專利名稱：一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無刷直流電機調(diào)速控制器的調(diào)制方法，具體涉及一種可以在小轉(zhuǎn)矩條件下有效減少電機轉(zhuǎn)矩脈動的基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法。
背景技術(shù)：
目前隨著綠色環(huán)保的觀念日漸深入人心，電動車作為一種可以實現(xiàn)零排放、零污染的清潔環(huán)保交通工具正日漸受到人們的重視。但是現(xiàn)有的電動車所使用的無刷直流電機調(diào)速控制器在工作時還存在著很多問題。其中，在小轉(zhuǎn)矩情況下的電機轉(zhuǎn)矩脈動是一個重要的缺陷因素。傳統(tǒng)的無刷直流電機調(diào)速控制器始終工作在輸出六拍波的模式下，以模擬傳統(tǒng)直流電機的機械換相輸出方波電流，該方案具有直流母線電壓利用率高，簡單可靠的優(yōu)點。但是在小轉(zhuǎn)矩下，由于六拍波本身的諧波成分較高以及電機的齒槽效應(yīng)等因素導(dǎo)致的電機轉(zhuǎn)矩脈動，會為電機的工作帶來一系列不利影響。如產(chǎn)生較大的噪音、造成機械磨損并造成電機工作效率的降低等。目前，已有的解決方案從大體上來看，是從兩方面著手:一方面旨在降低無刷直流電機控制器輸出電流的諧波，具體來說即改變無刷直流電機控制器的調(diào)制方法，優(yōu)化現(xiàn)有的輸出電流波形。例如現(xiàn)有技術(shù)中，一種按照無刷直流電機工作角區(qū)間周期性進行線性調(diào)制——過調(diào)制——線性調(diào)制的方案；另一方面旨在改進電機的機械結(jié)構(gòu)，優(yōu)化氣隙磁場以降低由于齒槽效應(yīng)導(dǎo)致的磁通突變造成的影響。如現(xiàn)有技術(shù)中，一種通過在轉(zhuǎn)子芯中安裝多個磁鐵的方式，防止磁通的斷開，最小化磁通的泄漏。事實上，基于空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)(SVPWM)的線性調(diào)制的方案已 經(jīng)發(fā)展地極為成熟，但由于傳統(tǒng)的基于SVPWM的過調(diào)制策略算法過于復(fù)雜，而僅使用線性調(diào)制的SVPWM方法則直接影響到直流母線電壓利用率。因此這一問題亦限制了傳統(tǒng)SVPWM方案在無刷直流電機控制器上的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服無刷直流電機在小轉(zhuǎn)矩條件下由于諧波原因引起的電機轉(zhuǎn)矩脈動，使電機在運轉(zhuǎn)過程中更加平穩(wěn)的一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:—種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特征在于:首先，根據(jù)無刷直流電機的期望轉(zhuǎn)速 和期望轉(zhuǎn)矩I確定一個基準(zhǔn)磁鏈Ψ(η);再根據(jù)增量模型構(gòu)造一個虛擬磁
鏈f(〃)來逼近該基準(zhǔn)磁鏈Ψ(η);最后根據(jù)逼近結(jié)果對應(yīng)的狀態(tài)來控制逆變器輸出得到所需的PWM驅(qū)動。進一步的，所述期望轉(zhuǎn)速 由期望相角的閉環(huán)控制實現(xiàn)，所述的期望相角Θ = nTA-2kn，k=l, 2，...，其通過與實際相角Θ求差，得到當(dāng)前相位誤差Δθ=6^-Θ，通過對角速度ω = ω+ρΛ Θ的調(diào)整，實現(xiàn)對期望相角#的閉環(huán)控制。進一步的，所述的實際相角Θ代表無刷直流電機轉(zhuǎn)子角度位置，可由無刷直流電機的Hell元件信號瞬時采集。進一步的，所述的瞬時采集指在每個圓周中，Hell元件信號共有6次變化，變化時刻的轉(zhuǎn)子角度位置分別代表.|，則通過監(jiān)測Hell元件信號變化的瞬時，來采集實際相角Θ.
