CN105790666A - 基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统和方法，霍尔位置传感器获取电机转子位置信息，转速计算模块根据霍尔信号计算出转速，与参考转速比较得到转速误差，经过速度调节器输出参考转矩，定子电流检测电路检测到定子电流，利用定子三相电流转换模块输出定子三相电流，定子三相电流与霍尔信号输入转矩观测器得到实际转矩，与参考转矩比较得到转矩误差，结合霍尔位置信号，选择合适的电压矢量去控制三相桥式逆变电路。本发明略去传统控制方法中定子磁链观测环节，使用电磁转矩转速双闭环控制，且利用离散霍尔信号和相电流求取电磁转矩，简化系统结构，降低成本。

Description

基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统和方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，特别涉及了基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统和方法。

背景技术

无刷直流电机是一种在传统直流电机基础上发展起来的新型直流电机，具有控制简单、效率高、动态响应好、可靠性高等优点。目前，无刷直流电机的应用已经从最初的军事工业，向航空航天、信息、生产、医疗以及工业自动化领域迅速发展。

目前的无刷直流电机控制策略多是通过控制电流的方法间接控制转矩，属于转矩的开环控制，转矩响应慢且转矩脉动大。直接转矩控制是一种转矩闭环控制方法。它以电机的瞬时转矩为控制对象，将转矩脉动视为可测干扰，根据转矩误差，通过转矩控制器实现对瞬时转矩的直接控制，具有转矩控制的高动态性。

传统的无刷直流电机直接转矩控制方法是定子磁链、电磁转矩、转速闭环控制，当无刷直流电机在二二导通方式下运行，由于关断相的存在，定子磁链运动轨迹为圆锯齿形，定子磁链给定是一个变量，难以计算。此外由于无刷直流电机的磁通密度是呈梯形波分布的，其转矩计算公式与异步电机和永磁同步电机的转矩计算公式不同。常用电磁转矩计算公式为：

$Te=\frac{e_a{i}_a+e_b{i}_b+e_c{i}_c}{\mathrm{\ω}}$

式中ω为转子角速度；e_a、e_b、e_c为定子三相绕组反电动势；i_a、i_b、i_c为定子三相绕组电流。

其中电机三相电流通过电流采样电路测得，角速度通过霍尔位置传感器测得，这些都是可直接测量和计算得到的量，如何获取反电势值则成为电磁转矩计算的关键。目前主要采用分段函数法表示反电动势，那就需要知道连续的转子位置信息，而通过霍尔位置传感器只能检测离散的转子位置信息，所以需要使用能够检测转子连续位置的位置传感器，这使系统变得复杂，增加了成本。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统和方法，略去传统控制方法中定子磁链观测环节，使用电磁转矩转速双闭环控制，且利用离散霍尔位置信号和相电流求取电磁转矩，使系统结构简化，降低成本。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统，包括定子电流检测电路、定子三相电流转换模块、霍尔位置传感器、转矩观测器、转速计算模块、转速比较器、转速调节器、转矩滞环比较器和PWM控制器，所述霍尔位置传感器安装在无刷直流电机的定子上，用于采集无刷直流电机转子的位置信息，所述定子电流检测电路的输入端与无刷直流电机的母线相连，定子三相电流转换模块的输入端分别与定子电流检测电路的输出端以及霍尔位置传感器的输出端相连，转矩观测器的输入端分别与定子三相电流转换模块的输出端以及霍尔位置传感器的输出端相连，转速计算模块的输入端连接霍尔位置传感器的输出端，转速比较器的负输入端连接转速计算模块的输出端，转速比较器的正输入端输入参考转速，转速调节器的输入端分别与转速观测器的输出端以及转速比较器的输出端相连，转矩滞环比较器的负输入端连接转矩观测器的输出端，转矩滞环比较器的正输入端连接转速调节器的输出端，PWM控制器的输入端连接转矩滞环比较器的输出端，PWM控制器的输出端连接三相桥式逆变电路中6个开关管的门极，从而控制三相桥式逆变电路向无刷直流电机输出交流电信号。

