一種基于延遲霍爾信號(hào)抑制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于延遲霍爾信號(hào)抑制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法。步驟一：獲取無(wú)刷直流電機(jī)的參數(shù)，所述參數(shù)包括額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、額定功率、反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)和磁極對(duì)數(shù)；步驟二：將步驟一中得到的參數(shù)輸入到延遲時(shí)間控制模塊，由公式計(jì)算得到延遲時(shí)間；步驟三：霍爾信號(hào)通過(guò)延遲時(shí)間控制輸入到脈寬調(diào)制，控制三相逆變器，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明不需要任何額外的電器元件，只需知道無(wú)刷直流電機(jī)參數(shù)就可以得到延遲時(shí)間，將霍爾信號(hào)延遲后可抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在不增加成本的前提下，提高了電機(jī)運(yùn)行效率。方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
【專利說(shuō)明】
-種基于延遲霍爾信號(hào)抑制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及的是一種抑制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩大、功率密度和效率高等優(yōu)點(diǎn)，在航空、電氣設(shè) 備、辦公自動(dòng)化和電力機(jī)車上被廣泛應(yīng)用。無(wú)刷直流電機(jī)是21世紀(jì)最有發(fā)展前途和廣泛應(yīng) 用前景的電子控制電機(jī)。然而，由于無(wú)刷直流電機(jī)的定子繞組中存在電感，在換相期間，電 流不能瞬間變化，關(guān)斷相電流下降斜率與導(dǎo)通相電流上升斜率不一致，導(dǎo)致非換相電流和 換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)出現(xiàn)，運(yùn)限制了其在高精度領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003] 申請(qǐng)?zhí)枮?01510032964.9的專利文件中，公開(kāi)了 "一種無(wú)刷直流電機(jī)換向控制裝 置及方法"；申請(qǐng)?zhí)枮?00910073288.4的專利文件中，公開(kāi)了一種"基于FPGA的無(wú)刷直流電 機(jī)的控制方法"；申請(qǐng)?zhí)枮?00710075424.4的專利文件中，公開(kāi)了 "一種無(wú)位置傳感器的無(wú) 刷直流電機(jī)的相位修正控制方法"；申請(qǐng)?zhí)枮?01310526494.2的專利文件中，公開(kāi)了一種 "無(wú)刷直流電機(jī)的控制方法"。運(yùn)些技術(shù)方案都不能解決如何抑制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種在不增加成本的前提下能提高電機(jī)運(yùn)行效率的基于 延遲霍爾信號(hào)抑制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 步驟一:獲取無(wú)刷直流電機(jī)的參數(shù)，所述參數(shù)包括額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、額定功率、 反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)和磁極對(duì)數(shù)；
[0007] 步驟二:將步驟一中得到的參數(shù)輸入到延遲時(shí)間控制模塊，由公式計(jì)算得到延遲 時(shí)間；
[000引步驟霍爾信號(hào)通過(guò)延遲時(shí)間控制輸入到脈寬調(diào)制，控制Ξ相逆變器，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷 直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
[0009] 所述公式包括:關(guān)斷相電流與延遲時(shí)間的表達(dá)式為
電磁轉(zhuǎn)矩 與延遲時(shí)間和占空比的表達(dá)式為
換相占空比關(guān)于關(guān)斷相初始電流和反電動(dòng)勢(shì)幅值的關(guān)系式巧
