CN107579682B - 适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，其中，有效矢量的选择通过磁链控制环节实现，零矢量的插入通过变开关点控制器实现，其开关状态的切换点(开关点)可以发生在控制周期的任意时刻，主要包括求取电机转矩变化率、选取电机有效电压矢量、开关脉冲的产生、计算开关点时刻和计算电机转速。本发明考虑到了无刷直流电机控制系统的稳态转矩特性及逆变器开关频率；将转矩波动的峰值由控制周期的起始时刻平移到控制周期内部，通过计算变开关时刻的最优值减小了转矩波动，从而改善了系统的稳态特性，表现为稳态下系统转速跟踪误差小，系统运行更平稳。本发明实现了在无位置传感器的前提下对电机运行性能的优化。

Description

适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机控制领域，特别涉及在无位置传感器的情况下，兼顾电机的运行性能的电机控制领域。具体讲，涉及适用于无刷直流电机的直接自控制方法。

背景技术

无刷直流电机被广泛使用于工业应用场合，由于其具有转矩密度高、效率高等优势，近年来在电动汽车的驱动领域成为了关注的焦点。

转子位置信息的获取是对无刷直流电机进行精确控制的必要条件。安装传统的机械式位置传感器不仅会增加成本，还会降低整个系统的可靠性。采用电压、电流等易测量的信号辨识位置信号，从而实现无位置传感器控制是一种很有价值的解决方案。然而，无位置传感器控制算法可能给电机的运行性能带来调速范围窄，带载能力差，转矩波动大等不利影响。

在无位置传感器的情况下，兼顾电机的运行性能，对电机进行精确控制已成为当前的研究热点。由于磁链变量中包含转子位置信息，若能对该信息进行提取，则能够实现无刷直流电机的无位置传感器控制。

目前，基于磁链的位置信号辨识方法已在电机控制、伺服系统运行控制等领域得到成功应用。其应用包括基于磁链观测器，配合电流滞环比较器实现对电机的无位置传感器控制。此外，磁链作为一个与电机特性密切相关的变量，除了能够用来辨识转子位置信号，还能够作为控制变量控制电机的运行。然而，将直接转矩控制应用于反电动势为非正弦波的无刷直流电机时，跟踪的定子磁链轨迹实际为跳变的花瓣形，导致磁链给定函数较为复杂。直接转矩控制通过查开关表的方式来实时选取电压矢量，而开关表的建立需要转子位置信息，因而若欲实现无位置传感器控制，通常需要结合先进控制算法对位置信号进行辨识。若能够让磁链信号同时发挥双重作用，则能够简化控制结构。无刷直流电机的直接自控制方法通过对反电动势求积分观测定子磁链的幅值和相位，并根据定子磁链与转子位置之间的对应关系，利用定子磁链直接得出换相信号。然而与直接转矩控制类似，直接自控制采用磁链及转矩滞环比较器直接选取电压矢量以获取较快的动态响应，然而这种控制结构也带来了较大的转矩波动。

发明内容

为克服技术的不足，提供一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，有效提升系统的稳态性能。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，包括以下步骤：

步骤一、求取电机转矩变化率：

式(1)中，T_e为电机的电磁转矩；T_s为控制周期；R_s、L_s分别为电机绕组相电阻和电机绕组相电感；i_sα、i_sβ分别为电机绕组相电流在两相静止坐标系下的分量；k_α和k_β均为与反电动势系数k_e有关的常数，在不同的有效电压矢量作用下k_α和k_β的取值如下：

其中，V₁至V₆分别为逆变器在120°导通模式下6种不同开关状态的电压矢量；

式(1)中，M₁反映了所选的电压矢量对电机转矩变化率的影响，有：

M₁＝k_αu_sα+k_βu_sβ (2)

式(2)中，u_sα、u_sβ分别为电机绕组相电压在两相静止坐标系下的分量；

式(1)中，M₂反映了定子电流的采样值对电机转矩变化率的影响，有：

M₂＝k_αi_sα+k_βi_sβ (3)