進一步的，所述的基準(zhǔn)磁鏈Ψ (η)，是無刷直流電機轉(zhuǎn)子在α -β坐標(biāo)系下以r為半徑并按照角速度ω旋轉(zhuǎn)的軌跡，其中，η表示按采樣周期T離散化后的第η時刻；所述的
半徑廣^"; Uout為無刷直流電機輸出相電壓峰值，其值與期望力矩<成正比。
^ 0.9475Λ'7,、進一步的，所述半徑r的取值范圍為(P，1π/ ")，Ud為逆變器直流驅(qū)動電壓;當(dāng)
時無刷直流電機可得到六拍波驅(qū)動，具有最大的電壓利用率；當(dāng)時無
2π/4π/
刷直流電機將工作在線性驅(qū)動，具有最小的諧波。進一步的,所述的虛擬磁鏈)在α-β坐標(biāo)系可由增量模型φ(//)=φ(//-1) + Δφ(//)進行構(gòu)造，其中i=0 5，該取值范圍對應(yīng)逆變器的開關(guān)狀態(tài)；Ud為逆變器直流驅(qū)動電壓，Te為電機的電磁轉(zhuǎn)矩，且P(O)= MO)。進一步的，所述的逼近是指磁鏈增量Δφ( )在所述取值范圍內(nèi)確定一個最佳取值，使得虛擬磁鏈4〃)和基準(zhǔn)磁鏈Ψ(η)在α-β坐標(biāo)系下的范數(shù)距離最小。進一步的，計算取值范圍的所有磁鏈增量Δφ(〃)并確定每個扇區(qū)Sector的候選開關(guān)狀態(tài)；設(shè)置初始期望相位角θ~ = 0, <Ρ(0) = Φ);每經(jīng)過一次采樣周期，相位角增量Αθ(^ = θ^)-θ(,7-1)，其中#(〃)為按采樣周期T離散化后的第η時刻的期望相位角；所述的逼近具體包括如下步驟:I) η=η+1,期望相位角I"更新,并求取當(dāng)前相位角#下,正交二軸系下的基準(zhǔn)磁鏈Ψ (η),即 #(") =盧("-1) + Δ0Ο), Ψ (η) = | I Ψ I I {sin[ Θ (n)]，-cos[ θ (η)]}';2)計算并讀取當(dāng)前相位角Θ所處的扇區(qū)Sector,分別計算當(dāng)前扇區(qū)Sector下的
每個候選磁鏈增量與上一時刻虛擬磁鏈相疊加后與基準(zhǔn)磁鏈ψ (η)之間的范數(shù)距離即4 >||Δφ竹&_/■)卜求取最佳輸出狀態(tài)^ BPΓ = min/ (r)；3)逆變器輸出該f狀態(tài)；
4)計算當(dāng)前虛擬磁鏈.φ(//),即<p(+ ΔφM ,并返回到(I)。進一步的，所述的逼近結(jié)果對應(yīng)的狀態(tài)指最佳取值所對應(yīng)的逆變器開關(guān)狀態(tài)。由上述對本發(fā)明的描述可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:本發(fā)明所采用的基于磁鏈追蹤的無刷電機控制方法，是通過以理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，不考慮空間電壓矢量的合成，而直接通過逆變器開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的磁鏈增量來跟蹤基準(zhǔn)磁鏈圓，從而形成PWM波的策略。由于拋棄了合成的思路，而直接考慮以七個空間磁鏈增量矢量來逼近基準(zhǔn)磁鏈圓。故在小轉(zhuǎn)矩下，基準(zhǔn)磁鏈圓半徑很小，該方法可以通過線性調(diào)制手段，追蹤出一個誤差很小的磁鏈圓。表現(xiàn)在輸出的PWM波特性上，就可以實現(xiàn)一個諧波成分極小的定子相電流輸出；而在大轉(zhuǎn)矩下，基準(zhǔn)磁鏈圓半徑很大，超過了該方法追蹤能力的極限，因此按照空間距離最小的原則，該方法最終會追蹤出一個正六邊形的“磁鏈圓”。表現(xiàn)在輸出的PWM波特性上，就可以實現(xiàn)六拍波輸出。綜上所述，該方法可以統(tǒng)一處理在SVPWM方法當(dāng)中需要分階段對待的過調(diào)制策略，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩要求實現(xiàn)從線性調(diào)制到六階梯模式的連續(xù)平滑過渡。同時該方法運算量較小，過渡自然。


