一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法
2023-05-16 05:42:31
專利名稱：一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法
技術領域：
本發明涉及一種無刷直流電機調速控制器的調製方法，具體涉及一種可以在小轉矩條件下有效減少電機轉矩脈動的基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法。
背景技術：
目前隨著綠色環保的觀念日漸深入人心，電動車作為一種可以實現零排放、零汙染的清潔環保交通工具正日漸受到人們的重視。但是現有的電動車所使用的無刷直流電機調速控制器在工作時還存在著很多問題。其中，在小轉矩情況下的電機轉矩脈動是一個重要的缺陷因素。傳統的無刷直流電機調速控制器始終工作在輸出六拍波的模式下，以模擬傳統直流電機的機械換相輸出方波電流，該方案具有直流母線電壓利用率高，簡單可靠的優點。但是在小轉矩下，由於六拍波本身的諧波成分較高以及電機的齒槽效應等因素導致的電機轉矩脈動，會為電機的工作帶來一系列不利影響。如產生較大的噪音、造成機械磨損並造成電機工作效率的降低等。目前，已有的解決方案從大體上來看，是從兩方面著手:一方面旨在降低無刷直流電機控制器輸出電流的諧波，具體來說即改變無刷直流電機控制器的調製方法，優化現有的輸出電流波形。例如現有技術中，一種按照無刷直流電機工作角區間周期性進行線性調製——過調製——線性調製的方案；另一方面旨在改進電機的機械結構，優化氣隙磁場以降低由於齒槽效應導致的磁通突變造成的影響。如現有技術中，一種通過在轉子芯中安裝多個磁鐵的方式，防止磁通的斷開，最小化磁通的洩漏。事實上，基於空間電壓矢量調製技術(SVPWM)的線性調製的方案已 經發展地極為成熟，但由於傳統的基於SVPWM的過調製策略算法過於複雜，而僅使用線性調製的SVPWM方法則直接影響到直流母線電壓利用率。因此這一問題亦限制了傳統SVPWM方案在無刷直流電機控制器上的應用。
發明內容
本發明的主要目的在於克服無刷直流電機在小轉矩條件下由於諧波原因引起的電機轉矩脈動，使電機在運轉過程中更加平穩的一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法。本發明採用如下技術方案:—種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特徵在於:首先，根據無刷直流電機的期望轉速 和期望轉矩I確定一個基準磁鏈Ψ(η);再根據增量模型構造一個虛擬磁
鏈f(〃)來逼近該基準磁鏈Ψ(η);最後根據逼近結果對應的狀態來控制逆變器輸出得到所需的PWM驅動。進一步的，所述期望轉速 由期望相角的閉環控制實現，所述的期望相角Θ = nTA-2kn，k=l, 2，...，其通過與實際相角Θ求差，得到當前相位誤差Δθ=6^-Θ，通過對角速度ω = ω+ρΛ Θ的調整，實現對期望相角#的閉環控制。進一步的，所述的實際相角Θ代表無刷直流電機轉子角度位置，可由無刷直流電機的Hell元件信號瞬時採集。進一步的，所述的瞬時採集指在每個圓周中，Hell元件信號共有6次變化，變化時刻的轉子角度位置分別代表.|，則通過監測Hell元件信號變化的瞬時，來採集實際相角Θ.
