一种基于合成电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无刷直流电机控制领域，尤其是一种基于合成电流控制的无刷直流电 机瞬时转矩控制方法。
【背景技术】
[0002] 无刷直流电机由于其结构简单、维护费用低、寿命长、调速性能良好等优点，在航 空航天、交通等领域中得到广泛应用。无刷直流电机通常采用两相导通=相六状态工作方 式进行工作，该样能够充分的利用无刷直流电机梯形磁场的平顶部分，使电机效率更高，转 矩平稳性更好。
[0003] 但由于生产工艺的原因，无刷直流电机的转子产生的磁场并非理想的梯形波，如 果继续向电机内通入方波电流，势必会产生转矩脉动。无刷直流电机通常采用两相导通= 相六状态工作方式，每隔60°电角度就会进行一次换相。由于电机转速影响，开通相电流与 关断相电流的变化速率不同，造成电机的转矩出现波动，如果不加W控制，换向转矩脉动可 W达到电机平均转矩的50 %左右。
[0004] 当前，控制无刷直流电机转矩脉动方法通常为滞环控制，但由于无刷直流电机的 电感非常小，因此在一个换相周期内采用一个电压矢量会造成相电流和转矩抖动。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于提供一种控制简单、减小转矩脉动的基于合成电流控制的无刷直 流电机瞬时转矩控制方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明所述控制方法包括如下步骤：
[0007] (1)将工频交流电源经整流、滤波处理得到直流电源；
[0008] (2)将直流电源通过功率变换器转化成交流电源，向无刷直流电机供电；
[0009](3)通过位置传感器确定无刷直流电机的转子位置0，通过速度计算单元，计算 出无刷直流电机的实际转速
[0010] (4)电机指令转速媒，与实际转速作差得到速度差A?"，将速度差A输 入到速度PI调节器，得到无刷直流电机的合成电流给定值I* ;
[0011] 妨合成电流与转矩之间的关系为：
[0012] Te= i AkAgmax+iBkBgmax+ickcgmax= gmax ? (iAkA+iBkB+ickc) = gmax ? I
[001引式中，T。为电机转矩、gm"为相反电势系数的峰值、kA、Vk为当前位置的A、B、C S相相反电势系数同相反电势系数最大值之间比值、iA、ie、ie为A、B、CS相相电流大小、I 为合成电流；
[0014] 从上式中可知，电机转矩T。与合成电流I成正比关系，控制合成电流既是控制电 机转矩，减小合成电流的波动既是减小转矩的波动；
[0015] (6)通过位置传感器确定无刷直流电机的转子位置0，通过扇区判断得到转子所 处扇区信息S，根据转子扇区信息S判断出无刷直流电机非换相相、关断相、开通相；
[001引 （7)利用转子位置0查询相电流系数数据库得到合成电流系数ki、关断相电流系 数k2,所述相电流系数数据库为ki- 0、k2- 0关系数据库，将合成电流给定值I*、关断相电 流i2、合成电流系数ki、关断相电流系数k2输入非换相相电流计算公式，得到非换相相电流 给定值
[0017] 非换相相电流计算公式为：
[001 引ii=k11-102
[0019]式中，ii为非换相相电流、I为合成电流、i2为关断相电流、ki为与转子位置0相 关的合成电流系数、k,为与转子位置0相关的关断相电流系数，ki、k,可直接通过转子位置 0查询相电流系数数据库得到；
[0020] (8)将非换相相电流给定值与非换相相电流实际值i1作差，经过电流PI调节 得到所需占空比〇1，将占空比Di与转速成正比的占空比D2相加，得到非换相区开通相的占 空比D;利用实际转速及进入换相区瞬间的非换相相电流给定值i十算得到电感压 降所占占空比町;与转速成正比的占空比D述过〇2=枯《得出，其中k为通过速度《计 算占空比的系数；町表示电感电压降对应占空比，Dd十算方法如下
[0021]
【主权项】
1. 一种基于合成电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，其特征在于，所述控制 方法包括如下步骤： (1) 将工频交流电源经整流、滤波处理得到直流电源； (2) 将直流电源通过功率变换器转化成交流电源，向无刷直流电机供电； (3) 通过位置传感器确定无刷直流电机的转子位置Θ，通过速度计算单元，计算出无 刷直流电机的实际转速ω"; (4) 电机指令转速<与实际转速《"作差得到速度差Λ ω "，将速度差Λ 〇"输入到 速度PI调节器，得到无刷直流电机的合成电流给定值I* ; (5) 合成电流与转矩之间的关系为： Te - ? - S max * (?α^Α+?β^β+?〇^〇) - gmax ·工 式中，Te为电机转矩、g _为相反电势系数的峰值、k A、kB、kc为当前位置的A、B、C三相 相反电势系数同相反电势系数最大值之间比值、iA、iB、、为A、B、C三相相电流大小、I为合 成电流； 从上式中可知，电机转矩Te与合成电流I成正比关系，控制合成电流既是控制电机转 矩，减小合成电流的波动既是减小转矩的波动； (6) 通过位置传感器确定无刷直流电机的转子位置Θ，通过扇区判断得到转子所处扇 区信息S，根据转子扇区信息S判断出无刷直流电机非换相相、关断相、开通相； (7) 利用转子位置Θ查询相电流系数数据库得到合成电流系数Ic1、关断相电流系数k2， 所述相电流系数数据库为Iq- Θ、k2- Θ关系数据库，将合成电流给定值I*、关断相电流i2、 合成电流系数Ii1、关断相电流系数k 2输入非换相相电流计算公式，得到非换相相电流给定 值?