CN105743396A - 一种基于直接特征控制的新型无刷直流电机控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于直接特征控制的无刷直流电机控制方法，包括以下环节：（1）在三相坐标系下无刷直流电机的定子三相电压方程；（2）根据步骤（1）列出的电压方程，将定子三相的电流和转子三相的磁链作为状态变量，列出对应的状态方程观测器；（3）根据步骤（2）设计滑模变结构观测器，观测出当前状态定子三相的电流和转子三相的磁链；（4）根据步骤（2）的状态方程，离散化处理后，得到预测控制方程，即预测出下一时刻定子三相的电流和转子三相的磁链；（5）将预测出来定子三相的电流与给定的转矩以及给定转子磁链算出的定子三相电流一起经过特征方程解出定子三相的电压，并将其送入SVPWM中。本发明可广泛应用于家电、办公自动化、汽车电子等领域。

Description

一种基于直接特征控制的新型无刷直流电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于直接特征控制的新型无刷直流电机的控制方法，适用于家用电器、办公自动化、汽车电子系统等以交流电机特别是无刷直流电机为控制核心的领域。

背景技术

目前，在家用电器、办公自动化、汽车电子等领域，大多数对无刷直流电机用的控制策略还是基于矢量控制的控制方法，而矢量控制的核心就是双环结构，即转速外环和定子电流内环，这就免不了要使用PI调节器，然而PI调节器也存在自身的一些问题，如带宽不够、容易饱和等等。而针对这些问题又提出了一些抑制的方法和手段，但是就整个控制方法上来说无疑是使系统和结构更为复杂。所以为了解决上述提出的电机控制策略问题的方法主要有两类：一类是对电机结构进行优化设计；另一类是寻求新的控制策略来替代传统控制。第一类方法，通过改变电机的结构来获得所期望的磁路特性以及交直轴电感参数的变化范围，这种途径需要使用更高级的工艺和技术，成本会增加很多。第二类方法，基于特征控制实现对电机的控制，此种方法结构简单，同时利用了现代控制理论，就控制手段上已经提升很多，也不需要增加成本。而且包含了现代控制理论的思想，相比较于传统的PI控制，可以很好的消除一些高斯白噪声等等，使整个系统的控制更为精确。