基于上述技术方案的优选方案，所述转速调节器采用PI调节器。

基于上述技术方案的优选方案，所述三相桥式逆变电路的6个开关管均为IGBT。

基于上述技术方案的优选方案，所述转速调节器、转矩滞环比较器、PWM控制器、转速计算模块、转矩观测器均集成在一块DSP处理器上。

基于上述技术方案的优选方案，所述DSP处理器的型号为DSP2812。

本发明还包括基于霍尔信号的去磁链无刷直流电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

(1)测量无刷直流电机的定子电流信号，通过霍尔位置传感器采集无刷直流电机转子位置信息；

(2)根据霍尔位置传感器的输出信号，将无刷直流电机的定子电流信号转换为定子三相电流信号；

(3)根据定子三相电流信号和霍尔位置传感器的输出信号，计算电机的实际转矩；

(4)根据霍尔位置传感器的输出信号，计算电机的实际转速，根据电机实际转速与参考转速的差值，计算电机的参考转矩；

(5)将电机的实际转矩与参考转矩进行比较，根据比较结果和霍尔位置传感器的输出信号，确定电压矢量并根据电压矢量控制三相桥式逆变电路，从而使无刷直流电路稳定运行。

进一步地，在步骤(2)中，霍尔位置传感器实时输出一组信号(H_a,H_b,H_c)，根据(H_a,H_b,H_c)将定子电流信号I转换为定子三相电流信号i_a,i_b,i_c，具体如下：

当(H_a,H_b,H_c)＝(1,0,1)，转子角度为0-60°，则(i_a,i_b,i_c)＝(I,-I,0)，

当(H_a,H_b,H_c)＝(1,0,0)，转子角度为60-120°，则(i_a,i_b,i_c)＝(I,0,-I)，

当(H_a,H_b,H_c)＝(1,1,0)，转子角度为120-180°，则(i_a,i_b,i_c)＝(0,-I,I)，

当(H_a,H_b,H_c)＝(0,1,0)，转子角度为180-240°，则(i_a,i_b,i_c)＝(-I,I,0)，

当(H_a,H_b,H_c)＝(0,1,1)，转子角度为240-300°，则(i_a,i_b,i_c)＝(-I,0,I)，

当(H_a,H_b,H_c)＝(0,0,1)，转子角度为300-360°，则(i_a,i_b,i_c)＝(0,-I,I)。

进一步地，在步骤(3)中，根据如下公式计算电机的实际转矩：

$\left\{\begin{array}{c}Te=Ts\×\left|Te\right|\\ \left|Te\right|=\frac{1}{2}Kt\×\left(\right|i_a|+|i_b|+|i_c\left|\right)\\ Ts=sign(e_a{i}_a+e_b{i}_b+e_c{i}_c)\\ e_a=H_A\stackrel{\‾}{H_B}-\stackrel{\‾}{H_A}{H}_B\\ e_b=H_B\stackrel{\‾}{H_C}-\stackrel{\‾}{H_B}{H}_C\\ e_c=\stackrel{\‾}{H_A}{H}_C-\stackrel{\‾}{H_A}{H}_C\end{array}\right.$

其中，Te为电机电磁转矩值，|Te|为转矩幅值，Ts为转矩方向，Kt为磁转矩系数，sign(*)为符号函数。

进一步地，在步骤(5)中，若ΔTe＞ΔT，则令τ＝1，若ΔTe＜-ΔT，则令τ＝0，其中ΔTe为参考转矩与实际转矩的差值，ΔT为预设的转矩误差值，根据霍尔位置传感器的输出信号(H_a,H_b,H_c)与τ，选择相应的电压矢量，电压矢量在电机定子上产生六边形磁链，从而控制电机连续稳定运行，具体如下：

