专利名称：无刷直流电机的直接自控制系统的控制方法
技术领域：
本发明所涉及的是一种定子磁链为六边形运动的直接自控制的无刷直流电机调速系统及控制方法。
背景技术：
用交流调速技术达到节能的效果是众所周知的事情，而永磁电机由于使用了稀土永磁材料，节能效果更为显著。我国是稀土金属大国，多年来一直在推广稀土永磁电机的应用；另外，交流调速技术还能提高各种动态、静态性能，使加工质量或系统运行综合品质得到提高。因此，永磁电机的调速技术是一个应用非常广泛，对国民经济有大面积影响的技术。
永磁电机包括两种类型，一类是无刷直流电机，一类是交流正弦永磁电机。事实上这两类都是交流电机，只是第一类的特性有如直流电机，但它无刷，所以叫其为无刷直流电机，它即是永磁方波电机。本申请人之一1997年在美国IEEEPE杂志上公开了一种交流正弦永磁电机的直接转矩控制方案。此后，该技术的研究在国外和国内同时兴起，已发表了许多论文，有很大进展。但是还未有人把直接自控制应用到无刷直流电机上，而无刷直流电机在家电、一般工业用品上使用上非常广泛，如冰箱、洗衣机、空调都在大量使用无刷直流电机。
发明内容
本发明的目的在于将直接自控制技术应用到无刷直流电机上，以求提高动态性能。以极其简单的结构实现无刷直流电机的高性能控制。直接自控制技术不仅能提高系统的动态性能，且能改善弱磁的状况，扩大电机的高速运行范围。
为实现上述技术指标，本发明的技术解决方案是，硬件系统由主回路，检测回路，控制回路三大部分组成。主回路由无刷直流电机与功率变换器串联，由功率变换器接到供电电网；检测回路由电流传感器和电压传感器所组成；控制回路由模数转换器连于基于数字信号处理器(DSP)的控制单元，产生功率变换器控制信号，再连于与功率变换器相连的变换器控制信号处理单元所组成。在检测回路中，具有常用的位置传感器(或者电机三相交流反电势过零位置检测器)；在控制回路中删除了电流闭环线路。
本发明的无刷直流电机直接自控制系统的控制方法是在每一个控制周期中，根据连于主电路的由电流传感器和电压传感器所组成的检测电路检测到的瞬时电流与瞬时电压，通过数学模型的计算软件计算出瞬时磁链和瞬时转矩，由给定转速和通过计算软件计算出的瞬时转速，经由速度调节软件，得到给定转矩；将瞬时磁链和给定磁链进行比较，瞬时转速和给定转矩进行比较，由比较的结果，直接选用电力电子变换器的八个空间电压矢量当中最好的一个，通过功率变换器作用于无刷直流电机，通过插入八个空间电压矢量中的零矢量来实现调速的目的。转矩的比较结果决定选择零电压矢量或非零电压矢量，磁链的比较结果决定选择哪一个非零电压矢量，以上的定子磁链为自调节过程，转矩是自控制的。
本控制方法，没有任何坐标变换计算，计算简单，给定磁链为一个恒定值，系统受电机参数影响小，动态响应好，调速范围宽。由于去掉了电流闭环，提高了可靠性。
四
图1是无刷直流电机的直接自控制系统的组成框图。
图2是坐标系与定子磁链轨迹示意图。
图3是无刷直流电机的直接自控制系统框图。
图4是无刷直流电机的直接自控制系统控制软件流程图。
图1中各框图内的编号名称分别是；1、无刷直流电机，2、功率变换器，3、变换器控制信号，4、基于数字控制信号处理器的控制系统，5、模数转换器A/D，6、电流传感器和电压传感器。
图2中符号名称V0～V7-空间电压矢量，abc-a-b-c三相坐标系，αβ-α-β坐标系，βaβbβc-βa-βb-βc坐标系，S1～S6-定子磁链所在空间均分的六个区段。
