基于霍爾信號的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了基于霍爾信號的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，霍爾位置傳感器獲取電機轉(zhuǎn)子位置信息，轉(zhuǎn)速計算模塊根據(jù)霍爾信號計算出轉(zhuǎn)速，與參考轉(zhuǎn)速比較得到轉(zhuǎn)速誤差，經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器輸出參考轉(zhuǎn)矩，定子電流檢測電路檢測到定子電流，利用定子三相電流轉(zhuǎn)換模塊輸出定子三相電流，定子三相電流與霍爾信號輸入轉(zhuǎn)矩觀測器得到實際轉(zhuǎn)矩，與參考轉(zhuǎn)矩比較得到轉(zhuǎn)矩誤差，結(jié)合霍爾位置信號，選擇合適的電壓矢量去控制三相橋式逆變電路。本實用新型略去傳統(tǒng)控制方法中定子磁鏈觀測環(huán)節(jié)，使用電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，且利用離散霍爾信號和相電流求取電磁轉(zhuǎn)矩，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本。
【專利說明】
基于霍爾信號的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于電機控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了基于霍爾信號的無刷直流電機直 接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無刷直流電機是一種在傳統(tǒng)直流電機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型直流電機，具有控制 簡單、效率高、動態(tài)響應(yīng)好、可靠性高等優(yōu)點。目前，無刷直流電機的應(yīng)用已經(jīng)從最初的軍事 工業(yè)，向航空航天、信息、生產(chǎn)、醫(yī)療以及工業(yè)自動化領(lǐng)域迅速發(fā)展。
[0003] 目前的無刷直流電機控制策略多是通過控制電流的方法間接控制轉(zhuǎn)矩，屬于轉(zhuǎn)矩 的開環(huán)控制，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢且轉(zhuǎn)矩脈動大。直接轉(zhuǎn)矩控制是一種轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法。它以電機 的瞬時轉(zhuǎn)矩為控制對象，將轉(zhuǎn)矩脈動視為可測干擾，根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差，通過轉(zhuǎn)矩控制器實現(xiàn)對 瞬時轉(zhuǎn)矩的直接控制，具有轉(zhuǎn)矩控制的高動態(tài)性。
[0004] 傳統(tǒng)的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法是定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，當 無刷直流電機在二二導通方式下運行，由于關(guān)斷相的存在，定子磁鏈運動軌跡為圓鋸齒形， 定子磁鏈給定是一個變量，難以計算。此外由于無刷直流電機的磁通密度是呈梯形波分布 的，其轉(zhuǎn)矩計算公式與異步電機和永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩計算公式不同。常用電磁轉(zhuǎn)矩計算 公式為：
[0005]
[0006] 式中ω為轉(zhuǎn)子角速度;ea、eb、ec為定子三相繞組反電動勢；i a、ib、ic為定子三相繞 組電流。
[0007] 其中電機三相電流通過電流采樣電路測得，角速度通過霍爾位置傳感器測得，這 些都是可直接測量和計算得到的量，如何獲取反電勢值則成為電磁轉(zhuǎn)矩計算的關(guān)鍵。目前 主要采用分段函數(shù)法表示反電動勢，那就需要知道連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信息，而通過霍爾位置 傳感器只能檢測離散的轉(zhuǎn)子位置信息，所以需要使用能夠檢測轉(zhuǎn)子連續(xù)位置的位置傳感 器，這使系統(tǒng)變得復雜，增加了成本。 【實用新型內(nèi)容】
[0008] 為了解決上述【背景技術(shù)】提出的技術(shù)問題，本實用新型旨在提供基于霍爾信號的無 刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和方法，略去傳統(tǒng)控制方法中定子磁鏈觀測環(huán)節(jié)，使用電磁 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，且利用離散霍爾位置信號和相電流求取電磁轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化， 降低成本。
[0009] 為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實用新型的技術(shù)方案為：
[0010] 基于霍爾信號的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，包括定子電流檢測電路、定子 三相電流轉(zhuǎn)換模塊、霍爾位置傳感器、轉(zhuǎn)矩觀測器、轉(zhuǎn)速計算模塊、轉(zhuǎn)速比較器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和PWM控制器，所述霍爾位置傳感器安裝在無刷直流電機的定子上，用 于采集無刷直流電機轉(zhuǎn)子的位置信息，所述定子電流檢測電路的輸入端與無刷直流電機的 母線相連，定子三相電流轉(zhuǎn)換模塊的輸入端分別與定子電流檢測電路的輸出端以及霍爾位 置傳感器的輸出端相連，轉(zhuǎn)矩觀測器的輸入端分別與定子三相電流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端以及 霍爾位置傳感器的輸出端相連，轉(zhuǎn)速計算模塊的輸入端連接霍爾位置傳感器的輸出端，轉(zhuǎn) 速比較器的負輸入端連接轉(zhuǎn)速計算模塊的輸出端，轉(zhuǎn)速比較器的正輸入端輸入?yún)⒖嫁D(zhuǎn)速， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入端分別與轉(zhuǎn)速觀測器的輸出端以及轉(zhuǎn)速比較器的輸出端相連，轉(zhuǎn)矩滯環(huán) 比較器的負輸入端連接轉(zhuǎn)矩觀測器的輸出端，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的正輸入端連接轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 的輸出端，PWM控制器的輸入端連接轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的輸出端，PWM控制器的輸出端連接三 相橋式逆變電路中6個開關(guān)管的門極，從而控制三相橋式逆變電路向無刷直流電機輸出交 流電信號。
