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| 基于線電壓差值對稱的無刷直流電機(jī)換相信號(hào)相位補(bǔ)償(zxj) |
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摘要：無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最徙換相可以使無刷直流電機(jī)發(fā)揮出****的性能．文章以無刷直流電機(jī)工作在二相星型六個(gè)狀態(tài)模式為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析r****換相、超前換相和滯后換相情況下線電壓差值與霍爾換相信號(hào)相位之間的關(guān)系，據(jù)此提出‘種補(bǔ)償換相信號(hào)偏差的新型閉環(huán)控制方法。該補(bǔ)償方法以兩相線電壓差作為信號(hào)量，前后』坷次換干阿時(shí)刻采集的非對稱信號(hào)量偏差值作為反饋量，通過Pl調(diào)節(jié)器達(dá)到補(bǔ)償霍爾換相信號(hào)相位偏差的日的。仿真和實(shí)驗(yàn)征明該方法能夠?qū)崟r(shí)、有效地補(bǔ)償換相信號(hào)的相位偏差關(guān)鍵詞：相傳偏差；無刷直流電機(jī)；相位補(bǔ)償；閉環(huán)控制O 引 言無刷直流電機(jī)通過霍爾位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，結(jié)合六個(gè)換相狀態(tài)控制無刷直流電機(jī)三相序的通斷，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的換相，岡此提供給控制系統(tǒng)準(zhǔn)確的換相信號(hào)是實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在實(shí)際工程中，調(diào)試人員需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)才能把霍爾傳感器安裝到****的換相位置，但是電機(jī)在運(yùn)行過程中電樞反應(yīng)的存在使磁場產(chǎn)生畸變，凋整好的霍爾換相信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)超前或滯后的相位偏差如果無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)ο辔黄钸M(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，小但口_以大大節(jié)省調(diào)試人員花費(fèi)在調(diào)整霍爾傳感器位置E的時(shí)間和精力．而且還能夠?qū)崟r(shí)的對霍爾換相信號(hào)的相位偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提高r整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、降低了系統(tǒng)的損耗。因此，在實(shí)際控制系統(tǒng)中引入自動(dòng)和位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)換相信號(hào)相位偏差自動(dòng)補(bǔ)償具有較高的工程意義和實(shí)用價(jià)值。
無刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢為梯形波，相電流為矩形波。只有當(dāng)每相繞組的電流與該相繞組的反電動(dòng)勢保持相位一致時(shí)，無刷直流電機(jī)在瞽位電流內(nèi)輸出的轉(zhuǎn)矩才能****，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)才能最小。同內(nèi)外學(xué)者對換相信號(hào)相位偏差的論述及消除方法進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)[4—5]分析了換相信號(hào)超前、滯后對電流的影響，得出r換相信號(hào)超前或滯后會(huì)引起導(dǎo)通相電流增大、非導(dǎo)通相導(dǎo)通的結(jié)論；文獻(xiàn)[67]分別以端電壓列稱和非導(dǎo)通相續(xù)流電流均值對稱作為控制目標(biāo)，間接反映換相信號(hào)相位偏差，再通過PI調(diào)節(jié)器校正過零點(diǎn)的延時(shí)角度，達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償換相信號(hào)相位偏差的目的。