式(1)中，M₃反映了反电动势对电机转矩变化率的影响，有：

M₃＝k_αe_α+k_βe_β (4)

式(4)中，e_α、e_β分别为电机定子绕组相反电势在两相静止坐标系下的分量；

步骤二、选取电机有效电压矢量：有效电压矢量根据定子磁链矢量在三相静止坐标系的ABC坐标轴上的投影值进行选择；

设转子永磁体磁链的幅值为定子磁链幅值的给定值ψ_s*；

在定子磁链矢量逆时针运动的过程中，导致有效电压矢量发生切换的边界条件包括下述情形之一：

a)定子磁链矢量的投影值增大到ψ_s ^*；

b)定子磁链矢量的投影值减小到-ψ_s ^*；

c)定子磁链矢量的投影值增大到0；

d)定子磁链矢量的投影值减小到0；

其中，有效电压矢量两次切换之间的时间即为定子磁链矢量转过一个扇区所需的时间 T；

步骤三、产生开关脉冲：一个控制周期内作用有两个电压矢量，分别为第1电压矢量 V_x1和第2电压矢量V_x2，当前控制周期为n，将第n-1个周期第2电压矢量赋值给当前控制周期n的第1电压矢量V_x1，如果该第1电压矢量V_x1为零矢量，则将滞环比较器当前输出的有效矢量赋值给当前控制周期n的第2电压矢量V_x2；如果该第1电压矢量V_x1为有效矢量，则该第2电压矢量V_x2设为零矢量；其中，零矢量是指逆变器正向导通相和负向导通相下桥臂的MOS管导通；

步骤四、计算开关点时刻：以转矩波动最小化为控制目标确定开关点的位置，即矢量作用时间t_1a：

式(5)中，T_e ^*表示电磁转矩的参考值，T_e0表示第n个采样时刻的电磁转矩实际值；一个控制周期内作用有两个电压矢量，分别为第1电压矢量V_x1和第2电压矢量V_x2，s₁和s₂分别是与第1电压矢量V_x1和第2电压矢量V_x2对应的转矩变化率，

t_1a的限幅值如下：

步骤五、计算电机转速：电机每转过一个扇区，磁链滞环比较器自动进行一次有效电压矢量的切换，无需转子位置信息提供换相信号，即可使电机沿着逆时针方向运转；电机在每个扇区的平均转速为：

式(7)中，T为定子磁链矢量转过一个扇区所需的时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，其考虑到了无刷直流电机控制系统的稳态转矩特性及逆变器开关频率；将转矩波动的峰值由控制周期的起始时刻平移到控制周期内部，通过计算变开关时刻的最优值减小了转矩波动，从而改善了系统的稳态特性，表现为稳态下系统转速跟踪误差小，系统运行更平稳。

(2)本发明提出的方法具有较宽的转速范围和较强的带载能力，实现了在无位置传感器的前提下对电机运行性能的优化。

(3)本发明方法在提高稳态转矩性能的同时保留了传统直接自控制方法控制结构简单，易于实现无位置传感器控制的特点。

附图说明

图1为无刷直流电机稳态转矩波动抑制方法实施例的原理图。

图2(a)为电压矢量示意图，图2(b)为直接自控制的扇区划分和开关状态选择示意图。

图3为开关序列对转矩波动的影响分析图。

图4为本发明中开关脉冲产生流程图。

具体实施方式

本发明的设计思路是，针对无刷直流电机系统所提出的一种结合变开关点的直接自控制策略，其考虑到了无刷直流电机控制系统的稳态转矩特性及逆变器开关频率；将转矩波动的峰值由控制周期的起始时刻平移到控制周期内部，通过计算变开关时刻的最优值减小了转矩波动，从而改善了系统的稳态特性，表现为稳态下系统转速跟踪误差小，系统运行更平稳；具有较宽的转速范围和较强的带载能力，控制结构简单，实现了在无位置传感器的前提下对电机运行性能的优化。

