CN105703681B - 无刷直流电机的十二边形磁链自控制直接转矩控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无刷直流电机的十二边形磁链自控制直接转矩控制方法，将由6个功率开关管组成的三相桥式电路串接第7个功率开关管，在第7个功率开关管两端连接一个电阻，用7个数字组合表示7个功率开关管的状态，使逆变器共有12种组合方式，12个电压空间矢量；将磁链轨迹划分12个扇区，每30°换一次相；根据7个功率开关管的状态，再对应所划分的扇区，选择12个电压空间矢量和零矢量，产生相应的开关控制信号控制逆变器以驱动无刷直流电机，实现的磁链轨迹近似于十二边形；本发明增加了电压空间矢量的选择数量，结合位置信号选择最优电压空间矢量，能够有效地减小电机电压矢量切换时磁通角调节过大的现象，更有效地削减电机的转矩脉动。

Description

无刷直流电机的十二边形磁链自控制直接转矩控制方法
技术领域
本发明涉及无刷直流电机控制系统，属于无刷直流电机的调速领域，具体是无刷直流电机的直接转矩控制方法。
背景技术
无刷直流电机是在传统直流电机基础上发展起来的，用电子换向器取代了机械电刷和换向器，消除了电的滑动接触机构，既具有直流电机特性，又具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，它的用途非常广泛，尤其适用于航天航空、数控装置、机器人、医疗化工等高新技术领域。无刷直流电机将电子换向器与电机融为一体，将先进的电子技术应用于电机领域。
直接转矩控制很早就在无刷直流电机得到应用，但技术理论尚不完备，没有使用电压空间矢量的概念，只能使用变频器的输出电压的概念。2005年英国谢菲尔德大学的Z.Q.Zhu教授等人针对无刷直流电机有断流状态的特殊情况，提出了用6个数字而不是用传统的3个数字来描述空间电压矢量，提出了定子磁链幅值|Ψs|和电磁转矩Te双环控制的DTC策略，使无刷直流电机DTC理论开始走向正规的发展之路。
直接自控制技术是指在三三导通方式下开关管的导通逻辑取决于转子位置，因此属于自控式运行。1985年德国鲁尔大学的Depenbrock教授成功将直接自控制技术运用于异步电机中，由于磁链轨迹走的是正六边形，以内切圆半径作为一个“比较标准”，成功解决了给定定子磁链幅值的问题。在三三导通方式下，将该技术引入直流无刷电机中，由于不存在关断相，定子磁链不受其影响，不仅保留原有的结构简单、控制方便等优点，还提高了电机的运行性能，较之前的方案其复杂度大大简化。
中国专利公开号为CN104022699、公开日为2014.09.03的文献中公开了一种无刷直流电机直接转矩控制方法，该方法避免了电流滞环控制对电磁转矩抑制效果较差的缺陷，克服了传统PID控制方法在对BLDCM进行控制时具有精度低、抗干扰能力差问题，同时又具有结构简化、成本低的特点。中国专利公开号CN101783637、公开日为2010.07.21的文献中提出一种无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法，解决了现有方法由于采用转矩和电机磁链的双闭环调节，而使得系统控制方法复杂的问题能够有效的抑制转矩波动。中国专利公开号为CN1819439，公开日为2006.08.16的文献公开了一种定子磁链为六边形运动的无刷直流电机直接自控制的控制调速方法，根据检测到电压和电流计算定子磁链，与其给定的磁链相比较，根据比较结果选择最后的电压空间矢量，达到调速的目的。以上专利文献公开的技术存在的不足之处是：直流无刷电机直接转矩控制或直接自控制方式都存在着电压矢量切换时相对于正弦波无刷直流电机磁通角调节过大的缺点，削弱了换相转矩脉动的抑制效果；没有解决无刷直流电机直接转矩控制中存在的关断相和非正弦两大难点，转矩脉动仍然较大；导致无刷直流电机只适用于调速性能不高、开关频率不高的系统，其应用场合受到了限制。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是克服在以往控制方案中存在电压矢量切换时相对于正弦波无刷直流电机磁通角调节过大的缺点，以及削弱了换相转矩脉动的抑制效果问题，提出了一种无刷直流电机的十二边形磁链自控制直接转矩控制方法，有效控制转矩脉动，提高系统的动态响应性能。
(2)技术方案
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案是：搭建无刷直流电机的转矩和磁链双闭环控制系统，逆变器包含由6个功率开关管组成的三相桥式电路，将三相桥式电路串接第7个功率开关管，在所述第7个功率开关管两端连接一个电阻，用7个数字组合表示7个功率开关管的状态，每一位数字对应一个功率开关管，1代表导通，0代表关断，使逆变器共有12种组合方式，12个电压空间矢量；将磁链轨迹划分12个扇区，每30°换一次相；根据7个功率开关管的状态，再对应所划分的扇区，选择12个电压空间矢量和零矢量，产生相应的开关控制信号控制逆变器以驱动无刷直流电机，实现的磁链轨迹近似于十二边形。
