CN103414421A - 基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动的抑制方法，包括以下步骤：（1）判断电机的工作区间；（2）若处于换相工作区间，计算转矩波动指标，并与上限值和下限值进行比较，进入步骤（3），若处于非换相工作区间，则返回步骤（1）；其中转矩波动指标为反应转矩波动大小的参数，上限值和下限值为设定值；（3）根据转矩波动指标与上限值和下限值的比较结果，控制电机关断相的导通和关断。本发明克服了当前无刷直流电机转矩波动抑制解决方案中最佳换相时刻难以精确确定，不能在电机全速范围内实施，控制策略复杂等缺点，能够在电机运行全速范围下均有效而实用，有效地解决了电机换相转矩脉冲问题，大大提高了电机运行的可靠性。

Description

基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动的抑制方法

技术领域

本发明属于无刷直流电机控制技术领域，涉及一种电机的控制方法，尤其涉及一种电机换相转矩波动的抑制方法。

背景技术

无刷直流电机指采用方波驱动的永磁无刷电机。永磁无刷电机采用电子换相，避免了传统电机使用换向器和电刷组成的机械接触装置，维护费简单，寿命长。无刷直流电动机以其效率高，起动转矩大，过载能力强，高速操作性能好，结构简单牢固，体积小，质量轻等优点，成为新型电机的一个重要发展方向，在电子驱动、工业生产、办公自动化等领域都得到了广泛应用。因此，无刷直流电机作为新型节能电机具有十分广阔的市场前景。

无刷直流电机现阶段还存在的关键技术难题之一是转矩波动问题。转矩波动的存在不但会产生噪声和振动问题，而且影响整个系统的性能，从而降低电机的使用寿命和驱动系统的可靠性，制约其在高精度、高稳定性场合的应用。无刷直流电机转矩波动分为齿槽转矩波动与换相转矩波动，齿槽转矩波动是由于电机本身结构设计引起的，换相转矩波动则可以通过合理的控制策略进行抑制。

当前的换相转矩波动抑制策略大多采用换相时关断相提前导通、关断相延迟关断的方法，最佳换相时刻难以精确确定，并且将电机高、低速运行状态分开考虑，增加控制策略的复杂性，不利于系统快速响应，因此有必要寻求一种能够在电机运行全速范围下均有效且实用的换相转矩波动抑制策略，提高运行可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在电机运行全速范围下均有效的换相转矩波动的抑制方法。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动的抑制方法包括以下步骤：

（1）判断电机的工作区间，进入步骤（2）；

（2）若处于换相工作区间，计算转矩波动指标，并与上限值和下限值进行比较，进入步骤

（3）；若处于非换相工作区间，则返回步骤（1）；

其中所述转矩波动指标为反应转矩波动大小的参数，所述上限值和所述下限值为设定值；（3）根据所述转矩波动指标与所述上限值和所述下限值的比较结果，控制电机关断相的再导通和关断，之后返回所述步骤（1）。

所述步骤（3）包括：

（31）若所述转矩波动指标大于所述上限值，则导通关断相；之后返回所述步骤（1）；

（32）若所述转矩波动指标小于所述下限值，则关断关断相；之后返回所述步骤（1）。

所述步骤（1）中判断电机工作区间的步骤为：

（11）检测霍尔位置信号，测量三相绕组相电流值；

（12）根据所述霍尔位置信号判断电机所处的60°的工作区间；

（13）比较所述三相绕组相电流测量值的绝对值与所述功率管漏电流的大小，若所述三相绕组相电流测量值的绝对值大于所述功率管漏电流值，则电机处于换相区间；否则，电机处于非换相区间；其中，所述功率管漏电流为固定值。

所述步骤（1）中判断电机的工作区间的方法采用事件触发的方式。

所述步骤（2）中所述转矩波动指标为转矩随动误差，计算公式如下：

$\mathrm{RT}=\frac{T_e-T_r}{T_r}\×100\%$

其中，RT为转矩随动误差，T_e为电机输出转矩，T_r为期望转矩。

所述上限值为-0.1%，所述下限值为-1%。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明克服了当前无刷直流电机转矩波动抑制解决方案中最佳换相时刻难以精确确定，不能在电机全速范围内实施，控制策略复杂等缺点，提出了一种基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动抑制方法，能够在电机运行全速范围下均有效而实用。该方法简单易行，有效地解决了电机换相转矩脉冲问题，大大提高了电机运行的可靠性。

