CN111082711A - 一种无刷直流电机反步法控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无刷直流电机反步法控制方法及系统，所述方法将设定的无刷直流电机机械角速度给定值
和转速检测模块输出的电机机械角速度ωm的误差eω输入到速度反步控制器进行控制，得到电机参考q轴电流
将q轴假定电流
与实际q轴电流的误差作为电流反步控制器的输入；假定
与实际d轴电流的误差作为电流反步控制器的另一个输入；将电流反步控制器输出的定子电压在旋转坐标系下的分量
输入至反Park变换模块；将
输入至空间矢量调制模块，经过空间矢量调制算法后，得到逆变器所需的三相开关控制信号Sa、Sb、Sc。本发明实现了无刷直流电机系统的完全解耦，简化了系统的设计过程，减少了系统的调整参数，提高转速、电流跟踪性能和抗干扰性能。
Description
技术领域
本发明属于无刷直流电机调速领域，具体涉及一种无刷直流电机反步法控制方法及系统。
背景技术
20世纪初，有刷直流电机的发展已趋于成熟，但有刷直流电机存在因机械电刷导致的换向摩擦、噪声、寿命短、维护成本高等问题。无刷直流电机采用电子换向代替电刷换向，解决了因机械电刷引起的上述问题，具有更高的输出转矩与电机体积比，在电动汽车、家用电器、工业自动化以及航空航天设备领域的应用越来越广泛。无刷直流电机是一个非线性、强耦合、时变的系统，传统的比例积分微分(PID)控制算法积分系数不变，导致积分增量稳定的增加或减小，在控制过程中难免会出现正向或负向积分饱和，不能满足更高精度的控制要求，目前采用的非线性控制方法设计比较复杂且不易实现。反步法控制属于非线性控制，既能保证闭环系统全局有界，又可以渐近跟踪参考信号，还能对系统非线性无任何增长性条件限制。
发明内容
发明目的：本发明提出一种无刷直流电机反步法控制方法及系统，实现了无刷直流电机系统的完全解耦，简化了系统的设计过程，减少了系统的调整参数，提高转速、电流跟踪性能和抗干扰性能。
技术方案：本发明所述的一种无刷直流电机反步法控制方法，具体包括以下步骤：
(1)将设定的无刷直流电机机械角速度给定值
和转速检测模块输出的电机机械角速度ωm的误差eω输入到速度反步控制器进行控制，得到电机参考q轴电流
(2)将q轴参考电流
与实际q轴电流的误差作为电流反步控制器的输入，进行控制后得到定子电压在旋转坐标下的q轴分量
(3)假定电机参考d轴电流
与实际d轴电流的误差作为电流反步控制器的另一个输入，进行控制后得到定子电压在旋转坐标下的q轴分量
(4)将电流反步控制器输出的定子电压在旋转坐标系下的分量
输入至反Park变换模块；
(5)将
输入至空间矢量调制模块，经过空间矢量调制算法后，得到逆变器所需的三相开关控制信号Sa、Sb、Sc。
进一步地，所述步骤(1)通过以下公式实现：
其中，p为无刷直流电机极对数，ψf为无刷直流电机永磁体磁链，B为无刷直流电机阻尼系数，ωm为无刷直流电机机械角速度，TL为负载转矩，kω为转速反步控制器常数。
进一步地，所述步骤(2)通过以下公式实现：
其中，Ld、Lq为定子电感在旋转坐标系下的分量，id、iq为定子电流在旋转坐标系下的分量，R为定子电阻，kq为q轴电流反步控制常数。
进一步地，所述步骤(3)通过以下公式实现：
其中，kd为d轴电流反步控制常数。
7、根据权利要求1所述的一种无刷直流电机反步法控制方法，其特征在于，所述步骤(4)通过以下公式实现：
进一步地，所述步骤(5)包括以下步骤：
(51)进行参考电压矢量的判断，定义A、B、C三个变量，
(52)计算非零矢量和零矢量的作用时间，确定各个扇区矢量切换点；
(53)根据基本电压矢量和各个扇区矢量切换点的对应关系，确定逆变器所需的开关控制信号Sa、Sb、Sc；
(54)逆变器得到三相开关控制信号Sa、Sb、Sc后对开关元件进行控制，从而控制无刷直流电机。
本发明还提出一种无刷直流电机反步法控制系统，包括速度反步控制器(1)、电流反步控制器、反Park变换模块、空间矢量调制模块、逆变器、无刷直流电机、位置检测模块、三相电流检测模块、转速检测模块、Clark变换模块和Park变换模块；其中反步控制器、电流反步控制器、反Park变换模块、空间矢量调制模块、逆变器、无刷直流电机依次连接；无刷直流电机和位置检测模块、转速检测模块相连接；所述位置检测模块和反Park变换、Park变换模块相连接；所述三相电流检测模块和逆变器、Clark变换模块相连接；所述转速检测模块与速度反步控制器、电流反步控制器相连接；所述Clark变换模块和Park变换模块相连接；所述Park变换模块和电流反步控制器相连接。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、实现了无刷直流电机系统的完全解耦，简化了系统的设计过程，减少了系统的调整参数，提高转速、电流跟踪性能和抗干扰性能；2、本发明通过速度反步控制器，选取机械角速度误差作为虚拟状态变量，可以快速跟踪机械角速度变化，产生参考q轴电流，满足无刷直流电机调速的目的；3、本发明通过电流反步控制器，选取电流误差作为虚拟状态变量，可以快速响应电流的变化，产生指定电压值，满足无刷直流电机控制的需要。
