專利名稱：無刷直流電機的基波法無位置傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明所涉及的是一種采用無位置傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)，
背景技術：
用交流調(diào)速技術達到節(jié)能的效果是眾所周知的事情，而永磁電機由于使用了稀土永磁材料，節(jié)能效果更為顯著。我國是稀土金屬大國，多年來在推廣稀土永磁電機的應用；另外，交流調(diào)速技術還能提高各種動態(tài)、靜態(tài)性能，使加工質(zhì)量或系統(tǒng)運行綜合品質(zhì)得到提高。因此，永磁電機的調(diào)速技術是一個應用非常廣泛，對國民經(jīng)濟大面積有影響的技術。
永磁電機包括兩種類型，一類是無刷直流電機，一類是交流正弦永磁電機。事實上這兩類都是交流電機，只是第一類的特性有如直流電機，但它無刷，所以叫其為無刷直流電機，它即是永磁方波電機。1996年，本申請人之一在澳大利亞新南威爾士大學工作期間和澳方學者首次提出了交流正弦永磁電機的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，并在1997年美國IEEE PE雜志上公開了其成果，未申請專利。此后，該技術的研究在國外和國內(nèi)同時興起，已發(fā)表了許多論文，有很大進展。但是還未有人把直接轉(zhuǎn)矩控制直接應用到無刷直流電機上，而無刷直流電機在家電、一般工業(yè)用品上使用上非常廣泛，如冰箱、洗衣機、空調(diào)都在大量使用無刷直流電機。無刷直流電機弱磁較困難，調(diào)速范圍受到限制，期待發(fā)明新的控制方法能克服這些弱點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于將兩種先進技術應用到無刷直流電機上，以求擴大它的調(diào)速范圍和提高動態(tài)性能。一種先進技術是無位置傳感器技術，它不是利用電機反電動勢的無位置傳感器技術，而是檢測瞬時電流，經(jīng)過建立的轉(zhuǎn)速數(shù)學模型計算出瞬時轉(zhuǎn)速，這種技術能擴大低速的運行范圍。另一種先進技術是直接轉(zhuǎn)矩控制技術，它能提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，且能改善弱磁的狀況。擴大電機的高速運行范圍。這兩個技術相結(jié)合，能使無位置傳感器的無刷直流電機調(diào)速范圍達到1∶150。
為實現(xiàn)上述技術指標，本發(fā)明的技術解決方案是，硬件系統(tǒng)由主回路，檢測回路，控制回路三大部分組成。主回路由無刷直流電機、功率變換器串聯(lián)，由功率變換器接到供電電網(wǎng)；檢測回路由電流傳感器和電壓傳感器所組成；控制回路由模數(shù)轉(zhuǎn)換器連于基于數(shù)字信號處理器(DSP)的控制單元，產(chǎn)生功率變換器控制信號，再連于變換器控制信號處理單元所組成。在檢測回路中，刪除了常用的位置傳感器(或者電機三相交流反電勢過零位置檢測器)；在控制回路中刪除了電流閉環(huán)線路。
本發(fā)明無位置傳感器的尤刷直流電機基波法直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制方法是在每一個控制周期中，根據(jù)檢測到的電流、電壓，計算出瞬時磁鏈和瞬時轉(zhuǎn)矩，并且根據(jù)建立的轉(zhuǎn)速數(shù)學模型，計算出瞬時轉(zhuǎn)速(此即為無位置傳感器技術)；由給定轉(zhuǎn)速和計算出的瞬時轉(zhuǎn)速，經(jīng)由速度調(diào)節(jié)器，得到給定轉(zhuǎn)矩。將瞬時磁鏈和給定基波磁鏈比較，瞬時轉(zhuǎn)矩和給定轉(zhuǎn)矩比較，由比較的結(jié)果和磁鏈所在的空間位置，直接選用最優(yōu)的電力電子變換器空間電壓矢量作用于無刷直流電機，使其達到調(diào)速的目的。而基波給定磁鏈是由電機設計給出。
本控制方法，計算簡單，受電機參數(shù)影響小，系統(tǒng)的動態(tài)響應好，調(diào)速范圍寬。同時由于去掉了位置傳感器和電流閉環(huán)，整個系統(tǒng)結(jié)構簡單，提高了可靠性。