附图说明

图1本发明实施例中基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动抑制方法的流程图；

图2本发明实施例中无刷直流电机的功率驱动电路的电路图；

图3本发明实施例中无刷直流电机的工作过程示意图；

图4本发明实施例中各换相区间Bang-bang控制规则

图5本发明实施例中换相过程中功率管导通与关断示意图；

图6本发明实施例中无刷直流电机换相转矩波动抑制方法的控制框图；

图7本发明实施例中基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动抑制方法仿真结果的电机输出转矩与目标转矩比较图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

针对无刷直流电机的转矩波动问题，本发明提出了一种基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动抑制控制方法。具体步骤为：

（1）判断电机的工作区间。

（2）当处于换相区间时，计算转矩随动误差（反应转矩波动大小的指标），计算公式为：

$\mathrm{RT}=\frac{T_e-T_r}{T_r}\×100\%$

其中，RT为转矩随动误差，T_e为电机输出转矩，T_r为期望转矩；随后进入步骤（3）；

当处于非换相区间时，返回步骤（1）。

（3）判断转矩随动误差与上限值和下限值的大小，并根据比较结果对关断相进行导通和关断，之后返回步骤（1）；其中，上限值和下限值为设定值。

步骤（3）中根据比较结果对关断相进行导通和关断包括：

（21）当转矩随动误差小于下限值时，导通关断相；

（22）当转矩随动误差大于上限值时，关断关断相。

如图1所示为该抑制方法的流程图。其中，HALL表示霍尔信号，i_a、i_b和i_c表示三相电流，RT表示转矩随动误差，RT_max表示上限值，RT_min表示下限值，VT表示功率管。

这里以两两导通的三相六状态无刷直流电机为例。如图2所示为该无刷直流电机的功率驱动电路的电路图，其中VT1、VT2、VT3、VT4、VT5和VT6均为功率三极管，D1、D2、D3、D4、D5和D6均为二极管，A、B、C表示三相，图2中线圈分别为a相绕组、b相绕组和c相绕组，P和N分别表示电源正负极。

根据上述方法，首先应判断电机运行的工作区间。如图3所示为无刷直流电机工作过程示意图。其中，循环外的箭头表示电机工作的起点；i_a、i_b和i_c表示三相电流，H_a、H_b、H_c表示霍尔信号；i_漏电流表示功率管漏电流。从图3中可以看出，当霍尔信号突变时进入下一换相区间，非换相绕组电流满足条件则换相结束，进入下一非换相区间。图3中两字母的组合表示电机的非换相工作区间，且这两个字母代表的相导通，如AB表示电机处于非换相工作区间且A相和B相导通。四字母的组合表示电机的换相工作区间，且表示从前两个字母组合表示的非换相工作区间向后两个字母组合表示的非换相区间转换，例如ACBC表示从非换相区间AC向非换相区间BC转换。

由此，可以按如下方法进行电机工作区间的判断：

（1）根据霍尔位置信号确定当前电机所述的60°的工作区间；

（2）比较三相绕组相电流测量值，如果其绝对值均大于功率管漏电流，则此时系统处于换相区间，否则处于非换相区间。

以BCBA换相区间为例，B相恒通，C相由导通状态切换为关断，A相由关断状态切换为导通。这个过程中，对应功率管状态为：VT3恒为1（1表示导通），VT6由1变为0（0表示关断），VT2由0变为1。换相期间C相二极管续流，C相电流不会立即降为0，A相电流不会立刻由0变为电机正常运转非换相期间A相的相电流，相反电动势也不是按标准的梯形波变化，因此电机输出转矩跌落，产生转矩波动。而关断相再导通，即若VT6由0重新变为1，则可适当补偿转矩减小，合理控制关断相再导通的时间可大大减小转矩波动，达到抑制换相转矩波动的目的。因此，这里主要控制对象为关断相功率管再导通状态时间。VT6为二值函数，取{0，1}。Bang-bang控制作为一种时间最优控制，它的控制函数总是取在容许控制的边界上，或者取最大，或者取最小，仅仅在这两个边界值上进行切换，其作用相当于一个继电器，在系统有偏差时，能最大程度地加大系统的控制力度，提高了系统的快速性，鉴于此，本发明对VT6采用Bang-bang控制。

这里对C相的关断导通进行Bang-bang控制，当电机转矩随动误差RT低于下限值RT_min时，为阻止电机转矩进一步跌落，导通，此后，电机转矩上扬，直至电机转矩的随动误差RT高于上限值RT_max，关断VT6，以防止电机转矩进一步冲高，如此反复不止。通过对关断相合理地再导通，使电机转矩随动误差RT保持在[RT_min,RT_max]范围。其他换相区间的Bang-bang控制规则如图4所示。