所述12个电压空间矢量依次为(0100001),(1101001),(0001001),(1011001),(0011000),(1011010),(0010010)，(1010110),(0000110),(1100110),(0100100),(1100101)；所述零矢量为(0000000)和(1000000)。
电压空间矢量书写规律为：Ac→ABc→Bc→aBc→aB→aBC→aC→abC→bC→Ab→Ab→Abc，A、B、C表示三相桥上桥臂导通，a、b、c表示三相桥下桥臂导通。
以逆变器动作最小为原则，功率管只切换一次。
(3)有益效果
本发明的有益效果是：本发明采用直接转矩与自控制相结合，形成一种定子磁链以十二边形运动的调速方法，是二三相导通时转矩脉动抑制方法，增加了电压空间矢量的选择数量，结合位置信号选择最优电压空间矢量，能够有效地减小无刷直流电机电压矢量切换时磁通角调节过大的现象，能够更有效地削减无刷直流电机的转矩脉动，且能很好地将转矩脉动抑制在规定的范围内，具有动态响应快、精度高、稳定性好等优点，大大改进了无刷直流电机的控制性能，改善了无刷直流电机的调速性能，扩大了其应用场合。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
图1是无刷直流电机的三相反电动势状态图；
图2是无刷直流电机的转矩和磁链双闭环控制系统框图；
图3是图2中逆变器的拓扑结构图；
图4是本发明所述控制方法的电压空间矢量及磁链轨迹分布图；
图5是直流无刷电机的直接转矩控制电压空间矢量及磁链轨迹分布图；
图6是直流无刷电机的直接自控制电压空间矢量及磁链轨迹分布图；
图7是电压空间矢量书写规律图。
具体实施方式
本发明首先检测无刷直流电机的反电动势；其次，确立电机的转矩和磁链双闭环控制系统中逆变器的开关表及扇区；最后，根据开关表及对应所划分的扇区控制逆变器驱动电机运转，从而实现了对无刷直流电机转矩脉动的抑制。
无刷直流电机通常是直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型，该方法既简单又有较大的准确度。最常用的的转矩方程为Te＝(ea+eb+ec)/Ωr(Ωr表示转子机械角速度，ea、eb、ec分别是三相的反电动势值)，可以通过该方程实时观测电磁转矩Te，但核心就是要获得无刷直流电机的反电动势es形状函数。为了使反电动势形状函数能更广泛地适应各种无刷直流电机，本发明将形状函数作标幺化处理。
如下图1所示，定义无刷直流电机的梯形波的幅值为1，三相互差120°的形状函数标幺值用数学函数描述为：
式(1)(2)(3)中，Ea、Eb、Ec定义为三相形状函数标幺值，它不是实际反电动势的瞬时值，x定义为梯形波平顶部分的宽度，θ表示为转子位置，S为梯形波斜边的斜率，用公式表示为S＝2/(π-x)。
无刷直流电机的梯形波反电动势的幅值E有如下关系：式中，E为实际的梯形波反电动势的幅值，p表示极对数，W为每相绕组有效串联匝数，为每极磁通，α为极弧系数，k为反电动势系数，n是转速。
于是实际三相的反电动势ea、eb、ec可表示为：
因此，只要知道当时电机转动的转子位置角θ和转速n就可求出电机的反电动势ea、eb、ec。
搭建如图2所示的无刷直流电机的转矩和磁链双闭环控制系统，将工频的供电交流电源经整流电路整流，再经滤波电容C滤波得到直流电源，再由逆变器将直流电源转化为交流电源为无刷直流电机(BLDC)供电；检测无刷直流电机输入端三相电流和电压值，并且采用位置传感器检测无刷直流电机的转子角速度信号，由速度计算单元根据转子角速度信号，计算得到无刷直流电机的转速ω；将检测到的电压电流经磁链角度估算单元及转矩估算单元得到相应的转矩磁链及转子位置角θ，将给定的角速度与计算的角速度作差经过转速调节器得到给定转矩，给定转矩与计算的转矩作差经过转矩调节器输出控制信号τ，将给定磁链与计算的磁链作差经磁链调节器输出控制信号将控制信号τ、θ输入电压空间矢量选择单元，电压空间矢量选择单元选择电压矢量，产生相应的开关控制信号去控制逆变器，从而驱动无刷直流电机运行。
如图3所示的逆变器拓扑，逆变器包含由6个功率开关管Vt1～Vt6组成的三相桥式电路，将三相桥式电路串接额外的第7个功率开关管，开关表是由三相桥式电路中的开关状态以及额外的第7个功率开关管Vt0组合形成的，在功率开关管Vt0两端连接电阻R，因此共有12种组合方式，三相桥式电路的桥臂中上下功率开关管有可能同时关断，所以需要7个数字组合来表示开关表的状态，每一位数字对应一个功率开关管，1代表导通，0代表关断。12个电压空间矢量V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9，V10，V11，V12，依次为(0100001),(1101001),(0001001),(1011001),(0011000),(1011010)，(0010010)，(1010110),(0000110),(1100110),(0100100),(1100101)，零矢量定义为(0000000)和(1000000)。
