专利名称：一种无刷直流电机转矩脉动抑制方法
技术领域：
本发明涉及无刷直流电机领域，尤其涉及一种采用离散型电压空间矢量调制的无刷直流电机直接转矩控制方法，该方法结合无刷直流电机的扇区特征，针对性的设计了多层次矢量调制，从而合理地增加参与调制的基本矢量数目，进行控制矢量合成，得到最佳的控制矢量用来抑制直接转矩控制所产生的转矩脉动。
背景技术：
无刷直流电机是由电机本体和驱动器组成的，它结构简单紧凑，没有传统电机的电刷部分，转子部分使用永磁材料，对定子绕组通过相应顺序的电流可以使得转子正转或者反转。无刷直流电机的效率高，高效区域大，具有较高的功率和转矩密度，功率因数接近于I。同时无刷直流电机具有直流有刷电机的所有的优点，所以高效、宽调速范围、高能量t匕、稳态转速误差小的无刷直流电机在业界和高性能驱动领域有着强烈的需求。直接转矩控制的无刷直流电机系统就是将电机和控制视为一个不可分割的整体，保有无刷直流电机性能特点的基础上，整合直接转矩控制控制结构简洁，转矩响应快速，动态解耦优秀的特点。但是这个系统有着一个最大的难点就是转矩脉动较大，抑制转矩脉动就是改进无刷直流电机直接转矩控制系统最大的突破点。目前无刷直流电机直接转矩控制的研究才处于一个初始阶段:
①无刷直流电机直接转矩控制(DTC)的研究。2008年，江苏大学，尹中良的硕士毕业论文“无刷直流电机的直接转矩控制”论证了无刷直流电机直接转矩控制中必须解决的两个难点:关断相和非正弦。在文章中阐述了解决这两个问题的突破点在于正确实时的检测出电机的反电动势，在文章中也采用了反电动势函数法来构建电机运行时的反电动势状态。但是在文章中没有对直接转矩控制中最常见和最大的问题，转矩脉动过大这一现象进一步的阐述。②无刷直流电机直接自控制(DSC)的研究。2007年，登载于中国电机工程学报的“六边形磁链轨迹的无刷直流电机直接自控制”。文中直接将无刷直流电机的定子磁链的三个投影和一个常数进行比较，以更简单的结构实现了无刷直流电机的高性能的控制。这种方法巧妙的解决了直接转矩控制中的两个难点，找出了磁链控制中的常数项，为今后的研究拓展了思路。但是这种方案一般适用于调速性能不高的系统，且其开关频率一般不高，限制了其使用的场合。③无刷直流电机的超空间矢量控制。2007年，登载于中国电机工程学报的“超空间矢量下无刷直流电机的直接转矩控制”成功得引用了电力设备控制中的超空间理论，它指出关断相只影响磁链而不影响转矩。将关断相电压放置在于abc平面垂直的z轴，令电压矢量于定子磁链在三维空间内运行，从而控制电机的运行，这种控制方法无需转子位置信息，易于实现无传感器控制，但是这种控制方法相对复杂，实现难度高，尤其是使用MCU时运算复杂，对数字控制系统的硬件和软件要求苛刻，工业应用困难。
发明内容
本发明的目的是提出一种简单易于实现的无刷直流电机直接转矩控制系统，最重要的是针对直接转矩控制中转矩脉动较大的缺点设计其离散型电压矢量调制方法。与一般已有的离散型电压矢量调制不同，这种方法针对无刷直流电机非正弦和关断相的特点进行了优化，提出了独有的矢量选择方法，使其可以突破无刷直流电机控制的难点，有效地减小转矩脉动，成功地应用到无刷直流电机直接转矩控制系统中。本发明的技术方案是:结合离散型空间电压矢量调制的无刷直流电机直接转矩控制，其步骤包括:
步骤1、检测电机的反电动势；
步骤2、确立逆变器开关组合状态和直接转矩控制扇区系统；
步骤3、确立系统扇区内基本电压空间矢量的选择，从而实现转矩脉动抑制。其中,所述步骤I通过反电动式函数法获得所需电机的反电动势。其中，步骤2中由三相桥式逆变器开关状态组合而成系统的基本矢量。其中，所述确立直接转矩控制扇区系统是通过对原有的扇区进行扇区平分就可以得到比原扇区系统多一倍的扇区系统来实现。其中，所述步骤3为在直接转矩过程中引入离散型空间电压矢量的调制。其中，所述步骤3具体为根据系统所处扇区中的基本电压空间矢量，确定在不同占空比情况下可以合成的新的电压矢量，在这些矢量中选择出和磁链运行轨迹垂直的矢量，并根据磁链，转矩标识确定最佳矢量。其中，具体确定最佳矢量是通过以下步骤:
根据一个周期内的基本电压矢量得到可调固定频段的占空比；
根据磁链滞环比较器的比较结果确定磁链的增加或减小；
根据转矩滞环比较器的比较结果来细分转矩状态，从而获得最佳矢量。其中，所述步骤3还包括将速度分段，在高速段和低速段中采用细化扇区，确定扇区不同位置的最佳矢量，从而进一步实现转矩脉动抑制。本发明采用离散型矢量调制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法具有以下特点:①针对无刷直流电机的直接转矩控制非正弦和关断相的难点，提出一种解决方案；②分析无刷直流电机离散型直接转矩控制和一般正弦波控制电机离散型直接转矩控制的不同；③针对无刷直流电机特有的扇区系统提出专门设计的矢量选择法则。总的来说，不同于一般正弦波电机的离散型电压空间矢量直接转矩控制方法，无刷直流电机离散型空间电压矢量控制方法是一种贴切无刷直流电机扇区特点设计的控制方法，这种控制方法动态响应较快、结构简单、并且对转矩脉动有着较好的抑制效果，极大的改进了无刷直流电机直接转矩控制的性能，扩展了其应用场合。
