CN109150033B - 双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法，涉及磁阻类电动机控制领域。本发明包括：检测电流过零点对应的电角度作为电流相位的观测值，并将过零点的角度作为被控量，将提前换相角作为控制量，进行反馈闭环控制，从而实现提前换相角的自动调节和电流相位的自动控制，使得不同励磁电流、转速和负载下电流相位与反电势相位保持同步。本发明避免了由于电流相位滞后导致的输出转矩降低和转矩脉动变大的问题，可提高电动机在高转速下的转矩输出性能,在多电飞机、新能源汽车等系统中有重要应用价值。

Description

双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法

技术领域

本发明涉及磁阻类电动机控制领域，尤其涉及双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法。

背景技术

双凸极无刷直流电机(下文简称双凸极电机)由于其结构简单可靠、成本低廉等优势，在航空起动发电和电动汽车等领域引起了广泛的研究兴趣。根据励磁方式的不同，双凸极电机可以分为永磁励磁双凸极电机、电励磁双凸极电机和混合励磁双凸极电机三种。

由于反电势为独特的非正弦波形，双凸极电动机的电流需要控制为阶梯形的准方波，才能获得良好的转矩性能。阶梯形电流的阶跃变化需要电流换相十分迅速。但是电机转速较高时，换相电抗较大，反电势也较大，限制了电流的迅速变化，电流换相的控制效果因此变差，电流换相慢且相位滞后，带来较大的换相转矩脉动，降低了电机的输出转矩。提前角控制方法通过将换相位置提前标准换相位置一个电角度，使得电流的换相提前，补偿相位滞后，从而改善因换相慢且相位滞后所带来的问题。

电流的换相过程在不同的工作条件参数(通常为转速、电枢电流或负载转矩、励磁电流)下各不相同，所以需要不同的提前换相角。对于每一个特定的工作条件，有一个最优的提前换相角。寻找合适的提前换相角问题实际上是不同条件下对于特定目标(比如最大转矩电流比)的参数优化问题。提前换相角α的优化方法可以分成两种：离线确定法，即事先由理论、仿真或者实验得到不同工作条件下的最优的提前换相角，用公式或者一个多维查找表描述最优α与工作条件参数之间的关系，建立最优提前换相角与工作条件参数之间的数学模型，实际运行时通过工作条件参数查表或者代入公式得到最优的提前换相角；在线寻优法：在线尝试不同的提前换相角，对优化目标进行评估，然后根据评估结果对提前换相角进行修正，这种不断试错和修正的方法还可以结合遗传算法，以避免陷入局部最优解。

离线确定法需要事先进行大量的计算、仿真或实验工作，往往费时费力，一套控制率仅仅适用于一种结构参数的电机，设计新的电机需要重新确定控制率，使得电机的设计周期较长，而且这种方法对于电机结构参数在实际运行时的不确定性变化的适应性较低，需要占用微控制器大量的存储空间，若对控制性能要求较高则需要在线修正数学模型。

在线寻优法加入了一个新的控制闭环，可以实现控制参数的自动调节，需要选取合适的控制参数与优化目标，使系统具有良好的能控性和能观性。现有技术中将转速调节器生成的电流给定作为反馈量，调节提前换相角使得电流给定值最小，实现了最大转矩电流比控制，这种方法没有对电流的相位滞后进行直接校正，且不能用于动态调速过程。

总而言之，离线确定法费时费力且适用性差。已有的在线寻优法没有直接对电流的相位进行观测和控制，所以未能取得良好的相位滞后补偿效果，不利于提高电机高转速下的转矩输出性能。

在一些情况下，双凸极电动机可以采用正弦电流控制，这时电流的相位有明确的定义，可以较为简单地进行观测和控制，因此容易实现对高转速下电流相位滞后的校正。但在一般情况下，双凸极电机的电流波形为非正弦的阶梯形准方波，谐波含量大、非线性强，并且不同工作条件下的电流波形畸变情况不同，不能用正弦电流的相位控制方法对阶梯形电流的相位进行控制。

综上,现有技术中缺乏一种电励磁双凸极电动机的控制方法,能自动控制电流相位,使得电流相位和反电动势同步,解决电流相位滞后严重的问题。

发明内容

本发明提供了双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法，能够在励磁电流、转速和负载变化的影响下，自动同步电流相位和反电动势相位，解决电流相位滞后的问题，提高电动机在高转速下的转矩输出性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法，包括：

S1、根据相电流传感器采集的电流信号i、转子位置传感器采集的转子位置角信号θ，检测相电流i经过零点时对应的转子位置角，将过零点对应的转子位置角标记为反馈值θ_{zc_fdb}。其中，检测电流过零点的方法是常规方法，现有技术中常用的有软件实现方法和硬件电路实现方法。

