发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种无刷直流电机最大转矩电流比控制方法和系统。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种无刷直流电机最大转矩电流比控制方法,包括:
采用位置传感器确定无刷直流电机的转子位置,从反电势空间位置数据库中获取反电势空间位置,从反电势电角速度倍比数据库中获取反电势电角速度倍比,以及从反电势波形系数数据库中获取反电势波形系数;
采用电流传感器检测得到两相电流实际值,并基于得到两相电流实际值利用以所述反电势空间位置为旋转角的旋转坐标变换矩阵,得到d轴的电流实际值和q轴的电流实际值;
将d轴的电流给定值置为0,并与所述d轴的电流实际值作差,经过d轴电流调节器ACDR得到d轴的初始电压给定值;
将给定电磁转矩与所述反电势波形系数作商,得到q轴的电流给定值;
将q轴的电流给定值与所述q轴的电流实际值作差,经过q轴电流调节器ACQR得到电压;
将所述电压与经过前馈补偿单元得到的电压补偿值相加,得到q轴的初始电压给定值;
将转子位置代入转速计算单元得到无刷直流电机的转子电角速度;
将所述反电势波形系数与转子电角速度相乘,再与极对数作商,得到反电势;
将所述反电势电角速度倍比与转子电角速度相乘,得到反电势电角速度;
利用所述反电势、所述反电势电角速度、d轴的电流实际值和q轴的电流实际值,对d轴的初始电压给定值和q轴的初始电压给定值进行解耦,得到最终的d轴的电压给定值和最终的q轴的电压给定值;
根据最终的d轴的电压给定值和最终的q轴的电压给定值,利用以反电势空间位置为旋转角的旋转反坐标变换矩阵得到A相电压参考值、B相电压参考值和C相电压参考值;
将所述A相电压参考值、所述B相电压参考值和所述C相电压参考值经PWM发生器输入到功率变换电路中,功率变换电路生成触发信号以驱动无刷直流电机运行。
优选地,所述反电势空间位置数据库的构建过程包括:
通过离线试验或有限元仿真,事先获得不同转子位置下的A相反电势和转子机械角速度;
将所述A相反电势和所述转子机械角速度相除,得到A相反电势系数,建立不同转子位置下的A相反电势系数数据库;
由转子位置通过查询所述A相反电势系数数据库得到当前转子位置下的第一A相反电势系数、第二A相反电势系数和第三A相反电势系数;
根据所述第一A相反电势系数、所述第二A相反电势系数和所述第三A相反电势系数,采用公式
得到当前转子位置下的反电势空间位置,进而得到所述反电势空间位置数据库;
其中,kA(θ)为第一A相反电势系数、kA(θ-2π/3)为第二A相反电势系数、kA(θ+2π/3)为第三A相反电势系数,θ1为反电势空间位置,θ为转子位置。
优选地,所述反电势电角速度倍比数据库的构建过程包括:
利用所述反电势空间位置数据库,采用公式
得到不同转子位置下的反电势电角速度倍比,进而得到所述反电势电角速度倍比数据库;
其中,kω为反电势电角速度倍比。
优选地,所述反电势波形系数数据库的构建过程包括:
由转子位置通过查询所述A相反电势系数数据库得到当前转子位置下的第一A相反电势系数、所述第二A相反电势系数和所述第三A相反电势系数;
根据所述第一A相反电势系数、所述第二A相反电势系数和所述第三A相反电势系数,采用公式
得到当前转子位置下的反电势波形系数,进而得到所述反电势波形系数数据库;
其中,ke为反电势波形系数。
优选地,所述电压补偿值由对q轴的电流给定值进行微分后再乘以相电感得到。
优选地,对d轴的初始电压给定值和q轴的初始电压给定值进行解耦的方式包括:
将所述d轴的初始电压给定值、所述q轴的初始电压给定值和所述d轴的电流实际值、所述q轴的电流实际值以及所述反电势、所述反电势电角速度代入公式
