[发明专利]无位置传感器无刷直流电机重载相位补偿计算方法

权利要求书

1.一种无位置传感器无刷直流电机重载相位补偿计算方法，其特征在于采用反电动势检测方法，通过反电动势检测电路检测三相端电压，经滤波电路进行深度滤波后再与模拟中性点比较，经DSP处理器生成转子位置信号，将端电压分成反电动势信号和电流续流干扰信号，对两种信号进行相位和幅值的计算，得到由电流续流造成的转子位置信号的相位超前角度，加以补偿，具体步骤如下：为了分析使电机在重载时位置检测信号的相位偏移现象，下面对重载下的端电压进行分析：

因为反电动势检测电路是一低通滤波器，高频分量经过检测电路将被滤除，因此可做如下简化：

1）因为PWM调制频率远大于反电动势检测电路的低通滤波器的截止频率，高频的PWM斩波电压可以用其电压平均值近似；

2）同样，电机中性点电压波动也被滤除，可以用其平均值近似；

3）相反电动势为120°平顶宽，等效幅值为母线电压的PWM波；

在采用上桥臂调制，下桥臂导通方式（PWM-ON）时端电压可以简化成如图4所示的模型， 其中，                                                为理想线反电动势与理想中性点的电压之和，为电流续流引起的电压畸变，端电压等于与之和，即=+(电压参考点为母线负极)；

图4中端电压可以分成6个状态，分别为：

1）和时刻：该相下桥臂导通，端电压与相等，为母线负极电压，标记为0， 也为0，此时不影响位置信号的检测；

2）时间段：电机换相，电流经过上桥臂反并联二极管续流，电压被钳位为母线电压，随相反电动势的增大而线性上升；为与之差，即；

3）时间段：该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和。

2.中性点电压为直流偏置，反电动势线性上升，端电压与线性上升；为0，不起作用；

4）时间段：该相上桥臂调制，占空比与母线电压的乘积与的关系为，端电压等于，有；为0，不影响位置信号的检测；

5）时间段：电机换相，电流经过下桥臂反并联二极管续流，端电压被钳位为母线地电压0，随反电动势的减小而线性下降，为与之差，即；

6）时间段：该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和，中性点电压为直流偏置，反电动势线性下降，端电压与线性下降，为0，不影响位置信号的检测；

通过对端电压的分解，在轻载和重载时一样，而则有很大的差别，轻载时，电流小，和很短，的作用时间很短，其伏秒积很小，有(=,)，因此对位置信号检测只造成微弱的影响，可以忽略不计；重载时，电流大，和持续较长的时间，伏秒积不可忽略，它对位置检测信号的影响严重，产生的相位超前角度过大，图5为端电压和其分解的电压和经过低通滤波器后的生成的信号，续流干扰信号超前反电动势信号，使得它们叠加合成的端电压信号超前于反电动势信号，续流干扰信号的幅值越大，端电压信号的超前角度越大，端电压相位超前使端电压的过零点时刻提前到来，检测得到的过零点偏离真实的反电动势过零点，当随着负载电流的增大，相位超前角度随之增大，当超前角度过大时，换相情况变恶劣，引起电流畸变，反过来影响到端电压波形和位置检测信号，造成换相的进一步恶化，最终导致换相失败；

通过上述模型的建立，对端电压的分解分析，我们可以得到轻载和重载时的反电动势检测信号相位关系其实就是与+的相位关系，由于与周期一样，经过低通滤波器的相角滞后相等，因此轻载和重载下的位置信号相角之差取决于和的夹角和幅值，由此，得出重载下的相位补偿计算方法：

阶跃电压下，低通滤波器零状态响应计算公式为

                             (1)

其中，、和如附图1所示，经过低通滤波器的电压与模拟中性点电压比较，从而得到反电动势的过零点，忽略中性点电压的波动，则为的平均值，因此，只考虑的交流分量，有

                      (2)

附图1所示反电动势检测电路中，选择适当的电阻和电容，使得，得到

                            (3)

将作近似等效的阶跃信号处理，带入式(3)得到经过低通滤波器后输出电压的交流振幅有

                         (4)

其中，为续流角度，是电流续流时间折算的电角度，为电机反电动势的频率，为修正比例因子，这里取=1，

同理经过低通滤波器后输出电压的交流振幅有

                            (5)

与的相位基本上与和的基波相位一致，与有关，其关系式可表示为

                            (6)

而且满足，的求解是非线性的，计算复杂，但由于波动范围较小，采用工程近似的方法，可认为其为常值近似计算

根据式(4)和式(5)，如图6所示， 与的相角满足

                        (7)

当取20°时，可求得

                         (8)

式中：为补偿角度，

     为反电动势信号经过低通滤波器后的交流振幅，

     为电流干扰信号经过低通滤波器后的交流振幅，

利用微处理器计算出上述公式推得的相位超前的角度。