电机控制都是基于数字控制技术的，而数字控制包括采样、计算、产生占空比及其更新等环节，理想的控制模式是在当前时刻采样电机电流，计算PWM占空比信号，并且实时更新占空比信号。然而，在实际系统中，可以实现的控制模式是在上一时刻进行电机电流采样，算法占用一定的时间间隔，计算PWM占空比信号，最后在后一时刻更新占空比信号。在采样周期的开始时刻进行电流采样的优点是，有更多的时间来计算控制算法，且所得到的电流值近似于电机的平均电流值。然而，逆变器还需要另一个采样周期把占空比信号转换为电机侧的电压，这样就使得数字控制中实际延时为两个周期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于直接特征控制的新型无刷直流电机的控制方法，从而能够在传统的矢量控制之外基于现代控制理论来对电机进行控制，不仅可以快速提升响应速度，也可以避免传统控制中多处使用PI造成了参数调节困难等一系列的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于直接特征控制的新型无刷直流电机控制方法，其内容包括以下步骤：1）对于本控制方法，需要如下模块：电流传感器，位置传感器，电角速度计算模块，坐标变换模块，单位延时模块，预测控制模块，定子三相电流分量i_d，i_q的给定值计算模块，无刷直流电机，滑模变结构观测器模块，SVPWM即空间矢量脉宽调制模块，无刷直流电机特征控制模块，转速调节器ASR；2）电流传感器的作用是检测无刷直流电机中三相定子电流i_sa，i_sb，i_sc的值；3）无刷直流电机转子旋转的电角度θ输入至转速计算模块中，其目的是对电角度θ进行求导，得到转速反馈值ω；4）将坐标变换模块输出的在t_n-T时刻的定子电流分量i_sa、i_sb、i_sc，t_n-T时刻的定子电压分量u_sa、u_sb、u_sc，以及转速反馈值ω这七个变量作为输入，送至滑模变结构观测器模块中观测出t_n-T时刻的定子电流分量i_sa、i_sb、i_sc，转子磁链分量ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc的值；5）将步骤（4）观测出t_n-T时刻的定子电流分量i_sa、i_sb、i_sc，转子磁链分量ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc的值送入预测控制模块得到t_n时刻的定子电流分量i_sa、i_sb、i_sc，转子磁链分量ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc的值；6）将给定转速ω_c与转速反馈值ω作差之后经过转速调节器ASR得到给定转矩T_ec，将给定转矩T_ec，以及转速反馈值ω送入定子三相电流分量i_sa、i_sb、i_sc的给定值计算模块，输出的是i_sa、i_sb、i_sc的给定值，记为i_ac、i_bc、i_cc；7）将步骤（5）预测出t_n时刻的定子电流分量i_sa、i_sb、i_sc，电角度θ，以及步骤（6）输出的定子三相电流分量i_sa、i_sb、i_sc的给定值i_ac、i_bc、i_cc作为输入，送至无刷直流电机特征控制模块中，输出是t_n时刻的定子电压分量u_sa、u_sb、u_sc；8）将步骤（7）t_n时刻的定子电压分量u_sa、u_sb、u_sc分别经过单位延迟模块，即延时一个T周期，得到t_n-T时刻的定子电压分量u_sa、u_sb、u_sc，这就是步骤（4）所需要的t_n-T时刻的定子电压分量u_sa、u_sb、u_sc；9）将步骤（7）计算出的t_n时刻的定子电压分量u_sa、u_sb、u_sc转换为静止坐标系下α轴，β轴的电压u_sα，u_sβ作为输入送至SVPWM模块中，产生六路PWM信号，以此作为逆变器三个桥臂的IGBT的门极驱动信号，来产生三相交流电压驱动无刷直流电机工作。

对于本控制策略的几大核心，其具体设计方法如下：（1）滑模观测器设计方法如下：根据在三相坐标系下无刷直流电机的定子三相的电压方程，将定子电流分量i_sa、i_sb、i_sc，转子磁链分量ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc作为状态变量列出状态方程，并由此得出滑模变结构的观测器；

（2）预测方程如下：根据无刷直流电机的电压方程，将i_sa、i_sb、i_sc，ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc作为状态变量，u_sa、u_sb、u_sc作为输入变量列写状态方程，记为

X^‘=AX+Bu_s，X=[i_sai_sbi_scψ_raψ_rbψ_rc]^T(即X为六行一列的列向量)，u_s=[u_sau_sbu_sc]^T

对系数矩阵A求特征值及其对应的特征向量，对应的特征值为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅和λ₆其对应的特征向量记为p₁，p₂，p₃，p₄，p₅和p₆，对上述状态方程进行离散化处理之后，得到如下方程：X(t_n)=Pe^ΛTP^-1X(t_n-T)+PΛ^-1(e^ΛT-I)P^-1Bu_s(t_n-T)（I为单位阵，T为采样时间）；

（3）特征控制方程：在上述离散化处理之后的方程两端同时乘以P^-1，即有

P^-1X(t_n+T)=P^-1Pe^ΛTP^-1X(t_n)+P^-1PΛ^-1(e^ΛT-I)P^-1Bu_s(t_n)，化简之后求出u_s(t_n)；

（4）通过给定转矩T_ec计算出定子三相电流给定值i_ac、i_bc、i_cc的值。

本发明之所以采用这种控制方法，主要有以下的优点：1、本发明通过使用特征控制的方法使无刷直流电机的控制系统更加趋于数字化，更便于实验验证结果的正确性。2、本发明补偿了数字控制的延时，抑制了转矩谐波，同时增加观测器环节和预测控制环节让整个系统的结构更紧凑，更符合对电机的精确控制。3、本发明中的控制系统没有使用传统的双环（即角速度环以及电流环）伺服控制系统，只是采用了前面两环加上特征控制共同构成整个系统，少了一组电流环的PI调节器，不仅使得电流响应速度变快，同时也避免了PI调节器固有的饱和以及参数调节困难等问题。4、本发明不仅对每一步电机方程进行细化，同时也考虑了很多技术上的约束和限制，如死区时间的补偿等等，所以可以显著减少超调和滞后的问题。本发明的控制方法可以推广至所有的交流电机类型中，尤其以家用电器、办公自动化、汽车电子等系统应用更广泛。

