一種基于轉(zhuǎn)矩反饋和換向補(bǔ)償?shù)臒o刷電機(jī)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新型無刷電機(jī)的控制方法，具體為一種基于轉(zhuǎn)矩反饋和換向補(bǔ)償 的無刷電機(jī)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于無刷電機(jī)兼具直流電機(jī)和交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)簡單、出力大、效率高，因 而在汽車，航空航天和家用電器中得到了越來越多的運(yùn)用。但在使用中無刷電機(jī)過程中一 個(gè)需要解決的問題就是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起的因素是多方面的，其主要可歸為兩個(gè)主 要原因，其一是在設(shè)計(jì)中不可能完全避免齒槽效因、渦流效應(yīng)等現(xiàn)象，其二是無刷直流電機(jī) 通常采取電子換相控制，電機(jī)電感存在使相電流不可能為理想方波。對(duì)于第一點(diǎn)通?？刹?用斜槽和分?jǐn)?shù)槽的方法對(duì)其進(jìn)行抑制，效果良好；對(duì)于第二點(diǎn)尚未有特別好的解決方案。傳 統(tǒng)無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式為雙閉環(huán)控制，其外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，以設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差決 定內(nèi)環(huán)電流輸出，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，以外環(huán)給出的電流和實(shí)際的電流得出開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)PWM 占空比。由于轉(zhuǎn)速和電流關(guān)系高度非線性，再加上換向過程電流波動(dòng)造成轉(zhuǎn)速控制精度不 高、波動(dòng)大的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明旨在通過引入轉(zhuǎn)矩環(huán)和換相補(bǔ)償來減小無刷電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問題， 提供了一種基于轉(zhuǎn)矩反饋和換向補(bǔ)償?shù)臒o刷電機(jī)控制方法，具體的技術(shù)方案如下：
[0004] -種基于轉(zhuǎn)矩反饋和換向補(bǔ)償?shù)臒o刷電機(jī)控制方法，其特征在于，具體步驟如 下：
[0005] 步驟一，以給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值來決定電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)矩，S卩外環(huán)控制，具 體過程為：
[0006] L初始化參數(shù)：
[0007] 設(shè)本輪控制為第η輪控制，記為Tn，相對(duì)于本輪控制Tn的上一輪控制記為Tni，相 對(duì)于本輪控制Tn的上兩輪控制記為Tn2;
[0008] 記本輪控制Tn的目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值為e。，相對(duì)于Tn的上一輪控制Tni目 標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值為，相對(duì)于Tn的上兩輪控制Tn2目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值為 eQ2,在第一輪控制1\中，令6。2= 0，記1\的轉(zhuǎn)矩輸出為u。，相對(duì)于Tn的上一輪控制Tni 轉(zhuǎn)矩輸出為，第一輪控制1\中，令U(]1= 0，記1\的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值為Wl，（i= 1，2,3)， 相對(duì)于Tn的上一輪控制Tni神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值為wu(i= 1，2, 3)，第一輪控制1\中，令w〇 =0，（i= 1，2, 3);
[0009] 2.根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，計(jì)算轉(zhuǎn)矩輸出u。:令Δe。=e。-^，也就是本輪控制Tn目 標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值％與Τη的上一輪控制Tni目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值eμ的差 值，即本輪控制Τη目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值的一階差分，令A(yù)e<]1=e<]1-e(]2，令A(yù)2e<] = Ae。-Δe<]1，也就是本輪控制Tn目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值的一階差分與Tn的上一輪控制 Tni目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值的一階差分的差值，即本輪控制Tn目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的 差值的二階差分，令Xi=e。，χ2=Δe。，χ3=Δ2e。；