得到所述最终的d轴的电压给定值和所述最终的q轴的电压给定值;
其中,ud1 *为d轴的初始电压给定值,uq1 *为q轴的初始电压给定值,id为d轴的电流实际值,iq为q轴的电流实际值,e为反电势,ω1为反电势电角速度。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明提供的无刷直流电机最大转矩电流比控制方法,把反电势空间位置θ1作为等功率旋转坐标变换矩阵中的旋转角,使得在新的d-q坐标系下具有电磁转矩仅与q轴电流有关的特点;同时通过置与电磁转矩无关的d轴电流为0,可实现最大转矩电流比控制;通过给定电磁转矩的输入,实现了转矩脉动的抑制。本发明采用180°导通方式,能够实现抑制转矩脉动的同时达到最大转矩电流比控制的目的。
对应于上述提供的无刷直流电机最大转矩电流比控制方法,本发明还提供了以下实施系统:
一种无刷直流电机最大转矩电流比控制系统,包括:
参数确定模块,用于采用位置传感器确定无刷直流电机的转子位置,从反电势空间位置数据库中获取反电势空间位置,从反电势电角速度倍比数据库中获取反电势电角速度倍比,以及从反电势波形系数数据库中获取反电势波形系数;
电流实际值确定模块,用于采用电流传感器检测得到两相电流实际值,并基于得到两相电流实际值利用以所述反电势空间位置为旋转角的旋转坐标变换矩阵,得到d轴的电流实际值和q轴的电流实际值;
第一初始电压给定值确定模块,用于将d轴的电流给定值置为0,并与所述d轴的电流实际值作差,经过d轴电流调节器ACDR得到d轴的初始电压给定值;
电流给定值确定模块,用于将给定电磁转矩与所述反电势波形系数作商,得到q轴的电流给定值;
电压确定模块,用于将q轴的电流给定值与所述q轴的电流实际值作差,经过q轴电流调节器ACQR得到电压;
第二初始电压给定值确定模块,用于将所述电压与经过前馈补偿单元得到的电压补偿值相加,得到q轴的初始电压给定值;
转子电角速度确定模块,用于将转子位置代入转速计算单元得到无刷直流电机的转子电角速度;
反电势确定模块,用于将所述反电势波形系数与转子电角速度相乘,再与极对数作商,得到反电势;
反电势电角速度确定模块,用于将所述反电势电角速度倍比与转子电角速度相乘,得到反电势电角速度;
电压给定值确定模块,用于利用所述反电势、所述反电势电角速度、d轴的电流实际值和q轴的电流实际值,对d轴的初始电压给定值和q轴的初始电压给定值进行解耦,得到最终的d轴的电压给定值和最终的q轴的电压给定值;
电压参考值确定模块,用于根据最终的d轴的电压给定值和最终的q轴的电压给定值,利用以反电势空间位置为旋转角的旋转反坐标变换矩阵得到A相电压参考值、B相电压参考值和C相电压参考值;
控制模块,用于将所述A相电压参考值、所述B相电压参考值和所述C相电压参考值经PWM发生器输入到功率变换电路中,功率变换电路生成触发信号以驱动无刷直流电机运行。
因本发明提供的无刷直流电机最大转矩电流比控制系统达到的技术效果与上述提供的无刷直流电机最大转矩电流比控制方法达到的技术效果相同,故在此不再进行赘述。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种无刷直流电机最大转矩电流比控制方法和系统,能够实现最大转矩电流比控制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图2所示,d轴取转子磁场方向,q轴取空间上超前于d轴90电角度的方向,θ为当前时刻无刷直流电机的转子位置,同时也是转子磁场角,两轴以同步转速即转子电角速度ω逆时针旋转;结合本发明控制目的,为使转子磁场定向d-q旋转坐标系下的无刷直流电机的d轴反电势为0,此时的旋转变换矩阵中的旋转角是反电势空间位置θ1,与转子位置θ不完全重合并在附近摆动。