其中，L是相等效電感、ω是電機(jī)電角速度、t是延遲時(shí)間、E是反電動(dòng)勢(shì)幅值、I是相電流穩(wěn)定 值、D是占空比、U是直流源電壓、Te是電磁轉(zhuǎn)矩、Ω是電機(jī)機(jī)械角速度。
[0010] 本發(fā)明提供了一種新型的基于延遲霍爾信號(hào)特定時(shí)間來(lái)抑制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩 脈動(dòng)的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案的特點(diǎn)為:在獲得電機(jī)參數(shù)的前提下，延遲霍爾信號(hào)，在延 遲期間，關(guān)斷相反電動(dòng)勢(shì)下降，為了維持端電壓的恒定，關(guān)斷相電流上升，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比 的大小，可使電磁轉(zhuǎn)矩在此期間內(nèi)保持不變;在換相期間，為使換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，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，可推導(dǎo)出霍爾信號(hào)延遲時(shí)間的 大小。此方法不需要任何額外的電器元件，只需知道無(wú)刷直流電機(jī)參數(shù)就可W得到延遲時(shí) 間，將霍爾信號(hào)延遲后可抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在不增加成本的前提下，提高了電機(jī)運(yùn)行效率。方 法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本發(fā)明一種基于延遲霍爾信號(hào)抑制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)原理控制圖。
[0012] 圖2為本發(fā)明理想反電動(dòng)勢(shì)和電流波形圖。
[0013] 圖3為本發(fā)明延遲特定Θ電角度的反電動(dòng)勢(shì)和電流波形圖。
[0014] 圖4為本發(fā)明60°電角度內(nèi)關(guān)斷相反電動(dòng)勢(shì)和電流波形圖。
[001引圖5為本發(fā)明AC導(dǎo)通換相BC導(dǎo)通電路圖。
[0016] 圖6為本發(fā)明占空比關(guān)于延遲時(shí)間變化圖像。
[0017] 圖7為本發(fā)明關(guān)斷相電流關(guān)于延遲時(shí)間變化圖像。
[0018] 圖8為本發(fā)明電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)于延遲時(shí)間的變化圖像。
[0019]圖9為本發(fā)明換相占空比關(guān)于延遲時(shí)間的變化圖像。
[0020]圖10為本發(fā)明延遲0°下相電流和電磁轉(zhuǎn)矩波形圖。
[0021 ]圖1 la為延遲7.7°下Ξ相電流變化波形圖，圖Ub為延遲7.7°下相電流和電磁轉(zhuǎn)矩 波形圖。
[0022] 圖12a為延遲12°下Ξ相電流變化波形圖，圖12b為延遲12°下相電流和電磁轉(zhuǎn)矩波 形圖。
[0023] 圖13a為延遲20°下Ξ相電流變化波形圖，圖13b為延遲20°下相電流和電磁轉(zhuǎn)矩波 形圖。
[0024] 圖14a為延遲30°下Ξ相電流變化波形圖，圖14b為延遲30°下相電流和電磁轉(zhuǎn)矩波 形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：
[0026] 圖1是延遲霍爾信號(hào)抑制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原理控制圖，通過(guò)電機(jī)參數(shù)計(jì) 算霍爾延遲時(shí)間，將霍爾信號(hào)延遲后送人PWM調(diào)制模塊，驅(qū)動(dòng)Ξ相逆變器。
[0027] 圖2顯示了無(wú)刷直流電機(jī)120°電角度導(dǎo)通模式下理想反電動(dòng)勢(shì)和電流波形，其中 反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，電流為矩形波，Ξ相互差120°電角度。電流平頂部分與反電動(dòng)勢(shì)平頂對(duì) 應(yīng)，因此在非換相期間得到平滑的轉(zhuǎn)矩。然而，由于定子繞組中存在電感，在換相期間，電流 不能瞬間變化，導(dǎo)致非換相電流和換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)出現(xiàn)。
