CN104617851A - 一种基于内模原理的电动自行车控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于内模原理的电动自行车控制方法，该方法利用内模原理设计电流环控制器，使电机相电流跟踪给定正弦波信号。速度给定值经过速度环控制器作为电流环给定的幅值，三路霍尔传感器信号经过转子区间计算，得到电流环给定的周期和相位。电流环输出经过波形调制环节输出6路正弦调制信号，驱动三相电压型逆变器，使电机平稳、高效的运行。优点是：在电机运行时通过三相电机绕组的是正弦相电流，与传统方波控制相比转矩脉动小，运行噪声低，电机寿命长。三相相电流为与三相反电动势同相位的正弦波，省去了传统正弦波调制时相位补偿的环节，提升了电机运行的效率。不需复杂的坐标变换，算法简单，容易实现，对控制器要求较低。

Description

一种基于内模原理的电动自行车控制方法

技术领域

本发明涉及用永磁无刷直流电机控制领域，具体涉及一种基于内模原理的电动自行车控制方法。

背景技术

E-BIKE控制系统中广泛采用永磁无刷直流电机，其特点是结构简单、运行可靠、维护方便、效率高、无励磁损耗以及调速性能好等。诸多优点使其广泛应用于家用电器、仪器仪表、医疗器械等工业领域。

内模原理指出，任何一个能良好地抵消外部扰动或跟踪参考输入信号的反馈控制系统，其反馈回路必须包含一个与外部输入信号相同的动力学模型。这个内部模型称为内模。系统模型参数甚至模型结构发生变化时，系统存在不确定性，基于内模原理设计的控制器不但能抑制外界干扰，同时还能消除参数不确定性对系统造成的影响。

传统永磁无刷直流电机控制方式主要有方波控制，这种控制方法简单，容易实现，但是由于定子电流和气隙磁通为方波或梯形波，所以存在转矩脉动，换相噪声，电机效率不高等问题(纪志成，姜建国.永磁无刷直流电动机转矩脉动及其抑制方法[J]，微特电机,2003(5)：33-37)；此外还有一种正弦波控制方式，即通过对电机绕组施加一定的电压，使电机绕组中产生正弦电流，通过控制正弦电流的幅值及相位达到控制电机转矩的目的。与传统方波控制相比，电机相电流为正弦，且连续变化，无换相电流突变，因此电机运行噪声低，转矩脉动小，运行效率高。

传统的正弦波控制，是调制三相端电压，使得相电压与反电势同相位。但由于电机为感性负载，相电流滞后于相电压，即电机相电流滞后于反电势。而电机最大转矩输出时，电机相电流需与反电势同步，因此需要调整电压相位，使生成的相电压超前于反电势，从而实现相电流与反电势同步(荆晓博.基于XC866的直流无刷电机简易正弦波控制[J]，世界电子元器件，2010(9):51-54)。现如今，该角度调整多为手动调整，且不同批次电机补偿角不同，造成控制器的通配性较低。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于内模原理的电动自行车控制方法，该方法利用内模原理设计电流环控制器，使电机相电流跟踪给定正弦波信号，避免了相电流角度修正，解决了现有技术的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于内模原理的电动自行车控制方法，其特征在于，包括转子区间计算模块、速度计算模块、转子位置计算模块、给定转速模块、速度环PI控制器模块、电流环控制器模块、波形调制模块和三相电压型逆变器模块；

所述转子区间计算模块输入端与电机输出端的三路霍尔传感器相连，输出端分别连接速度计算模块和转子位置计算模块；速度计算模块输出端和给定转速模块输出端共同接入速度环PI控制器模块；通过速度环PI控制器模块的信号作为电流环给定幅值输出；通过转子位置计算模块得到的转子位置和电流环给定幅值组合，作为三相电流环给定值输出；三相电流环给定值分别进入基于内模原理的电流环控制器模块，输出至波形调制模块，最终进入三相电压型逆变器模块对电机进行控制；

该方法包括以下步骤：

1)利用采样电阻采样母线电流使用单分流三相电流重构算法得到电动自行车三相相电流i_a、i_b、i_c；

2)通过转子区间计算模块检测三路霍尔传感器信号，得到电机转子位置信息θ_r；

3)速度传感器模块计算得到电机此时的实际速度ω；

4)给定速度模块给出一个速度给定值ω_ref，该速度给定值ω_ref与步骤3)得出的实际速度ω的差值e(t)，经过速度环PI控制模块后，作为电流环给定值幅值I_ref输出；

5)通过步骤2)得到的转子位置θ_r和步骤4)得到的电流环给定值幅值I_ref组合，得到I_ref sin(θ_r)、I_ref sin(θ_r-120°)、I_ref sin(θ_r+120°)三个电流值，这个三个电流值分别作为三相电流环给定值

