分，得到转子磁链Ξ次谐波：
[0011] i])3f = /u3dt (2)
[0012] 其中，Ua、叫、Uc为电机Ξ相相电压；
[0013]步骤2、对得到的电机转子磁链Ξ次谐波信号进行逻辑运算:不断比较前后两次计 算得到的恥f值，若后一次的值大于前一次则记一个变量P值为1，后一次小于前一次则将巧己 为0，当P由1变为0时记当前ihf值为K，按照恥3 =恥f/K进行幅值缩放使恥f幅值为1记为恥3;按 照下述公式进行处理得到Ξ次谐波逻辑运算中间过程波形信号：
[0014] Fi = arcsin(-itf3) · 60A+30 (3)
[001引然后，不断比较前后两次计算得到的Fi，若后一次的Fi小于前一次Fi，则给后一次 的Fi取反再加上120,得到电角度为周期的连续转子位置信号θι;
[0016] 步骤3:对采样得到的电机Ξ相电压Ua、化和UcW及Ξ相电流Ia、Ib及Ic进行坐标变 换，将电压和电流从a-b-cS相坐标系下转换为α-β两相静止坐标系下的电压Ua、Ue和电流 Ia、Ie，再计算电机绕组中的定子磁链矢量恥在α-β两相静止坐标系下的分量恥a、4se，R为电 机相电阻:计算公式为：
[0017] (4)
[0018] 定子磁链矢量Ws由两部分构成，一部分是转子磁体励磁产生Ψ?，另一部分是电枢 反应LsIa、LsIe，电感Ls是电机的常数；
[0019] 计算转子磁链在α-β两相静止坐标系下的分量恥α、恥e:
[0024]步骤4、利用电机转子磁链Ξ次谐波和基波进行位置检测：当0<θτ<120时，令θ = 01，当12〇<0r<24〇时，令θ = θι+120,当24〇<0r<36〇时，令θ = θι+240,得到不受电机电抗变 化影响的全周期连续转子位置信号9。
[00巧]有益效果
[0026] 本发明提出的一种磁链基/Ξ次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法，利 用电机的相电压、相电流信号，通过计算得到电机转子磁链基波和Ξ次谐波信号，如图4通 过对电机转子磁链Ξ次谐波进行一定的逻辑运算，在电机旋转360°电角度完整周期中得到 3段120°电角度为周期的转子位置信号θι;如图5使用转子磁链基波信号对转子位置角度进 行估算。如图6W基波信号得到的大致转子位置信号0r为根据，当0<θτ<120时，令θ = θι，当 120<θτ<240时，令θ = θι+120,当240<θτ<360时，令θ = θι+240。从而可W得到不受电机电 抗变化影响的全周期360°电角度连续转子位置信号。其中在120°、240°和360° (0°)运几个 位置由于基波磁链由电抗变化引起的位置信号误差所W会带来相应的误差，但运几个位置 至少与电机换向的关键位置相差30%所W对无刷直流电机的控制甚至一定的超前导通控 制不造成影响。
[0027] 本发明综合利用转子磁链基波和Ξ次谐波来进行无位置传感器无刷直流电机的 控制，利用转子基波磁链信号提供转子的位置范围，利用Ξ次谐波进行逻辑运算来精确定 位，解决了 Ξ次谐波需要其他方法配合检测的问题，对Ξ次谐波的逻辑运算实现了 Ξ次谐 波检测连续转子位置信号，准确地检测到了电机所需连续转子位置信号。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明所使用方法的流程图。
[0029] 图2是本发明所使用的电机星形连接绕线方式和电机相反电势及相电流信号。
[0030] 图3是电机坐标变换矢量图。
[0031 ]图4是转子磁链Ξ次谐波波形及其逻辑变换过程及结果。
[0032] 图5是两相静止坐标系下转子磁链基波波形和得到的转子位置角度。
[0033] 图6是本发明使用的信号波形W及通过电机转子磁链基波和Ξ次谐波配合得到的 电机连续转子位置信号。
【具体实施方式】
[0034] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0035] 本发明解决其技术问题通过W下技术方案实现的：
