專利名稱：：無刷直流電機的磁鏈自控式直接轉矩控制方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種無刷直流電機的磁鏈自控式直接轉矩控制方法，屬于無刷直流電機的調速領域。
背景技術：
：無刷直流電機較直流電機省掉了換向器和電刷，具有牢固耐用、免于維護、噪聲小、效率高和功率密度大等優(yōu)點，在工業(yè)、航天航空等領域得到了日益廣泛的應用。永磁無刷直流電機按照磁場形狀可分為方波磁場無刷直流電機和正弦波磁場永磁同步電機，方波磁場無刷直流電機即通常所說的無刷直流電機，與正弦波磁場永磁同步電機相比，具有控制簡單及成本低的優(yōu)點。但由于無刷直流電機的非理想反電勢、電流換相等原因，使其轉矩波動較正弦波磁場永磁同步電機明顯，這影響了無刷直流電機性能的進一步提高，限制了其在高精度伺服系統(tǒng)中的應用。直接轉矩控制技術作為交流電機的一種高性能變頻調速方案，摒棄了矢量控制的解耦控制思想，利用電機轉矩和磁鏈的直接閉環(huán)來獲得快速的轉矩響應和優(yōu)良的控制性能，應用于感應電機和永磁同步電機取得了良好的效果，近年來直接轉矩控制技術開始應用于無刷直流電機。中國專利《階梯波反電勢無刷直流電機直接轉矩控制方法》，公開號為CN101442289，公開日為2009.05.27，將正弦波永磁同步電機的直接轉矩控制技術應用到永磁無刷直流電機中，提高了永磁體的利用率。中國專利《無刷直流電機的直接自控制系統(tǒng)的控制方法》，公開號為CN1819439，公開日為2006.08.16，公開了一種定子磁鏈為六邊形運動的無刷直流電機直接自控制調速方法，在每個控制周期中，根據檢測到的電流和電壓計算定子磁鏈和轉矩，與其給定的磁鏈和轉矩相比較，由比較結果直接選用逆變器的八個空間電壓矢量中最好的一個，達到調速的目的。中國專利《直接轉矩無刷直流伺服控制系統(tǒng)及其工作方法》，公開號為CN101056084，公開日為2007.10.17，使轉矩環(huán)和磁鏈環(huán)調節(jié)器的輸出頻率達到4kHz至8kHz，提高了輸入開關表控制信號的頻率，加快了轉矩響應，從而削減了轉矩脈動。中國專利《無刷直流電機的基波法無位置傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)》，公開號為CN1614869，公開日為2005.05.11，公開了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矩控制系統(tǒng)，它省掉了位置傳感器和電流閉環(huán)調節(jié)，簡化了系統(tǒng)結構，降低了成本。以上所述現有技術的不足之處在于都采用了轉矩和電機磁鏈的雙閉環(huán)調節(jié)，其中電機磁鏈的獲取需要采用一定的算法進行估算，并且對于無刷直流電機而言，要取得優(yōu)越的控制性能，定子磁鏈幅值的給定應是位置的一個函數，這使得系統(tǒng)控制方法復雜，開發(fā)成本提高。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種無刷直流電機的磁鏈自控式直接轉矩控制方法，它解決了現有方法由于采用轉矩和電機磁鏈的雙閉環(huán)調節(jié)，而使得系統(tǒng)控制方法復雜的問題。本發(fā)明首先將工頻的供電交流電源經整流器整流，再經濾波電容濾波得到直流電源，再由逆變器將所述直流電源轉化為交流電源為所述無刷直流電機供電；它的控制方法為采集無刷直流電機輸入端的三相電流值，并將所述三相電流值進行三相_兩相坐標變換，得到無刷直流電機輸入端的三相電流值在兩相靜止坐標系下的分量i。、ie;采集無刷直流電機輸入端的三相電壓值，并將所述三相電壓值進行三相_兩相坐標變換，得到無刷直流電機輸入端的三相電壓值在兩相靜止坐標系下的分量ua、ue;采用位置傳感器檢測無刷直流電機的轉子角速度信號，并由速度計算單元根據所述轉子角速度信號，計算得到無刷直流電機的轉速o;將無刷直流電機輸入端的三相電流值在兩相靜止坐標系下的分量ia、ie，無刷直流電機輸入端的三相電壓值在兩相靜止坐標系下的分量u。