本发明提出的一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，其中，有效矢量的选择通过磁链控制环节实现，零矢量的插入通过变开关点控制器实现，其开关状态的切换点(开关点)可以发生在控制周期的任意时刻，包括以下具体内容：

一、求取电机转矩变化率,转矩变化率可根据电流变化率得出：

式(1)中，T_e为电机的电磁转矩；T_s为控制周期；R_s、L_s分别为电机绕组相电阻和电机绕组相电感；i_sα、i_sβ分别为电机绕组相电流在两相静止坐标系下的分量；k_α和k_β均为与反电动势系数k_e有关的常数，在不同的有效电压矢量作用下k_α和k_β的取值，其取值在不同电压矢量作用下各不相同，如表1所示；

表1各有效矢量作用下的k_α和k_β

其中，V₁至V₆分别为逆变器在120°导通模式下6种不同开关状态的电压矢量；

式(1)中，M₁反映了所选的电压矢量对电机转矩变化率的影响，有：

M₁＝k_αu_sα+k_βu_sβ (2)

式(2)中，u_sα、u_sβ分别为电机绕组相电压在两相静止坐标系下的分量；

式(1)中，M₂反映了定子电流的采样值对电机转矩变化率的影响，有：

M₂＝k_αi_sα+k_βi_sβ (3)

式(1)中，M₃反映了反电动势对电机转矩变化率的影响，有：

M₃＝k_αe_α+k_βe_β (4)

式(4)中，e_α、e_β分别为电机定子绕组相反电势在两相静止坐标系下的分量；

二、选取电机有效电压矢量：

有效电压矢量根据定子磁链矢量在三相静止坐标系的ABC坐标轴上的投影值进行选择；

设ψ_s*为定子磁链幅值的给定值，通常取值为转子永磁体磁链的幅值。

在定子磁链矢量逆时针运动的过程中，设定四种可导致电压矢量发生切换的边界条件，即包括有下述情形之一：

a)定子磁链矢量的投影值增大到ψ_s ^*；

b)定子磁链矢量的投影值减小到-ψ_s ^*；

c)定子磁链矢量的投影值增大到0；

d)定子磁链矢量的投影值减小到0；

其中，有效电压矢量两次切换之间的时间即为定子磁链矢量转过一个扇区所需的时间 T；

三、产生开关脉冲：

如图4所示，一个控制周期内作用有两个电压矢量，分别为第1电压矢量V_x1和第2电压矢量V_x2，当前控制周期为n，在脉冲产生过程中，为了保留传统直接自控制开关频率较低的优势，充分考虑开关频率的因素，将第n-1个周期第2电压矢量赋值给当前控制周期n 的第1电压矢量V_x1，即V_x1(n)＝V_x2(n-1)；如果该第1电压矢量V_x1为零矢量，则将滞环比较器当前输出的有效矢量赋值给当前控制周期n的第2电压矢量V_x2，即V_x2(n)＝{S_a1,S_b1,S_c1}；如果该第1电压矢量V_x1为有效矢量，则该第2电压矢量V_x2设为零矢量，即V_x2(n)＝V₀；其中，零矢量是指逆变器正向导通相和负向导通相下桥臂的MOS管导通；若t_1a＝T_s，则说明第1电压矢量需要作用一个完整的周期；若t_1a＝0，则说明第2电压矢量需要作用一个完整的周期。若0<t_1a<T_s，则说明t_1a是一个变开关点。

四、计算开关点时刻：

如图4所示，开关点只存在于一个有效矢量与一个零矢量的切换时刻；为了实现对转矩波动的抑制，以转矩波动最小化为控制目标确定开关点的位置，即矢量作用时间t_1a：

式(5)中，T_e ^*表示电磁转矩的参考值，T_e0表示第n个采样时刻的电磁转矩实际值；一个控制周期内作用有两个电压矢量，分别为第1电压矢量V_x1和第2电压矢量V_x2，s₁和s₂分别是与第1电压矢量V_x1和第2电压矢量V_x2对应的转矩变化率，其取值分别为

