一種基于合成電流控制的無刷直流電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無刷直流電機(jī)控制領(lǐng)域，尤其是一種基于合成電流控制的無刷直流電 機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無刷直流電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低、壽命長(zhǎng)、調(diào)速性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在航 空航天、交通等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。無刷直流電機(jī)通常采用兩相導(dǎo)通=相六狀態(tài)工作方 式進(jìn)行工作，該樣能夠充分的利用無刷直流電機(jī)梯形磁場(chǎng)的平頂部分，使電機(jī)效率更高，轉(zhuǎn) 矩平穩(wěn)性更好。
[0003] 但由于生產(chǎn)工藝的原因，無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)并非理想的梯形波，如 果繼續(xù)向電機(jī)內(nèi)通入方波電流，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。無刷直流電機(jī)通常采用兩相導(dǎo)通= 相六狀態(tài)工作方式，每隔60°電角度就會(huì)進(jìn)行一次換相。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速影響，開通相電流與 關(guān)斷相電流的變化速率不同，造成電機(jī)的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)波動(dòng)，如果不加W控制，換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可 W達(dá)到電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩的50 %左右。
[0004] 當(dāng)前，控制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方法通常為滯環(huán)控制，但由于無刷直流電機(jī)的 電感非常小，因此在一個(gè)換相周期內(nèi)采用一個(gè)電壓矢量會(huì)造成相電流和轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于提供一種控制簡(jiǎn)單、減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的基于合成電流控制的無刷直 流電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述控制方法包括如下步驟：
[0007] (1)將工頻交流電源經(jīng)整流、濾波處理得到直流電源；
[0008] (2)將直流電源通過功率變換器轉(zhuǎn)化成交流電源，向無刷直流電機(jī)供電；
[0009](3)通過位置傳感器確定無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置0，通過速度計(jì)算單元，計(jì)算 出無刷直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速
[0010] (4)電機(jī)指令轉(zhuǎn)速媒，與實(shí)際轉(zhuǎn)速作差得到速度差A(yù)?"，將速度差A(yù)輸 入到速度PI調(diào)節(jié)器，得到無刷直流電機(jī)的合成電流給定值I* ;
[0011] 妨合成電流與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：
[0012] Te= i AkAgmax+iBkBgmax+ickcgmax= gmax ? (iAkA+iBkB+ickc) = gmax ? I
[001引式中，T。為電機(jī)轉(zhuǎn)矩、gm"為相反電勢(shì)系數(shù)的峰值、kA、Vk為當(dāng)前位置的A、B、C S相相反電勢(shì)系數(shù)同相反電勢(shì)系數(shù)最大值之間比值、iA、ie、ie為A、B、CS相相電流大小、I 為合成電流；
[0014] 從上式中可知，電機(jī)轉(zhuǎn)矩T。與合成電流I成正比關(guān)系，控制合成電流既是控制電 機(jī)轉(zhuǎn)矩，減小合成電流的波動(dòng)既是減小轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)；
[0015] (6)通過位置傳感器確定無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置0，通過扇區(qū)判斷得到轉(zhuǎn)子所 處扇區(qū)信息S，根據(jù)轉(zhuǎn)子扇區(qū)信息S判斷出無刷直流電機(jī)非換相相、關(guān)斷相、開通相；
[001引 （7)利用轉(zhuǎn)子位置0查詢相電流系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)得到合成電流系數(shù)ki、關(guān)斷相電流系 數(shù)k2,所述相電流系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為ki- 0、k2- 0關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，將合成電流給定值I*、關(guān)斷相電 流i2、合成電流系數(shù)ki、關(guān)斷相電流系數(shù)k2輸入非換相相電流計(jì)算公式，得到非換相相電流 給定值
[0017] 非換相相電流計(jì)算公式為：
[001 引ii=k11-102
[0019]式中，ii為非換相相電流、I為合成電流、i2為關(guān)斷相電流、ki為與轉(zhuǎn)子位置0相 關(guān)的合成電流系數(shù)、k,為與轉(zhuǎn)子位置0相關(guān)的關(guān)斷相電流系數(shù)，ki、k,可直接通過轉(zhuǎn)子位置 0查詢相電流系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)得到；