但文獻(xiàn)[7]在功率電路的三相橋臂巾串入電陽檢測續(xù)流電流的方法，會(huì)減小功率器什的驕動(dòng)電壓，影響功率器件的驅(qū)動(dòng)能力。文獻(xiàn)[810]通過數(shù)學(xué)模型估算換相信號(hào)相位偏差，再根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。但這些方法均需要精確的電機(jī)參數(shù)和復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因而降低r估算偏差的準(zhǔn)確性。
針對上述補(bǔ)償方法存在的問題，本文提出了一種基于線電壓差值對稱的相位補(bǔ)償新方法。討論無刷直流電機(jī)存在換相偏差時(shí)會(huì)采樣到兩個(gè)不對稱的電壓值，研究具有換相信號(hào)相位補(bǔ)償?shù)脑⒅绷麟姍C(jī)控制系統(tǒng)，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。
1相位補(bǔ)償原理與策略1．1線電壓差值估算原理反電動(dòng)勢與霍爾換相信號(hào)具有一一對應(yīng)的相位關(guān)系：當(dāng)反電動(dòng)勢達(dá)到止的****值時(shí)，傳感器輸出高電平信號(hào)；當(dāng)反電動(dòng)勢達(dá)到負(fù)的****值時(shí)，傳感器跳變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)。但是在電機(jī)運(yùn)行過程中，反電動(dòng)勢是‘個(gè)無法檢測到的信號(hào)量，因此要找到反電動(dòng)勢與霍爾換相信號(hào)的相位關(guān)系，只能通過檢測與反電動(dòng)勢相位火系相同信號(hào)量，間接反映出它們之間的相位關(guān)系。
對于采用星型聯(lián)結(jié)繞組，_二相六個(gè)狀態(tài)120。兩兩通電方式的水磁無刷直流電機(jī)，假設(shè)其三相繞組對稱，其等效電路及驅(qū)動(dòng)主電路如圖1所月示．直接利用無刷直流電動(dòng)機(jī)的相變量來建立數(shù)學(xué)模型，并通過一系列的假設(shè)和簡化分析，得到三相繞組的電壓平衡方程為：
根據(jù)實(shí)際的三相反電動(dòng)勢面出線電壓差值信號(hào)曲線如圖2所示，的電壓差值是以****值和最小值為軸線的對稱信號(hào)景，并且與A相反電動(dòng)勢e．具有相同的相位l炎系，閃此通過線電壓差值信號(hào)旨就可以間接的反映出霍爾換相信號(hào)的相位關(guān)系。
1．2****換相時(shí)的信號(hào)特性分析霍爾換相信號(hào)彼此間的相位差為l20。的電角度。如圖3所示，****換相時(shí)，霍爾換相信號(hào)A南低電平變?yōu)楦唠娖�，反電�?dòng)勢e，達(dá)到正的****值，采樣此時(shí)的線電壓差值信號(hào)為U；同樣霍爾換相信號(hào)B由低電平變?yōu)楦唠娖�，反電�?dòng)勢e。從正的****值逐漸減小，采樣此刻的線電樂差值為U2，兩個(gè)電壓值相減，可得：
△u=u1一u2=0 (6)根據(jù)式(6)可知：在****換相的情況下，換相瞬間采樣到的電壓u1與U2相等，兩電壓差值為零。
1．3超前、滯后換相時(shí)信號(hào)特性分析當(dāng)實(shí)際的換相位置信號(hào)超前****換相信號(hào)“角度，即超前α角度換相時(shí)，反電動(dòng)勢、線電壓差值信號(hào)及霍爾換相信號(hào)A、霍爾換相信號(hào)B的波形如圖4所示。
在120。一a處，霍爾換相信號(hào)A由低電平跳變?yōu)楦唠娖�，電機(jī)相繞組由c相、B相導(dǎo)通切換到A相、B相，切換瞬問采樣線電壓差值信號(hào)為u在240。-a處，霍爾換相信號(hào)B由低電平跳變?yōu)楦唠娖�，電機(jī)相繞組由A相、c相導(dǎo)通切換到B相、c相，切換瞬間采樣線電壓差值信號(hào)為U，可求得線電壓差值信號(hào)偏差△U為：