、ue和無刷直流電機的轉速"輸入給反電勢滑模觀測器，反電勢滑模觀測器根據輸入的數據在兩相靜止坐標系下對電機反電勢進行估算，得到兩相靜止坐標系下的電機反電勢ea、ee;再將兩相靜止坐標系下的電機反電勢ea、ee，無刷直流電機輸入端的三相電流值在兩相靜止坐標系下的分量ia、ie和無刷直流電機的轉速o輸入給轉矩估算單元，轉矩估算單元根據輸入的數據計算得到無刷直流電機的轉矩L;將無刷直流電機的轉矩L與無刷直流電機的給定轉矩1作差，并經轉矩滯環(huán)調節(jié)器調節(jié)得到控制參數t，將控制參數t和由位置傳感器檢測獲得的無刷直流電機的轉子角速度信號輸入給電壓矢量選擇單元，電壓矢量選擇單元根據輸入的數據產生相應的開關信號，對逆變器進行控制，進而實現對所述無刷直流電機的直接轉矩控制。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明采用單環(huán)的轉矩滯環(huán)調節(jié)器，由轉矩滯環(huán)調節(jié)器的輸出結合霍爾磁極位置傳感器的輸出來決定施壓于無刷直流電機的定子電壓矢量，由于定子電壓矢量定向于轉子磁場位置，由此能夠實現定子磁鏈的自控制，省去了磁鏈觀測和閉環(huán)控制環(huán)節(jié)；對電機轉矩的估算，通過在兩相靜止坐標系下采用反電勢滑模觀測器來觀測電機反電勢，進而通過轉矩估算單元計算出電機的實際轉矩。本發(fā)明所述對電機的控制方法，能夠有效抑制非理想反電勢和電機低速運行時電流換相引起的轉矩波動；較現有的無刷直流電機直接轉矩控制方法，省掉了磁鏈閉環(huán)，克服了現有直接轉矩控制方法中磁鏈的估算和給定困難等問題，簡化了系統(tǒng)。圖1是現有采用轉矩和磁鏈雙閉環(huán)控制的無刷直流電機直接轉矩控制方法的信號走向示意圖；圖2是本發(fā)明控制方法的信號走向示意圖；圖3是實現本發(fā)明控制方法的控制系統(tǒng)的原理框圖；圖4是采用圖3所示控制系統(tǒng)實現本發(fā)明控制方法時，圖3中控制器DSP內嵌入的軟件程序流程圖；圖5是本發(fā)明中無刷直流電機采用120°方波電流驅動時，無刷直流電機的三相電樞繞組中的電流ia、ib、i。，三相電樞繞組的反電勢ea、eb、ee，以及三個霍爾磁極位置傳感器輸出的信號HA、HB、HC的對應關系圖；圖6是本發(fā)明控制方法采用的逆變器的拓撲結構圖；圖7是本發(fā)明控制方法采用的空間電壓矢量分布圖；圖8是本發(fā)明控制方法采用的反電勢滑模觀測器的原理圖。具體實施例方式具體實施方式一下面結合圖l至圖8說明本實施方式，本實施方式首先將工頻的供電交流電源1經整流器2整流，再經濾波電容3濾波得到直流電源，再由逆變器4將所述直流電源轉化為交流電源為所述無刷直流電機供電；它的控制方法為采集無刷直流電機輸入端的三相電流值，并將所述三相電流值進行三相_兩相坐標變換，得到無刷直流電機輸入端的三相電流值在兩相靜止坐標系下的分量i。、ie;采集無刷直流電機輸入端的三相電壓值，并將所述三相電壓值進行三相_兩相坐標變換，得到無刷直流電機輸入端的三相電壓值在兩相靜止坐標系下的分量Ua、ue;采用位置傳感器5檢測無刷直流電機的轉子角速度信號，并由速度計算單元6根據所述轉子角速度信號，計算得到無刷直流電機的轉速o;將無刷直流電機輸入端的三相電流值在兩相靜止坐標系下的分量ia、ie，無刷直流電機輸入端的三相電壓值在兩相靜止坐標系下的分量u。、ue和無刷直流電機的轉速"輸入給反電勢滑模觀測器7，反電勢滑模觀測器7根據輸入的數據在兩相靜止坐標系下對電機反電勢進行估算，得到兩相靜止坐標系下的電機反電勢e。、ee;再將兩相靜止坐標系下的電機反電勢ea、ee，無刷直流電機輸入端的三相電流值在兩相靜止坐標系下的分量i。、ie和無刷直流電機的轉速"輸入給轉矩估算單元8，轉矩估算單元8根據輸入的數據計算得到無刷直流電機的轉矩Te;將無刷直流電機的轉矩L與無刷直流電機的給定轉矩1作差，并經轉矩滯環(huán)調節(jié)器9調節(jié)得到控制參數t，將控制參數t和由位置傳感器5檢測獲得的無刷直流電機的轉子角速度信號輸入給電壓矢量選擇單元10，電壓矢量選擇單元10根據輸入的數據產生相應的開關信號，對逆變器4進行控制，進而實現對所述無刷直流電機的直接轉矩控制。