图3中符号名称Ψs*-定子磁链给定值，T*-转速调节器输出转矩给定值，T(t)-转矩瞬时值，ωr*-给定转速，ωr-瞬时转速，ST-转矩环迟滞比较器输出值，SZ-零状态选择单元输出值，SaΨ、SbΨ、ScΨ-三个开关状态，Sa、Sb、Sc-三个开关状态，Uβa、Iβa-永磁无刷直流电机线电压和线电流在βa轴上的投影，Uβb、Iβb-永磁无刷直流电机线电压和线电流在βb轴上的投影，Uβc、Iβc-永磁无刷直流电机线电压和线电流在βc轴上的投影，Ψβa、Ψβb、Ψβc-永磁无刷直流电机定子磁链Ψ在βa-βb-βc坐标系中βa轴和βb轴βc轴向的投影，Udc-输出的直流环节电压。图中各框图内名称逆变器模型AIM，相电压线电压转换模型UCM，相电流线电流转换模型ICM，磁链自控制单元DMC，开关信号选择单元ASS，零状态选择单元AZS，转矩调节软件单元ATR，还有主电路中的永磁无刷直流电机(BLDC MOTOR)及IGBT三相桥。
五、具体实施方法根据附图叙述本发明的具体实施方法及工作原理和工作过程。由图1可知，本发明的无刷直流电机直接自控制系统包括由无刷直流电机1、功率变换器2二者连接而成的主回路；由电流传感器、电压传感器6组成的检测回路，由模数转换器A/D 5连于基于数字信号处理器(DSP)的控制系统4后再连于变换器控制信号3所组成的控制回路。功率变换器中的功率管可采用IGBT功率管或功率场效应管；电流电压传感器可为霍尔传感器，也可为采样电阻。传感器将主回路上的电流和电压，转变为弱电的模拟电压信号，进入模数转换器A/D，由它将模拟信号转换为数字信号，再送给DSP控制系统所用。根据取得的信号和本发明的直接自控制策略，计算出转矩与定子磁链所在区段，并发出控制信号，经由变换器控制信号3，发出6位脉冲信号去控制主回路中的功率变换器。
本发明在控制回路中，删除了电流闭环线路(此处的交流电流信号不作电流闭环用，只作为确定磁链位置和计算瞬时电磁转矩所需要的信号)。
本发明无刷直流电机直接转矩自控制系统，通过电力电子变换器采用直接选用空间电压矢量作用于无刷直流电机的方法直接控制电磁转矩，使电机快速改变转速，达到快速调速的目的。
根据附图2和附图3叙述本发明控制方法的基本原理及具体控制方法如下对于交流正弦永磁电机，所需的定子磁链运动轨迹是个圆，但是，对于方波电机(即无刷直流电机)，则该磁链并不是一个圆。由于关断相电压的不确定性，当采用两相导通方式的直接转矩控制无刷直流电机时，定子磁链的计算是非常困难的；而且定子磁链幅值以60度为周期变化，随定子磁链空间位置不同其幅值时刻变化，为了得到恒定的转矩，给定磁链Ψs*不是恒值，而是以60度为周期变化的。而本发明的直接自控制的无刷直流电机的定子磁链为六边形运动轨迹，给定磁链Ψs*为一个恒定值，不存在任何坐标变换的计算，系统组成结构极其简单，但是所得到的动态响应非常优异。测量出的瞬时转速ωr和给定转速ωr*送入转速调节软件单元ATR，根据其差给出给定转矩。实际转矩T(t)可由电流测量所计算得到。如果实际转矩T(t)小于给定转矩T*，就增加定子磁链和转子磁链的夹角，根据磁链比较输出选择非零电压矢量。如果实际转矩T(t)大于给定转矩T*，就减小这个夹角，根据零状态选择单元AZS的输出来选择零矢量以使得逆变器的开关切换次数最少。如果实际转矩T(t)基本上等于给定转矩T*，则应该保持电压矢量不变。而控制周期内转子磁链的方向变化不大，这个夹角由定子磁链的方向决定。因此，实际上只要通过控制定子磁链的方向就能实现这个夹角的改变。而定子磁链受空间电压矢量的影响，即定子磁链矢量的矢尖轨迹将沿着所选空间运动电压矢量的方向运动，选择不同的空间运动电压矢量将使定子磁链的幅值和方向变化。若选择零矢量，则定子磁链矢量不变，即保持定子磁链矢量的角度。因此，按照一定规则选择恰当的空间电压矢量就可控制定子磁链矢量按所需的运动轨迹运动。本发明的特点就在于定子磁链矢量的矢尖应被控制成按六边形轨迹运动。图2所示的就是定子磁链轨迹示意图。图中分为6个不同区段，在六个不同区段存在着各自相应的使磁链运动轨迹沿着六边形轨迹运动的空间电压矢量。要迅速改变电磁转矩T(t)是通过快速改变定子磁链的角度达到的。改变定子磁链的旋转速度是通过选择恰当的运动矢量和插入零矢量实现的。据此，通过在每一个极短的控制周期中从八个空间电压矢量中选择非零空间电压矢量或零矢量，一方面使定子磁链沿着六边形轨迹运动；另一方面尽快地改变定子磁链的运动速度。