基于此,本发明提供的无刷直流电机最大转矩电流比控制方法如图1和图3所示,包括:
步骤100:采用位置传感器确定无刷直流电机的转子位置θ,从反电势空间位置数据库中获取反电势空间位置θ1,从反电势电角速度倍比数据库中获取反电势电角速度倍比kω,以及从反电势波形系数数据库中获取反电势波形系数ke。
步骤101:采用电流传感器检测得到两相电流实际值,并基于得到两相电流实际值利用以反电势空间位置为旋转角的旋转坐标变换矩阵,得到d轴的电流实际值id和q轴的电流实际值iq。
步骤102:将d轴的电流给定值id *置为0,并与d轴的电流实际值作差,经过d轴电流调节器ACDR得到d轴的初始电压给定值ud1 *。
步骤103:将给定电磁转矩Te *与反电势波形系数ke作商,得到q轴的电流给定值iq *。
步骤104:将q轴的电流给定值iq *与q轴的电流实际值iq作差,经过q轴电流调节器ACQR得到电压uq0 *。
步骤105:将电压uq0 *与经过前馈补偿单元得到的电压补偿值Δuq0 *相加,得到q轴的初始电压给定值uq1 *。其中,电压补偿值Δuq0 *由对q轴的电流给定值iq *进行微分后再乘以相电感得到。
步骤106:将转子位置θ代入转速计算单元得到无刷直流电机的转子电角速度ω。
步骤107:将反电势波形系数ke与转子电角速度ω相乘,再与极对数作商,得到反电势e。
步骤108:将反电势电角速度倍比kω与转子电角速度ω相乘,得到反电势电角速度ω1。
步骤109:利用反电势e、反电势电角速度ω
1、d轴的电流实际值i
d和q轴的电流实际值i
q,对d轴的初始电压给定值和q轴的初始电压给定值进行解耦,得到最终的d轴的电压给定值u
d *和最终的q轴的电压给定值u
q *。其中,将d、q轴初始电压给定值u
d1 *、u
q1 *和电流实际值i
d、i
q以及反电势e、反电势电角速度ω
1代入公式
得到最终的d、q轴电压给定值u
d *、u
q *。
步骤110:根据最终的d轴的电压给定值ud *和最终的q轴的电压给定值uq *,利用以反电势空间位置θ1为旋转角的旋转反坐标变换矩阵得到A相电压参考值uA *、B相电压参考值uB *和C相电压参考值uC *。
步骤111:将A相电压参考值、B相电压参考值和C相电压参考值经PWM发生器输入到功率变换电路中,功率变换电路生成触发信号以驱动无刷直流电机运行。
其中,反电势空间位置数据库的构建过程包括:
通过离线试验或有限元仿真,事先获得不同转子位置θ下的A相反电势eA和转子机械角速度Ω。
将A相反电势eA和转子机械角速度Ω相除,得到第一A相反电势系数kA,建立不同转子位置下的A相反电势系数数据库,即kA-θ数据库。
由转子位置通过查询A相反电势系数数据库得到当前转子位置下的第一A相反电势系数(即A相反电势系数)kA(θ)、第二A相反电势系数(即B相反电势系数)kA(θ-2π/3)和第三A相反电势系数(即C相反电势系数)kA(θ+2π/3)。
根据第一A相反电势系数k
A(θ)、第二A相反电势系数k
A(θ-2π/3)和第三A相反电势系数k
A(θ+2π/3),采用公式
得到当前转子位置下的反电势空间位置θ
1,进而得到反电势空间位置数据库,即θ
1-θ数据库。
反电势电角速度倍比数据库的构建过程包括:
利用反电势空间位置数据库即θ
1-θ数据库,采用公式
得到不同转子位置下的反电势电角速度倍比k
ω,进而得到反电势电角速度倍比数据库,即k
ω-θ数据库。
反电势波形系数数据库的构建过程包括:
由转子位置θ通过查询A相反电势系数数据库(kA-θ数据库)得到当前转子位置θ下的第一A相反电势系数kA(θ)、第二A相反电势系数kA(θ-2π/3)和第三A相反电势系数kA(θ+2π/3)。
根据第一A相反电势系数k