進一步的，所述的基準磁鏈Ψ (η)，是無刷直流電機轉子在α -β坐標系下以r為半徑並按照角速度ω旋轉的軌跡，其中，η表示按採樣周期T離散化後的第η時刻；所述的
半徑廣^"; Uout為無刷直流電機輸出相電壓峰值，其值與期望力矩<成正比。
^ 0.9475Λ'7,、進一步的，所述半徑r的取值範圍為(P，1π/ ")，Ud為逆變器直流驅動電壓;當
時無刷直流電機可得到六拍波驅動，具有最大的電壓利用率；當時無
2π/4π/
刷直流電機將工作在線性驅動，具有最小的諧波。進一步的,所述的虛擬磁鏈)在α-β坐標系可由增量模型φ(//)=φ(//-1) + Δφ(//)進行構造，其中i=0 5，該取值範圍對應逆變器的開關狀態；Ud為逆變器直流驅動電壓，Te為電機的電磁轉矩，且P(O)= MO)。進一步的，所述的逼近是指磁鏈增量Δφ( )在所述取值範圍內確定一個最佳取值，使得虛擬磁鏈4〃)和基準磁鏈Ψ(η)在α-β坐標系下的範數距離最小。進一步的，計算取值範圍的所有磁鏈增量Δφ(〃)並確定每個扇區Sector的候選開關狀態；設置初始期望相位角θ~ = 0, <Ρ(0) = Φ);每經過一次採樣周期，相位角增量Αθ(^ = θ^)-θ(,7-1)，其中#(〃)為按採樣周期T離散化後的第η時刻的期望相位角；所述的逼近具體包括如下步驟:I) η=η+1,期望相位角I"更新,並求取當前相位角#下,正交二軸系下的基準磁鏈Ψ (η),即 #(") =盧("-1) + Δ0Ο), Ψ (η) = | I Ψ I I {sin[ Θ (n)]，-cos[ θ (η)]}';2)計算並讀取當前相位角Θ所處的扇區Sector,分別計算當前扇區Sector下的
每個候選磁鏈增量與上一時刻虛擬磁鏈相疊加後與基準磁鏈ψ (η)之間的範數距離即4 >||Δφ竹&_/■)卜求取最佳輸出狀態^ BPΓ = min/ (r)；3)逆變器輸出該f狀態；
4)計算當前虛擬磁鏈.φ(//),即<p(+ ΔφM ,並返回到(I)。進一步的，所述的逼近結果對應的狀態指最佳取值所對應的逆變器開關狀態。由上述對本發明的描述可知，與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:本發明所採用的基於磁鏈追蹤的無刷電機控制方法，是通過以理想磁鏈圓為基準，不考慮空間電壓矢量的合成，而直接通過逆變器開關狀態所產生的磁鏈增量來跟蹤基準磁鏈圓，從而形成PWM波的策略。由於拋棄了合成的思路，而直接考慮以七個空間磁鏈增量矢量來逼近基準磁鏈圓。故在小轉矩下，基準磁鏈圓半徑很小，該方法可以通過線性調製手段，追蹤出一個誤差很小的磁鏈圓。表現在輸出的PWM波特性上，就可以實現一個諧波成分極小的定子相電流輸出；而在大轉矩下，基準磁鏈圓半徑很大，超過了該方法追蹤能力的極限，因此按照空間距離最小的原則，該方法最終會追蹤出一個正六邊形的「磁鏈圓」。表現在輸出的PWM波特性上，就可以實現六拍波輸出。綜上所述，該方法可以統一處理在SVPWM方法當中需要分階段對待的過調製策略，可以根據轉矩要求實現從線性調製到六階梯模式的連續平滑過渡。同時該方法運算量較小，過渡自然。
圖1為本發明的控制方法流程示意圖；圖2為本發明無刷直流電機控制器控制系統框圖；圖3為本發明的6個扇區的候選狀態列表；圖4為隨著基準磁鏈半徑增大，無刷直流電機動線性調製狀態輸出到過調製(六拍波)狀態輸出時線電壓的PWM波形變化。
具體實施例方式以下通過具體實施方式