所述無刷直流電機的給定轉矩的計算方法為將無刷直流電機的轉速"與無刷直流電機的給定轉速作差，并經轉速調節(jié)器11調節(jié)獲得無刷直流電機給定轉矩T/。所述無刷直流電機的轉矩L的計算公式為7;=晏XZXgA+g/~，式中p為電機極數。22必所述采用位置傳感器5檢測無刷直流電機的轉子角速度信號是指采用三個霍爾磁極位置傳感器采集的信號獲得無刷直流電機的轉子角速度信號。所述的電壓矢量選擇單元10根據輸入的數據產生相應的開關信號，電壓矢量選擇單元10根據三個霍爾磁極位置傳感器分別輸出的信號HA、HB、HC和轉矩滯環(huán)調節(jié)器9輸出的控制參數t，按照下表選擇欲施加給無刷直流電機的電壓矢量，并產生相應的開關信號；<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表中Vk，k=0，1，…，6為無刷直流電機的6種通電狀態(tài)對應的6個離散的基本電壓矢量和零電壓矢量。本實施方式中，無刷直流電機輸入端的電流值和電壓值分別由電流檢測單元和電壓檢測單元實時檢測后，再經過計算得到；根據三個霍爾磁極位置傳感器輸出的信號HA、HB和HC，經速度計算單元6計算后，能夠得到無刷直流電機的轉子角速度；經轉矩滯環(huán)調節(jié)器9調節(jié)得到控制參數t結合三個霍爾磁極位置傳感器輸出的信號HA、HB和HC，電壓矢量選擇單元10能夠產生相應的開關信號去控制逆變器4，從而驅動無刷直流電機運行。轉矩環(huán)構成了系統(tǒng)的內環(huán)，電機的給定轉矩l由外環(huán)的轉速環(huán)輸出得到，轉速環(huán)的輸出由電機的給定轉速"*與電機的實際轉速"作差后經轉速調節(jié)器11得到。圖3所示的控制系統(tǒng)的原理框圖中，將反電勢滑模觀測器7、轉矩估算單元8、速度計算單元6、轉速調節(jié)器11、轉矩滯環(huán)調節(jié)器9和電壓矢量選擇單元10集成到一個DSP控制器中實現，并由所述DSP中嵌入的軟件程序調用相應功能單元進行工作，具體流程圖如圖4所示。圖3中控制器DSP輸出的開關信號，通過光耦隔離后，對逆變器4中的功率管進行開關控制。下面對本發(fā)明所述的無刷直流電機的磁鏈自控式直接轉矩控制方法作進一步說明。無刷直流電機運行原理本發(fā)明所述的無刷直流電機為方波磁場無刷直流電機，繞組為集中繞組，形成的電機反電勢為梯形波反電勢。使無刷直流電機按圖5所示的120。方波電流模式運行，能夠獲得穩(wěn)定的轉矩輸出。為了獲得12(T方波電流，如圖6所示的逆變器拓撲，用^se分別表示功率管Vl\VT6的開關狀態(tài)，1表示開通，O表示關斷，此時無刷直流電機的導通模式列于表l。表17<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本發(fā)明所用的空間電壓矢量定義電壓空間矢量us為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，uan、ubn和um分別為電機相電壓。無刷直流電機的6種通電狀態(tài)對應6個基本電壓矢量，如表2所示。這6個離散的基本電壓矢量和零電壓矢量的空間分布如圖7所示，6個基本電壓矢量將空間分為IVI6個扇區(qū)，每個扇區(qū)各占60。電角度。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表中Vd。為逆變器4輸出的直流母線電壓。定子磁鏈自控制方法忽略無刷直流電機繞組電阻壓降時，定子磁鏈Vs可由下式表示Vs=/Vkdt=Vkt+Vs(0)，(k=0，l，".，6)，式中Vs(0)為定子磁鏈初值。由上式可以看出，隨著所施離散基本電壓矢量的不同，定子磁鏈[沿電壓矢量Vk(k=0，l，…，6)方向運動，且運動速度為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>當無刷直流電機被施加非零的基本電壓矢量時，定子磁鏈以所加基本電壓矢量幅值的速度沿所加電壓矢量方向運動；當施加激勵為零電壓矢量時，磁鏈靜止不動。