圖1是無刷直流電機的基波法無位置傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成框2是磁鏈軌跡示意3是無刷直流電機的基波法無位置傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框1中各框圖內(nèi)的編號名稱分別是；1、無刷直流電機，2、功率變換器，3、變換器控制信號，4、基于數(shù)字控制信號處理器的控制系統(tǒng)，5、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，6、電流傳感器和電壓傳感器。
圖2中符號名稱U1～U6-空間電壓矢量，θ1～θ6-定子磁鏈所在空間均分的六個區(qū)域。
圖3中符號名稱Ψ*-定子基波磁鏈的幅值給定值，T*-電壓調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩給定值，Ψ-定子磁鏈，T-轉(zhuǎn)矩瞬時值，Φ-磁鏈環(huán)遲滯比較器輸出值，τ-轉(zhuǎn)矩環(huán)遲滯比較器輸出值，θ-定子磁場所在空間均分的六個區(qū)域輸出值，S1、S2、S3-三個開關狀態(tài)，Uα、Iα-永磁無刷直流電機線電壓和線電流在α-β坐標系中α軸上的投影，Uβ、Iβ-永磁無刷直流電機線電壓和線電流在α-β坐標系中β軸上的投影，Ψα、Ψβ-永磁無刷直流電機定子磁鏈Ψ在α-β坐標系中α軸和β軸向的投影，Udc、Idc-輸出的直流電壓和電流。圖中各框圖內(nèi)名稱，依據(jù)信號方向依次是電壓、電流檢測，坐標變換，磁鏈估計，磁鏈給定，磁鏈環(huán)遲滯比較器，轉(zhuǎn)矩估計，速度估計，速度給定，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)矩環(huán)遲滯比較器，磁鏈扇區(qū)確定，開關表，還有主電路中的永磁無刷直流電機(BLDC MOTOR)及IGBT三相橋。
具體實施方法根據(jù)附圖敘述本發(fā)明的具體實施方法及工作原理和工作過程。由圖1可知，本發(fā)明的無位置傳感器無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)包括由無刷直流電機1、功率變換器2二者連接而成的主回路；由電流傳感器、電壓傳感器6組成的檢測回路，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D5連于基于數(shù)字信號處理器(DSP)的控制系統(tǒng)4后再連于變換器控制信號3所組成的控制回路。功率變換器中的功率管可采用IGBT功率管或功率場效應管；電流電壓傳感器可為霍爾傳感器，也可為采樣電阻。傳感器將主回路上的電流和電壓，轉(zhuǎn)變?yōu)槿蹼姷哪M電壓信號，進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，由它將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送給DSP控制系統(tǒng)所用。根據(jù)取得的信號和本發(fā)明的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，計算出瞬時轉(zhuǎn)速，確定磁鏈所處的空間扇區(qū)，并計算出發(fā)出的控制信號，經(jīng)由變換器控制信號3，發(fā)出6位脈沖信號去控制主回路中的功率變換器。
本發(fā)明在檢測回路中，刪除了常用的位置傳感器；在控制回路中，刪除了電流閉環(huán)線路(此處的交流電流i_信號不作電流閉環(huán)用，只作為計算瞬時轉(zhuǎn)速，確定磁鏈位置和計算瞬時電磁轉(zhuǎn)矩所需要的信號)。
本發(fā)明基于無位置傳感器無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，通過電力電子變換器采用直接選用最優(yōu)的空間電壓矢量作用于無刷直流電機的方法直接控制電磁轉(zhuǎn)矩，使電機快速改變轉(zhuǎn)速，達到快速調(diào)速的目的。
本控制方法的基本原理敘述如下以往的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)都是通過位置傳感器來測定轉(zhuǎn)子位置，從而確定主功率開關的觸發(fā)信號，實現(xiàn)與直流電機換向類似的電子換向。一旦附加的位置傳感器失效，無刷直流電機將不能工作。近年來用戶紛紛要求革除故障率高的位置傳感器、使系統(tǒng)更加簡化和緊湊，無位置傳感器技術得到迅速發(fā)展。