A(θ)、第二A相反电势系数k
A(θ-2π/3)和第三A相反电势系数k
A(θ+2π/3),采用公式
得到当前转子位置下的反电势波形系数k
e,进而得到反电势波形系数数据库。
下面基于如图3所示的具体实施框图,对本发明上述提供的无刷直流电机最大转矩电流比控制方法的具体实施过程进行说明。
本发明提供的上述控制方法的具体实施过程包括以下步骤:
(1)通过位置传感器确定无刷直流电机转子位置θ,分别查询反电势空间位置数据库、反电势电角速度倍比数据库、反电势波形系数数据库,得到反电势空间位置θ1、反电势电角速度倍比kω、反电势波形系数ke。
如图4所示,其为无刷直流电机A相理想反电势关于转子位置示意图。进一步地,如图5所示,其为在理想梯形波情况下反电势空间位置与转子位置的差值(θ1-θ)关于转子位置示意图,获取方法如下:本发明对传统的旋转坐标变换进行改变与调整,仅将等功率3s/2r变换的变换矩阵[C]中的旋转角由θ调整为θ1以满足d轴反电势为0的条件,得到了基于反电势坐标变换所需变换矩阵[C'],如下式所示:
进而理论推导得到任意时刻转子位置θ对应的合成反电势空间矢量角θ1的大小:
其中,三相反电势公式如下:
式中,kA、kB、kC分别为A、B、C三相反电势系数,Ω为转子机械角速度。
进一步地,反电势电角速度倍比kω数据库获得公式如下:
其中,
将反电势电角速度倍比kω定义为反电势空间位置θ1对转子位置θ的导数,该数值是根据转子位置θ查询反电势空间位置数据库,并求导计算得到的。
如图6所示,其为在理想梯形波情况下反电势电角速度倍比kω关于转子位置θ示意图。
(2)通过电流传感器检测得到的两相电流实际值,利用以反电势空间位置θ1为旋转角的旋转坐标变换矩阵,得到d、q轴电流实际值id、iq。
(3)将d轴电流给定值id *置为0,并与d轴电流实际值id作差,经过d轴电流调节器ACDR得到d轴初始电压给定值ud1 *。
(4)将给定电磁转矩Te *与反电势波形系数ke作商,得到q轴电流给定值iq *。将q轴电流给定值iq *与q轴电流实际值iq作差,经过q轴电流调节器ACQR得到电压uq0 *。将电压uq0 *与经过前馈补偿单元得到的电压补偿值Δuq0 *相加,得到q轴初始电压给定值uq1 *。
进一步地,如图7所示,其为在理想梯形波情况下反电势波形系数ke关于转子位置θ示意图,其中q轴电流计算单元以电磁转矩给定值Te *为输入,以q轴电流给定值iq *为输出,推导公式如下,
式中反电势波形系数ke是根据转子位置θ查询反电势波形系数数据库得到的值。
如图8所示,其为在理想梯形波情况下q轴电流给定值iq *及电流实际值iq示意图。
进一步地,由于任意时刻根据转子位置θ查询反电势波形系数ke(θ)数据库,得到的数值会随着转子位置的变化发生不成比例的抖动,在这种情况下,电流PI控制器无法达到良好的跟踪效果,因此设立前馈补偿单元对电感压降进行前馈补偿,其电压补偿值为,
(5)将转子位置θ代入转速计算单元,计算出无刷直流电机的转子电角速度ω。将反电势波形系数ke与转子电角速度ω相乘,再与极对数作商,得到反电势e。将反电势电角速度倍比kω与转子电角速度ω相乘,得到反电势电角速度ω1。利用反电势e及其电角速度ω1和d、q轴电流实际值id、iq,对d、q轴初始电压给定值ud1 *、uq1 *进行解耦,得到最终的d、q轴电压给定值ud *、uq *。
进一步地,此时d、q旋转坐标系下的电压方程为:
式中,R为相电阻,L为等效相电感,P为微分算子。
其中反电势e大小为:
式中,np为电机极对数。
(6)将最终的d、q轴电压给定值ud *、uq *,利用以反电势空间位置θ1为旋转角的旋转反坐标变换矩阵,得到A、B、C相电压参考值uA *、uB *、uC *。经PWM发生器输入到功率变换电路中,功率变换电路根据相应的触发信号驱动无刷直流电机运行。
