CN101442289B - 阶梯波反电势无刷直流电机直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种阶梯波反电势无刷直流电机直接转矩控制方法，属永磁同步电机控制方法。本发明通过将转矩调节信号K_T、定子磁链调节信号K_ψ和阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链相角θ输入开关状态表得到三相全桥逆变器的三相开关状态。将所述三相开关状态经过三相全桥逆变器产生一定的基本矢量直接控制阶梯波反电势无刷直流电机的实际定子磁链和实际转矩T。本发明结合了正弦波永磁同步电机空载定子磁链轨迹规则、三相同时导通(无断续相)和120度方波无刷直流电机结构简单，功率密度高的优点，提高了永磁体利用率(为120度方波无刷直流电机的1.3倍)，简化了电机本体和控制系统。

Description

阶梯波反电势无刷直流电机直接转矩控制方法

技术领域

本发明涉及一种阶梯波反电势无刷直流电机直接转矩控制方法，属永磁同步电机控制方法。

背景技术

目前永磁无刷电机分为永磁同步电机(BLAC)和无刷直流电机(BLAC)，两种电机的直接转矩控制系统分别由澳大利亚和英国学者Z.Z.Q提出。永磁同步电机定子反电势为正弦波，定子磁链运动轨迹为规则圆，三相电流同时导通；无刷直流电机结构简单，定子反电势为120度方波，空载定子磁链轨迹为不规则圆型，定子电流断续。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提出一种阶梯波反电势无刷直流电机直接转矩控制方法。

本发明一种阶梯波反电势无刷直流电机直接转矩控制方法，所述阶梯波反电势无刷直流电机的定子绕组为集中式非交叠绕组，阶梯波反电势无刷直流电机的转子为120度电角度径向充磁转子；采用速度传感器检测到阶梯波反电势无刷直流电机实际转速ω，将给定的阶梯波反电势无刷直流电机转速ω^*与实际转速ω依次经过速度环、PI环、限幅环得到阶梯波反电势无刷直流电机的给定转矩T^*；将阶梯波反电势无刷直流电机的给定转矩T^*与阶梯波反电势无刷直流电机的实际转矩T依次经过转矩环、二电平迟滞比较电路得到转矩调节信号K_T；将阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链相角θ经过额定定子磁链环得到阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*，将阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*经过三电平迟滞比较电路后与阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ经过磁链环得到定子磁链调节信号K_ψ；将转矩调节信号K_T、定子磁链调节信号K_ψ和阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链相角θ经过开关状态表得到三相全桥逆变器的三相开关状态即A相开关状态D_A、B相开关状态D_B、C相开关状态D_C，将所述三相开关状态经过三相全桥逆变器得到基本矢量控制阶梯波反电势无刷直流电机的实际定子磁链

和实际转矩T；

所述阶梯波反电势无刷直流电机的实际转矩T、阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ和阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链相角θ的求取包括以下步骤：

(1)采用电压传感器检测得到三相全桥逆变器的直流母线电压U_dc，采用所述直流母线电压U_dc与三相全桥逆变器的三相开关状态即A相开关状态D_A、B相开关状态D_B、C相开关状态D_C组合计算得出阶梯波反电势无刷直流电机在静止abc坐标下的三相相电压即A相电压u_sa、B相电压u_sb、C相电压u_sc：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sa}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}({2D}_A-D_B-D_C)\\ u_{\mathrm{sb}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_B-D_A-D_C)\\ u_{\mathrm{sc}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}({2D}_C-D_B-D_A)\end{array}\right.,$

将阶梯波反电势无刷直流电机在静止abc坐标下的A相电压u_sa、B相电压u_sb、C相电压u_sc进行磁势不变的3/2变换得到阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的定子电压即α相定子电压u_sα、β相定子电压u_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}({2D}_A-D_B-D_C)\\ u_{\mathrm{s\β}}=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}}{2}(D_B-D_C)\end{array}\right.;$

(2)采用电流传感器检测得到阶梯波反电势无刷直流电机在静止abc坐标下的三相相电流即A相电流i_sa、B相电流i_sb、C相电流i_sc并进行磁势不变的3/2变换得到阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的定子电流即α相定子电流i_sα、β相定子电流i_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}({2i}_{\mathrm{sa}}-i_{\mathrm{sb}}-i_{\mathrm{sc}})\\ i_{\mathrm{s\β}}=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}}{3}(i_{\mathrm{sb}}-i_{\mathrm{sc}})\end{array}\right.;$

(3)利用阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的α相定子电压u_sα、β相定子电压u_sβ和α相定子电流i_sα、β相定子电流i_sβ计算得到阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的α相定子磁链ψ_sα，β相定子磁链ψ_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(u_{\mathrm{s\α}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{s\α}})\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(u_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{s\β}})\mathrm{dt}\end{array}\right.,$