一般的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)都采用檢測電機不通電相的反電勢的過零點信號來確定轉(zhuǎn)子位置和計算轉(zhuǎn)速，但是電機反電動勢的大小總和電機轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速低時，反電勢很弱，信噪比差，無法檢測。因此這種無位置傳感器技術不能用于速度低的場合，局限性很大。本發(fā)明則采用建立轉(zhuǎn)速數(shù)學模型的方法，用檢測的瞬時電流、選用的空間電壓矢量和計算出的磁鏈來計算出轉(zhuǎn)速，由于電流、空間電壓矢量、磁鏈都和轉(zhuǎn)速的高低沒有關系，因此，只要數(shù)學模型構造正確，理論上它能計算出很低轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速，由于無刷直流電機所應用的場合多為一般性的場合，為使計算簡單，本處選用的如下數(shù)學模型在定子靜止坐標系中，有ψs=dθsdt=ψ·βψα-ψ·αψβψα2+ψβ2]]>由于電機中有關系式ψ·α=Uα-iαRs]]>ψ·β=Uβ-iβRs]]>于是ωs=(Uβ-iβRs)ψα-(Uα-iαRs)ψβψα2+ψβ2]]>式中ωs為電機中的同步轉(zhuǎn)速，Uα、Uβ為選用的空間電壓矢量在α、β軸上的投影；iα、iβ為電流矢量在α、β軸上的投影，Ψα、Ψβ為定子磁鏈在α、β軸上的投影，Rs為電機定子的電阻。
由于無刷直流電機本質(zhì)上屬永磁同步電機，同步電機的特征是在穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr等于同步轉(zhuǎn)速ωs，因此ωr＝ωs。
計算出的瞬時轉(zhuǎn)速ωr和給定轉(zhuǎn)速ωr*送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，根據(jù)其差給出給定轉(zhuǎn)矩。實際的轉(zhuǎn)矩可由磁鏈和電流計算得到。如果實際的轉(zhuǎn)矩小于給定轉(zhuǎn)矩，就增加定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角。如果實際轉(zhuǎn)矩大于給定轉(zhuǎn)矩，就減小這個夾角。如果實際轉(zhuǎn)矩基本上等于給定的轉(zhuǎn)矩，則應該保持這個夾角不變。而控制周期內(nèi)轉(zhuǎn)子磁鏈的方向變化不大，這個夾角由定子磁鏈的方向決定。因此，實際上只要通過控制定子磁鏈的方向就能實現(xiàn)這個夾角的改變。而定子磁鏈受空間電壓矢量的影響，即定子磁鏈矢量的矢尖軌跡將沿著所選空間運動電壓矢量的方向運動，選擇不同的空間運動電壓矢量將使定子磁鏈的幅值和方向變化。若選擇零矢量，則定子磁鏈矢量不變，即保持定子磁鏈矢量的角度。因此，按照一定規(guī)則選擇恰當?shù)目臻g電壓矢量就可控制定子磁鏈矢量按所需的運動軌跡運動。對于交流正弦永磁電機，所需的定子磁鏈運動軌跡是個圓，但是，對于方波電機(即無刷直流電機)，則該磁鏈并不是一個圓，它的基波才是圓。本發(fā)明的特點就在于將該基波作為所需的運動軌跡進行控制。此時，控制方案還必須滿足基波磁鏈圓幅值恒定的條件。于是定子磁鏈矢量的矢尖應被控制成按圓形軌道運動。圖2所示的就是定子磁鏈軌跡示意圖。圖中分為6個不同扇區(qū)，在圓周六個不同扇區(qū)存在著各自相應的使磁鏈運動軌跡沿著圓周運動的最佳空間電壓矢量，因為只有六個運動矢量可選，致使定子磁鏈矢量的運動軌跡實際上是如圖2所示的折線。但因為實際的控制周期極短，運動軌跡近似為圓形，保證了定子磁鏈幅值不變的條件。要迅速改變電磁轉(zhuǎn)矩是通過快速改變定子磁鏈的角度達到的。改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度是通過選擇恰當?shù)倪\動矢量和插入零矢量實現(xiàn)的。據(jù)此，通過在每一個極短的控制周期中從八個空間電壓矢量中選擇最優(yōu)空間電壓矢量，一方面糾正定子磁鏈運動軌跡與給定軌跡的偏差；另一方面盡快地改變定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角。按照不同的扇區(qū)和磁鏈、轉(zhuǎn)矩變化的條件，可總結(jié)給出一個如下表所示的最優(yōu)空間電壓矢量的開關表。