[0036] 1、磁链基/Ξ次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法。其特征在于:首先， 电机完成起动，进入运行阶段。根据电机Ξ相电压计算出反电势Ξ次谐波，对反电势Ξ次谐 波进行积分，得到转子磁链Ξ次谐波。对电机转子磁链Ξ次谐波进行一定的逻辑运算:不断 比较前后两次计算得到的Φ3?值，若后一次的值大于前一次则记一个变量P值为1，后一次小 于前一次则将巧己为0,当Ρ由1变为加寸记当前恥f值为Κ，按照恥3=化f/K进行幅值缩放使恥f幅 值为1记为恥3,然后按照公式Fi = arcsin(-恥3) · 60A+30得到信号Fi。然后，不断比较前后 两次计算得到的Fi，若后一次的Fi小于前一次Fi，则给后一次的Fi取反再加上120，按照运一 方法即得到3段电角度为周期的连续转子位置信号θι。
[0037] 2、磁链基/Ξ次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法。其特征在于:通过传 感器分别检测电机Ξ相电压和Ξ相电流，并进行3-2坐标变换将Ξ相电压、电流转换为两相 静止坐标系下的电压和电流，进一步计算得到电机转子磁链基波在α轴和β轴方向的分量 恥。、帖，贝峭到受电机电抗变化影响的连续转子位置信号
[0038] 3、磁链基/Ξ次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法。其特征在于:使用转 子磁链基波信号得到的连续位置信号配合Ξ次谐波信号通过逻辑运算得到的转子位置信 号，W基波信号得到的大致转子位置信号θτ为根据，当〇<0r<12〇时，令θ = θι，当120<θτ< 240时，令θ = θι+120,当24〇<0r<36〇时，令θ = θι+240。从而可W得到不受电机电抗变化影 响的全周期360°电角度连续转子位置信号。其中在120°、240°和360° (0°)运几个位置由于 基波磁链由电抗变化引起的位置信号误差所W会带来相应的误差，但运几个位置至少与电 机换向的关键位置相差30°，所W对无刷直流电机的控制甚至一定的超前导通控制不造成 影响。
[0039] 根据本发明的实施实例，如图1、图2所示，电机采用绕组星型连接Ξ相六状态的控 制方式，提供了一种应用于无位置传感器无刷直流电机连续位置检测的新方法。本发明包 括：由硬件电路得到转子磁链基波和Ξ次谐波信号，由软件计算得到准确地转子位置角。
[0040] 步骤一：引出电机绕组中性点，通过硬件电路计算电机反电势Ξ次谐波，计算公式 如下：
[0041 ] Ua+Ub+Uc = ea+eb+ec = U3+Uh (1)
[0042] 其中，Ua、Ub、Uc为电机Ξ相相电压，Uh为高于Ξ次的高次谐波分量，其占比例很小 忽略不计。ea、eb、ec为电机Ξ相反电势。对反电势Ξ次谐波进行积分，得到转子磁链Ξ次谐 波Φ3? :
[0043] φ3? = /u3dt (2)
[0044] 步骤二:如图4所示对得到的电机转子磁链Ξ次谐波信号进行逻辑运算。不断比较 前后两次计算得到的Φ3?值，若后一次的值大于前一次则记一个变量Ρ值为1，后一次小于前 一次则将巧己为0，当Ρ由1变为0时记当前化f值为Κ，按照恥3=化f/Κ进行幅值缩放使化f幅值为 1记为恥3,按照公式3进行处理得到如图4中所示的Ξ次谐波值逻辑运算中间过程波形信号， 计算公式如下：
[0045] Fi = arcsin(-itf3) · 60A+30 (3)
[0046] 然后，不断比较前后两次计算得到的Fi，若后一次的Fi小于前一次Fi，则给后一次 的Fi取反再加上120,得到图4中Ξ次谐波逻辑运算结果的波形，即得到电角度为周 期的连续转子位置信号曰1。
[0047] 步骤通过传感器检测电机Ξ相电压Ua、化和UcW及Ξ相电流Ia、Ib及Ic。对Ξ相 电压和电流进行坐标变换，如图3所示。将电压和电流从a-b-cS相坐标系下转换为α-β两相 静止坐标系下的电压U。、化和电流Ia、Ie。通过硬件电路计算电机绕组中的定子磁链矢量Ws 在α-β两相静止坐标系下的分量恥a、4se，R为电机相电阻，计算公式为：
