CN107547023A - 一种高速无刷直流电机弱磁升速控制方法 - Google Patents
一种高速无刷直流电机弱磁升速控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高速无刷直流电机弱磁升速控制方法，根据电机的转子位置得到三相反电势，计算反电势在αβ坐标系下的模值和角度，依据电机的电压、电感、反电势、转矩和转速等参数，计算电流超前反电势的角度，基于电流超前角度对反电势的模值和角度进行调节，结合电机转矩产生αβ坐标系下的给定电流标幺值。根据三相电流得到αβ坐标系下的电流反馈值，将αβ坐标系下的电流给定值与反馈值作差，经PI调节器后产生αβ坐标系下的电压矢量，从而产生PWM波驱动逆变器的开关管，带动电机旋转，实现无刷直流电机的弱磁升速。有益效果是：在转速变化情况下对电流的超前角进行实时调整，保证了无刷直流电机在基频以上能够有效弱磁，实现电机转速的提升。
Description
技术领域
本发明属于无刷直流电机的弱磁控制方法，涉及一种高速无刷直流电机弱磁升速控制方法，特别是在高速状态下通过自适应调整电流超前角的弱磁升速控制方法。
背景技术
无刷直流电机具有高体积能量的优点，在汽车电子、医疗器械和航空航天领域都有所应用。无刷直流电机的结构特点决定了梯形波的反电势分布，基于解耦控制的传统永磁同步电机弱磁方法已经不再适用。无刷直流电机在“三相六状态”控制方法下，控制导通角超前能使绕组提前换相，电机可以扩速运行。但在绕组内部会产生环路电流，使电机效率降低，扩速范围有限，弱磁升速实现困难。
无刷直流电机相电流超前相反电势的角度称为内功角，增大内功角的值可以使电机工作在基频以上，电机运行在恒功率状态。根据反电势的特征以及转速的要求，动态控制内功角的大小以及相电流的幅值可实现无刷直流电机的弱磁升速，电流超前角度的大小受转速的影响，弱磁升速过程中需要调整内功角以达到更好的转速提升性能。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高速无刷直流电机弱磁升速控制方法，解决无刷直流电机在基频以上弱磁升速困难的问题。
技术方案
一种高速无刷直流电机弱磁升速控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将无刷直流电机的三相反电势ea、eb和ec进行3s/2s变换，从ABC坐标系变换至αβ坐标系，得到αβ坐标系下的反电势eα和eβ；再将反电势eα和eβ由αβ坐标系经过极坐标变换后，得到反电势的模值em和角度θe；
步骤2：根据转矩、转速和反电势模值，计算三相电流矢量的模值：
电流矢量的模值：
其中，T为电机实际的电磁转矩，ω为电机角速度，em为反电势模值，θ为反电势与电流的夹角；
将三相电流ia、ib和ic进行3s/2s变换，将电流从ABC坐标系变换至αβ坐标系下，得到αβ坐标系下的电流反馈值i′α和i′β；
步骤3、计算弱磁状态下相电流超前相反电势的角度：
其中，Um为输入电压模值，ωi为电流旋转速度，L为电机电感；
步骤4：基于相电流超前角度值θ和反电势模值em和角度θe，得到αβ坐标系下的电流给定值：
其中：Tset为电机给定的电磁转矩；
步骤5：由αβ坐标系下电流给定值和步骤1得到的电流反馈值计算电压矢量uα、uβ：
其中：KPα和KPβ为比例常数，KIα和KIβ为积分常数，s为积分变量，iα和iβ为电流给定值，i′α和i′β为电流反馈值；
以得到的uα、uβ产生控制PWM波无刷直流电机弱磁的升速。
所述Tset由转速给定值与反馈值作差，并经过PI调节器后得到。
有益效果
本发明提出的一种高速无刷直流电机弱磁升速控制方法，根据电机的转子位置得到三相反电势，计算反电势在αβ坐标系下的模值和角度，依据电机的电压、电感、反电势、转矩和转速等参数，计算电流超前反电势的角度，基于电流超前角度对反电势的模值和角度进行调节，结合电机转矩产生αβ坐标系下的给定电流标幺值。根据三相电流得到αβ坐标系下的电流反馈值，将αβ坐标系下的电流给定值与反馈值作差，经PI调节器后产生αβ坐标系下的电压矢量，从而产生PWM波驱动逆变器的开关管，带动电机旋转，实现无刷直流电机的弱磁升速。
本发明的有益效果是：无刷直流电机在基频以上升速困难，可以通过增大电流的超前角实现弱磁升速，但电流超前角受电机转速的影响。本发明所提出的一种高速无刷直流电机弱磁升速控制方法，在转速变化情况下对电流的超前角进行实时调整，保证了无刷直流电机在基频以上能够有效弱磁，实现电机转速的提升。
附图说明
图1是反电势模值和角度计算框图；
图2是电流反馈值计算框图；
图3是电流给定值计算框图；