再将式阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的α相定子磁链ψ_sα，β相定子磁链ψ_sβ经过αβ坐标到极坐标的变换求得阶梯波反电势无刷直流 电机当前定子磁链矢量

的幅值ψ_k和相角θ：

${\mathrm{\ψ}}_k=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2}$

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}};$

(4)采用阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的定子电流即α相定子电流i_sα、β相定子电流i_sβ，阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的α相定子磁链ψ_sα，β相定子磁链ψ_sβ计算得到阶梯波反电势无刷直流电机的实际转矩T：

$T=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{s\α}}),$ 其中p为阶梯波反电势无刷直流电机的极对数；

开关状态表的建立如下：

定子磁链工作在6个区间，定子磁链在区间1

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第二开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第四开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第三开关矢量

此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间2

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第三开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第五开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第四开关矢量

此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间3

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第四开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第六开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第五开关矢量

此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间4

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第五开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第一开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第六开关矢量

此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间5

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第六开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第二开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第一开关矢量

；此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间6

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第一开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第三开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第二开关矢量

；此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量即三相全桥逆变器中所有开关管都关断。

本发明控制系统中阶梯波反电势无刷直流电机定子采用集中式非交叠绕组结构，转子采用120度电角度径向充磁结构，确保其空载定子磁链轨迹为规则正六边形，建立阶梯波反电势无刷直流电机直接转矩开关状态表，通过选择基本矢量来控制定子磁链运动速度从而直接控制转矩。本发明结合了正弦波永磁同步电机空载定子磁链轨迹规则、三相同时导通(无断续相)和120度方波无刷直流电机结构简单，功率密度高的优点，提高了永磁体利用率(为120度方波无刷直流电机的1.3倍)，简化了电机本体和控制系统，具有良好的调速性能和应用前景。

附图说明

图1：阶梯形反电势无刷直流电机直接转矩控制系统原理框图；

图2：阶梯形反电势无刷直流电机本体结构框图；

图3：阶梯形反电势无刷直流电机空载气隙磁场分布图；

图4：阶梯形反电势无刷直流电机空载相磁链波形图；

图5：阶梯形反电势无刷直流电机相空载反电势波形图；

图6：阶梯形反电势无刷直流电机空载定子磁链运动轨迹示意图和基本矢量示意图。

具体实施方式

如图1所示。一种阶梯波反电势无刷直流电机直接转矩控制方法，所述阶梯波反电势无刷直流电机的定子绕组为集中式非交叠绕组，阶梯波反电势无刷直流电机的转子为120度电角度径向充磁转子；采用速度传感器检测到阶梯形波反电势无刷直流电机实际转速ω，将给定的阶梯形波反电势无刷直流电机转速ω^*与实际转速ω依次经过速度环、PI环、限幅环得到阶梯波反电势无刷直流电机的给定转矩T^*；将阶梯波反电势无刷直流电机的给定转矩T^*与阶梯波反电势无刷直流电机的实际转矩T依次经过转矩环、二电平迟滞比较电路得到转矩调节信号K_T；将阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链相角θ经过额定定子磁链环得到阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*，将阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*经过三电平迟滞比较电路后与阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ经过磁链环得到定子磁链调节信号K_ψ；将转矩调节信号K_T、定子磁链调节信号K_ψ和阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链相角θ经过开关状态表得到三相全桥逆变器的三相开关状态即A相开关状态D_A、B相开关状态D_B、C相开关状态D_C，将所述三相开关状态经过三相全桥逆变器得到基本矢量控制阶梯波反电势无刷直流电机的实际定子磁链

和实际转矩T；

所述阶梯波反电势无刷直流电机的实际转矩T、阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ和阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链相角θ的求取包括以下步骤：

(1)采用电压传感器检测得到三相全桥逆变器的直流母线电压U_dc，采用所述直流母线电压U_dc与三相全桥逆变器的三相开关状态即A相开关状态D_A、B相开关状态D_B、C相开关状态D_C组合计算得出阶梯形波反电势无刷直流电机在静止abc坐标下的三相相电压即A相电压u_sa、B相电压u_sb、C相电压u_sc：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sa}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_A-D_B-D_C)\\ u_{\mathrm{sb}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_B-D_A-D_C)\\ u_{\mathrm{sc}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_C-D_B-D_A)\end{array}\right.,$

将阶梯形波反电势无刷直流电机在静止abc坐标下的A相电压u_sa、B相电压u_sb、C相电压u_sc进行磁势不变的3/2变换得到阶梯形波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的定子电压即α相定子电压u_sα、β相定子电压u_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}(2D_A-D_B-D_C)\\ u_{\mathrm{s\β}}=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}}{2}(D_B-D_C)\end{array}\right.;$