[0011] 基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。
[0012] 基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述三相橋式逆變電路的6個開關(guān)管均為IGBT。
[0013] 基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器、PWM控制器、轉(zhuǎn) 速計算模塊、轉(zhuǎn)矩觀測器均集成在一塊DSP處理器上。
[0014] 基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述DSP處理器的型號為DSP2812。
[0015] 采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果：
[0016] (1)本實用新型采用采用電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，改善了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制方 法精度低、抗干擾能力差等問題；
[0017] (2)本實用新型省略了定子磁鏈觀測環(huán)節(jié)，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，容易硬件實現(xiàn)；
[0018] (3)本實用新型計算電磁轉(zhuǎn)矩只需要離散霍爾信號和相電流，過程無需積分或微 分運算，計算速度快，硬件結(jié)構(gòu)簡單，降低成本。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本實用新型的系統(tǒng)組成框圖；
[0020] 圖2是本實用新型中反電動勢、定子三相電流及霍爾信號的對應(yīng)關(guān)系圖；
[0021] 圖3是本實用新型電壓矢量構(gòu)成的六邊形磁鏈；
[0022]圖4是本實用新型中三相橋式逆變電路的電路圖。
【具體實施方式】
[0023] 以下將結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案進行詳細說明。
[0024] 如圖1所示，基于霍爾信號的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，包括定子電流檢測 電路、定子三相電流轉(zhuǎn)換模塊、霍爾位置傳感器、轉(zhuǎn)矩觀測器、轉(zhuǎn)速計算模塊、轉(zhuǎn)速比較器、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和PWM控制器，所述霍爾位置傳感器安裝在無刷直流電機的定 子上，用于采集無刷直流電機轉(zhuǎn)子的位置信息，所述定子電流檢測電路的輸入端與無刷直 流電機的母線相連，定子三相電流轉(zhuǎn)換模塊的輸入端分別與定子電流檢測電路的輸出端以 及霍爾位置傳感器的輸出端相連，轉(zhuǎn)矩觀測器的輸入端分別與定子三相電流轉(zhuǎn)換模塊的輸 出端以及霍爾位置傳感器的輸出端相連，轉(zhuǎn)速計算模塊的輸入端連接霍爾位置傳感器的輸 出端，轉(zhuǎn)速比較器的負輸入端連接轉(zhuǎn)速計算模塊的輸出端，轉(zhuǎn)速比較器的正輸入端輸入?yún)?考轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入端分別與轉(zhuǎn)速觀測器的輸出端以及轉(zhuǎn)速比較器的輸出端相連， 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的負輸入端連接轉(zhuǎn)矩觀測器的輸出端，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的正輸入端連接轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器的輸出端，PffM控制器的輸入端連接轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的輸出端，PWM控制器的輸出 端連接三相橋式逆變電路中6個開關(guān)管的門極，從而控制三相橋式逆變電路向無刷直流電 機輸出交流電信號。
[0025] 在本實施例中，所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器;所述三相橋式逆變電路的6個開關(guān) 管均為IGBT;所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器、pmi控制器、轉(zhuǎn)速計算模塊、轉(zhuǎn)矩觀測器均 集成在一塊DSP處理器上，該DSP處理器型號為DSP2812。
[0026] 基于上述控制系統(tǒng)的控制方法，具體步驟如下：
[0027] (1)霍爾位置傳感器輸出三個180°重疊信號(仏，拖，!〇，提供六個換相信號，因為
是在三相六拍方式下的直接轉(zhuǎn)矩控制，可以根據(jù)霍爾信號計算出實際轉(zhuǎn)速n，公式為：
[0028]
[0029]
[0030] 式中△ Θ為兩個換相信號之間機械角度，為恒定值，△ τ為兩次換相信號捕捉的時 間間隔，ω為電機轉(zhuǎn)子角速度，η為電機轉(zhuǎn)速。
[0031] (2)參考轉(zhuǎn)速f減去實際轉(zhuǎn)速η得到轉(zhuǎn)速誤差Δη，經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的PI調(diào)節(jié)后輸 出參考轉(zhuǎn)矩Te'
[0032] (3)定子電流采樣一般在主回路中串聯(lián)小阻值電阻，檢測電機定子電流I，如圖2所 示，結(jié)合霍爾信號轉(zhuǎn)換成定子三相電流ia、ib、i。，如表1所示。
[0033] 表 1
L0035」（4)利用霍爾信號和相電流計算得到實際電磁轉(zhuǎn)矩Te。
[0036]首先定義Sign(X)為符號函數(shù)：
[0037]
[0038] 分析圖2中反電動勢、定子三相電流及霍爾信號的對應(yīng)關(guān)系圖，可以得出：