6)所述三相电流给定值与对应相电流的差e_a(t)、e_b(t)、e_c(t)分别进入相应的基于内模原理的电流环控制器模块；

7)电流环控制器模块的输出信号经过波形调制模块输出六路正弦调制信号，该正弦信号驱动三相电压型逆变器模块，驱动电机运行；

8)依次更新三相电流值i_a、i_b、i_c和转子位置信息θ_r，重复步骤1)至步骤6)，实现电动自行车持续运行。

进一步的，电流环控制器模块的系统开环传递函数包括跟踪信号所有的极点，其频域形式为：

$C\left(s\right)=K_1+K_2\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^2}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^2}$

其中，比例项K₁可提升系统响应速度；ω_ref为给定电机角速度。

进一步的，步骤1)中所述采样电阻为串联在逆变器母线上的采样电阻，通过该采样电阻获得的采样电压通过AD转换和电流计算得到母线电流。

步骤2)中所述转子位置θ_r根据下式来计算：

θ_r＝θ_i+θ_c

其中转子所在区间初始位置，分别是θ₁＝330°,θ₂＝30°,θ₃＝90°,θ₄＝150°,θ₅＝210°,θ₆＝270°；θ_c＝(60c)/C₆₀，c为该区间内计数器实际计数值；C₆₀为电机转过60°电角度计数器的计数值。

有益效果：本发明提供的一种基于内模原理的电动自行车控制方法，较传统正弦波控制方法的不同之处在于该方法是对三相相电流进行控制，通过分别设定三相相电流给定为与反电势同相位的正弦形式，通过电流环控制器控制实现了三相相电流与各自反电势同相位，避免了相电流角度修正，进而提升了控制器的通配性。

在电机运行时通过三相电机绕组的是正弦相电流，与传统方波控制相比转矩脉动小，运行噪声低，电机寿命长。

三相相电流为与三相反电动势同相位的正弦波，省去了传统正弦波调制时相位补偿的环节，提升了电机运行的效率。

与传统的空间矢量控制相比，不需要复杂的坐标变换，算法简单，容易实现，对控制器要求较低。

附图说明

图1是本发明的控制系统原理简图；

图2是本发明的控制系统详细原理框图；

图3是本发明中单电阻采样原理图；

图4是本发明中空间矢量区间划分示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种一种基于内模原理的电动自行车控制方法，其特征在于，包括转子区间计算模块、速度计算模块、转子位置计算模块、给定转速模块、速度环PI控制器模块、电流环控制器模块、波形调制模块和三相电压型逆变器模块；

所述转子区间计算模块输入端与电机输出端的三路霍尔传感器相连，输出端分别连接速度计算模块和转子位置计算模块；速度计算模块输出端和给定转速模块输出端共同接入速度环PI控制器模块；通过速度环PI控制器模块的信号作为电流环给定幅值输出；通过转子位置计算模块得到的转子位置和电流环给定幅值组合，作为三相电流环给定值输出；三相电流环给定值分别进入基于内模原理的电流环控制器模块，输出至波形调制模块，最终进入三相电压型逆变器模块对电机进行控制；

该方法包括以下步骤：

1)利用采样电阻采样母线电流使用单分流三相电流重构算法得到电动自行车三相相电流i_a、i_b、i_c；

2)通过转子区间计算模块检测三路霍尔传感器信号，得到电机转子位置信息θ_r；

3)速度传感器模块计算得到电机此时的实际速度ω；

4)给定速度模块给出一个速度给定值ω_ref，该速度给定值ω_ref与步骤3)得出的实际速度ω的差值e(t)，经过速度环PI控制模块后，作为电流环给定值幅值I_ref输出；

5)通过步骤2)得到的转子位置θ_r和步骤4)得到的电流环给定值幅值I_ref组合，得到I_ref sin(θ_r)、I_ref sin(θ_r-120°)、I_ref sin(θ_r+120°)三个电流值，这个三个电流值分别作为三相电流环给定值

6)所述三相电流给定值与对应相电流的差e_a(t)、e_b(t)、e_c(t)分别进入相应的基于内模原理的电流环控制器模块；

7)电流环控制器模块的输出信号经过波形调制模块输出六路正弦调制信号，该正弦信号驱动三相电压型逆变器模块，驱动电机运行；

8)依次更新三相电流值i_a、i_b、i_c和转子位置信息θ_r，重复步骤1)至步骤6)，实现电动自行车持续运行。

进一步的，电流环控制器模块的系统开环传递函数包括跟踪信号所有的极点，其频域形式为：

$C\left(s\right)=K_1+K_2\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^2}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^2}$