這樣，通過判斷定子磁鏈所在的區(qū)域，施加相應的基本電壓矢量，就可以使定子磁鏈沿著電壓矢量頂點連線組成的六邊形軌跡運動，實現定子磁鏈的自控制。如圖7所示，三個霍爾磁極位置傳感器的空間位置由HA、HB和HC表示。由于采用的是開關鎖相型霍爾元件，每個輸出的霍爾信號為以霍爾磁極位置傳感器放置位置為中心的180°電角度寬的方波。這樣，可以根據霍爾信號來判斷永磁轉子磁鏈的位置，如表l，進而，使定子磁鏈定向于轉子磁場，得到同相位的定子磁鏈位置。因此，只要根據霍爾信號檢測出的轉子磁場位置，按表1施加相應的電壓，就可實現無刷直流電機定子磁鏈的自控制。實際上，受無刷直流電機非導通相反電勢的影響，定子磁鏈并不能完全沿六邊形邊沿運動，而是出現跳變的"花瓣"形，如圖7所示。電壓空間矢量的選擇以定子磁鏈位于第I扇區(qū)為例，當施加電壓V2(001001)時，定子磁鏈沿V6至的頂點方向運動，同時帶動轉子逆時針方向旋轉，即電機產生的逆時針方向轉矩增加；相反地，如果施加電壓V5(000110)，則電機產生順時針方向轉矩；施加零電壓矢量V。(000000)時，電機輸出轉矩為零。同理，其他扇區(qū)也有相同的結論。因此，可以根據定子磁鏈所處扇區(qū)和轉矩滯環(huán)比較器的輸出值t來選擇施加的電壓矢量，實現對電機轉矩的動態(tài)直接控制，電壓矢3t選擇與扇區(qū)的對應關系如表3所示'表3扇區(qū)霍爾信號(HAHBHQ10-lV101r6(iooioo)r0(oooooo)F3(011000)VI100^(100001)F4(010010)I110F2(001001)，o畫)F5(000110)II010F3(011000)Fo(OOOOOO)F6(100,III011F4(010010)Fo(OOOOOO)r,(iooooi)IV001K5(000110)F0(000000)F2(001001)本發(fā)明采用的控制方法中，除了實現對轉矩的直接控制外，在根據扇區(qū)選擇施加的電壓矢量時與傳統(tǒng)P麗電流控制也有所不同。如對于傳統(tǒng)P麗電流控制的HP麗-L0N方式中，Model(對應扇區(qū)V)下根據電流調節(jié)器輸出選擇導通狀態(tài)(100100)和(000100)，而本發(fā)明控制方法中使用電壓矢量V6(100100)、V3(011000)和V。(000000)。無刷直流電機的反電勢滑模觀測器7的原理如圖8所示。根據無刷直流電機的實際模型構建構造模型，并與實際模型并聯連接，以電機的實際模型和構建的構造模型的狀態(tài)誤差等于零為控制目標，選用切換函數不斷調整構造模型的參數，達到穩(wěn)定后提取電機反電勢參數值，即為觀測值。將u。、ue和ia、ie以及無刷直流電機的定子電阻R和定子電感L作為反電勢滑模觀測器7的輸入，采用反電勢滑模觀測器7觀測的過程中用到的公式有無刷直流電機在兩相靜止坐標系-a|3坐標系下的電壓方程為W一氛+〖2+^=i^+Z-無刷直流電機的狀態(tài)方程z=^/+-o，《丄oo-班式中，系數矩陣^4=系數矩陣5=;定子電流矢:勢e,ie]T，定子電流矢J[eaee]T;:的導數/=，i/zo-ol/i:;定子電壓矢量11=[11。Ue]T;電機反電10滑模面方程S(AT)=根據觀測變量u。、Ue和i。、ie以及無刷直流電機的定子電阻R和定子電感L，得到無刷直流電機的反電勢滑模觀測器7的方程=j〖+B[m—《wsign(/—/)]，式中，符號"'"代表對應變量的估計值；符號""代表變量的導數；滑模增益矩陣Gsw=gl，其中g為正常數，I為單位矩陣；進而得到誤差方程/=A7—必G^sign(;/—/)+，式中，符號""代表對應變再由低通濾波器采用切換函數<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>為低通濾波器的截止頻率，最后由觀測值l和^得到電機反電勢的權利要求一種無刷直流電機的磁鏈自控式直接轉矩控制方法，它首先將工頻的供電交流電源(1)經整流器(2