[0010] 首先，計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值:Wi=Wu+nietjUaJeo+Ae。)，（i= 1，2,3)，其中，常數(shù) r^，（i= 1，2,3)為學(xué)習(xí)效率；
[0011] 再對(duì)計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值進(jìn)行歸一化：
[0012]
[0013] 最后求出外環(huán)輸出：
[0014]
;中，Κ為神經(jīng)元比例系數(shù)；
[0015] 3.更新參數(shù)：
[0016] 本輪控制Τη結(jié)束，下一輪控制Tn+1中，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行更新；
[0017] 將本輪控制1；中目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值e。賦值給下一輪控制Tn+1中的上一輪 目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值eM，將相對(duì)與Τη的前一輪控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值eQ1 賦值給相對(duì)于下一輪控制Tn+1的上兩輪目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值e。2:
[0018]
[0019] 將本輪控制Tn的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值賦值給相對(duì)下一輪控制Tn+1的上一輪神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 權(quán)值：
[0020] w； !=w(i= 1,2,3)
[0021] 將本輪控制1；轉(zhuǎn)矩輸出u。賦值給下一輪控制Tn+1中的上一輪轉(zhuǎn)矩輸出值u。1:
[0022] u01=u〇；
[0023] 步驟二，以外環(huán)所給定的轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值來決定占空比，即內(nèi)環(huán)控 制，具體過程為：
[0024] 1.初始化參數(shù)：記本輪控制Tn外環(huán)給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值為ep1；的上一輪 控制Tni外環(huán)給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值為e"，Tn的上兩輪控制Tn2外環(huán)給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際 轉(zhuǎn)矩的差值為eI2，在第一輪控制1\中，令e" =e12= 0,記本輪控制Tn內(nèi)環(huán)輸出為u 上一輪控制Tni內(nèi)環(huán)輸出為un，在第一輪控制1\時(shí)，令u0 ;
[0025] 2.根據(jù)修正增量PID算法，計(jì)算占空比輸出D:令控制量的增量Δ% =1^-?，那么 1^=uη+Δ，同外環(huán)控制定義一致，令Δei=e「en，也就是本輪控制Tn外環(huán)給定轉(zhuǎn)矩與實(shí) 際轉(zhuǎn)矩的差值與Τη的上一輪控制Tni外環(huán)給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值的差值，即本輪控制 !；外環(huán)給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值的一階差分，令Δe "=e "-eI2，令Δ2ei=ΔefΔe"，也 就是本輪控制Tn外環(huán)給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值的一階差分與Tn的上一輪控制Tni的外 環(huán)給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值的一階差分的差值，即本輪控制Tn外環(huán)給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩 的差值的二階差分，那么可以通過下式求得AuI:
[0026] AUl=kPAα+Ι^+Ι^Δ%，其中，kP為比例系數(shù)，k:為積分系統(tǒng)，kD為微分系數(shù)；
[0027] 再通過求得的ΔUl確定控制量u1:
[0028] U!=uπ+Λu!
[0030] :，其中，&為一個(gè)大于1的常數(shù)，表示允許進(jìn)入飽和區(qū)的
[0029] 然后根據(jù)Ul確定修正后的輸出·φ
深度；
[0031] 接著根據(jù)％確定電機(jī)輸入的轉(zhuǎn)矩方向：當(dāng)2 0時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相 同，當(dāng)u丨< 0輸出轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反；
[0032] 最后，確定輸出的占空比D :
[0033]
[0034] 3.更新參數(shù)：同外環(huán)控制一樣，內(nèi)環(huán)控制也需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行更新，將本輪控制Τη 中外環(huán)給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值值給相對(duì)下一輪控制Τη+1的上一輪外環(huán)給定轉(zhuǎn)矩與 實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值e"，將相對(duì)與Τη的前一輪控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值e"賦值給相對(duì) 于下一輪控制Tn+1的上兩輪目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值e12:
