CN105245150A - 一种无刷直流电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机控制方法，采用电感法获得电机静止时转子位置，保证电机在启动时无反转现象发生；获知转子初始位置后结合反电势积分法使无刷电机在启动阶段无反转，无抖动，响应迅速；用基于PLL锁相环的滑模控制系统替代传感器对转子位置进行估计；启动阶段后尝试用磁场定向控制理论驱动无刷电机，结合电感法与反电势积分法构造了无刷直流电机全速范围的无传感器控制系统。这种控制策略使得控制系统具有良好的静、动态特性。

Description

一种无刷直流电机控制方法

技术领域

本发明公开了一种无刷直流电机控制方法，特别涉及一种基于无刷直流电机全速度运转的磁场定向控制策略。

背景技术

根据相励磁磁势分布的不同,三相直流无刷电机可分为两种类型:正弦波型和方波型电机,前者励磁磁势分布是正弦波状,后者励磁磁势分布呈方波状。

方波型电机亦称为无刷直流电动机(BLDC)；正弦波型电机习惯被称为PMSM(PermanentMagnetsynchronousMotor)。按照传统的技术,正弦波永磁同步电机(PMSM),一般采用正弦波矢量控制方式,用于高精度的位置伺服控制,需要比较高精度的位置检测器,如光电脉冲编码器、旋转变压器等等。无刷直流电机(BLDC)一般采用方波控制方式,只用于简单的速度控制,装有简易的开关型霍尔位置检测器,其直接的位置检测精度为60°(电角度)。无刷直流电机控制系统的主要特点是简单可靠成本低,缺点是控制精度和动态性能较低且带位置传感器的无刷直流电机体型较大。

在对无刷直流电机体积要求较高的领域，位置传感器的存在限制其在更广范围的应用，需进一步缩小电机体积。近年来无刷直流电机控制方法一直处于研究中,需要解决的最主要问题是在不采用位置传感器的情况下,驱动无刷直流电机启动运转且保证电机具有良好的静、动态特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种无刷直流电机控制方法。在不适用高精度位置传感器的大前提下，精确的检测反馈电机转子位置及转速；减少无刷直流电机启动及稳定运行期间的转矩脉动，改善其静、动态性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种无刷直流电机控制方法，具体步骤包括：

步骤一、获取电机静止时的转子初始位置，使电机无反转启动；

步骤二、根据转子初始位置，采用对应的反电势积分法使转子位置迅速与换相频率同步，提升相应载荷下的启动成功率；

步骤三、采用基于PLL锁相环的滑模控制系统对转子位置进行估计；

步骤四、确定切换开关的切换时机，于启动阶段后采用磁场定向控制理论驱动无刷直流电机。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤一中，采用电感法，通过应用铁芯磁饱和原理确定转子初始位置。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤三中，所述PLL锁相环用以去除因滑模观测器带入的抖振效应，通过对滑模面的选取，使得转子位置的估计值误差小于设定的阈值。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤四中，控制d轴电流分量为零，使得q轴电流分量全部用来产生电机所需转矩，以此抑制脉动的产生。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤一中，

采用二二导通方式向MOSFET管中注入电压脉冲，电压矢量产生对应的母线电流；

铁芯磁饱和程度的不同产生不同大小的母线电流；

不同方向的电压矢量对应不同大小的母线电流，通过比较母线电流的大小，依次判断转子所处π、π/3、π/6的具体位置范围。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤二中，确定转子初始位置范围后，根据转矩最大化及预先确定的转动方向对转子施加电压矢量，此时产生如下所述的两种情况：

201、非导通相反电势已过零点的情况：此时，在检测到过零点后马上启动积分器，将积分结果实时与积分阀值作对比，若溢出，则马上换相，使电机进入加速过程；

202、非导通相反电势未过零点的情况：此时，积分器与启动程序同时开启，将积分结果实时与积分阀值进行对比，若溢出，则马上换相，使电机进入加速启动过程。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤四中：

电机启动后，将滑模观测得到的转子位置信号与锁相环反馈信号差值经过PI模块进行调节，将调节后的误差信号利用RC模块进行滤波，滤波后的信号经过均值模块得到电机转子转速信号；