)整流，再經濾波電容(3)濾波得到直流電源，再由逆變器(4)將所述直流電源轉化為交流電源為所述無刷直流電機供電；其特征在于，它的控制方法為采集無刷直流電機輸入端的三相電流值，并將所述三相電流值進行三相-兩相坐標變換，得到無刷直流電機輸入端的三相電流值在兩相靜止坐標系下的分量iα、iβ；采集無刷直流電機輸入端的三相電壓值，并將所述三相電壓值進行三相-兩相坐標變換，得到無刷直流電機輸入端的三相電壓值在兩相靜止坐標系下的分量uα、uβ；采用位置傳感器(5)檢測無刷直流電機的轉子角速度信號，并由速度計算單元(6)根據所述轉子角速度信號，計算得到無刷直流電機的轉速ω；將無刷直流電機輸入端的三相電流值在兩相靜止坐標系下的分量iα、iβ，無刷直流電機輸入端的三相電壓值在兩相靜止坐標系下的分量uα、uβ和無刷直流電機的轉速ω輸入給反電勢滑模觀測器(7)，反電勢滑模觀測器(7)根據輸入的數據在兩相靜止坐標系下對電機反電勢進行估算，得到兩相靜止坐標系下的電機反電勢eα、eβ；再將兩相靜止坐標系下的電機反電勢eα、eβ，無刷直流電機輸入端的三相電流值在兩相靜止坐標系下的分量iα、iβ和無刷直流電機的轉速ω輸入給轉矩估算單元(8)，轉矩估算單元(8)根據輸入的數據計算得到無刷直流電機的轉矩Te；將無刷直流電機的轉矩Te與無刷直流電機的給定轉矩Te*作差，并經轉矩滯環(huán)調節(jié)器(9)調節(jié)得到控制參數τ，將控制參數τ和由位置傳感器(5)檢測獲得的無刷直流電機的轉子角速度信號輸入給電壓矢量選擇單元(10)，電壓矢量選擇單元(10)根據輸入的數據產生相應的開關信號，對逆變器(4)進行控制，進而實現對所述無刷直流電機的直接轉矩控制。2.根據權利要求1所述的無刷直流電機的磁鏈自控式直接轉矩控制方法，其特征在于所述無刷直流電機的給定轉矩l的計算方法為將無刷直流電機的轉速O與無刷直流電機的給定轉速"M乍差，并經轉速調節(jié)器(11)調節(jié)獲得無刷直流電機給定轉矩T/。3.根據權利要求1或2所述的無刷直流電機的磁鏈自控式直接轉矩控制方法，其特征在于所述無刷直流電機的轉矩i;的計算公式為r=要><4><仏+^，式中p為電機極數。22c;4.根據權利要求1所述的無刷直流電機的磁鏈自控式直接轉矩控制方法，其特征在于所述采用位置傳感器(5)檢測無刷直流電機的轉子角速度信號是指采用三個霍爾磁極位置傳感器采集的信號獲得無刷直流電機的轉子角速度信號。5.根據權利要求4所述的無刷直流電機的磁鏈自控式直接轉矩控制方法，其特征在于所述的電壓矢量選擇單元(10)根據輸入的數據產生相應的開關信號，電壓矢量選擇單元(10)根據三個霍爾磁極位置傳感器分別輸出的信號HA、HB、HC和轉矩滯環(huán)調節(jié)器(9)輸出的控制參數t，按照下表選擇欲施加給無刷直流電機的電壓矢量，并產生相應的開關信號；<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>表中Vk，k=0，l，…，6為無刷直流電機的6種通電狀態(tài)對應的6個離散的基本電壓矢量和零電壓矢量。全文摘要無刷直流電機的磁鏈自控式直接轉矩控制方法，屬于無刷直流電機的調速領域。它解決了現有方法由于采用轉矩和電機磁鏈的雙閉環(huán)調節(jié)，而使得系統(tǒng)控制方法復雜的問題。它的控制方法為根據位置傳感器輸出的信號經速度計算單元計算，得到無刷直流電機的轉子角速度；根據電機輸入端的電流值、電壓值和轉子角速度由反電勢滑模觀測器對電機反電勢進行估算，再由轉矩估算單元計算獲得無刷直流電機的轉矩Te，將Te與無刷直流電機的給定轉矩Te*作差后經轉矩滯環(huán)調節(jié)器調節(jié)得到控制參數τ，再結合位置傳感器輸出的信號，電壓矢量選擇單元能夠產生相應的開關信號去控制逆變器，從而驅動無刷直流電機運行。本發(fā)明用于無刷直流電機的調速控制。文檔編號H02P6/06GK101783637SQ20101012788公開日2010年7月21日申請日期2010年3月19日優(yōu)先權日2010年3月19日發(fā)明者吳鳳江,孫力,孫立志,安群濤,趙克申請人:哈爾濱工業(yè)大學