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| 基于线电压差值对称的无刷直流电机换相信号相位补偿(zxj) |
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摘要：无刷直流电机控制系统实现最徙换相可以使无刷直流电机发挥出****的性能．文章以无刷直流电机工作在二相星型六个状态模式为基础，详细分析r****换相、超前换相和滞后换相情况下线电压差值与霍尔换相信号相位之间的关系，据此提出‘种补偿换相信号偏差的新型闭环控制方法。该补偿方法以两相线电压差作为信号量，前后』坷次换干阿时刻采集的非对称信号量偏差值作为反馈量，通过Pl调节器达到补偿霍尔换相信号相位偏差的日的。仿真和实验征明该方法能够实时、有效地补偿换相信号的相位偏差关键词：相传偏差；无刷直流电机；相位补偿；闭环控制O 引 言无刷直流电机通过霍尔位置传感器检测转子位置，结合六个换相状态控制无刷直流电机三相序的通断，实现无刷直流电机的换相，冈此提供给控制系统准确的换相信号是实现无刷直流电机稳定运行的关键环节。在实际工程中，调试人员需要进行大量的试验才能把霍尔传感器安装到****的换相位置，但是电机在运行过程中电枢反应的存在使磁场产生畸变，凋整好的霍尔换相信号也会出现超前或滞后的相位偏差如果无刷直流电机控制系统能够对相位偏差进行自动补偿，小但口_以大大节省调试人员花费在调整霍尔传感器位置E的时间和精力．而且还能够实时的对霍尔换相信号的相位偏差进行调节，从而提高r整个系统的可靠性、降低了系统的损耗。因此，在实际控制系统中引入自动和位补偿环节，实现换相信号相位偏差自动补偿具有较高的工程意义和实用价值。
无刷直流电机的反电动势为梯形波，相电流为矩形波。只有当每相绕组的电流与该相绕组的反电动势保持相位一致时，无刷直流电机在瞽位电流内输出的转矩才能****，转矩脉动才能最小。同内外学者对换相信号相位偏差的论述及消除方法进行了大量的研究，文献[4—5]分析了换相信号超前、滞后对电流的影响，得出r换相信号超前或滞后会引起导通相电流增大、非导通相导通的结论；文献[67]分别以端电压列称和非导通相续流电流均值对称作为控制目标，间接反映换相信号相位偏差，再通过PI调节器校正过零点的延时角度，达到自动补偿换相信号相位偏差的目的。但文献[7]在功率电路的三相桥臂巾串入电阳检测续流电流的方法，会减小功率器什的骄动电压，影响功率器件的驱动能力。文献[810]通过数学模型估算换相信号相位偏差，再根据偏差进行调节。但这些方法均需要精确的电机参数和复杂的数学运算，因而降低r估算偏差的准确性。
针对上述补偿方法存在的问题，本文提出了一种基于线电压差值对称的相位补偿新方法。讨论无刷直流电机存在换相偏差时会采样到两个不对称的电压值，研究具有换相信号相位补偿的元刷直流电机控制系统，并通过仿真和实验加以验证。
1相位补偿原理与策略1．1线电压差值估算原理反电动势与霍尔换相信号具有一一对应的相位关系：当反电动势达到止的****值时，传感器输出高电平信号；当反电动势达到负的****值时，传感器跳变为低电平信号。但是在电机运行过程中，反电动势是‘个无法检测到的信号量，因此要找到反电动势与霍尔换相信号的相位关系，只能通过检测与反电动势相位火系相同信号量，间接反映出它们之间的相位关系。
对于采用星型联结绕组，_二相六个状态120。两两通电方式的水磁无刷直流电机，假设其三相绕组对称，其等效电路及驱动主电路如图1所月示．直接利用无刷直流电动机的相变量来建立数学模型，并通过一系列的假设和简化分析，得到三相绕组的电压平衡方程为：
根据实际的三相反电动势面出线电压差值信号曲线如图2所示，的电压差值是以****值和最小值为轴线的对称信号景，并且与A相反电动势e．具有相同的相位l炎系，闪此通过线电压差值信号旨就可以间接的反映出霍尔换相信号的相位关系。
1．2****换相时的信号特性分析霍尔换相信号彼此间的相位差为l20。的电角度。如图3所示，****换相时，霍尔换相信号A南低电平变为高电平，反电动势e，达到正的****值，采样此时的线电压差值信号为U；同样霍尔换相信号B由低电平变为高电平，反电动势e。从正的****值逐渐减小，采样此刻的线电乐差值为U2，两个电压值相减，可得：
△u=u1一u2=0 (6)根据式(6)可知：在****换相的情况下，换相瞬间采样到的电压u1与U2相等，两电压差值为零。
1．3超前、滞后换相时信号特性分析当实际的换相位置信号超前****换相信号“角度，即超前α角度换相时，反电动势、线电压差值信号及霍尔换相信号A、霍尔换相信号B的波形如图4所示。
在120。一a处，霍尔换相信号A由低电平跳变为高电平，电机相绕组由c相、B相导通切换到A相、B相，切换瞬问采样线电压差值信号为u在240。-a处，霍尔换相信号B由低电平跳变为高电平，电机相绕组由A相、c相导通切换到B相、c相，切换瞬间采样线电压差值信号为U，可求得线电压差值信号偏差△U为：
△U=u1一U2<O (7)根摒图4可知，U1随着超前换相角度“的增大而减小，U2随着超前换相角度“的增大而增大，那么由式(7)可得：电压差值△u随着超前换相角度a的增大而减小。