Λ 非换相相电流计算公式为： I1= k J-^i2 式中，I1为非换相相电流、I为合成电流、i2为关断相电流、ki为与转子位置Θ相关的 合成电流系数、k2为与转子位置Θ相关的关断相电流系数，ki、k2可直接通过转子位置Θ 查询相电流系数数据库得到； (8) 将非换相相电流给定值V与非换相相电流实际值i i作差，经过电流PI调节得到 所需占空比D1，将占空比D1与转速成正比的占空比D 2相加，得到非换相区开通相的占空比 D ;利用实际转速以及进入换相区瞬间的非换相相电流给定值i 3十算得到电感压降所 占占空比Dlj; 根据转子所处扇区信息S，查询开关状态查询表中的开关管状态，控制开关管的开通关 断，驱动无刷直流电机运行。
2. 根据权利要求1所述的一种基于合成电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法， 其特征在于：所述步骤（6)中，扇区的划分位置可以通过离线实验得到；定义z为扇区判断 系数，z值的大小可以人为调整，z e [〇, 1];离线实验中利用转子位置Θ查询相反电势系 数比值数据库，即kA-0、kB-0、k「0数据库，得到转子在当前位置的A、B、C三相相反电势 系数同相反电势系数最大值之间比值1^、1^、1^，1^、1^、1^￡[〇，1] ;无刷直流电机反电势为 接近于梯形波，当z选取1/2时肯定存在换相区，将kA、kB、k c与1/2、-1/2比较进行扇区划 分，划分出I~VI六个扇区。
3. 根据权利要求1所述的一种基于合成电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法， 其特征在于，在步骤（7)中，所述相电流系数数据库的获取方法如下： 相电流系数数据库即kr Θ、k2- Θ数据库；将两台相同型号的无刷直流电机的转轴用 联轴器相联，其中一台作为发电机，另一台作为电动机，电动机以恒定转速带动发电机旋 转，从发电机的定子中点引出中性线，检测发电机的相反电势和转子位置，将相反电势和电 机转速相除，得到不同位置下A、B、C三相的相反电势系数g A、gB、gc，将不同位置下的gA、gB、 gc同反电势系数最大值gmax相除，得到不同位置下A、B、C三相相反电势系数同反电势系数 最大值之间比值k A、kB、kc，得到相反电势系数比值数据库，即kA-Θ、k B-Θ、V Θ数据库，转 子位置Θ通过查询kA- Θ、kB- Θ、kc- Θ数据库得到转子在当前位置的A、B、C三相相反电 势系数同相反电势系数最大值之间比值kA、kB、k c，将kA、kB、kc代入下表
计算得到不同扇区位置下的h、k2的值，进而得到相电流系数数据库，即k r θ、k2- θ 数据库。
4. 根据权利要求1所述的一种基于合成电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法， 其特征在于，在步骤（8)中，所述开关状态查询表如下表所示：
其中，每个开关模式中的六位依次表示A相的上下桥臂、B相的上下桥臂、C相的上下桥 臂的开关管状态；〇表不该管截止，1表不该管完全导通，不该管做占空比为D ^的PWM 调制，Dtxff表不该管做占空比为D。^的PWM调制；D m、计算方法如下：
其中，D = DfD2，将非换相相电流给定值V与非换相相电流实际值i i作差，经过电流 PI调节得到所需占空比D1，将占空比D1与转速有关的占空比D 2相加，得到占空比D ; 1^Γωπ，^表示是利用实际转速ω "以及进入换相区瞬间的非换相相电流给定值 i 3十算得到电感压降所占占空比；为电感电压系数。
5. 根据权利要求1所述的一种基于合成电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法， 其特征在于：在步骤（8)中，与转速成正比的占空比D2通过D2= 得出，其中k为通过 速度ω计算占空比的系数。
6. 根据权利要求1所述的一种基于合成电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法， 其特征在于：在步骤（8)中，Dlj表示电感电压降对应占空比，D 计算方法如下
式中，h为电感电压系数，为进入到换相区瞬间的非换相相电流给定值，ω "为实际 转速。
【专利摘要】一种基于合成电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，属于无刷直流电机控制技术领域。本发明定义了合成电流，电机实际转矩Te与合成电流I成正比关系，控制合成电流既是控制瞬时转矩，减小合成电流的波动既是减小转矩的波动。利用合成电流给定值通过合成电流与各相电流之间的关系式计算出非换相相电流的给定值，减小合成电流的脉动。在换相区，利用实际转速和电流给定值计算得到电感压降对应占空比，再通过对占空比D简单的调节，得到开通相和关断相的占空比，使开通相电流上升率和关断相电流下降率相同，减小换相转矩脉动。本方法不需要对占空比进行复杂的计算，实现起来更加简单。
【IPC分类】H02P6-10
【公开号】CN104753410
【申请号】CN201510089164
【发明人】李珍国, 王江浩, 高雪飞
【申请人】燕山大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年2月27日