一种基于内模原理的电动自行车控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用永磁无刷直流电机控制领域，具体涉及一种基于内模原理的电动自 行车控制方法。
【背景技术】
[0002] E-BIKE控制系统中广泛采用永磁无刷直流电机，其特点是结构简单、运行可靠、维 护方便、效率高、无励磁损耗以及调速性能好等。诸多优点使其广泛应用于家用电器、仪器 仪表、医疗器械等工业领域。
[0003]内模原理指出，任何一个能良好地抵消外部扰动或跟踪参考输入信号的反馈控制 系统，其反馈回路必须包含一个与外部输入信号相同的动力学模型。这个内部模型称为内 模。系统模型参数甚至模型结构发生变化时，系统存在不确定性，基于内模原理设计的控制 器不但能抑制外界干扰，同时还能消除参数不确定性对系统造成的影响。
[0004] 传统永磁无刷直流电机控制方式主要有方波控制，这种控制方法简单，容易实现， 但是由于定子电流和气隙磁通为方波或梯形波，所以存在转矩脉动，换相噪声，电机效率 不高等问题（纪志成，姜建国.永磁无刷直流电动机转矩脉动及其抑制方法[J]，微特电 机，2003 (5) :33-37);此外还有一种正弦波控制方式，即通过对电机绕组施加一定的电压， 使电机绕组中产生正弦电流，通过控制正弦电流的幅值及相位达到控制电机转矩的目的。 与传统方波控制相比，电机相电流为正弦，且连续变化，无换相电流突变，因此电机运行噪 声低，转矩脉动小，运行效率高。
[0005] 传统的正弦波控制，是调制三相端电压，使得相电压与反电势同相位。但由于电机 为感性负载，相电流滞后于相电压，即电机相电流滞后于反电势。而电机最大转矩输出时， 电机相电流需与反电势同步，因此需要调整电压相位，使生成的相电压超前于反电势，从而 实现相电流与反电势同步（荆晓博.基于XC866的直流无刷电机简易正弦波控制[J]，世界 电子元器件，2010 (9) : 51-54)。现如今，该角度调整多为手动调整，且不同批次电机补偿角 不同，造成控制器的通配性较低。
【发明内容】
[0006] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于内模原理的电 动自行车控制方法，该方法利用内模原理设计电流环控制器，使电机相电流跟踪给定正弦 波信号，避免了相电流角度修正，解决了现有技术的问题。
[0007] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0008] 一种基于内模原理的电动自行车控制方法，其特征在于，包括转子区间计算模块、 速度计算模块、转子位置计算模块、给定转速模块、速度环PI控制器模块、电流环控制器模 块、波形调制模块和三相电压型逆变器模块；
[0009] 所述转子区间计算模块输入端与电机输出端的三路霍尔传感器相连，输出端分别 连接速度计算模块和转子位置计算模块；速度计算模块输出端和给定转速模块输出端共同 接入速度环PI控制器模块；通过速度环PI控制器模块的信号作为电流环给定幅值输出； 通过转子位置计算模块得到的转子位置和电流环给定幅值组合，作为三相电流环给定值输 出；三相电流环给定值分别进入基于内模原理的电流环控制器模块，输出至波形调制模块， 最终进入三相电压型逆变器模块对电机进行控制；
[0010] 该方法包括以下步骤：
[0011] 1)利用采样电阻采样母线电流使用单分流三相电流重构算法得到电动自行车三 相相电流ia、ib、i。；
[0012] 2)通过转子区间计算模块检测三路霍尔传感器信号，得到电机转子位置信息
[0013] 3)速度传感器模块计算得到电机此时的实际速度《;
[0014] 4)给定速度模块给出一个速度给定值，该速度给定值与步骤3)得出的 实际速度《的差值e(t)，经过速度环PI控制模块后，作为电流环给定值幅值IMf输出；
[0015] 5)通过步骤2)得到的转子位置0,和步骤4)得到的电流环给定值幅值IMf组合， 得到Irefsin( 0 r)、Irefsin( 0r-120° )、Irefsin( 0r+120° )三个电流值，这个三个电流 值分别作为三相电流环给定值/I、<、G
[0016] 6)所述三相电流给定值. <、<、< 与对应相电流的差ea (t)、eb (t)、e。⑴分别进 入相应的基于内模原理的电流环控制器模块；
