一种无刷直流电机全调速范围内转矩脉动抑制方法与流程

本发明属于无刷直流电机的调速领域，涉及一种无刷直流电机全速度运行范围内的转矩脉动抑制方法。

背景技术：

直流电机因其出色的调速能力和启动性能，被越来越多地使用于电力拖动与电气传动系统中。然而，传统的有刷直流电机采用电刷以机械方式换相，因而存在可靠性差、寿命短、故障多、需维护、噪声大以及换相火花易产生电磁干扰等一系列问题，在很大程度上限制了其在某些特殊领域的应用。无刷直流电机正是在有刷直流电机基础之上发展起来的一种新型直流电机，具有结构简单、寿命长、体积小和效率高等优点。由于采用电子换相，避免了换相器与电刷之间的机械接触，从而消除了火花，电机寿命得到延长，免维护；转子使用永磁铁励磁，没有励磁损耗，效率更高；结构紧凑，体积小，可应用于空间受限场合；调速范围广。

然而，由于无刷直流电机相绕组电感的存在及非理想空载感应电势、定位齿槽转矩、换相控制方式等，在运行过程中会产生一定程度的转矩脉动，其中尤以换相转矩脉动最为突出，限制了其在精密传动系统中的应用。因此，转矩脉动的抑制对基于无刷直流电机的伺服系统性能提高具有十分重要的理论意义与工程应用价值。

中国发明专利《无刷直流电机的直接自控制系统的控制方法》,专利号为CN200610037967.2，公开日期为2006.8.16，公开了一种无刷直流电机的直接自控制系统的控制方法。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，将其与给定磁链、给定转矩相比较，由比较结果决定所选用的空间电压矢量，最终通过功率变换器作用于无刷直流电机，达到调速目的，即传统的直接转矩控制。

中国发明专利《无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法》,专利号为CN201010127885.3，公开日期为2010.7.21，公开了一种无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法。根据位置传感器输出的转子位置信号，经速度计算单元得到电机的转子角速度；进而根据电机电流值、电压值和转子角速度由反电势滑模观测器对电机反电势进行估算，再由转矩估算单元计算获得电机的预计转矩T_e，将T_e与给定转矩T_e^*作比较后送入转矩滞环调节器，调节得到控制参数τ，再结合位置传感器输出信号，输入电压矢量选择单元产生相应的开关信号去控制逆变器，从而驱动无刷直流电机运行。

上述技术的不足之处在于：专利CN200610037967.2采用了转矩环和磁链环的双闭环控制，其中电机磁链的获取需要采用一定的算法进行估算。而对于无刷直流电机而言，要获得较好的控制性能，定子磁链幅值的给定应是位置的一个函数，这使得系统较为复杂，控制成本大大增加。专利CN201010127885.3虽然采用了转矩单闭环控制，实现了无刷直流电机的无磁链控制，但是由于转矩计算模块T_e的估算需要用到滑模观测器观测反电势，增加了系统的计算成本；此外，由于该方案仅对开通相进行斩波控制，而电机高速运行时，关断相电流的下降速度大于开通相的电流上升速度，需要对关断相进行延迟关断处理，否则就会使得开通相与关断相的电流变化速率不同，进而引起较大的转矩脉动，电机运行性能较差，因此上述专利所提的方法仅对电机低速运行时有效。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供了一种反电势计算观测成本低、能够应用在高速运行场合的无刷直流电机全调速范围内转矩脉动抑制方法。

技术方案：本发明的无刷直流电机全调速范围内转矩脉动抑制方法，根据速度计算模块得出的电机转速，分为低速运行与高速运行两个状态，并针对这两种状态分别按照如下方式进行转矩脉动控制：

①当电机低速运行时，采用位置反馈模块检测无刷直流电机的转子角速度信号，并由速度计算模块根据所述转子的角速度信号，计算得到电机的转速ω，将其与给定转速ω^*作差，所得转速差输入PI转速调节器后得到电机的参考电磁转矩T_e^*；同时，将电机任意两相电流的反馈值i_j、i_k输入给转矩计算模块估算出电机的电磁转矩T_e；

将所述电磁转矩T_e与给定转矩T_e^*作差，所得的转矩差值经转矩滞环调节器调节得到控制参数τ，将其输入至开关表选择模块，再结合扇区判断模块的输出信号，决定当前应施加的开关信号以控制逆变器，从而驱动无刷直流电机运行，实现无刷直流电机低速运行时的无磁链直接转矩控制；

②当电机高速运行时，采用位置反馈模块检测无刷直流电机的转子角速度信号，并由速度计算模块根据所述转子的角速度信号，计算得到电机的转速ω，将其与给定转速ω^*作差，所得转速差输入PI转速调节器后得到电机的参考电磁转矩T_e^*；同时，将电机任意两相电流的反馈值i_j、i_k输入给转矩计算模块估算出电机的电磁转矩T_e；