如图9所示,其为在理想梯形波情况下检测到的三相电流实际值示意图。
基于这一实施方式能够得到,本发明提出改变变换矩阵中的旋转角的方法,运用离线实验或有限元仿真预先获得的数据库,做到了电磁转矩Te只与实际q轴电流iq有关的完全解耦控制,随后对q轴电流给定值iq *进行前馈补偿并对d、q轴初始电压给定值ud1 *、uq1 *进行解耦,得到最终的d、q轴电压给定值ud *、uq *。
综上,本发明在建立的转子磁场定向d-q旋转坐标系下的无刷直流电机动态数学模型基础上,事先通过离线实验或有限元仿真建立了A相反电势系数数据库,并结合转子磁场定向d-q旋转坐标系下的无刷直流电机的d轴反电势为0的特征,离线获得反电势空间位置数据库、反电势电角速度倍比数据库、反电势波形系数数据库。首先在转子磁场定向d-q旋转坐标系下电磁转矩仅与q轴电流有关,实现了d、q两轴之间的转矩解耦。其次,由于d轴反电势为0,利用d轴电流对转矩无贡献的特点,通过置d轴电流给定值为0的输入,实现了最大转矩电流比控制。最后通过给定电磁转矩的输入,实现了转矩脉动的抑制,能够解决转矩脉动的问题、实现最大转矩电流比控制,具有结构简单、无需换相区检测、无需额外硬件、容易实现的特点。
此外,对应于上述提供的无刷直流电机最大转矩电流比控制方法,本发明还提供了一种无刷直流电机最大转矩电流比控制系统。如图10所示,该控制系统包括:参数确定模块1、电流实际值确定模块2、第一初始电压给定值确定模块3、电流给定值确定模块4、电压确定模块5、第二初始电压给定值确定模块6、转子电角速度确定模块7、反电势确定模块8、反电势电角速度确定模块9、电压给定值确定模块10、电压参考值确定模块11和控制模块12。
其中,参数确定模块1用于采用位置传感器确定无刷直流电机的转子位置,从反电势空间位置数据库中获取反电势空间位置,从反电势电角速度倍比数据库中获取反电势电角速度倍比,以及从反电势波形系数数据库中获取反电势波形系数。
电流实际值确定模块2用于采用电流传感器检测得到两相电流实际值,并基于得到两相电流实际值利用以反电势空间位置为旋转角的旋转坐标变换矩阵,得到d轴的电流实际值和q轴的电流实际值。
第一初始电压给定值确定模块3用于将d轴的电流给定值置为0,并与d轴的电流实际值作差,经过d轴电流调节器ACDR得到d轴的初始电压给定值。
电流给定值确定模块4用于将给定电磁转矩与反电势波形系数作商,得到q轴的电流给定值。
电压确定模块5用于将q轴的电流给定值与q轴的电流实际值作差,经过q轴电流调节器ACQR得到电压。
第二初始电压给定值确定模块6用于将电压与经过前馈补偿单元得到的电压补偿值相加,得到q轴的初始电压给定值。
转子电角速度确定模块7用于将转子位置代入转速计算单元得到无刷直流电机的转子电角速度。
反电势确定模块8用于将反电势波形系数与转子电角速度相乘,再与极对数作商,得到反电势。
反电势电角速度确定模块9用于将反电势电角速度倍比与转子电角速度相乘,得到反电势电角速度。
电压给定值确定模块10用于利用反电势、反电势电角速度、d轴的电流实际值和q轴的电流实际值,对d轴的初始电压给定值和q轴的初始电压给定值进行解耦,得到最终的d轴的电压给定值和最终的q轴的电压给定值。
电压参考值确定模块11用于根据最终的d轴的电压给定值和最终的q轴的电压给定值,利用以反电势空间位置为旋转角的旋转反坐标变换矩阵得到A相电压参考值、B相电压参考值和C相电压参考值。
控制模块12用于将A相电压参考值、B相电压参考值和C相电压参考值经PWM发生器输入到功率变换电路中,功率变换电路生成触发信号以驱动无刷直流电机运行。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。