[0017] 7)电流环控制器模块的输出信号经过波形调制模块输出六路正弦调制信号，该正 弦信号驱动三相电压型逆变器模块，驱动电机运行；
[0018]8)依次更新三相电流值ia、ib、i。和转子位置信息0y重复步骤1)至步骤6)，实 现电动自行车持续运行。
[0019] 进一步的，电流环控制器模块的系统开环传递函数包括跟踪信号所有的极点，其 频域形式为：
[0020]
【主权项】
1. 一种基于内模原理的电动自行车控制方法，其特征在于，包括转子区间计算模块、 速度计算模块、转子位置计算模块、给定转速模块、速度环PI控制器模块、电流环控制器模 块、波形调制模块和三相电压型逆变器模块； 所述转子区间计算模块输入端与电机输出端的三路霍尔传感器相连，输出端分别连接 速度计算模块和转子位置计算模块；速度计算模块输出端和给定转速模块输出端共同接入 速度环PI控制器模块；通过速度环PI控制器模块的信号作为电流环给定幅值输出；通过 转子位置计算模块得到的转子位置和电流环给定幅值组合，作为三相电流环给定值输出； 三相电流环给定值分别进入基于内模原理的电流环控制器模块，输出至波形调制模块，最 终进入三相电压型逆变器模块对电机进行控制； 该方法包括以下步骤： 1) 利用采样电阻采样母线电流使用单分流三相电流重构算法得到电动自行车三相相 电流ia、ib、i。； 2) 通过转子区间计算模块检测三路霍尔传感器信号，得到电机转子位置信息 3) 速度传感器模块计算得到电机此时的实际速度《 ; 4) 给定速度模块给出一个速度给定值，该速度给定值与步骤3)得出的实际 速度《的差值e(t)，经过速度环PI控制模块后，作为电流环给定值幅值IMf输出； 5) 通过步骤2)得到的转子位置~和步骤4)得到的电流环给定值幅值IMf组合，得 到Irefsin( 0r)、Irefsin( 0r-120° )、Irefsin( 0r+120° )三个电流值，这个三个电流值分别 作为三相电流环给定值<、/!、〇 6) 所述三相电流给定值/I、<、t与对应相电流的差\(〇、％(〇、6。(〇分别进入相 应的基于内模原理的电流环控制器模块； 7) 电流环控制器模块的输出信号经过波形调制模块输出六路正弦调制信号，该正弦信 号驱动三相电压型逆变器模块，驱动电机运行； 8) 依次更新三相电流值1、113、1。和转子位置信息0^，重复步骤1)至步骤6)，实现电 动自行车持续运行。
2. 如权利要求1所述的一种基于内模原理的电动自行车控制方法，其特征在于，其特 征在于，所述电流环控制器模块的系统开环传递函数包括跟踪信号所有的极点，其频域形 式为：
其中，比例项I可提升系统响应速度为给定电机角速度。
3. 如权利要求2所述的一种基于内模原理的电动自行车控制方法，其特征在于，步骤 1) 中所述采样电阻为串联在逆变器母线上的采样电阻，通过该采样电阻获得的采样电压通 过AD转换和电流计算得到母线电流。
4. 如权利要求2所述的一种基于内模原理的电动自行车控制方法，其特征在于，步骤 2) 中所述转子位置t根据下式来计算： 0r= 0 其中0i(i= 1，2,3,4,5,为转子所在区间初始位置，分别是0f330 °，0 2 = 30。，03=9〇。，04=15〇。，05=21〇。，0 6= 27〇。；0￡=(6〇。）/(：6。，。为该区间 内计数器实际计数值；C6(l为电机转过60°电角度计数器的计数值。
【专利摘要】本发明公开一种基于内模原理的电动自行车控制方法，该方法利用内模原理设计电流环控制器，使电机相电流跟踪给定正弦波信号。速度给定值经过速度环控制器作为电流环给定的幅值，三路霍尔传感器信号经过转子区间计算，得到电流环给定的周期和相位。电流环输出经过波形调制环节输出6路正弦调制信号，驱动三相电压型逆变器，使电机平稳、高效的运行。优点是：在电机运行时通过三相电机绕组的是正弦相电流，与传统方波控制相比转矩脉动小，运行噪声低，电机寿命长。三相相电流为与三相反电动势同相位的正弦波，省去了传统正弦波调制时相位补偿的环节，提升了电机运行的效率。不需复杂的坐标变换，算法简单，容易实现，对控制器要求较低。
【IPC分类】H02P21-14
【公开号】CN104617851
【申请号】CN201510072376
【发明人】李世华, 谷伟, 王会明, 杨俊 , 颜赟达, 张宇
【申请人】东南大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月11日