[0039]
[0040] Ts = sign(eaia+ebib+ecic)
[0041] 式中Ts為轉(zhuǎn)矩方向，"、^、1。為定子三相電流，~、則、6。是霍爾信號邏輯計算值， 用_1、0、+1三個值表示。-1表示在此區(qū)域相反電動勢對應(yīng)的相電流不為零，且相反電動勢波 形函數(shù)為負值;+1表示在此區(qū)域相反電動勢對應(yīng)的相電流不為零，且相反電動勢波形函數(shù) 為正值;0表示在此區(qū)域相反電動勢對應(yīng)的相電流為零，且相反電動勢波形函數(shù)值與轉(zhuǎn)子位 置有關(guān)，為[-1，1]區(qū)間的數(shù)值。
[0042] 電磁轉(zhuǎn)矩計算公式為：
[0043]
[0044] 式子中Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩值，Kt為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)。
[0045] (5)參考轉(zhuǎn)矩Te#減去實際轉(zhuǎn)矩Te得到轉(zhuǎn)矩誤差A(yù)Te，Δ T為轉(zhuǎn)矩誤差允許范圍，Δ Te輸入轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，輸出τ;
[0046]
[0047] 當Δ Te> Δ Τ，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出τ = 1，表示要增大轉(zhuǎn)矩；
[0048] 當Δ Te<_A Τ，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出τ = 0,表示要減小轉(zhuǎn)矩。
[0049] (6)無刷直流電機具有霍爾位置傳感器，電機根據(jù)霍爾元件的3路輸出信號(Ha，H b， Η。）的不同邏輯組合選擇相應(yīng)的電壓空間矢量，如圖3所示，給出的電壓空間矢量恰好能夠 在電機定子上產(chǎn)生六邊形的磁鏈，以實現(xiàn)連續(xù)電動運行。其電壓矢量選擇如表2所示。
[0050]表 2
[0052]如圖3所示和圖4所示，6個電壓矢量分別對應(yīng)了三相橋式逆變電路中各個開關(guān)管 的不同狀態(tài)，例如電壓矢量Vl = 100001，表示a相橋臂的上開關(guān)管以及C相橋臂的下開關(guān)管 導通，其余開關(guān)管關(guān)斷。且當τ = 0時，無論磁鏈位于哪個扇區(qū)，均輸出電壓矢量V0 = 000000， 此時所有開關(guān)管均關(guān)斷。
[0053]以上實施例僅為說明本實用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實用新型的保護范 圍，凡是按照本實用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本實 用新型保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 基于霍爾信號的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于:包括定子電流檢測 電路、定子三相電流轉(zhuǎn)換模塊、霍爾位置傳感器、轉(zhuǎn)矩觀測器、轉(zhuǎn)速計算模塊、轉(zhuǎn)速比較器、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和PWM控制器，所述霍爾位置傳感器安裝在無刷直流電機的定 子上，用于采集無刷直流電機轉(zhuǎn)子的位置信息，所述定子電流檢測電路的輸入端與無刷直 流電機的母線相連，定子三相電流轉(zhuǎn)換模塊的輸入端分別與定子電流檢測電路的輸出端以 及霍爾位置傳感器的輸出端相連，轉(zhuǎn)矩觀測器的輸入端分別與定子三相電流轉(zhuǎn)換模塊的輸 出端以及霍爾位置傳感器的輸出端相連，轉(zhuǎn)速計算模塊的輸入端連接霍爾位置傳感器的輸 出端，轉(zhuǎn)速比較器的負輸入端連接轉(zhuǎn)速計算模塊的輸出端，轉(zhuǎn)速比較器的正輸入端輸入?yún)?考轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入端分別與轉(zhuǎn)速觀測器的輸出端以及轉(zhuǎn)速比較器的輸出端相連， 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的負輸入端連接轉(zhuǎn)矩觀測器的輸出端，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的正輸入端連接轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器的輸出端，PWM控制器的輸入端連接轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的輸出端，PWM控制器的輸出 端連接三相橋式逆變電路中6個開關(guān)管的門極，從而控制三相橋式逆變電路向無刷直流電 機輸出交流電信號。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于霍爾信號的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于： 所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于霍爾信號的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于： 所述三相橋式逆變電路的6個開關(guān)管均為IGBT。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于霍爾信號的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于： 所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器、PBi控制器、轉(zhuǎn)速計算模塊、轉(zhuǎn)矩觀測器均集成在一塊 DSP處理器上。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述基于霍爾信號的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于： 所述DSP處理器的型號為DSP2812。
【文檔編號】H02P21/30GK205545043SQ201620298375
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】余莉, 孫加偉, 芮元棟, 劉銳, 劉德
【申請人】南京信息工程大學