当τ＝0时，无论磁链位于哪个扇区，均输出电压矢量V0，此时关断三相逆变电路中所有开关管，

当τ＝1时，

若磁链位于第Ⅴ扇区，即(H_a,H_b,H_c)＝(1,0,1)，

转子方向为逆时针时，输出电压矢量V6，

转子方向为顺时针时，输出电压矢量V3，

若磁链位于第Ⅵ扇区，即(H_a,H_b,H_c)＝(1,0,0)，

转子方向为逆时针时，输出电压矢量V1，

转子方向为顺时针时，输出电压矢量V4，

若磁链位于第Ⅰ扇区，即(H_a,H_b,H_c)＝(1,1,0)，

转子方向为逆时针时，输出电压矢量V2，

转子方向为顺时针时，输出电压矢量V5，

若磁链位于第Ⅱ扇区，即(H_a,H_b,H_c)＝(0,1,0)，

转子方向为逆时针时，输出电压矢量V3，

转子方向为顺时针时，输出电压矢量V6，

若磁链位于第Ⅲ扇区，即(H_a,H_b,H_c)＝(0,1,1)，

转子方向为逆时针时，输出电压矢量V4，

转子方向为顺时针时，输出电压矢量V1，

若磁链位于第Ⅳ扇区，即(H_a,H_b,H_c)＝(0,0,1)，

转子方向为逆时针时，输出电压矢量V5，

转子方向为顺时针时，输出电压矢量V2；

电压矢量V1对应的三相桥式逆变电路开关管的状态：a相桥臂的上开关管以及c相桥臂的下开关管导通，其余开关管关断，

电压矢量V2对应的三相桥式逆变电路开关管的状态：b相桥臂的上开关管以及c相桥臂的下开关管导通，其余开关管关断，

电压矢量V3对应的三相桥式逆变电路开关管的状态：a相桥臂的下开关管以及b相桥臂的上开关管导通，其余开关管关断，

电压矢量V4对应的三相桥式逆变电路开关管的状态：a相桥臂的下开关管以及c相桥臂的上开关管导通，其余开关管关断，

电压矢量V5对应的三相桥式逆变电路开关管的状态：b相桥臂的下开关管以及c相桥臂的上开关管导通，其余开关管关断，

电压矢量V6对应的三相桥式逆变电路开关管的状态：a相桥臂的上开关管以及b相桥臂的下开关管导通，其余开关管关断。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明采用采用电磁转矩转速双闭环控制，改善了传统转矩开环控制方法精度低、抗干扰能力差等问题；

(2)本发明省略了定子磁链观测环节，简化系统结构，容易硬件实现；

(3)本发明计算电磁转矩只需要离散霍尔信号和相电流，过程无需积分或微分运算，计算速度快，硬件结构简单，降低成本。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图；

图2是本发明中反电动势、定子三相电流及霍尔信号的对应关系图；

图3是本发明电压矢量构成的六边形磁链；

图4是本发明中三相桥式逆变电路的电路图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统，包括定子电流检测电路、定子三相电流转换模块、霍尔位置传感器、转矩观测器、转速计算模块、转速比较器、转速调节器、转矩滞环比较器和PWM控制器，所述霍尔位置传感器安装在无刷直流电机的定子上，用于采集无刷直流电机转子的位置信息，所述定子电流检测电路的输入端与无刷直流电机的母线相连，定子三相电流转换模块的输入端分别与定子电流检测电路的输出端以及霍尔位置传感器的输出端相连，转矩观测器的输入端分别与定子三相电流转换模块的输出端以及霍尔位置传感器的输出端相连，转速计算模块的输入端连接霍尔位置传感器的输出端，转速比较器的负输入端连接转速计算模块的输出端，转速比较器的正输入端输入参考转速，转速调节器的输入端分别与转速观测器的输出端以及转速比较器的输出端相连，转矩滞环比较器的负输入端连接转矩观测器的输出端，转矩滞环比较器的正输入端连接转速调节器的输出端，PWM控制器的输入端连接转矩滞环比较器的输出端，PWM控制器的输出端连接三相桥式逆变电路中6个开关管的门极，从而控制三相桥式逆变电路向无刷直流电机输出交流电信号。

在本实施例中，所述转速调节器采用PI调节器；所述三相桥式逆变电路的6个开关管均为IGBT；所述转速调节器、转矩滞环比较器、PWM控制器、转速计算模块、转矩观测器均集成在一块DSP处理器上，该DSP处理器型号为DSP2812。

本发明还包括基于上述控制系统的控制方法，具体步骤如下：

(1)霍尔位置传感器输出三个180°重叠信号(H_a,H_b,H_c)，提供六个换相信号，因为是在三相六拍方式下的直接转矩控制，可以根据霍尔信号计算出实际转速n，公式为：

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}$

$n=\frac{60}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\ω}$

式中Δθ为两个换相信号之间机械角度，为恒定值，Δτ为两次换相信号捕捉的时间间隔，ω为电机转子角速度，n为电机转速。

(2)参考转速n^*减去实际转速n得到转速误差Δn，经过转速调节器的PI调节后输出参考转矩Te^*。

(3)定子电流采样一般在主回路中串联小阻值电阻，检测电机定子电流I，如图2所示，结合霍尔信号转换成定子三相电流i_a、i_b、i_c，如表1所示。

表1

(4)利用霍尔信号和相电流计算得到实际电磁转矩Te。

首先定义sign(x)为符号函数：

$sign\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}+1(x>0)\\ 0(x=0)\\ -1(x<0)\end{array}\right.$

分析图2中反电动势、定子三相电流及霍尔信号的对应关系图，可以得出：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a=H_a\stackrel{\&OverBar;}{H_b}-\stackrel{\&OverBar;}{H_a}{H}_b\\ e_b=H_b\stackrel{\&OverBar;}{H_c}-\stackrel{\&OverBar;}{H_b}{H}_c\\ e_c=\stackrel{\&OverBar;}{H_a}{H}_c-H_a\stackrel{\&OverBar;}{H_c}\end{array}\right.$