当电机运转速度达到设定的阈值后，控制切换点进行切换进入磁场定向控制阶段。

作为本发明的进一步优选方案，所述磁场定向控制具体方法如下所述：

无刷电机的A、B相电流依次经过Clarke坐标转换和Park坐标转换后，变为可独立控制的d-q轴电流分量，控制无刷电机时，将d轴的电流参考值设为零；

将反馈量生成的电流分量与给定转矩下的d-q轴电流分量作对比产生控制误差，应用PI调节器进行数学运算；

平行相电流的参考值被设为零，电机的电流矢量全部转化为垂直向的电流，PI调节器控制与转子所在轴线垂直的电流分量，使输出的转矩得到控制；

PI调节器产生的d-q轴的参考电压分量经反Park变换转换为两相静止坐标下的电流分量；

向SVPWM模块送入参考电压信号，SVPWM模块输出信号驱动逆变器，完成磁场定向控制。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：给出了一种无刷直流电动机控制策略,不再使用位置传感器，一定程度上减小了电机体积；结合电感法、反电势积分法以及磁场定向控制理论使得电机无反转启动、启动成功率高且电机启动及稳定运行期间的转矩脉动小，静、动态性能优异。

附图说明

图1是无刷直流电机定子磁势及转子位置示意图；

图2是无刷直流电机转子位置示意图；

图3是无刷直流电机转子位置示意图；

图4是无刷直流电机磁场定向控制原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

当电机处于静止时，采用二二导通方式向MOSFET管中注入电压脉冲。假设转子位置如图1所示，首先分别注入两个方向相反的电压矢量V_AB（C方向）与V_BA（Z方向）,持续一段时间，采集母线电流分别存储为I₂与I₅，由于铁芯磁饱和程度的不同，I₂与I₅的大小也不同。若此时I₂＞I₅，则由上述分析可知此时转子的N极在线段Ⅰ-Ⅱ的左侧。首次定位将转子定位在了π的区域中。接下来，分别注入V_CB（X方向）与V_AC（Y方向）,先后持续一段时间，采集母线电流并存储为I₃与I₁。

不同情况下判断转子所在区域的仲裁规则如下：

若I₂-I₁＞0则记a=1，否则为0；若I₂-I₃＞0则记b=1,否则为0。将上述结果带入仲裁公式y=2a+b，若y=1,说明此时转子处于1区域；若y=3，转子处于2区域；若y=2，转子处于3区域。同理可判断Ⅰ-Ⅱ右侧区域的转子位置，这样就把转子的位置确定在了π/3的范围。

依据定位结果，再次注入V_BC，采集母线电流并存储为I₆。此时转子可能处于三个位置，Y轴或Y轴上下各π/6的范围内。本文方法中，将转子处在Y轴与Y轴上方π/6区域视为同种情况。通过比较I₆与I₂的大小，可将转子位置确定在π/6的范围。由前面假设得知，此时的结果应是I₂＜I₆，转子N级确定在Y轴上方π/6的区域。其他转子位置判断情况类似。

确定转子初始位置范围后，根据转矩最大化及预先确定的转动方向对转子施加电压矢量。在施加电压矢量的过程中会遇到两种情况，一是非导通相反电势已过零点的情况，二是非导通相反电势未过零点的情况。

若此时转子位置位于图2中所示阴影区时，向Z方向通电，此时转子位置还未跃过零点，故应对C相的反电势进行采样。当电压矢量为V_BA时，C相初始反电势为负，此时应保证通电方向不变，等待C相反电势出现过零点，此时的过零点即为普通换相过零点。由于对负载不明确，为防止由于负载过大导致换相过快，使转子逆向转动并伴有抖动情况的产生，应在检测到过零点后马上启动积分器，将积分结果实时与积分阀值作对比，若溢出，则马上换相，使电机进入加速过程。

若此时转子位置位于图3中所示阴影区时，采用二二导通方式向A方向通电，此时转子位置介于过零点与换相点间，积分器应与启动程序同时开启，将积分结果实时与积分阀值进行对比，若溢出，则马上换相，使电机进入加速启动过程。

电感法与反电势积分法的结合可以使电机迅速知晓转子位置，以最合理的换相顺序进行导通，使电机在起始阶段以最大转矩启动，从而可以无振动的进入加速阶段。

电机启动后，将滑模观测得到的转子位置信号与锁相环反馈信号差值经过PI模块进行调节，将调节后的误差信号利用RC模块进行滤波。滤波后的信号再次经过均值模块得到电机转子转速信号。