实现无刷直流电机直接自控制的框图如图3所示。定子磁链向βa、βb、βc上的投影分别为Ψβa、Ψβb、Ψβc。六边形轨迹的定子磁链幅值是变化的，但由于引入了βa-βb-βc坐标系，只需要给定一个恒值磁链，给定磁链幅值等于六边形轨迹的内切圆半径，即六边形中心到六条边中点的垂线长。将Ψβa、Ψβb、Ψβc分别与给定磁链Ψs*比较，三个磁链调节器构成磁链自控制单元DMC。磁通调节器是两点式比较器，输入为三个线电压积分得到的实际磁链Ψβa、Ψβb、Ψβc及给定磁链Ψs*，输出三个开关量SaΨ、SbΨ、ScΨ，三个比较器各输出一个开关信号SaΨ、SbΨ、ScΨ。当实际磁链大于给定磁链Ψs*，比较器输出1，当实际磁链小于给定磁链Ψs*，比较器输出0，其他状态时比较器输出不变。其中，Ψβa的磁通比较器输出c相开关量ScΨ，Ψβb的磁通比较器输出a相开关量SaΨ，Ψβc的磁通比较器输出b相开关量SbΨ。
转矩调节软件单元ATR为两点式比较器，输入实际转矩T(t)与转矩给定值T*之差，输出转矩环迟滞比较器输出值ST。当实际转矩T(t)小于给定转矩T*超过允许容差，转矩环迟滞比较器输出值ST为1，要求增大转矩；当实际转矩T(t)大于给定转矩T*超过允许容差，转矩环迟滞比较器输出值ST为0，要求减小转矩；当两者之差在正负容差内，转矩环迟滞比较器输出值ST不变。
当转矩环迟滞比较器输出值ST为0时，开关信号选择单元受控制于转矩调节器，三个开关变量Sa、Sb、Sc的值都是转矩环迟滞比较器输出值SZ，转矩环迟滞比较器输出值SZ取0或1由零状态选择单元决定，以使得逆变器开关次数最少。这样，三相绕组都接到逆变器直流环节同一根母线上，电压矢量为零，定子磁链静止不动，而转子磁链继续旋转，速度基本维持不变，瞬时转矩随之下降。当转矩环迟滞比较器输出值ST为1时，逆变器将全部电压加到绕组上，选择哪一个非零电压矢量取决于磁链自控制单元的三个输出。通过这样的方式，定子磁链的速度在零和最高速之间任意变化。所以，转矩调节软件单元ATR决定了选择零电压矢量或非零电压矢量，磁链自控制单元DMC决定了选择哪一个非零电压矢量，零状态选择单元在两个零矢量中选优以保证逆变器一次只有一个开关管切换。以上磁链为自调节过程，转矩是自控制的，与转速、定子电阻、直流环节电压Udc无关。磁链自控制环节给出正确的区段，转矩两点式调节控制转矩，磁链调节只是起辅助作用。六边形轨迹共用到了3个磁链调节器，要求计算三个磁链，磁链调节器的上下限为给定磁链Ψs*。
权利要求
1.一种无刷直流电机的直接自控制系统的控制方法，其特征在于在每一个控制周期中，根据连于主电路的由电流传感器和电压传感器所组成的检测电路检测到的瞬时电流与瞬时电压，通过数学模型的计算软件计算出瞬时磁链和瞬时转矩，由给定转速和通过计算软件计算出的瞬时转速，经由速度调节软件，得到给定转矩；将瞬时磁链和给定磁链进行比较，瞬时转速和给定转矩进行比较，由比较的结果，直接选用电力电子变换器的八个空间电压矢量当中最好的一个，通过功率变换器作用于无刷直流电机，通过插入八个空间电压矢量中的零矢量来实现调速的目的。
全文摘要
一种无刷直流电机的直接自控制系统的控制方法，属无刷直流电机调速系统的控制方法。该直接自控制方法是，在每个控制周期中，根据检测到的电流、电压，计算出定子磁链和转矩，将其和给定磁链、给定转矩相比较，由比较结果决定所选用的空间电压矢量通过功率变换器作用于无刷直流电机，达到调速的目的。由于不存在坐标变换计算，给定磁链为恒定值，该系统结构简单、坚固可靠、造价低、动态响应快。能广泛适用于军工和民用的要求。
文档编号H02P6/00GK1819439SQ20061003796
公开日2006年8月16日 申请日期2006年1月24日 优先权日2006年1月24日
发明者胡育文, 黄文新, 高瑾 申请人:南京航空航天大学