Ts＝sign(e_ai_a+e_bi_b+e_ci_c)

式中Ts为转矩方向，i_a、i_b、i_c为定子三相电流，e_a、e_b、e_c是霍尔信号逻辑计算值，用-1、0、+1三个值表示。-1表示在此区域相反电动势对应的相电流不为零，且相反电动势波形函数为负值；+1表示在此区域相反电动势对应的相电流不为零，且相反电动势波形函数为正值；0表示在此区域相反电动势对应的相电流为零，且相反电动势波形函数值与转子位置有关，为[-1，1]区间的数值。

电磁转矩计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}Te=Ts\&times;\left|Te\right|\\ \left|Te\right|=\frac{1}{2}Kt\&times;\left(\right|i_a|+|i_b|+|i_c\left|\right)\end{array}\right.$

式子中Te为电机电磁转矩值，Kt为电磁转矩系数。

(5)参考转矩Te^*减去实际转矩Te得到转矩误差ΔTe，ΔT为转矩误差允许范围，ΔTe输入转矩滞环比较器，输出τ；

$\mathrm{\&tau;}=\left\{\begin{array}{c}1(\mathrm{\&Delta;}Te>\mathrm{\&Delta;}T)\\ 0(\mathrm{\&Delta;}Te<-\mathrm{\&Delta;}T)\end{array}\right.$

当ΔTe＞ΔT，转矩滞环比较器输出τ＝1，表示要增大转矩；

当ΔTe＜-ΔT，转矩滞环比较器输出τ＝0，表示要减小转矩。

(6)无刷直流电机具有霍尔位置传感器，电机根据霍尔元件的3路输出信号(H_a,H_b,H_c)的不同逻辑组合选择相应的电压空间矢量，如图3所示，给出的电压空间矢量恰好能够在电机定子上产生六边形的磁链，以实现连续电动运行。其电压矢量选择如表2所示。

表2

如图3所示和图4所示，6个电压矢量分别对应了三相桥式逆变电路中各个开关管的不同状态，例如电压矢量V1＝100001，表示a相桥臂的上开关管以及c相桥臂的下开关管导通，其余开关管关断。且当τ＝0时，无论磁链位于哪个扇区，均输出电压矢量V0＝000000，此时所有开关管均关断。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统，其特征在于：包括定子电流检测电路、定子三相电流转换模块、霍尔位置传感器、转矩观测器、转速计算模块、转速比较器、转速调节器、转矩滞环比较器和PWM控制器，所述霍尔位置传感器安装在无刷直流电机的定子上，用于采集无刷直流电机转子的位置信息，所述定子电流检测电路的输入端与无刷直流电机的母线相连，定子三相电流转换模块的输入端分别与定子电流检测电路的输出端以及霍尔位置传感器的输出端相连，转矩观测器的输入端分别与定子三相电流转换模块的输出端以及霍尔位置传感器的输出端相连，转速计算模块的输入端连接霍尔位置传感器的输出端，转速比较器的负输入端连接转速计算模块的输出端，转速比较器的正输入端输入参考转速，转速调节器的输入端分别与转速观测器的输出端以及转速比较器的输出端相连，转矩滞环比较器的负输入端连接转矩观测器的输出端，转矩滞环比较器的正输入端连接转速调节器的输出端，PWM控制器的输入端连接转矩滞环比较器的输出端，PWM控制器的输出端连接三相桥式逆变电路中6个开关管的门极，从而控制三相桥式逆变电路向无刷直流电机输出交流电信号。

2.根据权利要求1所述基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统，其特征在于：所述转速调节器采用PI调节器。

3.根据权利要求1所述基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统，其特征在于：所述三相桥式逆变电路的6个开关管均为IGBT。

4.根据权利要求1所述基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统，其特征在于：所述转速调节器、转矩滞环比较器、PWM控制器、转速计算模块、转矩观测器均集成在一块DSP处理器上。

5.根据权利要求4所述基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统，其特征在于：所述DSP处理器的型号为DSP2812。

6.基于霍尔信号的去磁链无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量无刷直流电机的定子电流信号，通过霍尔位置传感器采集无刷直流电机转子位置信息；