S2、将相电流期望过零点的角度标记为θ_{zc_ref}，用θ_{zc_ref}减去θ_{zc_fdb}，得到控制误差角θ_{zc_err}。

S3、控制误差角θ_{zc_err}经过误差校正环节进行误差校正处理，得到提前换相角α，提前换相角α被用来控制电流的换相过程，使电流换相的起始位置超前于标准位置，超前量为α。其中，电流换相的标准位置是采用常规方法控制双凸极电机时电流换相的起始位置。常规方法不对电流换相的起始位置进行调节，标准位置是固定的。

进一步的，相电流期望过零点的角度θ_{zc_ref}为电机定子极与转子极对齐位置的角度θ_align，使得电流在电机转子极与定子极对齐时经过零点。将电流过零点控制在这一位置能够使电动机获得较大的转矩电流比和较小的转矩脉动。

进一步的，误差校正环节为一个积分环节，在z域的表达式为：z/T/(z-1)，T为积分时间常数，这种设计的优点是结构形式简单，能够消除稳态静差。

本发明的原理是：

首先检测阶梯形电流过零点对应的电角度作为电流相位的观测值，用提前换相角来控制电流过零点的角度，使得电流过零点的角度不变。在不考虑电枢反应的情况下，反电势的相位与转子位置角保持同步，所以，当电流过零点的角度被控制时，电流相位与反电势相位保持同步。

本发明检测电流过零点并计算误差，误差经过误差校正环节处理得到提前换相角，提前换相角被施加给电动机后得到对应于这个提前换相角的电流过零点，进入下一个周期的循环，以此形成过零点控制系统，实现了提前换相角的在线寻优，使得电流相位不受励磁电流、转速和负载变化的影响，不同工作条件下能保持良好的转矩输出性能。

本发明的有益效果是：

双凸极电动机高转速时电流换相导致的电流相位滞后情况严重，本发明通过自动控制电流相位，使得电机不论工作条件如何变化，电流相位与反电势相位始终保持同步，锁定相电流与反电势的相位差，使得电流相位不受励磁电流、转速和负载变化的影响，在不同工作条件下仍然能保持良好的转矩输出性能；补偿后的电流相位，能改善高转速下由于电流换相所带来的输出转矩下降和换相转矩脉动的问题，从而提高电动机在高转速下的转矩输出性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为双凸极无刷直流电动机阶梯形相电流波形的示意图；

图2为转子位置角为0度时的电励磁三相双凸极无刷直流电机的结构示意图；

图3为转子位置角为120度时的电励磁三相双凸极无刷直流电机的结构示意图；

图4为转子位置角为240度时的电励磁三相双凸极无刷直流电机的结构示意图；

图5为电流同步控制方法的算法原理图；

图6为采用电流同步控制方法的电励磁三相双凸极无刷直流电动机的调速系统框图；

图7为三相无刷直流双凸极电动机的电流同步控制软件算法流程图；

图8为提前换相角控制三相电流的示意图；

图9为采用不同的提前换相角α控制电机得到的仿真结果图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供了电励磁三相双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法。对于电励磁三相双凸极电机，三相的相位互差120°，具有对称性，下文中的角度量除非特别说明，否则泛指任意一相的角度。

双凸极电动机阶梯形相电流波形的示意图如图1所示，其中，虚线为理想的阶梯形电流波形，理想电流与理想反电势相位相同，电流有正、负、零三种状态，电流过零点为电流由正经过零点变为负电流的点，理想电流的电流过零点是定子极和转子极对齐的位置，此转子位置角记为θ_align。电励磁三相双凸极电机的A、B、C三相的θ_align分别记为θ_{a_align}、θ_{b_align}和θ_{c_align}。图2、图3和图4分别是转子位置角为0°、120°和240°时的电励磁三相双凸极电机的结构示意图。当转子位置角为0°时，A相的定子极与转子极对齐，故θ_{a_align}等于0°；转子位置角为120°时，B相的定子极与转子极对齐，故θ_{b_align}等于120°；转子位置角为240°时，C相的定子极与转子极对齐，故θ_{c_align}等于240°。由于电流不可避免地存在换相过程，使得电流相位滞后，如图1中点划线所示，相位滞后现象在高转速和大电流情况下尤为明显。

因此，通过控制提前换相角α，使得电流提前换相，并且使得电流过零点为θ_align，此时电流波形如图1中实线所示。

电流同步控制方法的算法原理图如图5所示，θ_{zc_ref}表示电流过零点的期望值，θ_zc表示电流过零点的实际值。通过图示的闭环控制系统，能够自动计算相电流的提前换相角α，使得电流过零点的实际值θ_zc等于期望值θ_{zc_ref}。