如图7所示，电压空间矢量书写规律为：Ac→ABc→Bc→aBc→aB→aBC→aC→abC→bC→Ab→Ab→Abc，A、B、C表示三相桥上桥臂导通，a、b、c表示三相桥下桥臂导通，以逆变器动作最小为原则，保证功率管只切换一次。
如图4所示的电机的磁链轨迹，将磁链轨迹划分12个扇区，每30°换一次相。
根据7个功率开关管的状态，再对应所划分的扇区，电压空间矢量选择单元选择下列矢量(0100001),(1101001),(0001001),(1011001),(0011000),(1011010),(0010010)，(1010110),(0000110),(1100110),(0100100),(1100101),(0000000)，(1000000)，产生相应的开关控制信号去控制逆变器，从而驱动无刷直流电机(BLDC)的运行，实现对无刷直流电机转矩脉动的抑制。本发明所实现的磁链轨迹分布如图6所示，轨迹近似于十二边形。
将图4的本发明控制方法中的磁链轨迹扇区与图5所示的直接转矩控制方法、图6所示的直接自控制方法中的磁链轨迹扇区作对比：如图5所示直流无刷电机的直接转矩控制电压空间矢量及磁链轨迹分布，为电机两相导通时磁链轨迹分布，轨迹近似于一个六边形，电压空间矢量V1～V6是基本矢量，是由三相桥式电路中的开关状态组合而成。两相导通时，当电机定子磁链空间矢量旋转到某位置时发生换相，由B、C两相导通变化为A、B两相导通，由C相向A相换相，C相电流通过该相桥臂上端功率开关管中的续流二极管续流，A相端电压从0突变到为直流母线电压，换相时电压空间矢量为：U＝-√3/3Udc。图6所示直流无刷电机的直接自控制的电压空间矢量及磁链轨迹分布，为电机三相导通时磁链轨迹分布，轨迹为一个六边形。三相导通时假如当定子磁链空间矢量旋转到某位置时发生换相，由A、B上桥臂导通C下桥臂导通三相导通变化为B上桥臂导通A、C下桥臂导通三相导通，由A相上桥臂向A相下桥臂换相，换相时电压空间矢量为U＝-2/3Udc。由此可知，本发明控制方法中的整个磁链轨迹扇区是由直接转矩扇区与直接自控制扇区相结合形成的。
由于在电机两相导通时空间电压矢量与三相导通时电压空间矢量的值是不相等的，所以本发明在传统的逆变器拓扑结构中加入一个电阻R(图3所示)。当定子磁链空间矢量旋转到某位置时发生换相，由A、B上桥臂导通C下桥臂导通三相导通变化为B的上桥臂和C的下桥臂两相导通，即A上桥臂由导通变为关断，此时Vt0由导通变为关断，通过计算得到适当的电阻(2-√3)r(在理想情况下)，使得两相导通时经过此电阻，此时二相导通时电压空间矢量为U＝-√3/3Udc。由此得到二三相导通时电压空间矢量同为-√3/3Udc。此时得到的定子磁链轨迹是以十二边形运动的。

Claims (4)

1.一种无刷直流电机的十二边形磁链自控制直接转矩控制方法，搭建无刷直流电机的转矩和磁链双闭环控制系统，逆变器包含由6个功率开关管组成的三相桥式电路，其特征是还包括以下步骤：
A、将三相桥式电路串接第7个功率开关管，在所述第7个功率开关管两端连接一个电阻，该电阻的一端连接所述第7个功率开关管的集电极、另一端连接发射极，用7个数字组合表示7个功率开关管的状态，每一位数字对应一个功率开关管，1代表导通，0代表关断，使逆变器共有12种组合方式、12个电压空间矢量；
B、将磁链轨迹划分12个扇区，每30°换一次相；
C、根据7个功率开关管的状态，再对应所划分的扇区，选择12个电压空间矢量和零矢量，产生相应的开关控制信号控制逆变器以驱动无刷直流电机，实现的磁链轨迹近似于十二边形。
2.根据权利要求1所述控制方法，其特征是：步骤C中，12个电压空间矢量依次为(0100001),(1101001),(0001001),(1011001),(0011000),(1011010),(0010010)，(1010110),(0000110),(1100110),(0100100),(1100101)；零矢量为(0000000)和(1000000)。
3.根据权利要求2所述控制方法，其特征是：电压空间矢量书写规律为：Ac→ABc→Bc→aBc→aB→aBC→aC→abC→bC→Ab→Ab→Abc，A、B、C表示三相桥上桥臂导通，a、b、c表示三相桥下桥臂导通。
4.根据权利要求1所述控制方法，其特征是：所述无刷直流电机的转矩和磁链双闭环控制系统中，将转矩调节器输出的转矩控制信号、磁链调节器输出的磁链控制信号以及磁链角度估算单元输出的转子位置角控制信号一起输入电压空间矢量选择单元，由电压空间矢量选择单元选择电压空间矢量产生相应的开关控制信号控制逆变器。
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