△U=u1一U2<O (7)根摒圖4可知，U1隨著超前換相角度“的增大而減小，U2隨著超前換相角度“的增大而增大，那么由式(7)可得：電壓差值△u隨著超前換相角度a的增大而減小。
當(dāng)實(shí)際的換相位置信號(hào)滯后****換相信號(hào)“角度，即滯后“角度換相時(shí)，反電動(dòng)勢、線電壓差值信號(hào)及霍爾換相信號(hào)A、霍爾換相信號(hào)B的波形如圖5所示。
在120。+d處，霍爾換相信號(hào)A FI=}低電平跳變?yōu)楦唠娖�，電機(jī)相繞組由c相、B相導(dǎo)通切換到A栩、B相，切換瞬間采樣線電壓差值信號(hào)為u，。
在240。+“處，霍爾換相信號(hào)B南低電平跳變?yōu)楦唠娖剑姍C(jī)相繞組由A相、C相導(dǎo)通切換到B相、c相導(dǎo)通，切換瞬問采樣線電壓差值信號(hào)為鞏，n J_求得電壓差值△Ⅳ為：
根據(jù)圖5可知，f／．隨著滯后換相角度d的增大而增大，％隨著滯后換相角度“的增火而減小，那么[相式(8)可得：電壓差值△f／隨著滯后換相角度“的增大而增大。
由前面分析可知，電壓差值△U能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)出實(shí)際換相信號(hào)的相位偏差。實(shí)際的霍爾換相信號(hào)與****換相信號(hào)一致時(shí)，△u等于零；實(shí)際的霍爾換相信號(hào)超前****換栩信號(hào)時(shí)，△u小于零；實(shí)際的霍爾換相信號(hào)滯后****換相信號(hào)時(shí)，△U大于零；即△U的大小與換相信號(hào)相位偏差大小相關(guān)聯(lián)。
1．4控制系統(tǒng)構(gòu)成與相位校正策略具有換相信號(hào)相位補(bǔ)償?shù)臒o刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)如圖6所示，相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)由線電壓檢測模塊、霍爾換相信號(hào)檢測模塊、實(shí)時(shí)計(jì)算的線電壓差值模塊、換相信號(hào)偏差檢測模塊、PI調(diào)節(jié)器模塊、換相邏輯延時(shí)控制模塊組成。
該補(bǔ)償環(huán)節(jié)通過控制霍爾換相信號(hào)A換相時(shí)刻檢測到的電壓值[／和霍爾換相信號(hào)B換相時(shí)刻檢測到的電壓倩[／1相等，實(shí)現(xiàn)換相信號(hào)相位補(bǔ)償�？刂葡到y(tǒng)中電壓霍爾傳感器檢測尤刷直流電機(jī)uAC與uRA兩相線電壓，計(jì)算出兩相線電壓的差值，當(dāng)霍爾換相信號(hào)A、B電平發(fā)牛跳變時(shí)檢測線電壓信號(hào)值，兩者相減得到△f，，再將△u送人PT調(diào)節(jié)器，根據(jù)差值△“的大小補(bǔ)償換相角度實(shí)現(xiàn)換相偏差的補(bǔ)償。
電壓信號(hào)偏差值△U，和換相補(bǔ)償角度△θ的關(guān)系為：
式中，k為比例系數(shù)；K。為積分系數(shù)；日’為未補(bǔ)償換相時(shí)刻角度值；θ為補(bǔ)償后換相時(shí)刻角度值。
****換相時(shí)，電壓差值△U=0，換相信號(hào)無相位偏差，換相補(bǔ)償角度值△θ為零，即θ=θ’；超前換相時(shí)，電壓差值△u<0，通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，換相補(bǔ)償角度△θ逐漸增大，直到電壓信號(hào)偏差值△u=0補(bǔ)償停止，此時(shí)補(bǔ)償?shù)?***換相點(diǎn)；滯后換相時(shí)，電壓差值△u>0，通過PT調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，補(bǔ)償角度△θ逐漸減小，直到電壓信號(hào)偏差值△U=0補(bǔ)償停止，此時(shí)補(bǔ)償?shù)?***換相點(diǎn)。
實(shí)際系統(tǒng)中在轉(zhuǎn)速一定的情況下，角度的補(bǔ)償值是轉(zhuǎn)換成時(shí)間量完成的。超前換相時(shí)，△u通過P1調(diào)節(jié)器輸出一個(gè)補(bǔ)償值，將此補(bǔ)償值存入微控芯片的定時(shí)計(jì)數(shù)器中，當(dāng)定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與存人的補(bǔ)償值相等時(shí)產(chǎn)生中斷，此時(shí)在中斷程序巾通過換相真值表A完成換相，此刻的換相角度值即為補(bǔ)償后的換相角度值。