CN104009693A - 一种无刷直流电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无刷直流电机控制方法，属于无刷直流电机控制技术领域。本发明以无刷直流电机为控制对象，使用单周期控制的思想，选择平均转矩作为控制变量，控制每个开关周期内电机的输出平均转矩等于给定值。在平均转矩的观测上，使用了一种基于能量守恒的间接平均转矩观测法，这种方法通过检测每个周期内输入系统的电能间接的观测每个开关周期内电机输出的平均转矩。本发明不需要反电势信息和精确转子位置信息，控制简单，且能够适用于反电势畸变程度不同的无刷直流电机，通用性强。

Description

一种无刷直流电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机控制方法，属于无刷直流电机控制技术领域。

背景技术

近年来，无刷直流电机被广泛的应用于家用电器、电力机车和自动化驱动中。在实际应用中，由于加工公差和设计折中的原因，很难获得具有理想反电势的无刷直流电机。反电势畸变会使引起转矩脉动，加剧电机转子振动，损坏轴承，产生噪声，缩短电机寿命等。

目前针对由反电势畸变引起转矩脉动的控制方法可以分为两类，最优电流控制和直接转矩控制。最优电流控制是根据反电势信息，注入可以和其相互抵消的谐波电流，使反电势中畸变的分量不对转矩的生产造成影响。直接转矩控制则是将瞬时转矩作为控制变量，通过对转矩进行闭环控制来抑制转矩脉动。但是目前这两类方法都需要知道转子的精确位置信息和反电势信息，为了获得精确的位置信息，需要安装额外的测量装置或者使用算法来估计，这会增加系统的成本和控制算法的复杂度。为了获得反电势，通常采样离线测量和在线估测法。离线测量法必须对电机反电势进行预先测量，限制了其在工业场合的应用。而在线估测法往往需要滑膜观测器，神经网络等复杂的算法，导致电机动态响应慢，限制了其在高速场合的应用。

发明内容

本发明提出一种无刷直流电机控制方法，这种方法采用单周期控制的原理，将平均转矩作为控制变量，控制每个开关周期内电机的输出平均转矩等于给定值。本方法解决了无刷直流电机由于反电势畸变引起的转矩脉动。

本发明为解决其技术问题，采用如下技术方案：

一种无刷直流电机控制方法，包括如下步骤：

第一步：使用转速计算模块根据转子位置信号对无刷直流电机的转速进行计算，将给定转速与反馈转速做差，PI调节器根据误差调节出在每个控制周期内，为了使输出平均转矩恒定，系统所需要输入的能量；

第二步：触发信号触发RS触发器的S端，RS触发器正向端输出“1”,反向端输出“0”，积分复位信号被设为0，加速命令“c”被置1；矢量选择表根据转子位置信号“n”和加速命令“c”选择相应的加速矢量和零矢量；驱动模块则根据相应的矢量，驱动三相逆变的功率开关管；

第三步：用电压传感器和电流传感器对母线电压和电流进行检测，然后用积分电路对电压和电流信号的乘积进行积分；

第四步：当积分值达到给定值时，比较器翻转，输出“1”，此时RS触发器的R端被置1，触发器的正向端输出“0”,反向端输出“1”，积分复位信号被置1，加速命令“c”被设为0，矢量选择表根据转子位置信号“n”和加速命令“c”选择相应的加速矢量，积分器的积分值被清零，以备下一个控制周期重新积分以检测输入系统的能量；

第五步：重复上述四个过程，对平均转矩进行控制，抑制无刷直流电机的转矩脉动。

本发明的有益效果如下：

1、每个开关周期内使得输出平均转矩等于给定转矩，抑制了转矩脉动。

2、不需要准确的转子位置信息，没有额外的旋变光码盘等测量装置和复杂的拟合位置信号的算法，降低了系统的成本和对控制器的要求。

3、不需要反电势信息，不需要离线测量或者在线估测，通用性强，适用于反电势畸变的电机。

4、平均转矩的估测只需要一个电流传感器和一个电压传感器，降低了系统的成本。

附图说明

图1为本发明提出控制方法的控制框图。

图2为本发明使用的无刷直流电机等效电路图。

图3为本发明使用的加速矢量的示意图。

图4为本发明使用的零矢量的示意图。

图5为本发明的工作时波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

本发明提出一种无刷直流电机控制方法，通过观测每个周期内输入系统的能量来观测平均转矩，然后使用单周期控制的方法将平均转矩作为变量控制，使每个周期内平均转矩等于给定转矩。

根据机电转换的原理，在一个开关周期内输入系统的能量等于气隙能量的变换量和输出的机械能以及系统损耗之和，如式(1)所示：

(1)

其中，dW _e 为输入系统的能量，dW _m 为气隙能量的变换量，dW _mech- 为输出的机械能，dW _loss 为系统损耗。当电机运行在稳态时，气隙内存储的能量达到一个动态平衡，因此在每个控制周期内，气隙磁场内能量的变化量为零。因为一个控制周期很短，可以假设在相邻的周期内系统的效率是个常数，式(1)可以写为：