和

由于t_1a表示单个控制周期内第1电压矢量的作用时间，为保证方程的解有意义，需对 t_1a设置如下限幅值：

五、计算电机转速：

由于电机每转过一个扇区，磁链滞环比较器能够自动进行一次有效电压矢量的切换，而无需转子位置信息提供换相信号，即可使电机沿着逆时针方向运转。因此，电机在每个扇区的平均转速为：

式(7)中，T为定子磁链矢量转过一个扇区所需的时间。

下面结合附图和具体实施例对本发明的控制原理和具体实施方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

控制方法框图如图1所示。针对固定开关点控制存在的问题，本发明采用变开关点的控制思想，提出一种低转矩波动的无刷直流电机直接自控制策略。有效矢量由磁链控制环节确定，以实现电机的正常运转；零矢量由变开关点控制器插入，以实现减小转矩波动的控制目标。在此过程中，无需位置信息提供的换相信号，而是根据磁链滞环的工作原理，在切换扇区时自动实现换相。

电压矢量如图2(a)所示。定义开关变量S_i,i∈{a,b,c}，来表示逆变器三个桥臂中开关管的开关状态。

根据上述定义，逆变器共有27种开关状态。本文采用传统的120度导通模式，故共有 9种可选择的开关状态。为便于分析，采用电压矢量V_m(S_a,S_b,S_c),m∈{1,2,3,4,5,6,7,8,9}来描述9种开关状态(6个有效矢量和3个零矢量)。在图2(a)中，将αβ坐标平面以60°电角度为单位划分为六个扇区I～VI。

磁链矢量的运动轨迹和有效电压矢量的选择过程如图2(b)所示。图中的正六边形为定子磁链矢量ψ_s的运动轨迹，以逆时针为正方向。而正六边形的内切圆半径为ψ_s*，表示磁链的参考值。磁链控制的实现由磁链观测和磁链滞环比较器这两个环节组成。定子磁链的观测采用电压模型法得出。在磁链滞环比较环节，定子磁链在三相静止坐标系的投影ψ_j(j＝C,A, B)分别对有效矢量对应的开关变量S_i1，(i＝a,b,c)进行控制。

每一相的磁链滞环由两个滞环比较器叠加而成。磁链在j轴上的投影及其相反数分别输入H₁、H₂这两个滞环比较器，两个滞环比较器的滞环逻辑表达式分别为

式(8)和式(9)中，band₁和band₂表示滞环宽度，

band₂＝0+q，ψ_j表示定子磁链在j轴上的投影，q是与环宽有关的一个常数。

将H₁与H₂的输出值相加，可以得出i相的开关状态S_i1。

S_i1＝H₁+H₂ (10)

以ψ_s逆时针运动至图2(b)当中的P点为例，说明开关状态的切换情况。此时ψ_s在C轴的投影刚好减小至-ψ_s ^*，因此H₂发生动作，输出值变为-1。这样，S_a1即由0变为-1。

图3中的①～⑥分别对应V₁～V₆作用下转矩的增减趋势，⑧、⑨表示分别零矢量V₈、V₉作用下转矩的增减趋势。根据直接自控制的基本原理可知，零矢量通常插入在两个有效矢量之间，用于对开关管进行续流，本文所使用的零矢量采用正向导通相和负向导通相两相下桥臂的MOS管进行续流。例如，如需在有效矢量V₃或V₆之后插入零矢量，则插入零矢量V₇。

当作用的电压矢量发生变化时，即开关状态发生切换的瞬间，转矩变化率会发生突变，从而导致转矩的波形发生转折。以下将开关状态的切换时刻称为开关点，由图3可以看出，转矩波动的峰值会发生在开关点上。

对于传统的直接自控制，其开关点是固定的，且只能位于每个控制周期首或尾时刻。固定开关点使转矩波动的极大值发生在控制周期的首、尾两个时刻。若对开关点进行平移，由图3可以看出，当开关点由A点平移至B点时，转矩折线由图中的折线XYZ变为折线xyzw。由此可见，当开关点平移合适的距离，转矩波动的峰值会明显减小。