對本發明作進一步的描述。無刷直流電機與有刷直流電機相比，最大的區別是由電子換向取代了機械換向一直流有刷電機是通過機械換向器將直流電流轉化為近似梯形波的交流送入電樞的，而無刷直流電機是通過電子換向器將直流電流轉換為準方波電流送入電樞。但是由於六拍波含有的諧波分量會產生六次諧波轉矩，故在大轉矩條件下，這個紋波有可能會被轉子慣量過濾掉。但是在小轉矩條件下，它將使轉子速度發生波動，嚴重影響速度的穩定性，同時也會對位置伺服系統的定位精度和重複性造成一定影響。探究電機調速的過程，會發現其實質就是使電機定子獲得一個轉矩可變的圓磁場。傳統的SVPWM方法是從供電電源的角度出發，通過逆變器的開關模式組合形成空間電壓矢量，來跟蹤期望的旋轉電壓。但是由於該方法是通過合成的原理來間接實現對電壓的跟蹤，故在過調製區，旋轉電壓矢量無法被直接合成，就需要採用特殊的過調製算法來實現過調製區的電壓合成目的。本發明所採用的磁鏈追蹤方法，是通過以理想磁鏈圓為基準，不考慮空間電壓矢量的合成，而直接通過逆變器開關狀態 所產生的磁鏈增量來跟蹤基準磁鏈圓，從而形成PWM波的策略。
由於拋棄了合成的思路，而直接考慮以七個空間磁鏈增量矢量來逼近基準磁鏈圓。故在小轉矩下，基準磁鏈圓半徑很小，該方法可以通過線性調製手段，追蹤出一個誤差很小的磁鏈圓。表現在輸出的PWM波特性上，就可以實現一個諧波成分極小的定子相電流輸出；而在大轉矩下，基準磁鏈圓半徑很大，超過了該方法追蹤能力的極限，因此按照空間距離最小的原則，該方法最終會追蹤出一個正六邊形的「磁鏈圓」。表現在輸出的PWM波特性上，就可以實現六拍波輸出。本發明的一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，首先，根據無刷直流電機的期望轉速S和期望轉矩尤確定一個基準磁鏈Ψ(η);再根據增量模型構造一個虛擬磁鏈
<Ρ(〃)來逼近該基準磁鏈Ψ(η);最後根據逼近結果對應的狀態來控制逆變器輸出得到所需的PWM驅動。由參照圖2，於該控制器的控制對象是無刷直流電機，故需要利用無刷直流電機的Hell元件信號對電機進行位置閉環控制。該控制方案實現如下:電機在正常運行過程中，每轉動一次Hell兀件信號共有6次變化,變化時刻的轉子角度位置分別代表可通過監測Hell元件信號變化的瞬時，來測量(採集)實際相角Θ。此時採集到的Θ可代表無刷直流電機轉子角度位置。無刷直流電機的期望轉速j可由對期望相角#的閉環控制實現。其中期望相角#=//7 -2/ΤΓ，1^=1，2，...，通過對期望相角承與實際相角Θ求差，可得當前相位誤差Δθ= -Θ。通過對角速度ω = ω+ρΛ Θ的調整，即可實現對期望相角的閉環控制。該磁鏈追蹤方法中所述的基準磁鏈Ψ (η)，是在α -β坐標系下以r為半徑並按照角速度ω旋轉的軌跡，其中η表示按採樣周期T離散化後的第η時刻。所述的半徑
屍=^^，其中Urat為無刷直流電機輸出相電壓峰值，其值與期望力矩<成正比；而虛擬磁
鏈丨在α_β坐標系可由增量模型4卜『-1)+Δφ卜丨進行構造，其中Δ「0或,
權利要求
1.一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特徵在於:首先，根據無刷直流電機的期望轉速i和期望轉矩I確定一個基準磁鏈ψ (η);再根據增量模型構造一個虛擬磁鏈免(〃)來逼近該基準磁鏈Ψ(η);最後根據逼近結果對應的狀態來控制逆變器輸出得到所需的PWM驅動。
2.如權利要求1所述的一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特徵在於:所述期望轉速6由期望相角#的閉環控制實現，所述的期望相角 = η ，k=l, 2，...，其通過與實際相角Θ求差，得到當前相位誤差Δθ=θ"-Θ，通過對角速度ω = ω+ρΛ Θ的調整，實現對期望相角Θ'的閉環控制。
3.如權利要求2所述的一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特徵在於:所述的實際相角Θ代表無刷直流電機轉子角度位置，可由無刷直流電機的Hell元件信號瞬時米集。
4.如權利要求3所述的一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特徵在於:所述的瞬時採集指在每個圓周中，Hell元件信號共有6次變化，變化時刻的轉子角度位置分別代表f，則通過監測Hell元件信號變化的瞬時，來採集實際相角Θ。