将所述电磁转矩T_e与给定转矩T_e^*作差，所得的转矩差值经转矩滞环调节器调节得到控制参数τ，将其输入至开关表选择模块，将电机任意两相电流的反馈值i_j、i_k输入至换相判断模块，当其输出为零时，采用两相导通开关表，输出不为零时，对关断相进行延迟关断，这样在关断期间会同时导通3个开关管，即采用三相导通开关表；

最后由开关表选择模块根据转矩滞环调节器输出信号τ、扇区判断模块输出信号Q和换相判断单元输出信号K决定当前应施加的开关信号以控制逆变器模块，从而驱动无刷直流电机，实现无刷直流电机高速运行时的无磁链直接转矩控制。

进一步的，本发明方法中，所述位置反馈模块采用光电编码器、霍尔元件抑或无位置传感器。

进一步的，本发明方法中，所述低速运行状态与高速运行状态的转矩脉动控制中，转矩T_e根据下式计算：

T_e＝Ke(|i_j|+|i_k|+|i_j+i_k|)

其中K_e为电机空载反电势常数，i_j，i_k为电机三相电流中的任意两相电流。

进一步的，本发明方法中，所述高速运行状态的转矩脉动控制中，换相判断模块按照以下方法形成输出：在任意时刻检测两相电流并计算出第三相电流，得到I_a，I_b，I_c三相电流，然后将三相电流两两相加并取绝对值，得到最小值k，当所述最小值k为0，开关表选择模块判断此时电机处于非换相期间，换相判断模块输出0，当所述最小值k不为0，开关表选择模块判断此时电机处于换相期间，换相判断模块输出1。

进一步的，本发明方法中，所述低速运行状态与高速运行状态的转矩脉动控制中，开关表选择模块按照下表决定当前应施加的开关信号：

表中，S₁～S₆表示逆变器模块的6个开关管，表中1表示开通，0表示关断。

本发明首先将供电交流电源经过整流器整流后，再经过滤波电容滤波后得到直流电源，最后由逆变器将所述直流电源转化为交流电源来给无刷直流电机供电，其控制方法为：

根据速度计算模块得出的电机转速，分为低速运行与高速运行两个状态进行相应控制：

①当电机低速运行时，采用位置反馈模块检测无刷直流电机的转子角速度信号，并由速度计算模块根据所述转子的角速度信号，计算得到电机的转速ω，与给定转速ω^*作差，所得转速差输入PI转速调节器后得到电机的参考电磁转矩T_e^*；同时，将电机任意两相电流的反馈值i_j、i_k输入给转矩计算模块估算出电机的电磁转矩T_e；将所述电磁转矩T_e与给定转矩T_e^*作差，所得的转矩差值经转矩滞环调节器调节得到控制参数τ，将其输入至开关表选择模块，再结合扇区判断模块的输出信号，选择相应的开关信号控制逆变器，从而驱动无刷直流电机运行，实现无刷直流电机低速运行时的无磁链直接转矩控制；

②当电机高速运行时，采用位置反馈模块检测无刷直流电机的转子角速度信号，并由速度计算模块根据所述转子的角速度信号，计算得到电机的转速ω，与给定转速ω^*作差，所得转速差输入PI转速调节器后得到电机的参考电磁转矩T_e^*；同时，将电机任意两相电流的反馈值i_j、i_k输入给转矩计算模块估算出电机的电磁转矩T_e；将所述电磁转矩T_e与给定转矩T_e^*作差，所得的转矩差值经转矩滞环调节器调节得到控制参数τ，将其输入至开关表选择模块，除此之外，低速时不参与作用的换相判断模块参与控制。将电机任意两相电流的反馈值i_j、i_k输入至换相判断模块，根据其输出是否为零判断当前是否需要对关断相进行延迟关断控制，若需要，则对关断相进行延迟关断，这样在关断期间会同时导通3个开关管，低速时的两相导通开关表就变为了三相导通开关表，最后由开关表选择模块根据转矩滞环调节器输出信号τ，扇区判断模块输出信号Q和换相判断单元输出信号K决定当前应施加的开关信号以控制逆变器模块，从而驱动无刷直流电机，实现无刷直流电机高速运行时的无磁链直接转矩控制。

本发明适合于任意相数、任意定转子齿槽数配合的无刷直流电机调速系统。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.采用单环的转矩滞环调节器，由转矩滞环调节器的输出结合位置传感器的输出、速度计算模块的输出和换相判断单元的输出来决定施加于无刷直流电机的定子电压矢量，由于定子电压矢量定向于转子磁场位置，由此能够实现定子磁链的自控制，省去了传统双闭环直接转矩控制中磁链闭环部分，精简了控制系统，优化了控制成本；

2.对电机转矩的估算，通过对无刷直流电机的转矩计算公式的详细推导，得出了只需要两相电流的参与就能估算出实时转矩的计算方法，解决了现有装置采用滑模观测器导致计算复杂的问题，降低了系统的控制成本。