滯后換相時(shí)，通過程序判斷△U大于零，進(jìn)入換相真值表B提前60。換相，然后再對超前的60�！玜偏差相位進(jìn)行補(bǔ)償。如表l所示，假如c相和A相導(dǎo)通時(shí)的霍爾邏輯狀態(tài)為100，如果此時(shí)為滯后a角度換相，為了對換相偏差進(jìn)行相位補(bǔ)償，在霍爾邏輯狀態(tài)為100時(shí)，讓B相和A相導(dǎo)通，即超前60。一“換相，然后再對超前的相位進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償。：
2仿真研究基于以上原理，采用Matlab／simulink建立具有轉(zhuǎn)子位置相位補(bǔ)償功能的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)巾定子的相電阻R=O．16Ω，定子電感I=O 072 mH，電機(jī)的極對數(shù)為2。圖7為實(shí)時(shí)計(jì)算出的兩相線電壓差值信號(hào)波形，圖8和圖9分別為相位超前和校正后的c相電流波形，圖10和圖11分別為相位滯后和校正后的c相電流波形。
由圖7可以看出，由線電壓實(shí)時(shí)計(jì)算出來的兩相線電壓差值信號(hào)與理論推導(dǎo)出的波形一致，在此基礎(chǔ)上采用的換相信號(hào)相位偏差補(bǔ)償策略可以很好的補(bǔ)償換相角度，從而達(dá)到換相信號(hào)相位偏差補(bǔ)償?shù)哪康摹?BR> 3實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)采用基于 DsPIc30F4011為核心的無刷直流電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置，試驗(yàn)的永磁無刷直流電機(jī)參數(shù)為：額定功率l kw，輸入電壓26 V，額定轉(zhuǎn)速7600r／m Jfl．極對數(shù)2，額定電流60 A。
實(shí)驗(yàn)巾載波頻率為20 kHz，利用電壓霍爾傳感器檢測線電壓uAC和u，通過簡單的濾波電路濾掉高頻信號(hào)，然后通過抬升電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為0—5 V的電壓信號(hào)送人單片機(jī)的AD通道進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，最后通過軟件計(jì)算得到兩相線電壓Um與‰、的差值信號(hào)。
圖12為電壓霍爾傳感器實(shí)測線電壓和U后計(jì)算得出的兩相線電壓差值信號(hào)波形、從圖中可以看出，由線電壓之差得到信號(hào)波形與理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果基本相同。圖13和圖15分別為超前換相和滯后換相情況下的c相電流波形，從罔中可以看出，兩種情況下C相電流在換相時(shí)刻都f“現(xiàn)了電流沖擊。
圖14和圖16為采用本文所提方法校正后的c相電流波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果相一致，本史所用閉環(huán)控制方法補(bǔ)償了換相信號(hào)的相位偏差。
4結(jié)論本文針對無刷直流電機(jī)存在換相偏差的問題，提出了一種利用線電壓差值實(shí)時(shí)計(jì)算的相位補(bǔ)償新方法，該方法無需復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和精確的數(shù)學(xué)模型，只需檢測無刷直流電機(jī)兩相線電壓，構(gòu)造出線電壓差值信號(hào)量就呵以實(shí)現(xiàn)換相信號(hào)相位偏差的補(bǔ)償。通過仿真和試驗(yàn)的驗(yàn)證，本文提出的方法能夠?qū)崟r(shí)有效地補(bǔ)償位置信號(hào)的相位偏差，減小無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和降低系統(tǒng)的損耗。 |
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