按照前述方法及图4对电机实施本发明基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动的抑制方法，可得出其换向过程中的功率管导通与关断示意图如图5所示。图5中的横坐标是转子位置电角度信号，0～360电角度为一个周期。在一个周期内电机共分12个运行区间，图5中虚线突出了六个换相区间。图5中共有两条曲线，一条为反电动势波形图，为梯形波信号；另一条表达的是对应功率管的导通或关断示意，导通即是1，关断是0，对应的功率管已标在纵坐标上。从图5可以看出在换相区间，功率管在不停的开和关，即关断相在Bang-bang控制方法下不断地导通和关断。

此外，由于无刷直流电机工作时在各区间切换有一定顺序，也可以采用事件触发方式，更利于系统工作区间的确定。按这种方式时无刷直流电机换相转矩波动的抑制方法的控制框图如图6所示。从图6可以看出，检测单元检测霍尔信号、相电流信号和输出转矩信号，Stage单元根据霍尔信号和相电流信号判断电机的工作区间，并在电机处于换相区间时触发Bang-bang控制器工作；RT单元则根据输出转矩信号计算转矩随动误差，并发送给Bang-bang控制器。图6中PWM为脉宽调制模块，BLDCM为无刷直流电机本体。

为了验证本发明的有效性，在MATLAB/SIMULINK环境下对无刷直流电机系统进行仿真。跟踪工况设置为：恒转矩区间（T_r＝162N·m）和恒功率区间（P_r＝10kW），采用脉宽调制（PWM）全桥调制方式，调制频率设为10kHz。设定转矩随动误差范围：上限值RT_max=-0.1%，下限值RTmin=-1%。

在上述条件下，仿真结果示意图如图7所示。从仿真结果可以看出，基于Bang-bang控制的转矩波动抑制策略下转矩跟随迅速、脉动小，有效解决了电机换相转矩脉动问题。

综上可知，本发明克服了当前无刷直流电机转矩波动抑制解决方案中最佳换相时刻难以精确确定，不能在电机全速范围内实施，控制策略复杂等缺点，提出了一种基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动抑制方法，能够在电机运行全速范围下均有效而实用。该方法简单易行，有效地解决了电机换相转矩脉冲问题，大大提高了电机运行的可靠性。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动的抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）判断电机的工作区间，进入步骤（2）；

（2）若处于换相工作区间，计算转矩波动指标，并与上限值和下限值进行比较，进入步骤（3）；

若处于非换相工作区间，则返回步骤（1）；

其中所述转矩波动指标为反应转矩波动大小的参数，所述上限值和所述下限值为设定值；（3）根据所述转矩波动指标与所述上限值和所述下限值的比较结果，控制电机关断相的再导通和关断，之后返回所述步骤（1）。

2.根据权利要求1所述的基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动的抑制方法，其特征在于：所述步骤（3）包括：

（31）若所述转矩波动指标大于所述上限值，则导通关断相；之后返回所述步骤（1）；

（32）若所述转矩波动指标小于所述下限值，则关断关断相；之后返回所述步骤（1）。

3.根据权利要求1所述的基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动的抑制方法，其特征在于：所述步骤（1）中判断电机工作区间的步骤为：

（11）检测霍尔位置信号，测量三相绕组相电流值；

（12）根据所述霍尔位置信号判断电机所处的60°的工作区间；

（13）比较所述三相绕组相电流测量值的绝对值与所述功率管漏电流的大小，若所述三相绕组相电流测量值的绝对值大于所述功率管漏电流值，则电机处于换相区间；否则，电机处于非换相区间；其中，所述功率管漏电流为固定值。

4.根据权利要求1所述的基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动的抑制方法，其特征在于：所述步骤（1）中判断电机的工作区间的方法采用事件触发的方式。

5.根据权利要求1所述的基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动的抑制方法：其特征在于：所述步骤（2）中所述转矩波动指标为转矩随动误差，计算公式如下：

$\mathrm{RT}=\frac{T_e-T_r}{T_r}\×100\%$

其中，RT为转矩随动误差，T_e为电机输出转矩，T_r为期望转矩。

6.根据权利要求1所述的基于Bang-bang控制的无刷直流电机换相转矩波动的抑制方法，其特征在于：所述上限值为-0.1％，所述下限值为-1％。

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