当实际的换相位置信号滞后****换相信号“角度，即滞后“角度换相时，反电动势、线电压差值信号及霍尔换相信号A、霍尔换相信号B的波形如图5所示。
在120。+d处，霍尔换相信号A FI=}低电平跳变为高电平，电机相绕组由c相、B相导通切换到A栩、B相，切换瞬间采样线电压差值信号为u，。
在240。+“处，霍尔换相信号B南低电平跳变为高电平，电机相绕组由A相、C相导通切换到B相、c相导通，切换瞬问采样线电压差值信号为巩，n J_求得电压差值△Ⅳ为：
根据图5可知，f／．随着滞后换相角度d的增大而增大，％随着滞后换相角度“的增火而减小，那么[相式(8)可得：电压差值△f／随着滞后换相角度“的增大而增大。
由前面分析可知，电压差值△U能够准确的反应出实际换相信号的相位偏差。实际的霍尔换相信号与****换相信号一致时，△u等于零；实际的霍尔换相信号超前****换栩信号时，△u小于零；实际的霍尔换相信号滞后****换相信号时，△U大于零；即△U的大小与换相信号相位偏差大小相关联。
1．4控制系统构成与相位校正策略具有换相信号相位补偿的无刷直流电机控制系统如图6所示，相位补偿环节由线电压检测模块、霍尔换相信号检测模块、实时计算的线电压差值模块、换相信号偏差检测模块、PI调节器模块、换相逻辑延时控制模块组成。
该补偿环节通过控制霍尔换相信号A换相时刻检测到的电压值[／和霍尔换相信号B换相时刻检测到的电压倩[／1相等，实现换相信号相位补偿。控制系统中电压霍尔传感器检测尤刷直流电机uAC与uRA两相线电压，计算出两相线电压的差值，当霍尔换相信号A、B电平发牛跳变时检测线电压信号值，两者相减得到△f，，再将△u送人PT调节器，根据差值△“的大小补偿换相角度实现换相偏差的补偿。
电压信号偏差值△U，和换相补偿角度△θ的关系为：
式中，k为比例系数；K。为积分系数；日’为未补偿换相时刻角度值；θ为补偿后换相时刻角度值。
****换相时，电压差值△U=0，换相信号无相位偏差，换相补偿角度值△θ为零，即θ=θ’；超前换相时，电压差值△u<0，通过PI调节器的调节，换相补偿角度△θ逐渐增大，直到电压信号偏差值△u=0补偿停止，此时补偿到****换相点；滞后换相时，电压差值△u>0，通过PT调节器的调节，补偿角度△θ逐渐减小，直到电压信号偏差值△U=0补偿停止，此时补偿到****换相点。
实际系统中在转速一定的情况下，角度的补偿值是转换成时间量完成的。超前换相时，△u通过P1调节器输出一个补偿值，将此补偿值存入微控芯片的定时计数器中，当定时计数器的计数值与存人的补偿值相等时产生中断，此时在中断程序巾通过换相真值表A完成换相，此刻的换相角度值即为补偿后的换相角度值。滞后换相时，通过程序判断△U大于零，进入换相真值表B提前60。换相，然后再对超前的60。～a偏差相位进行补偿。如表l所示，假如c相和A相导通时的霍尔逻辑状态为100，如果此时为滞后a角度换相，为了对换相偏差进行相位补偿，在霍尔逻辑状态为100时，让B相和A相导通，即超前60。一“换相，然后再对超前的相位进行延时补偿。：
2仿真研究基于以上原理，采用Matlab／simulink建立具有转子位置相位补偿功能的无刷直流电机控制系统。
系统巾定子的相电阻R=O．16Ω，定子电感I=O 072 mH，电机的极对数为2。图7为实时计算出的两相线电压差值信号波形，图8和图9分别为相位超前和校正后的c相电流波形，图10和图11分别为相位滞后和校正后的c相电流波形。
由图7可以看出，由线电压实时计算出来的两相线电压差值信号与理论推导出的波形一致，在此基础上采用的换相信号相位偏差补偿策略可以很好的补偿换相角度，从而达到换相信号相位偏差补偿的目的。
3实验结果实验采用基于 DsPIc30F4011为核心的无刷直流电机控制实验装置，试验的永磁无刷直流电机参数为：额定功率l kw，输入电压26 V，额定转速7600r／m Jfl．极对数2，额定电流60 A。
实验巾载波频率为20 kHz，利用电压霍尔传感器检测线电压uAC和u，通过简单的滤波电路滤掉高频信号，然后通过抬升电路将信号转换为0—5 V的电压信号送人单片机的AD通道进行采样和转换，最后通过软件计算得到两相线电压Um与‰、的差值信号。
图12为电压霍尔传感器实测线电压和U后计算得出的两相线电压差值信号波形、从图中可以看出，由线电压之差得到信号波形与理论推导和仿真结果基本相同。图13和图15分别为超前换相和滞后换相情况下的c相电流波形，从罔中可以看出，两种情况下C相电流在换相时刻都f“现了电流冲击。
图14和图16为采用本文所提方法校正后的c相电流波形，实验结果与理论分析和仿真结果相一致，本史所用闭环控制方法补偿了换相信号的相位偏差。
4结论本文针对无刷直流电机存在换相偏差的问题，提出了一种利用线电压差值实时计算的相位补偿新方法，该方法无需复杂的数学运算和精确的数学模型，只需检测无刷直流电机两相线电压，构造出线电压差值信号量就呵以实现换相信号相位偏差的补偿。通过仿真和试验的验证，本文提出的方法能够实时有效地补偿位置信号的相位偏差，减小无刷直流电机的转矩脉动和降低系统的损耗。 |
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