附图说明

图1基于特征控制的无刷直流电机伺服控制系统整体结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。

图1是基于特征控制的无刷直流电机伺服控制系统整体结构框图，该系统包括定子三相电流给定值计算1、无刷直流电机特征控制2、无刷直流电机预测控制3、滑模变结构观测器4、坐标变换5、单位延时模块6、SVPWM模块7、电压源型逆变器8、无刷直流电机9、位置传感器10、电角速度计算模块11、转速调节器ASR模块12。

位置传感器10的输入端从无刷直流电机9的输出端引出来，电角速度计算模块11的输入端从位置传感器10的输出端引出来。滑模变结构观测器模块4的输入端有7个，分别来自于三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc，单位延时模块6的三个输出u_sa(t_n-T)、u_sb(t_n-T)、u_sc(t_n-T)以及电角度计算模块11的输出端ω。无刷直流电机预测控制模块3的输入端有10个，分别来自于滑模变结构观测器模块4的4个输出i_sa(t_n-T)、i_sb(t_n-T)、i_sc(t_n-T)，ψ_ra(t_n-T)、ψ_rb(t_n-T)、ψ_rc(t_n-T)，单位延时模块6的三个输出u_sa(t_n-T)、u_sb(t_n-T)、u_sc(t_n-T)，以及电角度计算模块11的输出端ω。转速调节器ASR模块12的输入有两个：给定转速ω_c和转速反馈值ω，其输出为给定转矩T_ec。定子三相电流给定值计算模块1的输入有两个，一个是给定转矩T_ec，另一个是电角度计算模块11的输出端ω。无刷直流电机特征控制模块2的输入有7个，分别是定子三相电流给定值计算模块1的输出i_ac、i_bc、i_cc，无刷直流电机预测控制模块3的输出i_sa(t_n)、i_sb(t_n)、i_sc(t_n)以及位置传感器10的输出θ。SVPWM模块7的两个输入来自无刷直流电机特征控制模块2的三个输出u_sa(t_n)、u_sb(t_n)、u_sc(t_n)经过坐标变换模块5变换成静止坐标系下的u_sα(t_n)，u_sβ(t_n)，同时单位延时模块6的输入端来自于无刷直流电机特征控制模块2的三个输出u_sa(t_n)、u_sb(t_n)、u_sc(t_n)。

其中无刷直流电机控制系统的核心算法为特征控制，逆变器输出的三相电流驱动电机的旋转，本发明的算法是在特征控制基础上，加入电流和磁链观测器以及预测控制环节，实现无刷直流电机在新的控制策略上的突破。

综上所述，本发明所提出的基于直接特征控制的新型无刷直流电机控制策略可以快速有效的使逆变器输出电流的谐波含量降低，本发明方法摆脱了电机传统矢量控制，提出了基于特征控制的电机控制策略，从而完成了电流谐波的抑制，进而完成转矩谐波的抑制，该方法可以在不修改硬件的前提下，使用了特征控制算法来对电机实现控制，在特征控制上增加了电流和磁链观测器并加入了预测控制，对工业电机的转矩谐波以及电磁噪声问题有抑制作用。

Claims (2)

1.一种基于直接特征控制的新型无刷直流电机控制方法主要包括以下步骤：

1）本控制方法由如下模块构成：电流传感器，位置传感器，电角速度计算模块，坐标变换模块，单位延时模块，预测控制模块，定子三相电流分量i_sa、i_sb、i_sc的给定值计算模块，无刷直流电机，滑模变结构观测器模块，SVPWM即空间矢量脉宽调制模块，无刷直流电机特征控制模块，转速调节器ASR；