[0028] 無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，將其與控制信號(hào)共同驅(qū)動(dòng)逆變 器，使得電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)。圖3為霍爾信號(hào)延遲特定Θ(電角度)后反電動(dòng)勢(shì)和電流波形圖，與圖 2相比，電流滯后反電動(dòng)勢(shì)Θ角度，在延遲期間，關(guān)斷相反電動(dòng)勢(shì)會(huì)下降，而相對(duì)應(yīng)的電流上 升。電機(jī)每60°電角度換相，從而將60°電角度劃分為Ξ部分，如圖4所示。從圖4中得到，區(qū)間 ①(90°+θ-150°)為正常導(dǎo)通期間；區(qū)間②（150°-150°+θ)為延遲導(dǎo)通期間；區(qū)間③（150° + θ之后)為換相期間。
[0029] 為了方便詳細(xì)分析運(yùn)Ξ部分，假設(shè)WAC導(dǎo)通換相到BC導(dǎo)通為例。如圖5所示，A相是 關(guān)斷相，B相是導(dǎo)通相，C相是非換相。換相期間，由于繞組存在電感，A相電流由二極管(VD4) 續(xù)流，B相電流由開(kāi)關(guān)管（VT3)流通，脈沖寬度調(diào)制（PWM)模式為上下橋臂同時(shí)進(jìn)行調(diào)制 化PWM-LPWM)。延遲角度Θ與延遲時(shí)間t的關(guān)系為：
[0030] 目二 ω 村(1)
[0031] 其中ω是電機(jī)電角速度，t是延遲時(shí)間；
[0032] (a)區(qū)間①(90。+目一150。）為正常導(dǎo)通期間
[0033] 從圖4可W看出，在區(qū)間①中，反電動(dòng)勢(shì)和電流幅值保持恒定，AC相正常導(dǎo)通，B相 電流為0,則正常導(dǎo)通期間電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為： W 2 ￡7
[0034] 指=- 斌
[0035] 其中E是反電動(dòng)勢(shì)幅值，I是相電流穩(wěn)定值，Ω是電機(jī)機(jī)械角速度
[0036] (b)區(qū)間②(150°-150°+Θ)為延遲導(dǎo)通期間
[0037] 從圖3可W看出，區(qū)間②期間，關(guān)斷相反電動(dòng)勢(shì)開(kāi)始下降，而導(dǎo)通相和非換相反電 動(dòng)勢(shì)幅值保持不變。為了維持端電壓不變，關(guān)斷相電流開(kāi)始上升。由于在延遲導(dǎo)通期間，導(dǎo) 通相導(dǎo)通信號(hào)還未到，則導(dǎo)通相B相電流為0?？紤]到PWM的占空比為D，那么延遲導(dǎo)通期間關(guān) 斷相和非換相端電壓方程為：
[00；3 引
（3)
[0039] 其中，114，化，化是；相定子繞組端電壓，14山4視；相定子繞組相電流，64,66,6。 是Ξ相反電動(dòng)勢(shì)，R，L是相電阻和等效電感，Un是中性點(diǎn)電位。
[0040] 在延遲導(dǎo)通期間，只有AC相導(dǎo)通，B相電流為0，A相電流與C相電流大小相等，方向 相反。關(guān)斷相電流初始值為I，則可推導(dǎo)關(guān)斷相電流與延遲時(shí)間的表達(dá)式：
[0044] 從式(5)中可W看出，電磁轉(zhuǎn)矩與占空比和延遲時(shí)間有關(guān)，為保證延遲期間電磁轉(zhuǎn) 矩恒定，即假設(shè)7：: =7：, ，則可W得到占空比關(guān)于延遲時(shí)間的表達(dá)式，將其反代入到 式（5)中，電磁轉(zhuǎn)矩的大小只與延遲時(shí)間有關(guān)，即取特定的延遲時(shí)間，通過(guò)占空比的調(diào)節(jié)使 得電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定。
[0045] (C)區(qū)間③(150°+Θ之后)為換相期間
[0046] 上述延遲導(dǎo)通過(guò)程結(jié)束后，換相開(kāi)始，如圖5所示，關(guān)斷相電流經(jīng)由二極管VD4續(xù) 流，不受nm影響。導(dǎo)通相和非換相電流受換相占空比D。?控制。則此期間，Ξ相端電壓表達(dá) 式為：
[0047]
(6；
[004引此時(shí)，考慮到換相時(shí)間很短，假設(shè)關(guān)斷相A相反電動(dòng)勢(shì)幅值在換相期間為恒值Ε。?， 那么eA=Ec0m;可由式(4)得到特定的延遲時(shí)間下，關(guān)斷相A相電流初始值為Ii，而導(dǎo)通相電流 初始值為0。那么，推導(dǎo)出關(guān)斷相電流和導(dǎo)通相電流與換相時(shí)間的關(guān)系：
[0049]
(7)
[0050] 則可W推導(dǎo)出關(guān)斷相下降到0的時(shí)間tfa和導(dǎo)通相上升到穩(wěn)定值的時(shí)間tfb:
[0化1]
(8)
