高速无刷直流电机内功角自稳定后馈补偿控制方法与流程

本发明属于无刷直流电机内功角的补偿控制方法，涉及一种高速无刷直流电机内功角自稳定后馈补偿控制方法，特别是在高速状态下内功角的自稳定后馈补偿控制方法。

背景技术：

无刷直流电机具有结构简单、功率密度高的优点，在汽车电子、医疗器械和航空航天领域都有较为广泛的应用，高速无刷直流电机的转速高，输出转矩小，适用于风机、压缩机等负载较轻的场合。

无刷直流电机反电势与输出电流之间的相位角称为内功角，电机为感性负载，随着电机转速的增大，电机等效感抗增大，致使电机内功角增大。此时电机的三相反电势和三相电流之间有相位差，不能保证电机输出最大的电磁转矩。此外，内功角的大小随着电机转速的变化而变化，需要一种内功角的自稳定补偿方法。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高速无刷直流电机内功角自稳定后馈补偿控制方法，解决无刷直流电机在高速状态下内功角增大的问题。

技术方案

一种高速无刷直流电机内功角自稳定后馈补偿控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：利用无刷直流电机的三相反电势和三相电流，分别采用3s/2s变换，计算反电势和电流的角度值；

反电势角度θ_e：

3s/2s变换方程表示为：

反电势角度值θ_e为：

其中：e_a、e_b和e_c分别为电机三相反电势，3s/2s变换将反电势从三相静止坐标系变换至αβ坐标系，e_α和e_β为αβ坐标系下的反电势；

电流角度值θ_i：

3s/2s变换方程为：

电流角度值θ_i为：

其中：i_a、i_b和i_c分别为电机三相电流，3s/2s变换将电流从三相静止坐标系变换至αβ坐标系，i_α和i_β为αβ坐标系下的电流；

步骤2：利用反电势与电流的角度值得到角度差θ'＝|θ_i-θ_e|，采用PI调节器，以θ'为PI调节器的输入，以0作为PI调节器的另一个输入，PI调节器输出内功角补偿值θ₀；

步骤3：对αβ坐标系下的电压矢量u_α、u_β进行模值计算，得到模值角度计算得到变换角

将内功角补偿值叠加至变换角得到实际变换角θ＝θ^*+θ₀；

以实际变换角重新计算αβ坐标系下的电压矢量：u′_α、u′_β

步骤4：以u′_α、u′_β代替电压矢量u_α、u_β输入至SVPWM模块，SVPWM模块输出的6路PWM分别施加于逆变器的6个开关管，产生A、B、C三相电压，驱动电机运动，实现高速永磁无刷直流电机内功角的自稳定补偿。

有益效果

本发明提出的一种高速无刷直流电机内功角自稳定后馈补偿控制方法，根据电机的三相反电势和三相电流得到反电势和电流的角度值，根据反电势和电流的角度差计算内功角补偿值。基于内功角补偿值计算αβ坐标系下的电压矢量，利用PWM计算模块产生PWM波，驱动逆变器的开关管，进而带动电机，实现内功角的自稳定后馈补偿。

本发明的有益效果是：无刷直流电机为感性负载，电机相电流会滞后反电势，滞后角度随着电机转速的增加而增大。本发明所提出的高速无刷直流电机内功角自稳定后馈补偿控制方法，对滞后角度进行自稳定后馈补偿，保证了无刷直流电机在不同的转速情况下相电流和反电势的同相位，使得电机在相同的定子电流和反电势情况下输出最大的电磁转矩。

附图说明

图1是反电势角度计算框图；

图2是电流角度计算框图；

图3是内功角补偿值计算流程图；

图4是αβ坐标系下的电压矢量计算图；

图5是3000r/min时，内功角补偿前电流与反电势波形图；

图6是3000r/min时，内功角补偿后电流与反电势波形图；

图7是5000r/min时，内功角补偿前电流与反电势波形图；

图8是5000r/min时，内功角补偿后电流与反电势波形图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明解决其技术问题通过以下技术方案实现的：

1、高速无刷直流电机内功角自稳定后馈补偿控制方法。其特征在于：控制方法根据电机的三相反电势得到反电势角度值，根据三相电流得到电流角度值。

2、高速无刷直流电机内功角自稳定后馈补偿控制方法。其特征在于：该方法利用反电势与电流的角度值得到角度差，通过补偿调节器，得到内功角补偿值。

3、高速无刷直流电机内功角自稳定后馈补偿控制方法。其特征在于：利用αβ坐标系下的电压矢量u_α、u_β计算电压幅值和变换角，将内功角补偿值叠加至变换角，重新计算αβ坐标系下的电压矢量，得到u′_α、u′_β，然后利用PWM计算模块产生PWM波，实现内功角自稳定后馈补偿。

具体实施例：

步骤1：得到无刷直流电机的三相反电势和和三相电流，分别利用3s/2s变换，计算反电势和电流的角度值。

反电势角度计算框图如图1：

其中，e_a、e_b和e_c分别为电机三相反电势，3s/2s变换将反电势从三相静止坐标系变换至αβ坐标系，e_α和e_β为αβ坐标系下的反电势，经过角度计算得到反电势角度值θ_e。

3s/2s变换方程可表示为

反电势角度值θ_e可表示为

电流角度计算框图如图2：

其中，i_a、i_b和i_c分别为电机三相电流，3s/2s变换将电流从三相静止坐标系变换至αβ坐标系，i_α和i_β为αβ坐标系下的电流，经过角度计算得到电流角度值θ_i。

3s/2s变换方程可表示为

电流角度值θ_i可表示为

步骤2：计算内功角补偿值。

内功角补偿值计算框图如图3：

其中，θ'为反电势与电流的角度差，即|θ_i-θ_e|，补偿调节器采用PI调节器，对角度差进行调节，输出内功角补偿值θ₀。

步骤3：利用αβ坐标系下的电压矢量u_α、u_β进行模值和角度计算，得到模值|A|与变换角θ^*，将内功角补偿值θ₀与变换角θ^*叠加，得到实际变换角θ，利用θ和模值|A|重新计算得到αβ坐标系下的电压矢量u′_α、u′_β。

模值|A|与角度θ^*的表达式为：

实际变换角θ为：

θ＝θ^*+θ₀ (7)

重新计算αβ坐标系下的电压矢量，u′_α、u′_β可表示为：

步骤4：利用u′_α、u′_β实现PWM的计算，产生的PWM波通过逆变器控制电机，实现高速永磁无刷直流电机内功角的自稳定补偿。

电机转速给定为阶跃函数，在0.1s从3000r/min变至5000r/min，电机的电磁转矩为阶跃函数，在0.1s其大小由3N·m突增至8.5N·m。电机在3000r/min时，内功角补偿前后，电机a相电流与a相反电势波形分别如图5和图6所示。

由图5和图6可知，转速为3000r/min时，内功角补偿前后，电流与反电势能保持同相位。

电机在5000r/min时，内功角补偿前后，电机a相电流与a相反电势波形分别如图7和图8所示。

图7可知，随着电机转速的增大，反电势与电流有一个角度偏差，该角度差会随着电机转速的增大而增大，图8可知，经过内功角的补偿设计，电机反电势与电流之间消除了角度偏差，实现了相位同步，保证了输出电磁转矩最大。