CN115347828A - 一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法，涉及电机控制领域。本发明为了解决传统直接转矩控制中采用滞环控制器开关频率不固定以及采用定频滞环时转矩脉动较大的问题。本发明根据实际转矩T_e和给定转矩T_e ^*得到转矩变化量ΔT_e；根据所述转矩变化量ΔT_e的正负和转子所在扇区的位置，在开关表中确定空间电压矢量；根据转矩变化量ΔT_e的数值确定参考电压矢量

根据所述参考电压矢量

和转矩变化量ΔT_e的数值确定步骤S2确定空间电压矢量在每个控制周期的占空比D，根据所述空间电压矢量和所述占空比驱动逆变器控制五相无刷直流电机。本发明控制结构简单，计算量小，同时具有较高的控制精度。

Description

一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法。

背景技术

无刷直流电机因具有功率密度高、效率高、控制简单等优点而得到了广泛应用。五相无刷直流电机继承了普通三相无刷电机的优点，其固有转矩脉动更小，并且具有更好的容错能力和更高的可靠性。直接转矩控制控制结构简单，响应速度快，计算量小，无需进行旋转坐标变换，非常适用于坐标变换复杂的多相电机。传统无刷直流电机直接转矩控制中，由于采用了滞环控制器，会导致开关频率的不固定，并且转矩脉动取决于环宽的设定，环宽过大则转矩脉动大，环宽过小则开关频率高，造成开关损耗大大增加，因此难以在实际中进行运用。而如果用固定的采样频率进行采样比较，即采用定频滞环，则会使得转矩脉动增大。

针对上述问题，近些年已经有学者进行了相关的研究，但通常是针对永磁同步电机进行的直接转矩控制，计算方法复杂，不适用于无刷电机；现有技术中还提出了模糊输出占空比的永磁同步电机直接转矩控制方法，但该方法存在控制精度低，造成转矩脉动增大的问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是解决传统滞环控制方法导致占空比不固定的问题和因定频滞环导致转矩脉动增大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法，在定频滞环的基础上增加了占空比的计算，并提出了一种基于参考矢量的占空比计算方法，该方法能够很好地满足五相无刷直流电机地控制要求，具有响应速度快、控制精度高、转矩脉动小的优点。

本发明的一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法，包括如下步骤：

S1、根据实际转矩T_e和给定转矩T_e ^*得到转矩变化量ΔT_e；

S2、根据所述转矩变化量ΔT_e的正负和转子所在扇区的位置，在开关表中确定空间电压矢量；

S3、根据转矩变化量ΔT_e的数值确定参考电压矢量

S4、根据所述参考电压矢量

和转矩变化量ΔT_e的数值确定步骤S2确定空间电压矢量在每个控制周期的占空比D，根据所述空间电压矢量和所述占空比驱动逆变器控制五相无刷直流电机。

进一步的，所述转矩变化量ΔT_e的计算方法包括：

给定转速与实际转速做差后，经过PI调节器，生成给定转矩T_e ^*；

给定转矩T_e ^*与实际转矩T_e做差后，得到需要的转矩变化量ΔT_e。

进一步的，所述五相无刷直流电机的数学模型的电压方程为：

转矩方程为：

进一步的，所述开关表为无磁链开关表，为：

进一步的，所述占空比D为：

进一步的，所述参考电压矢量为：

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明控制结构简单，相对于传统直接转矩控制，仅增加了占空比的计算模块，既保留了传统方法的结构简单、响应速度快的优点，又提高了控制精度，减小了转矩脉动。

2、本发明增加的占空比计算模块，既解决了使用传统方法中的滞环控制器导致占空比不固定的问题，又解决了因定频滞环导致转矩脉动增大的问题。

3、本发明适用于五相无刷直流电机，推导计算出的公式能够很好地满足五相无刷直流电机地控制要求，具有响应速度快、控制精度高、转矩脉动小的优点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明基于参考矢量的五相无刷直流电机直接转矩控制系统框图；

图2为本发明选取的基本电压矢量图；

图3为本发明占空比计算相关的各矢量的关系图；

图4为在开关频率为10kHz时，传统定频直接转矩控制与本发明具体实施的方法的转矩对比图，图4a为传统定频直接转矩控制方法的电磁转矩波形，图4b为发明具体实施的方法的转矩波形。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

为了阐释的目的而描述了本发明的一些示例性实施例，需要理解的是，本发明可通过附图中没有具体示出的其他方式来实现。

五相无刷电机相对于三相无刷电机，其固有转矩脉动小，并且由于比三相电机多出两个自由度，具有更好的容错能力和更高的可靠性。考虑到当发生故障时电机的转矩脉动将显著增加，因此使用直接转矩控制方法进行转矩脉动的抑制。而传统直接转矩控制使用滞环控制器，导致开关频率不固定；若固定采样时间，则会造成转矩脉动过大的问题。为了解决传统滞环开关频率不固定以及定频滞环转矩脉动大的问题，提供一种基于参考矢量的五相无刷直流电机直接转矩控制方法。

如图1所示，在一具体实施例中，一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法，包括如下步骤：

S1、根据实际转矩T_e和给定转矩T_e ^*得到转矩变化量ΔT_e；

如图所示，在一具体实施例中，所述转矩变化量ΔT_e的计算方法包括：

给定转速ω^*与实际转速ω做差后，经过PI调节器，生成给定转矩T_e ^*；

给定转矩T_e ^*与实际转矩T_e做差后，得到需要的转矩变化量ΔT_e。

假设五相绕组在星型连接形式下完全对称，气隙磁场与反电动势均为理想梯形波；忽略电机在工作过程中的铁芯磁路饱和、涡流磁滞损耗；假设电机在工作过程中功率开关器件上不存在电压、功率的损耗；忽略电机在工作过程中电枢反应对气隙磁场的影响；确定无刷直流电机转矩脉动的各种来源，以及其中一些脉动来源的成因、相应的解决办法；则五相无刷直流电机的理想化数学模型为：