圖1為本發(fā)明的控制方法流程示意圖；圖2為本發(fā)明無刷直流電機控制器控制系統(tǒng)框圖；圖3為本發(fā)明的6個扇區(qū)的候選狀態(tài)列表；圖4為隨著基準(zhǔn)磁鏈半徑增大，無刷直流電機動線性調(diào)制狀態(tài)輸出到過調(diào)制(六拍波)狀態(tài)輸出時線電壓的PWM波形變化。
具體實施例方式以下通過具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的描述。無刷直流電機與有刷直流電機相比，最大的區(qū)別是由電子換向取代了機械換向一直流有刷電機是通過機械換向器將直流電流轉(zhuǎn)化為近似梯形波的交流送入電樞的，而無刷直流電機是通過電子換向器將直流電流轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)方波電流送入電樞。但是由于六拍波含有的諧波分量會產(chǎn)生六次諧波轉(zhuǎn)矩，故在大轉(zhuǎn)矩條件下，這個紋波有可能會被轉(zhuǎn)子慣量過濾掉。但是在小轉(zhuǎn)矩條件下，它將使轉(zhuǎn)子速度發(fā)生波動，嚴(yán)重影響速度的穩(wěn)定性，同時也會對位置伺服系統(tǒng)的定位精度和重復(fù)性造成一定影響。探究電機調(diào)速的過程，會發(fā)現(xiàn)其實質(zhì)就是使電機定子獲得一個轉(zhuǎn)矩可變的圓磁場。傳統(tǒng)的SVPWM方法是從供電電源的角度出發(fā)，通過逆變器的開關(guān)模式組合形成空間電壓矢量，來跟蹤期望的旋轉(zhuǎn)電壓。但是由于該方法是通過合成的原理來間接實現(xiàn)對電壓的跟蹤，故在過調(diào)制區(qū)，旋轉(zhuǎn)電壓矢量無法被直接合成，就需要采用特殊的過調(diào)制算法來實現(xiàn)過調(diào)制區(qū)的電壓合成目的。本發(fā)明所采用的磁鏈追蹤方法，是通過以理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，不考慮空間電壓矢量的合成，而直接通過逆變器開關(guān)狀態(tài) 所產(chǎn)生的磁鏈增量來跟蹤基準(zhǔn)磁鏈圓，從而形成PWM波的策略。
由于拋棄了合成的思路，而直接考慮以七個空間磁鏈增量矢量來逼近基準(zhǔn)磁鏈圓。故在小轉(zhuǎn)矩下，基準(zhǔn)磁鏈圓半徑很小，該方法可以通過線性調(diào)制手段，追蹤出一個誤差很小的磁鏈圓。表現(xiàn)在輸出的PWM波特性上，就可以實現(xiàn)一個諧波成分極小的定子相電流輸出；而在大轉(zhuǎn)矩下，基準(zhǔn)磁鏈圓半徑很大，超過了該方法追蹤能力的極限，因此按照空間距離最小的原則，該方法最終會追蹤出一個正六邊形的“磁鏈圓”。表現(xiàn)在輸出的PWM波特性上，就可以實現(xiàn)六拍波輸出。本發(fā)明的一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，首先，根據(jù)無刷直流電機的期望轉(zhuǎn)速S和期望轉(zhuǎn)矩尤確定一個基準(zhǔn)磁鏈Ψ(η);再根據(jù)增量模型構(gòu)造一個虛擬磁鏈