图1为根据本发明实施例的无刷直流电机三相反电动势状态 图2为根据本发明实施例的无刷直流电机两相电压合成矢量的扇区 图3为根据本发明实施例的扇区SJSp S1+)的矢量选择 图4为根据本发明实施例的磁链滞环比较器示意图；图5为根据本发明的实施例的转矩滞环比较器示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明实施例进行说明。该方法包括以下步骤:
Step 1:检测电机的反电动势
无刷直流电机直接转矩控制解决非正弦和关断相难点的突破点在于实时，准确的检测出电机的三相反电动势，三相反电动势中有着转子位置信息、转速信息、所需的逆变器状态等一系列的重要信息。所以一个简单可靠的反电动势检测法是无刷直流电机控制的关键。这里采用反电动势函数法取得所需的反电动势状态。如图1所示，Ea、Eb、Ec是无刷直流电机三相反电动势函数图，这里反映出三相反电动势的相角和幅值变化的规律，三相反电动势Ea、Eb、E。的时间状态如图所示。如图1所示，三相反电动势可以表示为:
权利要求
1.一种无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征是，该方法是结合离散型空间电压矢量调制的无刷直流电机直接转矩控制，包括以下步骤: 步骤1、检测电机的反电动势； 步骤2、确立逆变器开关组合状态和直接转矩控制扇区系统； 步骤3、确立系统扇区内基本电压空间矢量的选择，从而实现转矩脉动抑制。
2.如权利要求1所述无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征是，所述步骤I通过反电动式函数法获得所需电机的反电动势。
3.如权利要求1所述无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征是，上述步骤2中由三相桥式逆变器开关状态组合而成系统的基本矢量。
4.如权利要求1所述无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征是，所述确立直接转矩控制扇区系统是通过对原有的扇区进行扇区平分就可以得到比原扇区系统多一倍的扇区系统来实现。
5.如权利要求1所述无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征是，所述步骤3为在直接转矩过程中引入离散型空间电压矢量的调制。
6.如权利要求1所述无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征是，所述步骤3具体为根据系统所处扇区中的基本电压空间矢量，确定在不同占空比情况下可以合成的新的电压矢量，在这些矢量中选择出和磁链运行轨迹垂直的矢量，并根据磁链，转矩标识确定最佳矢量。
7.如权利要求6所述无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征是，具体确定最佳矢量是通过以下步骤: 根据转子所处扇区的基本电压矢量得到可调固定频段占空比的合成电压空间矢量的集合; 根据磁链滞环比较器的比较结果确定磁链的增加或减小； 根据转矩滞环比较器的比较结果来细分转矩状态，从而获得最佳矢量。
8.如权利要求1所述无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征是，所述步骤3还包括将速度分段，在高速段和低速段中采用细化扇区，确定扇区不同位置的最佳矢量，从而进一步实现转矩脉动抑制。
全文摘要
本发明提出了一种无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其是结合离散型空间电压矢量调制的无刷直流电机直接转矩控制，包括以下步骤步骤1、检测电机的反电动势；步骤2、确立逆变器开关组合状态和直接转矩控制扇区系统；步骤3、确立系统扇区内基本电压空间矢量的选择，从而实现转矩脉动抑制。该方法动态响应较快、结构简单、并且对转矩脉动有着较好的抑制效果，极大的改进了无刷直流电机直接转矩控制的性能，扩展了其应用场合。
文档编号H02P21/05GK103208963SQ20121051635
公开日2013年7月17日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者王伟然, 刘贤兴, 孙宇新, 谭斐 申请人:江苏大学