[004引
（4)
[0049] 定子磁链矢量Ws由两部分构成，一部分是转子磁体励磁产生Ψ?，另一部分是电枢 反应LsIa、LsIe。运里，电感Ls是常数，由电机决定。通过硬件电路计算转子磁链在α-β两相静 止坐标系下的分量恥。、帖，如图5所示。计算公式为：
[00 加]
(5)
[0051]转子位置θτ即d轴与a轴的夹角，如图3所示。可由下式判断：
[0化2]
[0053 ]如图3、5所示可得转子位置角度：
[0054]
巧）
[0055] 步骤四：如图6所示，综合利用电机转子磁链Ξ次谐波和基波进行位置检测，如图6 W基波信号得到的大致转子位置信号为根据，当0<er<120时，令θ = θι，当120<θτ<240 时，令目=目1+120，当240< 0r<360时，令目=目1巧40，从而可W得到不受电机电抗变化影响的 全周期连续转子位置信号Θ。其中在120°、240°和360° (0°)运几个位置由于基波磁链由电抗 变化引起的位置信号误差所W会带来相应的误差，但运几个位置至少与电机换向的关键位 置相差30%所W对无刷直流电机的控制甚至一定的超前导通控制不造成影响。
[0056]由图6中得到的电机连续转子位置信号可知，使用本发明的方法可W准确地得到 所需连续转子位置信息，通过对Ξ次谐波信号进行逻辑运算解决了 Ξ次谐波过零检测不能 检测连续转子位置信号的问题，利用转子磁链基波解决了 Ξ次谐波检测周期只有电机旋转 周期的Ξ分之一的问题，从而准确的控制开关管的开关与电机的换相，使得无刷直流电机 在无位置传感器的情况下能够具有非常好的运行性能。
【主权项】
1. 一种磁链基/三次波组合优化无刷直流电机位置连续检测方法，其特征在于步骤如 下： 步骤1:在电机完成起动，进入运行阶段后计算出反电势三次谐波： Ua+Ub+Uc = ea+eb+ec = U3+Uh (1) uh为高于三次的高次谐波分量，其占比例很小忽略不计，然后对反电势三次谐波进行积 分，得到转子磁链三次谐波： ifef = Ju3dt (2) 其中，Ua、Ub、Uc为电机三相相电压； 步骤2、对得到的电机转子磁链三次谐波信号进行逻辑运算:不断比较前后两次计算得 到的fcf值，若后一次的值大于前一次则记一个变量P值为1，后一次小于前一次则将P记为0， 当P由1变为0时记当前值为K，按照fe=ifef/K进行幅值缩放使ifef幅值为1记为fe;按照下 述公式进行处理得到三次谐波逻辑运算中间过程波形信号： Fi = arcsin(-itf3) · 60A+30 (3) 然后，不断比较前后两次计算得到的h，若后一次的h小于前一次h，则给后一次的^取 反再加上120,得到以120°电角度为周期的连续转子位置信号θ1; 步骤3:对采样得到的电机三相电压Ua、Ub和Uc以及三相电流I a、Ib及I。进行坐标变换，将 电压和电流从a-b-C三相坐标系下转换为α_β两相静止坐标系下的电压Ua、Uf!和电流Ια、Ι?!， 再计算电机绕组中的定子磁链矢量队在两相静止坐标系下的分量为电机相电 阻:计算公式为：定子磁链矢量由两部分构成，一部分是转子磁体励磁产生Ψ?，另一部分是电枢反应 LsIc^LsIfi，电感Ls是电机的常数； 计算转子磁链在两相静止坐标系下的分量转子位置即d轴与a轴的夹角，由下式判断：步骤4、利用电机转子磁链三次谐波和基波进行位置检测：当〇<0r<12〇时，令0 = 0:，当 12〇<0r<24〇时，令0 = 01+12〇，当24〇<01<36〇时，令0 = 01+24〇，得到不受电机电抗变化影 响的全周期连续转子位置信号Θ。
【文档编号】H02P21/28GK106059437SQ201610368298
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】窦满峰, 苏超, 谭博, 赵冬冬, 方淳
【申请人】西北工业大学