(2)采用电流传感器检测得到阶梯形波反电势无刷直流电机在静止abc坐标下的三相相电流即A相电流i_sa、B相电流i_sb、C相电流i_sc并进行磁势不变的3/2变换得到阶梯形波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的定子电流即α相定子电流i_sα、β相定子电流i_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2i_{\mathrm{sa}}-i_{\mathrm{sb}}-i_{\mathrm{sc}})\\ i_{\mathrm{s\β}}=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}}{3}(i_{\mathrm{sb}}-i_{\mathrm{sc}})\end{array}\right.;$

(3)利用阶梯形波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的α相定子电压u_sα、β相定子电压u_sβ和α相定子电流i_sα、β相定子电流i_sβ计算得到阶梯形波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的α相定子磁链ψ_sα，β相定子磁链ψ_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(u_{\mathrm{s\α}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{s\α}})\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(u_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{s\β}})\mathrm{dt}\end{array}\right.,$

再将式阶梯形波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的α相定子磁链ψ_sα，β相定子磁链ψ_sβ经过αβ坐标到极坐标的变换求得阶梯形波反电势无刷直流电机当前定子磁链矢量

的幅值ψ_k和相角θ_k+δ_k：

$\mathrm{\ψ}=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2}$

；

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}$

(4)采用阶梯形波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的定子电流即α相定子电流i_sα、β相定子电流i_sβ，阶梯形波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的α相定子磁链ψ_sα，β相定子磁链ψ_sβ计算得到阶梯波反电势无刷直流电机的实际转矩T：

$T=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{s\α}}),$ 其中p为阶梯波反电势无刷直流电机的极对数；

开关状态表的建立如下：

定子磁链工作在6个区间，定子磁链在区间1

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第二开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第四开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第三开关矢量

；此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间2

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第三开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第五开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第四开关矢量；此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间3

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第四开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第六五开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第五开关矢量

；此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间4

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第五开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第一开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第六开关矢量

；此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间5

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第六开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第二开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第一开关矢量

；此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间6

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第一开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第三开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第二开关矢量

；此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断。

如表1所示。阶梯形反电势无刷直流电机直接转矩控制系统开关状态表的建立思路如下：(1)以区间1为例，当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示将阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，此时选择矢量

作用于电机以增大定子磁链实际幅值ψ；当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示将阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，此时选择矢量

作用于电机以减小定子磁链实际幅值ψ；当定子磁链调节信号K_ψ为0，表示将阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*与阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ误差在滞环宽度以内，此时若转矩调节信号K_T为1，则选择矢量

作用于电机以增大阶梯波反电势无刷直流电机的实际转矩T，其物理本质是，在区间1，电机B相反电势为正，A、C相反电势为负，矢量

作用于电机，电机A相电流i_sa正向增大、B相电流i_sb负向增大(绝对值增大)、C相电流i_sc负向增大(绝对值增大)，电机的实际转矩T增大，此时若转矩调节信号K_T为-1，则选择矢量

作用于电机以增大阶梯波反电势无刷直流电机的实际转矩T，其物理本质是，六个开关管均关断，三相绕组处于续流阶段，三相电流的绝对值均减小，电机的实际转矩T减小。

表1

如图1所示。阶梯波反电势无刷直流电机直接转矩控制方法的原理框图，它由转速环节、电磁转矩比较环节、定子磁链比较环节、开关状态选择环节、定子磁链辨识环节、电磁转矩辨识环节、三相全桥逆变器、阶梯形波反电势无刷直流电机组成。

如图2所示。阶梯形反电势无刷直流电机本体结构框图，其中定子采用集中式非交叠绕组结构，转子采用120度电角度径向充磁结构，确保其空载定子磁链轨迹为正六边形，如附图3所示。

附图4给出了阶梯形反电势无刷直流电机空载相磁链波形图，在60度区间内，磁链为线性函数。

附图5给出了阶梯形反电势无刷直流电机空载相反电势波形图，为60度阶梯波。

附图6给出了阶梯形反电势无刷直流电机空载定子磁链运动轨迹示意图和基本矢量示意图。

如附图6所示，阶梯形反电势无刷直流电机直接转矩控制系统的基本运动矢量与永磁同步电机一致(每一个矢量状态，三相全桥逆变器的每个桥臂的两个开关管有且只有一个开关管导通，而120度方波无刷直流电机的每个基本运动矢量状态下都有且只有一个桥臂的两个开关管均关断)。

阶梯形反电势无刷直流电机直接转矩控制系统的零矢量与120度方波无刷直流电机一致(120度方波无刷直流电机的零矢量为三相全桥逆变器的六个开关管均关断，而永磁同步电机的零矢量为三相全桥逆变器的上三桥臂导通或下三桥臂导通)。

Claims (1)