采用电流同步控制方法的电励磁三相双凸极电动机的调速系统框图如图6所示，三相双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法的软件算法流程图如图7所示，具体步骤包括：

S1、采集电流信号：用三个霍尔电流传感器分别采集三相电流的模拟信号i_a、i_b、i_c，三相电流模拟信号经过二阶低通有源滤波器滤除高频噪声信号，然后送入A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号，电流信号A/D转换的采样频率为f_s，然后将采样电流得到的数字信号送入微处理器。

采集位置和转速信号：用旋转变压器和配套的解码芯片采集转子位置角的信号θ，以及转速信号n，然后将转子位置角信号和转速信号送入微处理器。

判断转速大小：微处理器对转速信号进行判断，若采集到的转速信号大于100r/min，则执行后续步骤进行电流的同步控制，否则不对电流进行同步控制。

检测过零点：对于每一相采样得到的电流信号，微处理器执行一个频率为f_s的与电流采样同步的中断程序，比较相邻两次采样的电流信号，如果前一次采样的电流值大于零，而后一次采样的电流值小于零，那么记录此时的转子位置角信号，作为相电流的过零点θ_{zc_fdb}；三相电流的过零点独立检测，得到的A、B、C三相电流的过零点分别为θ_{a_zc_fdb}、θ_{b_zc_fdb}和θ_{c_zc_fdb}。每检测到一次过零点，则执行一次S2-S3。

S2、计算过零点控制误差：将给定过零点θ_{zc_ref}设置为转子极与定子极对齐位置的转子位置角θ_align，用θ_align减去检测到的电流过零点，得到电流过零点控制误差θ_{zc_err}；三相电流过零点控制误差独立计算，分别为θ_{a_zc_err}、θ_{b_zc_err}和θ_{c_zc_err}。

S3、生成提前换相角：电流过零点控制误差θ_{zc_err}经过一个积分环节进行校正，并限制饱和幅值为80度电角度，得到提前换相角α。三相提前换相角独立生成，分别为α_a、α_b和α_c。积分环节的时间常数过大时，系统的稳定性较差，而时间常数过小，信号转换的误差被放大，鲁棒性变差。为了兼顾系统的稳定性和鲁棒性需求，将积分环节的时间常数设置为1。

微控制器根据提前换相角α_a、α_b和α_c生成对应的开关管的驱动信号，控制变换器开关管T1到T6的导通模态，使三相电流换相的起始位置分别超前于三相电流换相的标准位置，超前量为α。图8为提前换相角控制三相电流的示意图，图中120°，240°和360°为三相电流换相的标准位置，120°-α，240°-α和360°-α是采用了提前换相角α控制的三相电流换相的起始位置。

为了验证本实施例的有效性，对一台电励磁三相双凸极电机进行仿真。图9为采用不同的提前换相角α控制电机得到的平均输出转矩Tave，转矩峰峰值Tpp和电流过零点的仿真结果。

仿真中θ_align＝0°，当电流过零点也为0°时，电流过零点的位置角与电机定子极与转子极对齐的位置角θ_align相同。由图9可知，随着提前换相角α的增大，电流过零点逐渐减小，当电流过零点在0°附近时，平均转矩Tave和转矩峰峰值Tpp都达到了最优值，说明此时的转矩电流比较大而转矩脉动较小。

本发明的有益效果是：

(1)对于电励磁双凸极电动机，保证了电机在不同转速、不同电枢电流和不同励磁电流下，相电流能够和反电势保持同步，而不会出现电流增大或者转速升高时电流相位滞后于反电势相位的情况，从而避免了由于电流相位滞后导致的输出转矩降低和转矩脉动变大的问题；

(2)本发明可视为一种提前换相角的在线寻优方法，实现该方法不需要事先确定电机对象的参数，不需要大量的仿真实验和离线优化算法，对实际运行时参数变动的适应性好。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法，其特征在于，包括：

S1、根据相电流传感器采集的电流信号i、转子位置传感器采集的转子位置角信号θ，检测相电流i经过零点时对应的转子位置角，将过零点对应的转子位置角标记为反馈值θ_{zc_fdb}；

S2、将相电流期望过零点的角度标记为θ_{zc_ref}，用θ_{zc_ref}减去θ_{zc_fdb}，得到控制误差角θ_{zc_err}；

S3、控制误差角θ_{zc_err}经过误差校正环节进行误差校正处理，得到提前换相角α，提前换相角α被用来控制电流的换相过程，使电流换相的起始位置超前于标准位置，超前量为α；

其中，所述相电流期望过零点的角度θ_{zc_ref}为电机定子极与转子极对齐位置的角度θ_align。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述误差校正环节为一个积分环节。

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