[0052]為了使換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，關(guān)斷相電流下降到0的時(shí)間應(yīng)等于導(dǎo)通相電流上升到 穩(wěn)定值的時(shí)間，即tfa = tfb，那么可得到換相占空比關(guān)于關(guān)斷相A相初始電流和反電動(dòng)勢(shì)幅 值的關(guān)系式為： 陶]
W
[0054] 由于關(guān)斷相A相電流初始值和反電動(dòng)勢(shì)幅值是隨延遲時(shí)間的變化而變化，若給定 具體的延遲時(shí)間，那么關(guān)斷相電流初始值和反電動(dòng)勢(shì)幅值也是一定的，運(yùn)樣換相占空比也 隨之確定，最終確保抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
[0055] 本發(fā)明實(shí)施例用來(lái)解釋本發(fā)明，而不是對(duì)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(duì)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。
[0化6] 實(shí)施例
[0057]本發(fā)明采用無(wú)刷直流電機(jī)規(guī)格如表一所示：
[005引表一.電機(jī)規(guī)格和參數(shù)
[0化9]
[0060]
[0061 ]將上述參數(shù)加 W轉(zhuǎn)化，得到電機(jī)機(jī)械角速度Ω =5〇3T(rad/s)，電機(jī)電角速度ω = 20〇JT(rad/s)，額定負(fù)載下，反電動(dòng)勢(shì)幅值E = 92.99V，電機(jī)相電流I = 22A，穩(wěn)態(tài)下電磁轉(zhuǎn)矩 Te = 26Nm。
[0062] (1)延遲換相期間
[0063] 取延遲時(shí)間從0開(kāi)始到l/1200(s)，即對(duì)應(yīng)的是0°到30°電角度。得到占空比關(guān)于延 遲時(shí)間的圖像，如圖6所示。從中可W近似的認(rèn)為占空比是關(guān)于延遲時(shí)間的一次函數(shù)，其表 達(dá)式為：
[0064] D(t)=0.815-79.2t (10)
[0065] 將其代入式(4)(5)后，關(guān)斷相電流和電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)于延遲時(shí)間的圖像分別如圖7圖8 所示。從圖中可W看出關(guān)斷相電流隨延遲時(shí)間的增大而上升，電磁轉(zhuǎn)矩在30°電角度延遲范 圍內(nèi)，能保持在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩26±0.5Nm之內(nèi)。但若延遲時(shí)間超過(guò)30°電角度，則調(diào)節(jié)占空比無(wú)法 使電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定，因此延遲時(shí)間須小于30°電角度。
[0066] (2)換相期間
[0067] 同樣的，由式(9)可知換相占空比與延遲時(shí)間的關(guān)系，如圖9所示，換相占空比關(guān)于 延遲時(shí)間的圖像。從圖中可W看出，當(dāng)延遲角度小于7.7°時(shí)，占空比大于1，運(yùn)就說(shuō)明，若延 遲角度小于7.7%那么導(dǎo)通相即使直通(換相占空比為1)的情況下，也無(wú)法讓導(dǎo)通相從0上 升到穩(wěn)定值的時(shí)間等于關(guān)斷相下降為0的時(shí)間，運(yùn)也解釋了無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行在高速狀態(tài) 下，關(guān)斷相和導(dǎo)通相斜率不一致的原因。
[006引綜上，延遲時(shí)間應(yīng)在7.7°到30°電角度之間。
[0069] 如圖10為延遲0°電角度，即傳統(tǒng)方法下相電流和電磁轉(zhuǎn)矩波形圖。從圖中可W看 出，非換相期間電磁轉(zhuǎn)矩平均值為26侃1，換相期間電磁轉(zhuǎn)矩跌至20侃1，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為 23.08%。
[0070] 如圖1 la-b為延遲7.7°電角度，對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間為0.214ms下仿真波形圖。圖1 la所 示，區(qū)間①(正常導(dǎo)通期間，電流和轉(zhuǎn)矩保持恒定；區(qū)間②(延遲導(dǎo)通期間，關(guān)斷相電流上升 到24.7A，導(dǎo)通相電流為0,由圖8可知，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比的大小，使得電磁轉(zhuǎn)矩能保持不變； 區(qū)間③(換相期間，關(guān)斷相電流不受占空比的影響下降到0,由式(9)可知換相占空比為Dcnm =1。由于公式推導(dǎo)過(guò)程中忽略相電阻的影響，電機(jī)模型理想化，導(dǎo)致關(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，使得換相轉(zhuǎn)矩跌至23Nm，如圖Ub所示，此時(shí) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為11.54%。與傳統(tǒng)方法相比，降低了一半的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率。