图4是电压矢量计算框图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的基本思想是根据电机的运行参数计算出弱磁控制方式下电流超前反电势的角度值，基于得到角度值调节反电势的模值和角度，利用调节后的反电势模值和角度得到αβ坐标系下给定电流值，给定电流与反馈电流作差，经PI调节后产生PWM波控制无刷直流电机旋转。
本发明实施例具体按照以下步骤实施：
步骤1：利用无刷直流电机的三相反电势，经过3s/2s变换、极坐标变换计算反电势的模值和角度。
反电势的模值和角度计算如图1：
将无刷直流电机的三相反电势ea、eb和ec进行3s/2s变换，从ABC坐标系变换至αβ坐标系，得到αβ坐标系下的反电势eα和eβ；再将反电势eα和eβ由αβ坐标系经过极坐标变换后，得到反电势的模值em和角度θe；
其中，ea、eb和ec分别为电机三相反电势，3s/2s变换将反电势从ABC坐标系变换至αβ坐标系，eα和eβ为αβ坐标系下的反电势。αβ坐标系下的反电势经过极坐标变换后，得到反电势的模值em和角度θe。
步骤2：根据转矩、转速和反电势模值，计算三相电流矢量的模值，将三相电流进行3s/2s变换得到αβ坐标系下的电流反馈值。
电流矢量的模值可表示为
其中，T为电机的电磁转矩，ω为电机角速度，em为反电势模值，θ为反电势与电流的夹角。
三相电流由ABC坐标系变换至αβ坐标系如图2：
ia、ib和ic分别为电机三相电流，3s/2s变换将电流从ABC坐标系变换至αβ坐标系，i′α和i′β为αβ坐标系下的电流反馈值。
步骤3：计算弱磁状态下相电流超前相反电势的角度。
电机输入电压的极坐标形式为
其中，Um为输入电压模值，θu为输入电压角度，ωi为电流旋转速度，L为电机电感，im为电流模值。
将步骤2中得到电流矢量的模值带入式(2)可得
等式两边分别展开，实部与虚部分别对应相等可得
将式(4)两边平方相加，化简后得到
计算相电流的超前角度值
步骤4：基于步骤3得到的相电流超前角度值和步骤1得到的反电势模值和角度，得到αβ坐标系下的电流给定值。
αβ坐标系下的电流给定值计算如图3：
利用反电势的模值和角度，引入电流超前角度值进行调节，调节后的反电势幅值和角度值可表示为
αβ坐标系下的电流给定值可表示为
Tset为电机给定的电磁转矩；或由转速给定值与反馈值作差，并经过PI调节器后得到；
步骤5：由αβ坐标系下电流给定值和步骤1得到的电流反馈值计算电压矢量uα、uβ。
αβ坐标系下的电压矢量计算如图4：
其中：KPα和KPβ为比例常数，KIα和KIβ为积分常数，s为积分变量，iα和iβ为电流给定值，i′α和i′β为电流反馈值；
其中，PI调节器为比例积分调节器，得到的的uα、uβ用来产生PWM波；
以得到的uα、uβ产生控制PWM波无刷直流电机弱磁的升速。
Claims (2)
1.一种高速无刷直流电机弱磁升速控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将无刷直流电机的三相反电势ea、eb和ec进行3s/2s变换，从ABC坐标系变换至αβ坐标系，得到αβ坐标系下的反电势eα和eβ；再将反电势eα和eβ由αβ坐标系经过极坐标变换后，得到反电势的模值em和角度θe；
步骤2：根据转矩、转速和反电势模值，计算三相电流矢量的模值：
电流矢量的模值：
其中，T为电机实际的电磁转矩，ω为电机角速度，em为反电势模值，θ为反电势与电流的夹角；
将三相电流ia、ib和ic进行3s/2s变换，将电流从ABC坐标系变换至αβ坐标系下，得到αβ坐标系下的电流反馈值i′α和i′β；
步骤3、计算弱磁状态下相电流超前相反电势的角度：
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其中，Um为输入电压模值，ωi为电流旋转速度，L为电机电感；
步骤4：基于相电流超前角度值θ和反电势模值em和角度θe，得到αβ坐标系下的电流给定值：
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其中：Tset为电机给定的电磁转矩；
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步骤5：由αβ坐标系下电流给定值和步骤1得到的电流反馈值计算电压矢量uα、uβ：
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其中：KPα和KPβ为比例常数，KIα和KIβ为积分常数，s为积分变量，iα和iβ为电流给定值，i′α和i′β为电流反馈值；
以得到的uα、uβ产生控制PWM波无刷直流电机弱磁的升速。
2.根据权利要求1所述高速无刷直流电机弱磁升速控制方法，其特征在于：所述Tset由转速给定值与反馈值作差，并经过PI调节器后得到。
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