其中，比例项K₁可提升系统响应速度；ω_ref为给定电机角速度。

进一步的，电机为永磁无刷直流电机，该电机数学模型如下：

$\left[\begin{array}{c}{V}_a\\ V_b\\ V_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}R+\mathrm{PL}& 0& 0\\ 0& R+\mathrm{PL}& 0\\ 0& 0& R+\mathrm{PL}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]$

其中，

V_a、V_b、V_c为三相相电压；

i_a、i_b、i_c为三相相电流；

e_a、e_b、e_c为三相相反电势(EMF)；

R为定子电阻；

L为定子自感；

K_e为反电势常数；

θ_r为转子电角度；

ω_r为转子电角速度；

P为微分算子(＝d/dt)。

电磁转矩方程为：

T_e＝n_pK_t{-i_a sinθ_r-i_b sin(θ_r-120°)-i_c sin(θ_r+120°)}

其中，

n_p为电机转子极对数；

K_t为转矩常数。

电机机械方程为：

$T_e=\frac{1}{n_p}(J{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r+B{\mathrm{\ω}}_r)+T_l$

θ_r＝∫ω_rdt

其中，

J为转子转动惯量；

B为阻尼系数；

T_l为负载转矩。

进一步的，如图3所示步骤1)中所述采样电阻为串联在逆变器母线上的采样电阻，通过该采样电阻获得的采样电压通过AD转换和电流计算得到母线电流。

进一步的，如图4所示步骤2)中所述转子位置θ_r根据下式来计算：

θ_r＝θ_i+θ_c

其中转子所在区间初始位置，分别是θ₁＝330°,θ₂＝30°,θ₃＝90°,θ₄＝150°,θ₅＝210°,θ₆＝270°；θ_c＝(60c)/C₆₀，c为该区间内计数器实际计数值；C₆₀为电机转过60°电角度计数器的计数值。

实施例：

在某一时刻，读取霍尔信号和计数器，当通过采集霍尔信号得到转子位于图4所示的区间二，则转子所在区间的初始位置角度为θ₂＝30°，又读到计数器计数值10，而电机转过60°电角度计数器的计数值为60，则计算得知此时转子电角度为：

θ_r＝θ₂+θ_c＝30°+(60°*10)/60＝40°

结合图1和图2，本发明包括转子区间计算模块、速度计算模块、转子位置计算模块、给定转速模块、速度环PI控制器模块、电流环控制器模块、波形调制模块和三相电压型逆变器模块；

所述转子区间计算模块输入端与电机输出端的三路霍尔传感器相连，输出端分别连接速度计算模块和转子位置计算模块；速度计算模块输出端和给定转速模块输出端共同接入速度环PI控制器模块；通过速度环PI控制器模块的信号作为电流环给定幅值输出；通过转子位置计算模块得到的转子位置和电流环给定幅值组合，作为三相电流环给定值输出；三相电流环给定值分别进入基于内模原理的电流环控制器模块，输出至波形调制模块，最终进入三相电压型逆变器模块对电机进行控制；

具体包括以下步骤：

(1)利用采样电阻采样母线电流，使用单分流三相电流重构算法得到电动自行车三相相电流i_a、i_b、i_c；

(2)检测三路霍尔传感器信号得到电机转子位置信息θ_r。

(3)使用速度计算模块得到电机实际速度ω；

(4)速度给定值ω_ref与步骤(3)中电机实际运行速度ω的差值e(t)经过速度环PI控制后作为电流环给定值幅值I_ref；

(5)利用步骤(2)得到的转子位置θ_r和步骤(4)的I_ref组合，得到I_ref sin(θ_r)、I_ref sin(θ_r-120°)、I_ref sin(θ_r+120°)来分别作为三相电流环给定值

(6)针对步骤(5)的三相电流给定值与对应相电流的差e_a(t)、e_b(t)、e_c(t)来分别设计基于内模原理的电流环控制器。

(7)电流环输出经过波形调制环节输出6路正弦调制信号，驱动三相电压型逆变器，从而使电机平稳、高效的运行。

(8)依次更新三相电流值、转子位置信息，重复以上步骤，实现电动自行车持续运行。

所述步骤(1)的单分流三相电流重构算法，原理如下：

通过步骤(2)得到的转子所在区间，查询表1，得到当前时刻母线电流为某一相线相电流，依次类推，通过该方法重构出三相相电流。

表1

状态

空间矢量

T1

T2

T3

T4

T5

T6

IBUS

0

V0(000)

OFF

OFF

OFF

OFF

OFF

OFF

0

1

V1(100)