[0071] 如圖12a-b為延遲12°電角度，對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間為0.333ms下仿真波形圖。圖12a所示， 換相占空比為0。。。=0.952,在此延遲時(shí)間下，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，圖12b所示，換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)被完全抑制。
[0072] 如圖13a-b為延遲20°電角度，對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間為0.555ms下仿真波形圖。圖13a所示， 換相占空比為Dc〇m = 0.875,在此延遲時(shí)間下，圖13b所示，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比能抑制換相轉(zhuǎn)矩 脈動(dòng)。
[0073] 圖14a所示，換相占空比為Dc〇m = 0.810,確保了關(guān)斷相電流下降至1化的時(shí)間等于導(dǎo) 通相電流上升到穩(wěn)定值的時(shí)間；由圖8可知，當(dāng)延遲時(shí)間大于30°電角度時(shí)，延遲期間的電磁 轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，圖14b所示，電磁轉(zhuǎn)矩有下降的趨勢(shì)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的出現(xiàn)。
[0074] 綜上可知，采用一種基于延遲霍爾信號(hào)抑制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，在不 增加成本的前提下，有效精確的抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高電機(jī)運(yùn)行效率，方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于延遲霍爾信號(hào)抑制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，其特征是： 步驟一:獲取無(wú)刷直流電機(jī)的參數(shù)，所述參數(shù)包括額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、額定功率、反電 動(dòng)勢(shì)系數(shù)和磁極對(duì)數(shù)； 步驟二:將步驟一中得到的參數(shù)輸入到延遲時(shí)間控制模塊，由公式計(jì)算得到延遲時(shí)間； 步驟三:霍爾信號(hào)通過(guò)延遲時(shí)間控制輸入到脈寬調(diào)制，控制三相逆變器，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流 電機(jī)旋轉(zhuǎn)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于延遲霍爾信號(hào)抑制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，其特征 是:所述公式包括:關(guān)斷相電流與延遲時(shí)間的表達(dá)式為；電磁轉(zhuǎn)矩與 延遲時(shí)間和占空比的表達(dá)式為：換相占空比關(guān)于關(guān)斷相初始電流和反電動(dòng)勢(shì)幅值的關(guān)系式為：其中，L是相等效電感、ω是電機(jī)電角速度、t是延遲時(shí)間、E是反電動(dòng)勢(shì)幅值、I是相電流穩(wěn)定 值、D是占空比、U是直流源電壓、是電磁轉(zhuǎn)矩、Ω是電機(jī)機(jī)械角速度。
【文檔編號(hào)】H02P6/10GK106059406SQ201610422488
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】姚緒梁, 江曉明, 常英健, 張燕, 馮麗媛, 王峰, 楊光儀, 孟令衛(wèi), 孫小琴, 曹葉鳴
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)