實現(xiàn)無刷直流電機無位置傳感器的基波法直接轉(zhuǎn)矩控制的框圖如圖3所示。本系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)分為轉(zhuǎn)矩控制環(huán)與磁鏈控制環(huán)，均采用乒乓(Band-Band)控制。采用圓形磁鏈軌跡，定子磁鏈的幅值給定值由電機的基波磁鏈給出，它是電機設計時的一個電機參數(shù)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)檢測的轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速給出無刷直流電機轉(zhuǎn)矩控制的給定值T*。定子磁鏈Ψ與轉(zhuǎn)矩的瞬時值T，可用電機模型觀測計算得到，再分別與其給定值通過遲滯比較器比較后結(jié)合磁鏈所在的位置按上表來選取最優(yōu)空間電壓矢量。θ和τ分別為磁鏈環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)中遲滯比較器的輸出。φ＝1，要求采用使|Ψs|增加或保持的矢量，φ＝-1，則采用使|Ψs|減小或保持的矢量。τ＝1，要求轉(zhuǎn)矩增大，采用運動矢量使定子磁鏈相對轉(zhuǎn)子磁鏈的角度增大；τ＝0，則采用零矢量，使轉(zhuǎn)矩保持，τ＝-1，要求轉(zhuǎn)矩減小，采用運動矢量使定子磁鏈相對轉(zhuǎn)子磁鏈的角度減小。在θ1-θ6的每個區(qū)域中采用相應方向的電壓矢量可以同時控制磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，達到調(diào)速的目的。
權利要求
1.一種基于無位置傳感器技術的無刷直流電機基波法直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，包括無刷直流電機(1)，功率變換器(2)，無刷直流電機接功率變換器。由交流電流傳感器和電壓傳感器(6)組成的檢測回路，檢測的信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(5)送入基于數(shù)字控制信號處理器的控制系統(tǒng)(4)，在該控制系統(tǒng)中，進行轉(zhuǎn)速、磁鏈、轉(zhuǎn)矩的計算，并做出控制決策，把控制決策經(jīng)由變換器控制信號(3)送給功率變換器(2)，最終由功率變換器(2)按控制規(guī)則控制無刷直流電機(1)。其基于無位置傳感器的基波法直接轉(zhuǎn)矩控制方法是不用位置檢測器，也不用無刷直流電機的反電勢，而用檢測的瞬時電流，通過轉(zhuǎn)速數(shù)學模型計算出瞬時轉(zhuǎn)速。然后，在每個控制周期中，根據(jù)轉(zhuǎn)速、磁鏈、轉(zhuǎn)矩直接選用最優(yōu)的電力電子變換器的空間電壓矢量，通過功率變換器作用于無刷直流電機，實現(xiàn)調(diào)速的目的。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于無位置傳感器技術的無刷直流電機基波法直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于從設計的無刷直流電機磁鏈中求取正弦形狀的基波磁鏈作為給定磁鏈，按正弦磁鏈的永磁電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法，對無刷直流電機進行控制。
全文摘要
一種涉及無位置傳感器技術的無刷直流電機基波法直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，包括無刷直流電機(1)，功率變換器(2)，變換器控制信號(3)，基于數(shù)字控制信號處理器的控制系統(tǒng)(4)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(5)及電流、電壓傳感器(6)。去掉了常用的位置傳感器和電流閉環(huán)電路。其直接轉(zhuǎn)矩控制方法是，在每個控制周期中，根據(jù)檢測到的電流、電壓，計算出磁鏈和轉(zhuǎn)矩，將其和給定基波磁鏈、給定轉(zhuǎn)矩相比較，由比較結(jié)果和磁鏈所在的空間位置，直接選用最優(yōu)的空間電壓矢量通過功率變換器作用于無刷直流電機，達到調(diào)速的目的。由于刪除了位置傳感器，該系統(tǒng)結(jié)構簡單、堅固可靠、造價低。調(diào)速比可達1∶150，能廣泛適用于軍工和民用的要求。
文檔編號H02P6/18GK1614869SQ20041006533
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月26日 優(yōu)先權日2004年11月26日
發(fā)明者胡育文, 黃文新 申請人:南京航空航天大學