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| 基于線電壓差值對稱的無刷直流電機換相信號相位補償(zxj) |
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摘要：無刷直流電機控制系統實現最徙換相可以使無刷直流電機發揮出****的性能．文章以無刷直流電機工作在二相星型六個狀態模式為基礎，詳細分析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相位之間的關系，據此提出‘種補償換相信號偏差的新型閉環控制方法。該補償方法以兩相線電壓差作為信號量，前后』坷次換干阿時刻采集的非對稱信號量偏差值作為反饋量，通過Pl調節器達到補償霍爾換相信號相位偏差的日的。仿真和實驗征明該方法能夠實時、有效地補償換相信號的相位偏差關鍵詞：相傳偏差；無刷直流電機；相位補償；閉環控制O 引 言無刷直流電機通過霍爾位置傳感器檢測轉子位置，結合六個換相狀態控制無刷直流電機三相序的通斷，實現無刷直流電機的換相，岡此提供給控制系統準確的換相信號是實現無刷直流電機穩定運行的關鍵環節。在實際工程中，調試人員需要進行大量的試驗才能把霍爾傳感器安裝到****的換相位置，但是電機在運行過程中電樞反應的存在使磁場產生畸變，凋整好的霍爾換相信號也會出現超前或滯后的相位偏差如果無刷直流電機控制系統能夠對相位偏差進行自動補償，小但口_以大大節省調試人員花費在調整霍爾傳感器位置E的時間和精力．而且還能夠實時的對霍爾換相信號的相位偏差進行調節，從而提高r整個系統的可靠性、降低了系統的損耗。因此，在實際控制系統中引入自動和位補償環節，實現換相信號相位偏差自動補償具有較高的工程意義和實用價值。
無刷直流電機的反電動勢為梯形波，相電流為矩形波。只有當每相繞組的電流與該相繞組的反電動勢保持相位一致時，無刷直流電機在瞽位電流內輸出的轉矩才能****，轉矩脈動才能最小。同內外學者對換相信號相位偏差的論述及消除方法進行了大量的研究，文獻[4—5]分析了換相信號超前、滯后對電流的影響，得出r換相信號超前或滯后會引起導通相電流增大、非導通相導通的結論；文獻[67]分別以端電壓列稱和非導通相續流電流均值對稱作為控制目標，間接反映換相信號相位偏差，再通過PI調節器校正過零點的延時角度，達到自動補償換相信號相位偏差的目的。但文獻[7]在功率電路的三相橋臂巾串入電陽檢測續流電流的方法，會減小功率器什的驕動電壓，影響功率器件的驅動能力。文獻[810]通過數學模型估算換相信號相位偏差，再根據偏差進行調節。但這些方法均需要精確的電機參數和復雜的數學運算，因而降低r估算偏差的準確性。
針對上述補償方法存在的問題，本文提出了一種基于線電壓差值對稱的相位補償新方法。討論無刷直流電機存在換相偏差時會采樣到兩個不對稱的電壓值，研究具有換相信號相位補償的元刷直流電機控制系統，并通過仿真和實驗加以驗證。
1相位補償原理與策略1．1線電壓差值估算原理反電動勢與霍爾換相信號具有一一對應的相位關系：當反電動勢達到止的****值時，傳感器輸出高電平信號；當反電動勢達到負的****值時，傳感器跳變為低電平信號。但是在電機運行過程中，反電動勢是‘個無法檢測到的信號量，因此要找到反電動勢與霍爾換相信號的相位關系，只能通過檢測與反電動勢相位火系相同信號量，間接反映出它們之間的相位關系。
對于采用星型聯結繞組，_二相六個狀態120。兩兩通電方式的水磁無刷直流電機，假設其三相繞組對稱，其等效電路及驅動主電路如圖1所月示．直接利用無刷直流電動機的相變量來建立數學模型，并通過一系列的假設和簡化分析，得到三相繞組的電壓平衡方程為：
根據實際的三相反電動勢面出線電壓差值信號曲線如圖2所示，的電壓差值是以****值和最小值為軸線的對稱信號景，并且與A相反電動勢e．具有相同的相位l炎系，閃此通過線電壓差值信號旨就可以間接的反映出霍爾換相信號的相位關系。
1．2****換相時的信號特性分析霍爾換相信號彼此間的相位差為l20。的電角度。如圖3所示，****換相時，霍爾換相信號A南低電平變為高電平，反電動勢e，達到正的****值，采樣此時的線電壓差值信號為U；同樣霍爾換相信號B由低電平變為高電平，反電動勢e。從正的****值逐漸減小，采樣此刻的線電樂差值為U2，兩個電壓值相減，可得：
△u=u1一u2=0 (6)根據式(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、滯后換相時信號特性分析當實際的換相位置信號超前****換相信號“角度，即超前α角度換相時，反電動勢、線電壓差值信號及霍爾換相信號A、霍爾換相信號B的波形如圖4所示。
在120。一a處，霍爾換相信號A由低電平跳變為高電平，電機相繞組由c相、B相導通切換到A相、B相，切換瞬問采樣線電壓差值信號為u在240。-a處，霍爾換相信號B由低電平跳變為高電平，電機相繞組由A相、c相導通切換到B相、c相，切換瞬間采樣線電壓差值信號為U，可求得線電壓差值信號偏差△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。