电机运转速度达到一定值后，控制切换点进行切换进入磁场定向控制阶段。无刷直流电机磁场定向控制见图4，无刷电机的A、B相电流经测量后通过Clarke坐标转换模块生成两相静止坐标下的电流i_α和i_β。两个坐标轴下的电流分量同时也是Park模块的输入值，经转换后记为在两相旋转坐标下的i_d和i_q。通过对坐标的转换，将三相坐标下的电流转变为可独立控制的d-q轴电流分量。控制无刷电机时，将d轴的电流参考值设为零。

将反馈量经转换模块后生成的电流分量与给定转矩下的d-q轴电流分量作对比产生控制误差，应用PI调节器进行数学运算。需要两路PI调节器，一个控制平行于转子磁场的电流，一个控制垂直向电流。平行相电流的参考值被设为零，电机的电流矢量全部转化为垂直向的电流。另一路PI调节器用来控制与转子所在轴线垂直的电流分量，使输出的转矩得到控制。

通过两路PI调节器产生的d-q轴的参考电压分量需经反Park变换模块转换为两相静止坐标下的电流分量。接着，参考电压信号被送入SVPWM模块，输出信号驱动逆变器，完成磁场定向控制。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无刷直流电机控制方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤一、获取电机静止时的转子初始位置，使电机无反转启动；

步骤二、根据转子初始位置，采用对应的反电势积分法使转子位置迅速与换相频率同步，提升相应载荷下的启动成功率；

步骤三、采用基于PLL锁相环的滑模控制系统对转子位置进行估计；

步骤四、确定切换开关的切换时机，于启动阶段后采用磁场定向控制理论驱动无刷直流电机。

2.如权利要求1所述的一种无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述步骤一中，采用电感法，通过应用铁芯磁饱和原理确定转子初始位置。

3.如权利要求1所述的一种无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述步骤三中，所述PLL锁相环用以去除因滑模观测器带入的抖振效应，通过对滑模面的选取，使得转子位置的估计值误差小于设定的阈值。

4.如权利要求1所述的一种无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述步骤四中，控制d轴电流分量为零，使得q轴电流分量全部用来产生电机所需转矩，以此抑制脉动的产生。

5.如权利要求2所述的一种无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述步骤一中，

采用二二导通方式向MOSFET管中注入电压脉冲，电压矢量产生对应的母线电流；

铁芯磁饱和程度的不同产生不同大小的母线电流；

不同方向的电压矢量对应不同大小的母线电流，通过比较母线电流的大小，依次判断转子所处π、π/3、π/6的具体位置范围。

6.如权利要求1所述的一种无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述步骤二中，确定转子初始位置范围后，根据转矩最大化及预先确定的转动方向对转子施加电压矢量，此时产生如下所述的两种情况：

201、非导通相反电势已过零点的情况：此时，在检测到过零点后马上启动积分器，将积分结果实时与积分阀值作对比，若溢出，则马上换相，使电机进入加速过程；

202、非导通相反电势未过零点的情况：此时，积分器与启动程序同时开启，将积分结果实时与积分阀值进行对比，若溢出，则马上换相，使电机进入加速启动过程。

7.如权利要求1所述的一种无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述步骤四中：

电机启动后，将滑模观测得到的转子位置信号与锁相环反馈信号差值经过PI模块进行调节，将调节后的误差信号利用RC模块进行滤波，滤波后的信号经过均值模块得到电机转子转速信号；

当电机运转速度达到设定的阈值后，控制切换点进行切换进入磁场定向控制阶段。

8.如权利要求7所述的一种无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述磁场定向控制具体方法如下所述：

无刷电机的A、B相电流依次经过Clarke坐标转换和Park坐标转换后，变为可独立控制的d-q轴电流分量，控制无刷电机时，将d轴的电流参考值设为零；

将反馈量生成的电流分量与给定转矩下的d-q轴电流分量作对比产生控制误差，应用PI调节器进行数学运算；

平行相电流的参考值被设为零，电机的电流矢量全部转化为垂直向的电流，PI调节器控制与转子所在轴线垂直的电流分量，使输出的转矩得到控制；

PI调节器产生的d-q轴的参考电压分量经反Park变换转换为两相静止坐标下的电流分量；

向SVPWM模块送入参考电压信号，SVPWM模块输出信号驱动逆变器，完成磁场定向控制。