[0020] (8)將非換相相電流給定值與非換相相電流實(shí)際值i1作差，經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié) 得到所需占空比〇1，將占空比Di與轉(zhuǎn)速成正比的占空比D2相加，得到非換相區(qū)開通相的占 空比D;利用實(shí)際轉(zhuǎn)速及進(jìn)入換相區(qū)瞬間的非換相相電流給定值i十算得到電感壓 降所占占空比町;與轉(zhuǎn)速成正比的占空比D述過〇2=枯《得出，其中k為通過速度《計(jì) 算占空比的系數(shù)；町表示電感電壓降對(duì)應(yīng)占空比，Dd十算方法如下
[0021]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于合成電流控制的無刷直流電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征在于，所述控制 方法包括如下步驟： (1) 將工頻交流電源經(jīng)整流、濾波處理得到直流電源； (2) 將直流電源通過功率變換器轉(zhuǎn)化成交流電源，向無刷直流電機(jī)供電； (3) 通過位置傳感器確定無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置Θ，通過速度計(jì)算單元，計(jì)算出無 刷直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ω"; (4) 電機(jī)指令轉(zhuǎn)速<與實(shí)際轉(zhuǎn)速《"作差得到速度差Λ ω "，將速度差Λ 〇"輸入到 速度PI調(diào)節(jié)器，得到無刷直流電機(jī)的合成電流給定值I* ; (5) 合成電流與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為： Te - ? - S max * (?α^Α+?β^β+?〇^〇) - gmax ·工 式中，Te為電機(jī)轉(zhuǎn)矩、g _為相反電勢(shì)系數(shù)的峰值、k A、kB、kc為當(dāng)前位置的A、B、C三相 相反電勢(shì)系數(shù)同相反電勢(shì)系數(shù)最大值之間比值、iA、iB、、為A、B、C三相相電流大小、I為合 成電流； 從上式中可知，電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te與合成電流I成正比關(guān)系，控制合成電流既是控制電機(jī)轉(zhuǎn) 矩，減小合成電流的波動(dòng)既是減小轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)； (6) 通過位置傳感器確定無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置Θ，通過扇區(qū)判斷得到轉(zhuǎn)子所處扇 區(qū)信息S，根據(jù)轉(zhuǎn)子扇區(qū)信息S判斷出無刷直流電機(jī)非換相相、關(guān)斷相、開通相； (7) 利用轉(zhuǎn)子位置Θ查詢相電流系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)得到合成電流系數(shù)Ic1、關(guān)斷相電流系數(shù)k2， 所述相電流系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為Iq- Θ、k2- Θ關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，將合成電流給定值I*、關(guān)斷相電流i2、 合成電流系數(shù)Ii1、關(guān)斷相電流系數(shù)k 2輸入非換相相電流計(jì)算公式，得到非換相相電流給定 值?Λ 非換相相電流計(jì)算公式為： I1= k J-^i2 式中，I1為非換相相電流、I為合成電流、i2為關(guān)斷相電流、ki為與轉(zhuǎn)子位置Θ相關(guān)的 合成電流系數(shù)、k2為與轉(zhuǎn)子位置Θ相關(guān)的關(guān)斷相電流系數(shù)，ki、k2可直接通過轉(zhuǎn)子位置Θ 查詢相電流系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)得到； (8) 將非換相相電流給定值V與非換相相電流實(shí)際值i i作差，經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)得到 所需占空比D1，將占空比D1與轉(zhuǎn)速成正比的占空比D 2相加，得到非換相區(qū)開通相的占空比 D ;利用實(shí)際轉(zhuǎn)速以及進(jìn)入換相區(qū)瞬間的非換相相電流給定值i 3十算得到電感壓降所 占占空比Dlj; 根據(jù)轉(zhuǎn)子所處扇區(qū)信息S，查詢開關(guān)狀態(tài)查詢表中的開關(guān)管狀態(tài)，控制開關(guān)管的開通關(guān) 斷，驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)運(yùn)行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于合成電流控制的無刷直流電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法， 其特征在于：所述步驟（6)中，扇區(qū)的劃分位置可以通過離線實(shí)驗(yàn)得到；定義z為扇區(qū)判斷 系數(shù)，z值的大小可以人為調(diào)整，z e [〇, 1];離線實(shí)驗(yàn)中利用轉(zhuǎn)子位置Θ查詢相反電勢(shì)系 數(shù)比值數(shù)據(jù)庫(kù)，即kA-0、kB-0、k「0數(shù)據(jù)庫(kù)，得到轉(zhuǎn)子在當(dāng)前位置的A、B、C三相相反電勢(shì) 系數(shù)同相反電勢(shì)系數(shù)最大值之間比值1^、1^、1^，1^、1^、1^￡[〇，1] ;無刷直流電機(jī)反電勢(shì)為 接近于梯形波，當(dāng)z選取1/2時(shí)肯定存在換相區(qū)，將kA、kB、k c與1/2、-1/2比較進(jìn)行扇區(qū)劃 分，劃分出I~VI六個(gè)扇區(qū)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于合成電流控制的無刷直流電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法， 