當實際的換相位置信號滯后****換相信號“角度，即滯后“角度換相時，反電動勢、線電壓差值信號及霍爾換相信號A、霍爾換相信號B的波形如圖5所示。
在120。+d處，霍爾換相信號A FI=}低電平跳變為高電平，電機相繞組由c相、B相導通切換到A栩、B相，切換瞬間采樣線電壓差值信號為u，。
在240。+“處，霍爾換相信號B南低電平跳變為高電平，電機相繞組由A相、C相導通切換到B相、c相導通，切換瞬問采樣線電壓差值信號為鞏，n J_求得電壓差值△Ⅳ為：
根據圖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能夠準確的反應出實際換相信號的相位偏差。實際的霍爾換相信號與****換相信號一致時，△u等于零；實際的霍爾換相信號超前****換栩信號時，△u小于零；實際的霍爾換相信號滯后****換相信號時，△U大于零；即△U的大小與換相信號相位偏差大小相關聯。
1．4控制系統構成與相位校正策略具有換相信號相位補償的無刷直流電機控制系統如圖6所示，相位補償環節由線電壓檢測模塊、霍爾換相信號檢測模塊、實時計算的線電壓差值模塊、換相信號偏差檢測模塊、PI調節器模塊、換相邏輯延時控制模塊組成。
該補償環節通過控制霍爾換相信號A換相時刻檢測到的電壓值[／和霍爾換相信號B換相時刻檢測到的電壓倩[／1相等，實現換相信號相位補償�？刂葡到y中電壓霍爾傳感器檢測尤刷直流電機uAC與uRA兩相線電壓，計算出兩相線電壓的差值，當霍爾換相信號A、B電平發牛跳變時檢測線電壓信號值，兩者相減得到△f，，再將△u送人PT調節器，根據差值△“的大小補償換相角度實現換相偏差的補償。
電壓信號偏差值△U，和換相補償角度△θ的關系為：
式中，k為比例系數；K。為積分系數；日’為未補償換相時刻角度值；θ為補償后換相時刻角度值。
****換相時，電壓差值△U=0，換相信號無相位偏差，換相補償角度值△θ為零，即θ=θ’；超前換相時，電壓差值△u<0，通過PI調節器的調節，換相補償角度△θ逐漸增大，直到電壓信號偏差值△u=0補償停止，此時補償到****換相點；滯后換相時，電壓差值△u>0，通過PT調節器的調節，補償角度△θ逐漸減小，直到電壓信號偏差值△U=0補償停止，此時補償到****換相點。
實際系統中在轉速一定的情況下，角度的補償值是轉換成時間量完成的。超前換相時，△u通過P1調節器輸出一個補償值，將此補償值存入微控芯片的定時計數器中，當定時計數器的計數值與存人的補償值相等時產生中斷，此時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償后的換相角度值。滯后換相時，通過程序判斷△U大于零，進入換相真值表B提前60。換相，然后再對超前的60�！玜偏差相位進行補償。如表l所示，假如c相和A相導通時的霍爾邏輯狀態為100，如果此時為滯后a角度換相，為了對換相偏差進行相位補償，在霍爾邏輯狀態為100時，讓B相和A相導通，即超前60。一“換相，然后再對超前的相位進行延時補償。：
2仿真研究基于以上原理，采用Matlab／simulink建立具有轉子位置相位補償功能的無刷直流電機控制系統。
系統巾定子的相電阻R=O．16Ω，定子電感I=O 072 mH，電機的極對數為2。圖7為實時計算出的兩相線電壓差值信號波形，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，由線電壓實時計算出來的兩相線電壓差值信號與理論推導出的波形一致，在此基礎上采用的換相信號相位偏差補償策略可以很好的補償換相角度，從而達到換相信號相位偏差補償的目的。
3實驗結果實驗采用基于 DsPIc30F4011為核心的無刷直流電機控制實驗裝置，試驗的永磁無刷直流電機參數為：額定功率l kw，輸入電壓26 V，額定轉速7600r／m Jfl．極對數2，額定電流60 A。
實驗巾載波頻率為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，然后通過抬升電路將信號轉換為0—5 V的電壓信號送人單片機的AD通道進行采樣和轉換，最后通過軟件計算得到兩相線電壓Um與‰、的差值信號。
圖12為電壓霍爾傳感器實測線電壓和U后計算得出的兩相線電壓差值信號波形、從圖中可以看出，由線電壓之差得到信號波形與理論推導和仿真結果基本相同。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相電流在換相時刻都f“現了電流沖擊。
圖14和圖16為采用本文所提方法校正后的c相電流波形，實驗結果與理論分析和仿真結果相一致，本史所用閉環控制方法補償了換相信號的相位偏差。
4結論本文針對無刷直流電機存在換相偏差的問題，提出了一種利用線電壓差值實時計算的相位補償新方法，該方法無需復雜的數學運算和精確的數學模型，只需檢測無刷直流電機兩相線電壓，構造出線電壓差值信號量就呵以實現換相信號相位偏差的補償。通過仿真和試驗的驗證，本文提出的方法能夠實時有效地補償位置信號的相位偏差，減小無刷直流電機的轉矩脈動和降低系統的損耗。 |
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