(2)

式中 η为系统的效率。 输入能量和平均转矩的关系可表示为：

(3)

式中Δθ是每个控制周期内转子转过的角度，k 定义为Δθ-/η，T _av为平均转矩，在稳态条件下，k 是一个常数。式(3)表明，在控制周期为常数时，输入系统的能量与电机输出的电磁转矩成正比，可以通过检测系统输入能量的方式来间接的观测平均转矩。输入能量可以通过检测母线电流和电压来实现，比例系数k可以被转速外环的PI调节器的比例系数补偿。

图1给出了本发明提出的控制方法的控制框图，控制框图主要包括速度计算模块、转速外环PI调节器（比例微分调节器）、可复位的积分器、比较器、RS触发器、触发信号、矢量选择表、转子扇区判断模块和驱动模块。

图2给出了本控制方法中使用的三相逆变器和电机的等效电路，其中功率变换器是传统的三相全桥，a ⁺，b ⁺，c ⁺，a ^-，b ^-，c ^-为六个功率开关管，V _d为直流电压源，L _s为电机的等效电感，r _s为等效电阻，e _a，e _b，e _c为相反电势。图3给出了矢量选择表中6个加速矢量的示意图，分别用0和1代表开关管的状态，其中0代表开关管关断，1代表开关管开通。V ₁至V ₆分别用六个数字量代表逆变器的状态，其中从左到右，6个数字分别代表开关管a ⁺，b ⁺，c ⁺，a ^-，b ^-，c ^-的开通和关断状态。图4给出了矢量选择表中6个零矢量的示意图，与加速矢量类似，也分别用0和1代表开关管的状态，其中0代表开关管关断，1代表开关管开通。V ₀ ¹至V ₀ ⁶分别用六个数字量代表逆变器的状态，其中从左到右，6个数字分别代表开关管a ⁺，b ⁺，c ⁺，a ^-，b ^-，c ^-的开通和关断状态。图5给出了本控制方法工作时的示意波形。从上至下，图中波形分别是输入能量的参考值，积分器的积分值，驱动信号的占空比，RS触发器输出的反向输出端正向输出端Q和触发信号。其中触发信号的周期是t _c。

下面结合附图5，详细说明本控制方法的工作过程。

(1)使用转速计算模块根据位置信号对无刷直流电机的转速进行计算，将给定转速与反馈转速做差，PI调节器根据误差调节出在每个控制周期内，系统所需要输入的能量，即图中积分值的参考值。

(2)在每个周期开始时，固定频率的触发信号触发RS触发器的S端，RS触发器Q端输出“1”,　 端输出“0”，积分复位信号被设为0，加速命令“c”被置1。矢量选择表（如表1所示）根据转子位置信号“n”和加速命令“c”选择相应的加速矢量（如图3所示），驱动模块则根据相应的矢量，驱动三相逆变的功率开关管。

表1

(3)用电流传感器和电压传感器对母线电流和电压进行测量，然后用积分电路对电压和电流信号的乘积进行积分，以此来检测输入系统的能量，在施加加速矢量期间，积分值不断增加，如图5所示。

(4)当积分值达到给定值时，比较器翻转，输出“1”，此时RS触发器的R端被置1，触发器的Q端输出“0”, 端输出“1”，积分复位信号被置1，加速命令“c”被设为0，矢量选择表根据转子位置信号“n”和加速命令“c”选择相应的零矢量（如图4所示），积分器的积分值被清零，以备下一个控制周期重新积分以检测输入系统的能量。

(5)在下个触发信号到来时，重复上述四个过程，对平均转矩进行控制，抑制无刷直流电机的转矩脉动。

Claims (1)

1.一种无刷直流电机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：使用转速计算模块根据转子位置信号对无刷直流电机的转速进行计算，将给定转速与反馈转速做差，PI调节器根据误差调节出在每个控制周期内，为了使输出平均转矩恒定，系统所需要输入的能量；

第二步：触发信号触发RS触发器的S端，RS触发器正向端输出“1”,反向端输出“0”，积分复位信号被设为0，加速命令“c”被置1；矢量选择表根据转子位置信号“n”和加速命令“c”选择相应的加速矢量和零矢量；驱动模块则根据相应的矢量，驱动三相逆变的功率开关管；

第三步：用电压传感器和电流传感器对母线电压和电流进行检测，然后用积分电路对电压和电流信号的乘积进行积分；

第四步：当积分值达到给定值时，比较器翻转，输出“1”，此时RS触发器的R端被置1，触发器的正向端输出“0”,反向端输出“1”，积分复位信号被置1，加速命令“c”被设为0，矢量选择表根据转子位置信号“n”和加速命令“c”选择相应的加速矢量，积分器的积分值被清零，以备下一个控制周期重新积分以检测输入系统的能量；

第五步：重复上述四个过程，对平均转矩进行控制，抑制无刷直流电机的转矩脉动。