2）电流传感器检测无刷直流电机中三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc的值；

3）无刷直流电机转子旋转的电角度θ输入至转速计算模块中，对电角度θ进行求导，得到转速反馈值ω；

4）将检测出的在t_n-T时刻的定子电流分量i_sa、i_sb、i_sc，t_n-T时刻的定子电压分量u_sa、u_sb、u_sc，以及转速反馈值ω这七个变量作为输入，送至滑模变结构观测器模块中观测出t_n-T时刻的定子电流分量i_sa、i_sb、i_sc，转子磁链分量ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc的值；

5）将步骤（4）观测出t_n-T时刻的定子电流分量i_sa、i_sb、i_sc，转子磁链分量ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc的值送入预测控制模块得到t_n时刻的定子电流分量i_sa、i_sb、i_sc，转子磁链分量ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc的值；

6）将给定转速ω_c与转速反馈值ω作差之后经过转速调节器ASR得到给定转矩T_ec，将给定转矩T_ec，转速反馈值ω送入定子三相电流分量i_sa、i_sb、i_sc的给定值计算模块，输出的是i_sa、i_sb、i_sc的给定值，记为i_ac、i_bc、i_cc；

7）将步骤（5）预测出t_n时刻的定子电流分量i_sa、i_sb、i_sc，电角度θ，以及步骤（6）输出的定子三相电流分量i_sa、i_sb、i_sc的给定值i_ac、i_bc、i_cc作为输入，送至无刷直流电机特征控制模块中，输出是t_n时刻的定子三相电压分量u_sa、u_sb、u_sc；

8）将步骤（7）t_n时刻的定子三相电压分量u_sa、u_sb、u_sc分别经过单位延迟模块，即延时一个T周期，得到t_n-T时刻的定子三相电压分量u_sa、u_sb、u_sc，这就是步骤（4）所需要的t_n-T时刻的定子三相电压分量u_sa、u_sb、u_sc；

9）将步骤（7）计算出的t_n时刻的定子电压分量u_sa、u_sb、u_sc转换为静止坐标系下α轴，β轴的电压u_sα，u_sβ作为输入，送至SVPWM模块中，产生六路PWM信号，以此作为逆变器三个桥臂的IGBT的门极驱动信号，来产生三相交流电压驱动无刷直流电机工作。

2.如权利要求书1所述的一种基于直接特征控制的新型无刷直流电机控制方法，其主要的特征在于：（1）滑模观测器设计方法如下：

根据在三相坐标系下无刷直流电机的定子三相的电压方程，将定子电流分量i_sa、i_sb、i_sc，转子磁链分量ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc作为状态变量列出状态方程，并由此得出滑模变结构的观测器；

（2）预测方程如下：

根据无刷直流电机的电压方程，将i_sa、i_sb、i_sc，ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc作为状态变量，u_sa、u_sb、u_sc作为输入变量列写状态方程，记为

X^‘=AX+Bu_s，X=[i_sai_sbi_scψ_raψ_rbψ_rc]^T(即X为六行一列的列向量)，u_s=[u_sau_sbu_sc]^T

对系数矩阵A求特征值及其对应的特征向量，对应的特征值为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅和λ₆，其对应的特征向量记为p₁，p₂，p₃，p₄，p₅和p₆，并令

对上述状态方程进行离散化处理之后，得到如下方程：

X(t_n)=Pe^ΛTP^-1X(t_n-T)+PΛ^-1(e^ΛT-I)P^-1Bu_s(t_n-T)（I为单位阵，T为采样时间）；

（3）特征控制方程

在上述离散化处理之后的方程两端同时乘以P^-1，即有

P^-1X(t_n+T)=P^-1Pe^ΛTP^-1X(t_n)+P^-1PΛ^-1(e^ΛT-I)P^-1Bu_s(t_n)，

化简之后求出u_s(t_n)；

（4）通过给定转矩T_ec计算出定子三相电流给定值i_ac、i_bc、i_cc的值。