(2)根据霍尔位置传感器的输出信号，将无刷直流电机的定子电流信号转换为定子三相电流信号；

(3)根据定子三相电流信号和霍尔位置传感器的输出信号，计算电机的实际转矩；

(4)根据霍尔位置传感器的输出信号，计算电机的实际转速，根据电机实际转速与参考转速的差值，计算电机的参考转矩；

(5)将电机的实际转矩与参考转矩进行比较，根据比较结果和霍尔位置传感器的输出信号，确定电压矢量并根据电压矢量控制三相桥式逆变电路，从而使无刷直流电路稳定运行。

7.根据权利要求6所述基于霍尔信号的去磁链无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于：在步骤(2)中，霍尔位置传感器实时输出一组信号(H_a,H_b,H_c)，根据(H_a,H_b,H_c)将定子电流信号I转换为定子三相电流信号i_a,i_b,i_c，具体如下：

当(H_a,H_b,H_c)＝(1,0,1)，转子角度为0-60°，则(i_a,i_b,i_c)＝(I,-I,0)，

当(H_a,H_b,H_c)＝(1,0,0)，转子角度为60-120°，则(i_a,i_b,i_c)＝(I,0,-I)，

当(H_a,H_b,H_c)＝(1,1,0)，转子角度为120-180°，则(i_a,i_b,i_c)＝(0,-I,I)，

当(H_a,H_b,H_c)＝(0,1,0)，转子角度为180-240°，则(i_a,i_b,i_c)＝(-I,I,0)，

当(H_a,H_b,H_c)＝(0,1,1)，转子角度为240-300°，则(i_a,i_b,i_c)＝(-I,0,I)，

当(H_a,H_b,H_c)＝(0,0,1)，转子角度为300-360°，则(i_a,i_b,i_c)＝(0,-I,I)。

8.根据权利要求7所述基于霍尔信号的去磁链无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于：在步骤(3)中，根据如下公式计算电机的实际转矩：

其中，Te为电机电磁转矩值，|Te|为转矩幅值，Ts为转矩方向，Kt为磁转矩系数，sign(*)为符号函数。

9.根据权利要求8所述基于霍尔信号的去磁链无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于：在步骤(5)中，若ΔTe＞ΔT，则令τ＝1，若ΔTe＜-ΔT，则令τ＝0，其中ΔTe为参考转矩与实际转矩的差值，ΔT为预设的转矩误差值，根据霍尔位置传感器的输出信号(H_a,H_b,H_c)与τ，选择相应的电压矢量，电压矢量在电机定子上产生六边形磁链，从而控制电机连续稳定运行，具体如下：当τ＝0时，无论磁链位于哪个扇区，均输出电压矢量V0，此时关断三相逆变电路中所有开关管，

当τ＝1时，

若磁链位于第Ⅴ扇区，即(H_a,H_b,H_c)＝(1,0,1)，

转子方向为逆时针时，输出电压矢量V6，

转子方向为顺时针时，输出电压矢量V3，

若磁链位于第VI扇区，即(H_a,H_b,H_c)＝(1,0,0)，

转子方向为逆时针时，输出电压矢量V1，

转子方向为顺时针时，输出电压矢量V4，

若磁链位于第Ⅰ扇区，即(H_a,H_b,H_c)＝(1,1,0)，

转子方向为逆时针时，输出电压矢量V2，

转子方向为顺时针时，输出电压矢量V5，

若磁链位于第II扇区，即(H_a,H_b,H_c)＝(0,1,0)，

转子方向为逆时针时，输出电压矢量V3，

转子方向为顺时针时，输出电压矢量V6，

若磁链位于第III扇区，即(H_a,H_b,H_c)＝(0,1,1)，

转子方向为逆时针时，输出电压矢量V4，

转子方向为顺时针时，输出电压矢量V1，

若磁链位于第IV扇区，即(H_a,H_b,H_c)＝(0,0,1)，

转子方向为逆时针时，输出电压矢量V5，

转子方向为顺时针时，输出电压矢量V2；

电压矢量V1对应的三相桥式逆变电路开关管的状态：a相桥臂的上开关管以及c相桥臂的下开关管导通，其余开关管关断，

电压矢量V2对应的三相桥式逆变电路开关管的状态：b相桥臂的上开关管以及c相桥臂的下开关管导通，其余开关管关断，

电压矢量V3对应的三相桥式逆变电路开关管的状态：a相桥臂的下开关管以及b相桥臂的上开关管导通，其余开关管关断，

电压矢量V4对应的三相桥式逆变电路开关管的状态：a相桥臂的下开关管以及c相桥臂的上开关管导通，其余开关管关断，

电压矢量V5对应的三相桥式逆变电路开关管的状态：b相桥臂的下开关管以及c相桥臂的上开关管导通，其余开关管关断，

电压矢量V6对应的三相桥式逆变电路开关管的状态：a相桥臂的上开关管以及b相桥臂的下开关管导通，其余开关管关断。