[0035]
[0036] 將本輪控制Tn修正后的輸出賦值給下一輪控制Tn+1中的上一輪輸出值：二
[0037] 步驟三，本步驟與步驟一和步驟二同時(shí)進(jìn)行，為了減小由于換向造成的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)， 采取了開關(guān)管滯后關(guān)斷的控制策略，具體過程為：
[0038] 1.監(jiān)測(cè)霍爾信號(hào)，確定補(bǔ)償?shù)拈_始時(shí)刻：電機(jī)的一相的控制過程如下，其他相控 制過程同該相一樣；當(dāng)霍爾傳感器輸出發(fā)生變化，根據(jù)傳統(tǒng)控制方法判定為應(yīng)該關(guān)斷該開 關(guān)管的時(shí)刻，以此時(shí)刻作為補(bǔ)償?shù)拈_始，記為ts;
[0039] 2.監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)，確定補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)束時(shí)刻：從ts時(shí)刻對(duì)轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)， 設(shè)每個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的電角度為α^，補(bǔ)償電角度為α^，當(dāng)記滿n=aya 脈沖時(shí)，以此 時(shí)刻作為補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)束時(shí)刻，記為t，并在此時(shí)刻關(guān)斷開關(guān)管；在換向補(bǔ)償?shù)碾A段，該開關(guān)管 的驅(qū)動(dòng)方式為PWM，其占空比D由步驟一和步驟二來確定；
[0040] 步驟四，按照前面雙閉環(huán)控制算法得出的占空比D和轉(zhuǎn)矩的方向驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，具 體過程為：
[0041] 1.霍爾信號(hào)每60°輸出不同的值，單片機(jī)根據(jù)霍爾信號(hào)，確定電機(jī)電角度的范 圍；
[0042] 2.根據(jù)電機(jī)電角度的范圍和轉(zhuǎn)矩方向確定如何驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，在控制器中存有每 個(gè)60°電角度中應(yīng)該被開啟的兩個(gè)開關(guān)管的對(duì)照表，并且其中有一個(gè)開關(guān)管是PWM驅(qū)動(dòng)， 其占空比D由步驟一和步驟二來確定，另外一個(gè)開關(guān)管保持常開狀態(tài)，如果轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速同 向，嚴(yán)格按照對(duì)照表驅(qū)動(dòng)開關(guān)管；如果轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速反向，按照電機(jī)對(duì)照表中所在電角度的 前60°區(qū)間的對(duì)照值驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，例如電機(jī)的電角度在60-120°范圍內(nèi)，就按照對(duì)照表中 0-60°電角度的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。
[0043] 本發(fā)明通過上面所述的綜合措施，使無刷電機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)情況得到了極 大的改善，轉(zhuǎn)速控制精度得到了極大的提高，同時(shí)通過滯后換向的換向補(bǔ)償方法擴(kuò)展了電 機(jī)的工作范圍。其外環(huán)使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)誤差小，超調(diào)小，與常規(guī)控制 所使用的PID相比優(yōu)勢(shì)明顯。內(nèi)環(huán)使用轉(zhuǎn)矩環(huán)代替電流環(huán)使得電機(jī)控制精度極大提高。對(duì) 于換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，本發(fā)明給出了一個(gè)換向補(bǔ)償算法，減小了電機(jī)在換向時(shí)的波動(dòng)。
【附圖說明】
[0044] 圖1為本發(fā)明所述的一種基于轉(zhuǎn)矩反饋和換向補(bǔ)償?shù)臒o刷電機(jī)控制方法的流程 圖；
[0045] 圖2為本發(fā)明所述的一種基于轉(zhuǎn)矩反饋和換向補(bǔ)償?shù)臒o刷電機(jī)控制方法的控制 示意圖；
[0046]圖3為本發(fā)明所述的一種基于轉(zhuǎn)矩反饋和換向補(bǔ)償?shù)臒o刷電機(jī)控制方法中的電 機(jī)本體及其驅(qū)動(dòng)器的示意圖；
[0047]圖4為本發(fā)明所述的一種基于轉(zhuǎn)矩反饋和換向補(bǔ)償?shù)臒o刷電機(jī)控制方法的各相 導(dǎo)通示意圖；
[0048]圖5為本發(fā)明所述的一種基于轉(zhuǎn)矩反饋和換向補(bǔ)償?shù)臒o刷電機(jī)控制方法的換向 控制流程圖；
[0049] 圖6為本發(fā)明