5.如權利要求1所述的一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特徵在於:所述的基準磁鏈Ψ (η)， 是無刷直流電機轉子在α-β坐標系下以r為半徑並按照角速度ω旋轉的軌跡，其中，η表示按採樣周期T離散化後的第η時刻；所述的半徑Z =Uout為無刷直流電機輸出相電壓峰值，其值與期望力矩尤成正比。
6.如權利要求5所述的一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特徵在於:所 0.9475/7,O 9475/7述半徑r的取值範圍為(O, ^ ，Ud為逆變器直流驅動電壓；當〃 時無刷直 2 兀/2ττ/流電機可得到六拍波驅動，具有最大的電壓利用率；當〃時無刷直流電機將工作在線性驅動，具有最小的諧波。
7.如權利要求1所述的一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特徵在於:所述的虛擬磁鏈在α -β坐標系可由增量模型Ψ(〃) = Ρ( _1) + Δψ(〃)進行構造，其中Δφ(/ ) = 0.氛Ujfi，i=0 5，該取值範圍對應逆變器的開關狀態；Ud為逆變器直流驅動電壓，Te為電機的電磁轉矩，且 Φ) = fK0)。
8.如權利要求7所述的一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特徵在於:所述的逼近是指磁鏈增量Δφ(〃)在所述取值範圍內確定一個最佳取值，使得虛擬磁鏈#(〃)和基準磁鏈Ψ(η)在α-β坐標系下的範數距離最小。
9.如權利要求8所述的一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特徵在於:計算取值範圍的所有磁鏈增量△ >(〃)並確定每個扇區Sector的候選開關狀態；設置初始期望相位角奮=O，φψ)=ψψ)；每經過一次採樣周期,相位角增量ΔΘΟ)=奮O)-#(； - O其中θ⑷為按採樣周期T離散化後的第η時刻的期望相位角；所述的逼近具體包括如下步驟: 1)η=η+1,期望相位角&更新，並求取當前相位角奮下，正交二軸系下的基準磁鏈Ψ (n), BP θ(η) = §{n-1) + Αθ(/ ), Ψ (η) = | | ψ | | {sin [ θ (η) ]，一cos [ θ (η) ]}';2)計算並讀取當前相位角Θ所處的扇區Sector,分別計算當前扇區Sector下的每個候選磁鏈增量與上一時刻虛擬磁鏈相疊加後與基準磁鏈V (η)之間的範數距離即訶=卜求取最佳輸出狀態ff = min /){Γ); 3)逆變器輸出該f狀態； 4)計算當前虛擬磁鏈^卜),即φ、》)=φ(η- ) + Αψ{Γ],並返回到(I)。
10.如權利要求8所 述的一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特徵在於:所述的逼近結果對應的狀態指最佳取值所對應的逆變器開關狀態。
全文摘要
一種基於磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，首先，根據無刷直流電機的期望轉速和期望轉矩確定一個基準磁鏈ψ(n)；再根據增量模型構造一個虛擬磁鏈來逼近該基準磁鏈ψ(n)；最後根據逼近結果對應的狀態來控制逆變器輸出得到所需的PWM驅動。本發明的方法利用了磁鏈追蹤技術，可以自動根據目標轉矩實現過調製(六拍波)輸出到線性調製輸出之間的無縫切換。當無刷直流電機工作在大轉矩狀態下時，控制器輸出電平為六拍波，使電機具有最大的直流母線電壓利用率；當電機工作在小轉矩狀態下時，則控制器可以平滑切換至輸出經過線性調製的PWM波狀態，使電機平穩運行。
文檔編號H02P6/10GK103227599SQ20131013849
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月19日 優先權日2013年4月19日
發明者吳德會, 陳俊, 李超, 遊德海 申請人:廈門大學