其特征在于，在步驟（7)中，所述相電流系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的獲取方法如下： 相電流系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)即kr Θ、k2- Θ數(shù)據(jù)庫(kù)；將兩臺(tái)相同型號(hào)的無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸用 聯(lián)軸器相聯(lián)，其中一臺(tái)作為發(fā)電機(jī)，另一臺(tái)作為電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋 轉(zhuǎn)，從發(fā)電機(jī)的定子中點(diǎn)引出中性線，檢測(cè)發(fā)電機(jī)的相反電勢(shì)和轉(zhuǎn)子位置，將相反電勢(shì)和電 機(jī)轉(zhuǎn)速相除，得到不同位置下A、B、C三相的相反電勢(shì)系數(shù)g A、gB、gc，將不同位置下的gA、gB、 gc同反電勢(shì)系數(shù)最大值gmax相除，得到不同位置下A、B、C三相相反電勢(shì)系數(shù)同反電勢(shì)系數(shù) 最大值之間比值k A、kB、kc，得到相反電勢(shì)系數(shù)比值數(shù)據(jù)庫(kù)，即kA-Θ、k B-Θ、V Θ數(shù)據(jù)庫(kù)，轉(zhuǎn) 子位置Θ通過查詢kA- Θ、kB- Θ、kc- Θ數(shù)據(jù)庫(kù)得到轉(zhuǎn)子在當(dāng)前位置的A、B、C三相相反電 勢(shì)系數(shù)同相反電勢(shì)系數(shù)最大值之間比值kA、kB、k c，將kA、kB、kc代入下表
計(jì)算得到不同扇區(qū)位置下的h、k2的值，進(jìn)而得到相電流系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，即k r θ、k2- θ 數(shù)據(jù)庫(kù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于合成電流控制的無刷直流電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法， 其特征在于，在步驟（8)中，所述開關(guān)狀態(tài)查詢表如下表所示：
其中，每個(gè)開關(guān)模式中的六位依次表示A相的上下橋臂、B相的上下橋臂、C相的上下橋 臂的開關(guān)管狀態(tài)；〇表不該管截止，1表不該管完全導(dǎo)通，不該管做占空比為D ^的PWM 調(diào)制，Dtxff表不該管做占空比為D。^的PWM調(diào)制；D m、計(jì)算方法如下：
其中，D = DfD2，將非換相相電流給定值V與非換相相電流實(shí)際值i i作差，經(jīng)過電流 PI調(diào)節(jié)得到所需占空比D1，將占空比D1與轉(zhuǎn)速有關(guān)的占空比D 2相加，得到占空比D ; 1^Γωπ，^表示是利用實(shí)際轉(zhuǎn)速ω "以及進(jìn)入換相區(qū)瞬間的非換相相電流給定值 i 3十算得到電感壓降所占占空比；為電感電壓系數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于合成電流控制的無刷直流電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法， 其特征在于：在步驟（8)中，與轉(zhuǎn)速成正比的占空比D2通過D2= 得出，其中k為通過 速度ω計(jì)算占空比的系數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于合成電流控制的無刷直流電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法， 其特征在于：在步驟（8)中，Dlj表示電感電壓降對(duì)應(yīng)占空比，D 計(jì)算方法如下
式中，h為電感電壓系數(shù)，為進(jìn)入到換相區(qū)瞬間的非換相相電流給定值，ω "為實(shí)際 轉(zhuǎn)速。
【專利摘要】一種基于合成電流控制的無刷直流電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法，屬于無刷直流電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明定義了合成電流，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩Te與合成電流I成正比關(guān)系，控制合成電流既是控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，減小合成電流的波動(dòng)既是減小轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。利用合成電流給定值通過合成電流與各相電流之間的關(guān)系式計(jì)算出非換相相電流的給定值，減小合成電流的脈動(dòng)。在換相區(qū)，利用實(shí)際轉(zhuǎn)速和電流給定值計(jì)算得到電感壓降對(duì)應(yīng)占空比，再通過對(duì)占空比D簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)，得到開通相和關(guān)斷相的占空比，使開通相電流上升率和關(guān)斷相電流下降率相同，減小換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本方法不需要對(duì)占空比進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)起來更加簡(jiǎn)單。
【IPC分類】H02P6-10
【公開號(hào)】CN104753410
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510089164
【發(fā)明人】李珍國(guó), 王江浩, 高雪飛
【申請(qǐng)人】燕山大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2015年2月27日