附图说明
图1是一种无刷直流电机反步法控制系统框架图；
图2是基本电压空间矢量的大小和位置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明所述的一种无刷直流电机反步法控制系统，如图1所示，包括速度反步控制器(1)、电流反步控制器(2)、反Park变换模块(3)、空间矢量调制模块(4)、逆变器(5)、无刷直流电机(6)、位置检测模块(7)、三相电流检测模块(8)、转速检测模块(9)、Clark变换模块(10)和Park变换模块(11)；反步控制器(1)、电流反步控制器(2)、反Park变换模块(3)、空间矢量调制模块(4)、逆变器(5)、无刷直流电机(6)依次连接；无刷直流电机(6)和位置检测模块(7)、转速检测模块(9)相连接；所述位置检测模块(7)和反Park变换(3)、Park变换模块(11)相连接；三相电流检测模块(8)和逆变器(5)、Clark变换模块(10)相连接；转速检测模块(9)与速度反步控制器(1)、电流反步控制器(2)相连接；Clark变换模块(10)和Park变换模块(11)相连接；Park变换模块(11)和电流反步控制器(2)相连接。
本发明所述的一种无刷直流电机反步法控制方法，利用反步控制理论，采用速度反步控制器和电流反步控制器用于产生在旋转坐标系上的分量，并结合空间矢量调制方法产生适当的逆变器开关信号，进而控制无刷直流电机。位置检测模块检测无刷直流电机的电角位置，输入至反Park变换模块、Park变换模块进行坐标转换；三相电流检测模块检测逆变器产生的三相电流，经过Clark变换模块和Park变换模块得到实际电流的旋转分量；转速检测模块检测无刷直流电机的机械角速度和给定机械角速度的误差，输入至速度反步控制器；速度反步控制器产生给定q轴电流，与实际q轴电流做差后输入到电流反步控制器；同时，将给定d轴电流与实际d轴电流做差后输入到电流反步控制器；反Park变换模块将电流反步控制器输出电压的旋转分量变换为电压的静止分量；静止坐标系下的电压输入到空间矢量调制模块；空间矢量调制模块产生逆变器需要的开关状态，输入至逆变器，从而控制无刷直流电机运行。具体包括以下步骤：
步骤1：将设定的无刷直流电机机械角速度给定值
和转速检测模块输出的电机机械角速度ωm的误差eω输入到速度反步控制器进行控制，得到电机参考q轴电流
具体算法如下：
定义机械角速度误差为：
选择eω为新的状态变量，构造子系统，系统方程为：
为了使速度跟踪误差接近零，对于上述子系统构造李雅普诺夫函数为：
对李雅普诺夫函数求导可得：
为了使子系统稳定，即
恒成立，构建：
其中使kω＞0，子系统达到稳定状态，得到新的假定控制函数为：
式中：p为无刷直流电机极对数，ψf为无刷直流电机永磁体磁链，B为无刷直流电机阻尼系数，ωm为无刷直流电机机械角速度，TL为负载转矩，kω为转速反步控制器常数。
步骤2：将步骤1中得到的假定控制函数与实际q轴电流的误差作为电流反步控制器的输入，进行控制后得到定子电压在旋转坐标下的q轴分量
选择q轴电流误差为新的状态变量：
从而达到跟踪q轴电流的效果。
构造新的子系统，系统方程为：
为了使q轴电流误差接近零，对于子系统构造新的李雅普诺夫函数为：
对构造的李雅普诺夫函数进行求导：
为了使子系统稳定，即
恒成立，构建：
当kq＞0时，子系统达到稳定状态，可以得到新的假定控制函数为：
式中：Ld、Lq为定子电感在旋转坐标系下的分量，id、iq为定子电流在旋转坐标系下的分量，R为定子电阻，kq为q轴电流反步控制常数。
步骤3：假定
与实际d轴电流的误差作为电流反步控制器的另一个输入，进行控制后得到定子电压在旋转坐标下的q轴分量
选择d轴电流误差为新的状态变量：
从而达到跟踪d轴电流的效果。
选择ed为新的状态变量，构造子系统，系统方程为：
为了使d轴电流误差接近零，构造新的李雅普诺夫函数为：
对构造的李雅普诺夫函数进行求导：
为了使子系统稳定，即
恒成立，构建：
使kd＞0，子系统达到稳定状态，得到新的假定控制函数为：
式中：kd为d轴电流反步控制常数。
步骤4：电流反步控制器输出的定子电压在旋转坐标系下的分量
输入至反Park变换模块，具体算法如下：
步骤5：将变换后的定子电压在静止坐标系下的分量
输入至空间矢量调制模块，经过空间矢量调制算法后，得到逆变器所需的三相开关控制信号Sa、Sb、Sc，从而控制无刷直流电机。
具体算法如下：
(1)进行参考电压矢量的判断，定义A、B、C三个变量，令
定义符号函数sign(x),令
令N＝4sign(C)+2sign(B)+sign(A)，通过N的值确定合成参考定子电压矢量的相邻电压矢量：
N＝3时，定子电压矢量处于第I扇区，采用矢量u4和u6；