<Ρ(〃)來逼近該基準(zhǔn)磁鏈Ψ(η);最后根據(jù)逼近結(jié)果對應(yīng)的狀態(tài)來控制逆變器輸出得到所需的PWM驅(qū)動。由參照圖2，于該控制器的控制對象是無刷直流電機，故需要利用無刷直流電機的Hell元件信號對電機進行位置閉環(huán)控制。該控制方案實現(xiàn)如下:電機在正常運行過程中，每轉(zhuǎn)動一次Hell兀件信號共有6次變化,變化時刻的轉(zhuǎn)子角度位置分別代表可通過監(jiān)測Hell元件信號變化的瞬時，來測量(采集)實際相角Θ。此時采集到的Θ可代表無刷直流電機轉(zhuǎn)子角度位置。無刷直流電機的期望轉(zhuǎn)速j可由對期望相角#的閉環(huán)控制實現(xiàn)。其中期望相角#=//7 -2/ΤΓ，1^=1，2，...，通過對期望相角承與實際相角Θ求差，可得當(dāng)前相位誤差Δθ= -Θ。通過對角速度ω = ω+ρΛ Θ的調(diào)整，即可實現(xiàn)對期望相角的閉環(huán)控制。該磁鏈追蹤方法中所述的基準(zhǔn)磁鏈Ψ (η)，是在α -β坐標(biāo)系下以r為半徑并按照角速度ω旋轉(zhuǎn)的軌跡，其中η表示按采樣周期T離散化后的第η時刻。所述的半徑
尸=^^，其中Urat為無刷直流電機輸出相電壓峰值，其值與期望力矩<成正比；而虛擬磁
鏈丨在α_β坐標(biāo)系可由增量模型4卜‘-1)+Δφ卜丨進行構(gòu)造，其中Δ“0或,
權(quán)利要求
1.一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特征在于:首先，根據(jù)無刷直流電機的期望轉(zhuǎn)速i和期望轉(zhuǎn)矩I確定一個基準(zhǔn)磁鏈ψ (η);再根據(jù)增量模型構(gòu)造一個虛擬磁鏈免(〃)來逼近該基準(zhǔn)磁鏈Ψ(η);最后根據(jù)逼近結(jié)果對應(yīng)的狀態(tài)來控制逆變器輸出得到所需的PWM驅(qū)動。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特征在于:所述期望轉(zhuǎn)速6由期望相角#的閉環(huán)控制實現(xiàn)，所述的期望相角 = η ，k=l, 2，...，其通過與實際相角Θ求差，得到當(dāng)前相位誤差Δθ=θ"-Θ，通過對角速度ω = ω+ρΛ Θ的調(diào)整，實現(xiàn)對期望相角Θ'的閉環(huán)控制。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特征在于:所述的實際相角Θ代表無刷直流電機轉(zhuǎn)子角度位置，可由無刷直流電機的Hell元件信號瞬時米集。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特征在于:所述的瞬時采集指在每個圓周中，Hell元件信號共有6次變化，變化時刻的轉(zhuǎn)子角度位置分別代表f，則通過監(jiān)測Hell元件信號變化的瞬時，來采集實際相角Θ。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特征在于:所述的基準(zhǔn)磁鏈Ψ (η)， 是無刷直流電機轉(zhuǎn)子在α-β坐標(biāo)系下以r為半徑并按照角速度ω旋轉(zhuǎn)的軌跡，其中，η表示按采樣周期T離散化后的第η時刻；所述的半徑Z =Uout為無刷直流電機輸出相電壓峰值，其值與期望力矩尤成正比。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特征在于:所 0.9475/7,O 9475/7述半徑r的取值范圍為(O, ^ ，Ud為逆變器直流驅(qū)動電壓；當(dāng)〃 時無刷直 2 兀/2ττ/流電機可得到六拍波驅(qū)動，具有最大的電壓利用率；當(dāng)〃時無刷直流電機將工作在線性驅(qū)動，具有最小的諧波。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特征在于:所述的虛擬磁鏈在α -β坐標(biāo)系可由增量模型Ψ(〃) = Ρ( _1) + Δψ(〃)進行構(gòu)造，其中Δφ(/ ) = 0.氛Ujfi，i=0 5，該取值范圍對應(yīng)逆變器的開關(guān)狀態(tài)；Ud為逆變器直流驅(qū)動電壓，Te為電機的電磁轉(zhuǎn)矩，且 Φ) = fK0)。