1.一种阶梯波反电势无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于所述阶梯波反电势无刷直流电机的定子绕组为集中式非交叠绕组，阶梯波反电势无刷直流电机的转子为120度电角度径向充磁转子；采用速度传感器检测到阶梯波反电势无刷直流电机实际转速ω，将给定的阶梯波反电势无刷直流电机转速ω^*与实际转速ω依次经过速度环、PI环、限幅环得到阶梯波反电势无刷直流电机的给定转矩T^*；将阶梯波反电势无刷直流电机的给定转矩T^*与阶梯波反电势无刷直流电机的实际转矩T依次经过转矩环、二电平迟滞比较电路得到转矩调节信号K_T；将阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链相角θ经过额定定子磁链环得到阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*，将阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*经过三电平迟滞比较电路后与阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ经过磁链环得到定子磁链调节信号K_ψ；将转矩调节信号K_T、定子磁链调节信号K_ψ和阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链相角θ经过开关状态表得到三相全桥逆变器的三相开关状态即A相开关状态D_A、B相开关状态D_B、C相开关状态D_C，将所述三相开关状态经过三相全桥逆变器得到基本矢量控制阶梯波反电势无刷直流电机的实际定子磁链

和实际转矩T；

所述阶梯波反电势无刷直流电机的实际转矩T、阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ和阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链相角θ的求取包括以下步骤：

(1)采用电压传感器检测得到三相全桥逆变器的直流母线电压U_dc，采用所述直流母线电压U_dc与三相全桥逆变器的三相开关状态即A相开关状态D_A、B相开关状态D_B、C相开关状态D_C组合计算得出阶梯波反电势无刷直流电机在静止abc坐标下的三相相电压即A相电压u_sa、B相电压u_sb、C相电压u_sc：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sa}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_A-D_B-D_C)\\ u_{\mathrm{sb}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}({2D}_B-D_A-D_C)\\ u_{\mathrm{sc}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}({2D}_C-D_B-D_A)\end{array}\right.,$

将阶梯波反电势无刷直流电机在静止abc坐标下的A相电压u_sa、B相电压u_sb、C相电压u_sc进行磁势不变的3/2变换得到阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的定子电压即α相定子电压u_sα、β相定子电压u_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}({2D}_A-D_B-D_C)\\ u_{\mathrm{s\β}}=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}}{2}(D_B-D_C)\end{array}\right.;$

(2)采用电流传感器检测得到阶梯波反电势无刷直流电机在静止abc坐标下的三相相电流即A相电流i_sa、B相电流i_sb、C相电流i_sc并进行磁势不变的3/2变换得到阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的定子电流即α相定子电流i_sα、β相定子电流i_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}({2i}_{\mathrm{sa}}-i_{\mathrm{sb}}-i_{\mathrm{sc}})\\ i_{\mathrm{s\β}}=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}}{3}(i_{\mathrm{sb}}-i_{\mathrm{sc}})\end{array}\right.;$

(3)利用阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的α相定子电压u_sα、β相定子电压u_sβ和α相定子电流i_sα、β相定子电流i_sβ计算得到阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的α相定子磁链ψ_sα，β相定子磁链ψ_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(u_{\mathrm{s\α}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{s\α}})\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(u_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{s\β}})\mathrm{dt}\end{array}\right.,$

再将式阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的α相定子磁链ψ_sα，β相定子磁链ψ_sβ经过αβ坐标到极坐标的变换求得阶梯波反电势无刷直流电机当前定子磁链矢量

的幅值ψ_k和相角θ：

${\mathrm{\ψ}}_k=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2}$

；

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}$

(4)采用阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的定子电流即α相定子电流i_sα、β相定子电流i_sβ，阶梯波反电势无刷直流电机在静止αβ坐标系下的α相定子磁链ψ_sα，β相定子磁链ψ_sβ计算得到阶梯波反电势无刷直流电机的实际转矩T：

其中p为阶梯波反电势无刷直流电机的极对数；

开关状态表的建立如下：

定子磁链工作在6个区间，定子磁链在区间1

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第二开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第四开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第三开关矢量

此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间2

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第三开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第五开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第四开关矢量

此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间3

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第四开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第六开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第五开关矢量此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间4

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第五开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第一开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第六开关矢量此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间5

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第六开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第二开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第一开关矢量

此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断；

定子磁链在区间6

当定子磁链调节信号K_ψ为1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*大于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第一开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为-1，表示阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链给定幅值ψ^*小于阶梯波反电势无刷直流电机定子磁链实际幅值ψ，则输出三相全桥逆变器的第三开关矢量

当定子磁链调节信号K_ψ为0，此时当转矩调节信号K_T为1，则输出三相全桥逆变器的第二开关矢量

此时当转矩调节信号K_T为-1，则输出三相全桥逆变器关断矢量

即三相全桥逆变器中所有开关管都关断。

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