ON

OFF

OFF

ON

OFF

ON

+IA

2

V2(110)

ON

OFF

ON

OFF

OFF

ON

-IC

3

V3(010)

OFF

ON

ON

OFF

OFF

ON

+IB

4

V4(011)

OFF

ON

ON

OFF

ON

OFF

-IA

5

V5(001)

OFF

ON

OFF

ON

ON

OFF

+IC

6

V6(101)

ON

OFF

OFF

ON

ON

OFF

-IB

7

V7(111)

-

-

-

-

-

-

-

步骤(2)中的转子位置θ_r根据下式来计算：

θ_r＝θ_i+θ_c

其中转子所在区间初始位置，分别是θ₁＝330°,θ₂＝30°,θ₃＝90°,θ₄＝150°,θ₅＝210°,θ₆＝270°，θ_c＝(60c)/C₆₀，c为该区间内计数器实际计数值，C₆₀为电机转过60°电角度计数器的计数值。

本发明作为一种优化方法，所述步骤(6)的基于内模原理的电流环控制器。为实现稳态无静差跟踪给定正弦电流信号，系统开环传递函数必须包括跟踪信号所有的极点。其频域形式为：

$C\left(s\right)=K_1+K_2\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^2}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^2}$

其中，比例项K₁可提升系统响应速度，ω_ref为给定电机角速度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于内模原理的电动自行车控制方法，其特征在于，包括转子区间计算模块、速度计算模块、转子位置计算模块、给定转速模块、速度环PI控制器模块、电流环控制器模块、波形调制模块和三相电压型逆变器模块；

所述转子区间计算模块输入端与电机输出端的三路霍尔传感器相连，输出端分别连接速度计算模块和转子位置计算模块；速度计算模块输出端和给定转速模块输出端共同接入速度环PI控制器模块；通过速度环PI控制器模块的信号作为电流环给定幅值输出；通过转子位置计算模块得到的转子位置和电流环给定幅值组合，作为三相电流环给定值输出；三相电流环给定值分别进入基于内模原理的电流环控制器模块，输出至波形调制模块，最终进入三相电压型逆变器模块对电机进行控制；

该方法包括以下步骤：

1)利用采样电阻采样母线电流使用单分流三相电流重构算法得到电动自行车三相相电流i_a、i_b、i_c；

2)通过转子区间计算模块检测三路霍尔传感器信号，得到电机转子位置信息θ_r；

3)速度传感器模块计算得到电机此时的实际速度ω；

4)给定速度模块给出一个速度给定值ω_ref，该速度给定值ω_ref与步骤3)得出的实际速度ω的差值e(t)，经过速度环PI控制模块后，作为电流环给定值幅值I_ref输出；

5)通过步骤2)得到的转子位置θ_r和步骤4)得到的电流环给定值幅值I_ref组合，得到I_refsin(θ_r)、I_refsin(θ_r-120°)、I_refsin(θ_r+120°)三个电流值，这个三个电流值分别作为三相电流环给定值

6)所述三相电流给定值与对应相电流的差e_a(t)、e_b(t)、e_c(t)分别进入相应的基于内模原理的电流环控制器模块；

7)电流环控制器模块的输出信号经过波形调制模块输出六路正弦调制信号，该正弦信号驱动三相电压型逆变器模块，驱动电机运行；

8)依次更新三相电流值i_a、i_b、i_c和转子位置信息θ_r，重复步骤1)至步骤6)，实现电动自行车持续运行。

2.如权利要求1所述的一种基于内模原理的电动自行车控制方法，其特征在于，其特征在于，所述电流环控制器模块的系统开环传递函数包括跟踪信号所有的极点，其频域形式为：

$C\left(s\right)=K_1+K_2\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^2}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^2}$

其中，比例项K₁可提升系统响应速度；ω_ref为给定电机角速度。

3.如权利要求2所述的一种基于内模原理的电动自行车控制方法，其特征在于，步骤1)中所述采样电阻为串联在逆变器母线上的采样电阻，通过该采样电阻获得的采样电压通过AD转换和电流计算得到母线电流。

4.如权利要求2所述的一种基于内模原理的电动自行车控制方法，其特征在于，步骤2)中所述转子位置θ_r根据下式来计算：

θ_r＝θ_i+θ_c

其中θ_i(i＝1,2,3,4,5,为转子所在区间初始位置，分别是θ₁＝330°,θ₂＝30°,θ₃＝90°,θ₄＝150°,θ₅＝210°,θ₆＝270°；θ_c＝(60c)/C₆₀，c为该区间内计数器实际计数值；C₆₀为电机转过60°电角度计数器的计数值。