电压方程为：

其中，u_i(i＝a,b,c,d,e)表示各相绕组的相电压，i_i(i＝a,b,c,d,e)表示各相绕组的相电流，L表示各相绕组的自感，M_ij(i,j＝a,b,c,d,e)表示第i相和j相间的互感；e_i(i＝a,b,c,d,e)表示各相绕组上的反电动势；

电磁转矩方程为：

式中，Ω表示电机的机械转速。

五相无刷直流电机的空间电压矢量在一维空间中的表达式为

其中，u_i(i＝A,B,C,D,E)表示某个导通状态时该相绕组产生的电压矢量的大小；

在四四导通的方式下，电机可以达到最佳的控制效果，计算得到四四导通控制模式下，各电压矢量的分布图，具体如图2所示，根据对称性，选择其中一种导通状态计算电压矢量，得到电压矢量的幅值为|u_s|＝0.6155U_dc，记为u_s。

S2、根据所述转矩变化量ΔT_e的正负和转子所在扇区的位置，在开关表中确定空间电压矢量Vn；

由于无刷直流电机控制了转矩就控制了磁链，因此本实施例中采用无磁链的开关表，即只需要对电磁转矩进行控制即可，所述开关表如下：

其中，+1表示需要增大转矩，-1表示需要减小转矩；例如，当电磁转矩需要增大时，若此时转子位置处于第Ⅰ扇区，则选取矢量V3。

S3、根据转矩变化量ΔT_e的数值确定参考电压矢量

在一具体实施例中，对于隐极式永磁电机，电磁转矩可以看作转子磁场与定子磁场相互作用的结果，将电磁转矩T_e按下式表示为：

从而有：

其中，p、L_s、ψ_f、ψ_s、δ为极对数、等效定子电感、转子磁链、定子磁链、转子磁链与定子磁链的夹角。

因此，要快速改变转矩只需要改变定子磁链在旋转坐标系q轴下的分量ψ_sq。

电机的空间电压方程为：

其中，u_s为电机的电压矢量，i_s为电流矢量，ψ_s为磁链矢量；

忽略定子电阻，得：

结合上式(5)得到：

离散化处理，并令ΔT_e＝T_e ^*-T_e，得：

在一具体实施例中，选择一个空间电压矢量u_s，其在q轴上的分量的幅值u_sq满足上式，定义该空间电压矢量为参考电压空间矢量

其方向即q轴方向，在静止坐标系下，参考电压矢量

为：

S4、根据所述参考电压矢量

和转矩变化量ΔT_e的数值确定步骤S2确定空间电压矢量在每个控制周期的占空比D，根据所述空间电压矢量和所述占空比驱动逆变器控制五相无刷直流电机。

参考矢量

等效矢量V_n ^*、空间矢量V_n的关系如图3所示。当零矢量选择为所有的开关管都关闭时，由于电感的续流作用，零矢量的作用效果相当于当前矢量的反矢量。

如图3所示的参考矢量

等效矢量V_n ^*、基本空间矢量V_n的关系，得到下式：

可得占空比为：

其中，

为参考电压矢量的幅值；基本空间矢量V_n为：

V_n＝0.6155U_dcT (13)

进而得到每个控制周期的占空比计算方法为：

其中，

为与电机参数、直流母线、控制周期相关的常量，T为开关周期，δ_ref为参考矢量与开关表所选择的空间电压矢量的夹角。

本实施例的占空比利用转矩无差拍控制的思想，在每一个控制周期内，施加一定时间的非零电压矢量而剩余时间施加零电压矢量，从而在控制周期结束时使实际转矩等于给定转矩。该方法保留了传统直接转矩控制结构简单、计算简便、响应速度快的优点，同时又具有实际可操作性，减小了转矩脉动，提升了电机运行稳定性能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据实际转矩T_e和给定转矩T_e ^*得到转矩变化量ΔT_e；

S2、根据所述转矩变化量ΔT_e的正负和转子所在扇区的位置，在开关表中确定空间电压矢量；

S3、根据转矩变化量ΔT_e的数值确定参考电压矢量

S4、根据所述参考电压矢量

和转矩变化量ΔT_e的数值确定步骤S2确定空间电压矢量在每个控制周期的占空比D，根据所述空间电压矢量和所述占空比驱动逆变器控制五相无刷直流电机。

2.根据权利要求1所述一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法，其特征在于，所述转矩变化量ΔT_e的计算方法包括：

给定转速与实际转速做差后，经过PI调节器，生成给定转矩T_e ^*；

给定转矩T_e ^*与实际转矩T_e做差后，得到需要的转矩变化量ΔT_e。

3.根据权利要求2所述一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法，其特征在于，所述五相无刷直流电机的数学模型的电压方程为：

转矩方程为：

所述五相无刷直流电机的空间电压矢量在一维空间中的表达式为：

4.根据权利要求1所述一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法，其特征在于，所述开关表为无磁链开关表，为：

表中，+1表示需要增大转矩，-1表示需要减小转矩。

5.根据权利要求1所述一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法，其特征在于，所述占空比D为：

6.根据权利要求1所述一种五相无刷直流电机的直接转矩控制方法，其特征在于，所述参考电压矢量为：

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