N＝1时，定子电压矢量处于第II扇区，采用矢量u6和u2；
N＝5时，定子电压矢量处于第III扇区，采用矢量u2和u3；
N＝4时，定子电压矢量处于第IV扇区，采用矢量u3和u1；
N＝6时，定子电压矢量处于第V扇区，采用矢量u1和u5；
N＝2时，定子电压矢量处于第VI扇区，采用矢量u5和u4。
(2)计算非零矢量和零矢量的作用时间。在传统SVPWM算法中用到了空间角度及三角函数，使得直接计算基本电压矢量作用时间变得十分困难。实际上，只要充分利用uα和uβ就可以使计算大为简化。如图2所示，以第I扇区为例，在一个空间矢量调制周期Ts内：
同理可得Uref在其他扇区中的作用时间。
通过计算扇区作用时间的方式来确定扇区矢量切换点。
(3)用开关信号表示逆变器输出空间矢量为u1(001)、u2(010)、u3(011)、u4(100)、u5(101)、u6(110)和两个零矢量u0(000)、u7(111)。根据基本电压矢量和扇区矢量切换点的对应关系，确定逆变器所需的开关控制信号Sa、Sb、Sc。
逆变器得到三相开关控制信号Sa、Sb、Sc后对开关元件进行控制，从而控制无刷直流电机。
Claims (7)
1.一种无刷直流电机反步法控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将设定的无刷直流电机机械角速度给定值
和转速检测模块输出的电机机械角速度ωm的误差eω输入到速度反步控制器进行控制，得到电机参考q轴电流
(2)将q轴参考电流
与实际q轴电流的误差作为电流反步控制器的输入，进行控制后得到定子电压在旋转坐标下的q轴分量
(3)假定电机参考d轴电流
与实际d轴电流的误差作为电流反步控制器的另一个输入，进行控制后得到定子电压在旋转坐标下的q轴分量
(4)将电流反步控制器输出的定子电压在旋转坐标系下的分量
输入至反Park变换模块；
(5)将
输入至空间矢量调制模块，经过空间矢量调制算法后，得到逆变器所需的三相开关控制信号Sa、Sb、Sc。
2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机反步法控制方法，其特征在于，所述步骤(1)通过以下公式实现：
其中，p为无刷直流电机极对数，ψf为无刷直流电机永磁体磁链，B为无刷直流电机阻尼系数，ωm为无刷直流电机机械角速度，TL为负载转矩，kω为转速反步控制器常数。
3.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机反步法控制方法，其特征在于，所述步骤(2)通过以下公式实现：
其中，Ld、Lq为定子电感在旋转坐标系下的分量，id、iq为定子电流在旋转坐标系下的分量，R为定子电阻，kq为q轴电流反步控制常数。
4.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机反步法控制方法，其特征在于，所述步骤(3)通过以下公式实现：
其中，kd为d轴电流反步控制常数。
5.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机反步法控制方法，其特征在于，所述步骤(4)通过以下公式实现：
6.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机反步法控制方法，其特征在于，所述步骤(5)包括以下步骤：
(51)进行参考电压矢量的判断，定义A、B、C三个变量，
(52)计算非零矢量和零矢量的作用时间，确定各个扇区矢量切换点；
(53)根据基本电压矢量和各个扇区矢量切换点的对应关系，确定逆变器所需的开关控制信号Sa、Sb、Sc；
(54)逆变器得到三相开关控制信号Sa、Sb、Sc后对开关元件进行控制，从而控制无刷直流电机。
7.一种采用如权利要求1所述方法的无刷直流电机反步法控制系统，其特征在于，包括速度反步控制器(1)、电流反步控制器(2)、反Park变换模块(3)、空间矢量调制模块(4)、逆变器(5)、无刷直流电机(6)、位置检测模块(7)、三相电流检测模块(8)、转速检测模块(9)、Clark变换模块(10)和Park变换模块(11)；所述反步控制器(1)、电流反步控制器(2)、反Park变换模块(3)、空间矢量调制模块(4)、逆变器(5)、无刷直流电机(6)依次连接；所述无刷直流电机(6)和位置检测模块(7)、转速检测模块(9)相连接；所述位置检测模块(7)和反Park变换(3)、Park变换模块(11)相连接；所述三相电流检测模块(8)和逆变器(5)、Clark变换模块(10)相连接；所述转速检测模块(9)与速度反步控制器(1)、电流反步控制器(2)相连接；所述Clark变换模块(10)和Park变换模块(11)相连接；所述Park变换模块(11)和电流反步控制器(2)相连接。
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