8.如權(quán)利要求7所述的一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特征在于:所述的逼近是指磁鏈增量Δφ(〃)在所述取值范圍內(nèi)確定一個最佳取值，使得虛擬磁鏈#(〃)和基準(zhǔn)磁鏈Ψ(η)在α-β坐標(biāo)系下的范數(shù)距離最小。
9.如權(quán)利要求8所述的一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特征在于:計算取值范圍的所有磁鏈增量△ >(〃)并確定每個扇區(qū)Sector的候選開關(guān)狀態(tài)；設(shè)置初始期望相位角奮=O，φψ)=ψψ)；每經(jīng)過一次采樣周期,相位角增量ΔΘΟ)=奮O)-#(； - O其中θ⑷為按采樣周期T離散化后的第η時刻的期望相位角；所述的逼近具體包括如下步驟: 1)η=η+1,期望相位角&更新，并求取當(dāng)前相位角奮下，正交二軸系下的基準(zhǔn)磁鏈Ψ (n), BP θ(η) = §{n-1) + Αθ(/ ), Ψ (η) = | | ψ | | {sin [ θ (η) ]，一cos [ θ (η) ]}';2)計算并讀取當(dāng)前相位角Θ所處的扇區(qū)Sector,分別計算當(dāng)前扇區(qū)Sector下的每個候選磁鏈增量與上一時刻虛擬磁鏈相疊加后與基準(zhǔn)磁鏈V (η)之間的范數(shù)距離即訶=卜求取最佳輸出狀態(tài)ff = min /){Γ); 3)逆變器輸出該f狀態(tài)； 4)計算當(dāng)前虛擬磁鏈^卜),即φ、》)=φ(η- ) + Αψ{Γ],并返回到(I)。
10.如權(quán)利要求8所 述的一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，其特征在于:所述的逼近結(jié)果對應(yīng)的狀態(tài)指最佳取值所對應(yīng)的逆變器開關(guān)狀態(tài)。
全文摘要
一種基于磁鏈追蹤的無刷直流電機控制方法，首先，根據(jù)無刷直流電機的期望轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)矩確定一個基準(zhǔn)磁鏈ψ(n)；再根據(jù)增量模型構(gòu)造一個虛擬磁鏈來逼近該基準(zhǔn)磁鏈ψ(n)；最后根據(jù)逼近結(jié)果對應(yīng)的狀態(tài)來控制逆變器輸出得到所需的PWM驅(qū)動。本發(fā)明的方法利用了磁鏈追蹤技術(shù)，可以自動根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)過調(diào)制(六拍波)輸出到線性調(diào)制輸出之間的無縫切換。當(dāng)無刷直流電機工作在大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下時，控制器輸出電平為六拍波，使電機具有最大的直流母線電壓利用率；當(dāng)電機工作在小轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下時，則控制器可以平滑切換至輸出經(jīng)過線性調(diào)制的PWM波狀態(tài)，使電機平穩(wěn)運行。
文檔編號H02P6/10GK103227599SQ20131013849
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)明者吳德會, 陳俊, 李超, 游德海 申請人:廈門大學(xué)