综上所述，可以得出：1)传统固定开关点直接自控制的转矩波动最大值会发生在控制周期的首、尾两个时刻，由于开关点固定，转矩波动的峰值会受到控制周期长度的影响。2) 适当平移开关点后，转矩波动的峰值可能发生在控制周期内的任意时刻，此外，通过合理计算开关点，可以有效降低转矩波动的峰值。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、求取电机转矩变化率：

式(1)中，T_e为电机的电磁转矩；T_s为控制周期；R_s、L_s分别为电机绕组相电阻和电机绕组相电感；i_sα、i_sβ分别为电机绕组相电流在两相静止坐标系下的分量；k_α和k_β均为与反电动势系数k_e有关的常数，在不同的有效电压矢量作用下k_α和k_β的取值如下：

其中，V₁至V₆分别为逆变器在120°导通模式下6种不同开关状态的电压矢量；V₁对应的开关状态为(1，0，-1)，V₂对应的开关状态为(0，1，-1)，V₃对应的开关状态为(-1，1，0)，V₄对应的开关状态为(-1，0，1)，V₅对应的开关状态为(0，-1，1)，V₆对应的开关状态为(1，-1，0)；

式(1)中，M₁反映了所选的电压矢量对电机转矩变化率的影响，有：

M₁＝k_αu_sα+k_βu_sβ (2)

式(2)中，u_sα、u_sβ分别为电机绕组相电压在两相静止坐标系下的分量；

式(1)中，M₂反映了定子电流的采样值对电机转矩变化率的影响，有：

M₂＝k_αi_sα+k_βi_sβ (3)

式(1)中，M₃反映了反电动势对电机转矩变化率的影响，有：

M₃＝k_αe_α+k_βe_β (4)

式(4)中，e_α、e_β分别为电机定子绕组相反电势在两相静止坐标系下的分量；

步骤二、选取电机有效电压矢量：

有效电压矢量根据定子磁链矢量在三相静止坐标系的ABC坐标轴上的投影值进行选择；

设转子永磁体磁链的幅值为定子磁链幅值的给定值ψ_s*；

在定子磁链矢量逆时针运动的过程中，导致有效电压矢量发生切换的边界条件包括下述情形之一：

a)定子磁链矢量的投影值增大到ψ_s ^*；

b)定子磁链矢量的投影值减小到-ψ_s ^*；

c)定子磁链矢量的投影值增大到0；

d)定子磁链矢量的投影值减小到0；

其中，有效电压矢量两次切换之间的时间即为定子磁链矢量转过一个扇区所需的时间T；

步骤三、产生开关脉冲：

一个控制周期内作用有两个电压矢量，分别为第1电压矢量V_x1和第2电压矢量V_x2，当前控制周期为n，将第n-1个周期第2电压矢量赋值给当前控制周期n的第1电压矢量V_x1，如果该第1电压矢量V_x1为零矢量，则将滞环比较器当前输出的有效矢量赋值给当前控制周期n的第2电压矢量V_x2；如果该第1电压矢量V_x1为有效矢量，则该第2电压矢量V_x2设为零矢量；其中，零矢量是指逆变器正向导通相和负向导通相下桥臂的MOS管导通；

步骤四、计算开关点时刻：

以转矩波动最小化为控制目标确定开关点的位置，即矢量作用时间t_1a：

式(5)中，T_e ^*表示电磁转矩的参考值，T_e0表示第n个采样时刻的电磁转矩实际值；一个控制周期内作用有两个电压矢量，分别为第1电压矢量V_x1和第2电压矢量V_x2，s₁和s₂分别是与第1电压矢量V_x1和第2电压矢量V_x2对应的转矩变化率，

t_1a的限幅值如下：

步骤五、计算电机转速：

电机每转过一个扇区，磁链滞环比较器自动进行一次有效电压矢量的切换，无需转子位置信息提供换相信号，即可使电机沿着逆时针方向运转；电机在每个扇区的平均转速为：

式(7)中，T为定子磁链矢量转过一个扇区所需的时间。

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