3.对于控制方法在高速时失效的情况，增设了换相判断模块进行延迟关断控制，将低速运行时的两相导通开关表更换为高速运行时针对换相时刻的三相导通开关表，解决了现有算法在无刷直流电机高速运行时失效的问题。

本发明所述对电机的控制方法，能够有效的抑制电机全调速范围内由于电流换相引起的转矩脉动；较现有的无刷直流电机直接转矩控制方法，采用单环控制，简化了系统，克服了磁链估算和给定困难的问题；其次，推导优化了转矩计算公式，解决了现有方法引入滑模观测器观测反电势带来的系统控制算法复杂的问题；最后，针对电机高速运行，它解决了由于开通相与关断相电流变化速率不一样所引起的转矩脉动问题。因此，本发明解决了无刷直流电机控制系统全调速范围内转矩脉动大的问题。

附图说明

图1是传统的采用转矩和磁链双闭环控制的无刷直流电机直接转矩控制方法的逻辑框图；

图2是所述无刷直流电机全速度运行范围内转矩脉动抑制方法控制框图的示意图；

图3是本发明所采用的控制流程图；

图4是本发明所采用的逆变器的拓扑结构图；

图5是本发明控制方法所采用的空间电压矢量分布图；

图6是传统滞环控制方式下无刷直流电机低速运行时转矩仿真波形；

图7是本发明提出的无磁链直接转矩控制方式在低速时转矩仿真波形；

图8是采用本发明提出的方法后转速由低速升入高速时的转速仿真波形图；

图9是未应用本发明所提出的高速时转矩脉动抑制方法的转速由低速升入高速时的转矩仿真波形图；

图10是高速时采用本发明所提方法的转速由低速升入高速时的转矩仿真波形图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

应用本发明为无刷直流电机供电时，首先将供电交流电源1经过整流器2整流后，再经过滤波电容3滤波后得到直流电源，最后由由逆变器4将所述直流电源转化为交流电源给无刷直流电机供电，本发明的无刷直流电机全调速范围内转矩脉动控制方法为：

根据速度计算模块12得出的电机转速，分为低速运行与高速运行两个状态进行相应控制：

①当电机低速运行时，采用位置反馈模块5检测无刷直流电机的转子角速度信号，并由速度计算模块11根据所述转子的角速度信号，计算得到电机的转速ω，与给定转速ω*作差，所得转速差输入PI转速调节器6后得到电机的参考电磁转矩Te*；同时，将电机任意两相电流的反馈值ij、ik输入给转矩计算模块10估算出电机的电磁转矩Te；

将所述电磁转矩Te与给定转矩Te*作差，所得的转矩差值经转矩滞环调节器7调节得到控制参数τ，将其输入至开关表选择模块8，再结合扇区判断模块9的输出信号，选择相应的开关信号控制逆变器4，从而驱动无刷直流电机运行，实现无刷直流电机低速运行时的无磁链直接转矩控制；

②当电机高速运行时，采用位置反馈模块5检测无刷直流电机的转子角速度信号，并由速度计算模块11根据所述转子的角速度信号，计算得到电机的转速ω，与给定转速ω*作差，所得转速差输入PI转速调节器6后得到电机的参考电磁转矩Te*；同时，将电机任意两相电流的反馈值i_j、i_k输入给转矩计算模块10估算出电机的电磁转矩Te；

将所述电磁转矩Te与给定转矩Te*作差，所得的转矩差值经转矩滞环调节器7调节得到控制参数τ，将其输入至开关表选择模块8，除此之外，低速时不参与作用的换相判断模块参与控制。将电机任意两相电流的反馈值ij、ik输入至换相判断模块12，根据其输出是否为零判断当前是否需要对关断相进行延迟关断控制，若需要，则对关断相进行延迟关断，这样在关断期间会同时导通3个开关管，低速时的两相导通开关表就变为了三相导通开关表，最后由开关表选择模块8根据转矩滞环调节器7输出信号τ，扇区判断模块9输出信号Q和换相判断单元12输出信号K决定当前应施加的开关信号以控制逆变器模块4，从而驱动无刷直流电机，实现无刷直流电机高速运行时的无磁链直接转矩控制。

所述位置反馈模块5可以使用光电编码器、霍尔元件抑或无位置传感器；参考电磁转矩Te*的计算方法是将电机转速ω与给定转速ω*作差，转速差输入至转速调节器6后得到无刷直流电机的参考电磁转矩。

所述低速运行状态与高速运行状态的转矩脉动控制中，转矩Te根据下式计算：

T_e＝Ke(|i_j|+|i_k|+|i_j+i_k|)

其中Ke为电机空载反电势常数，ij，ik为电机三相电流中的任意两相电流。

换相判断模块12的具体实施方法为：在任意时刻检测两相电流并计算出第三相电流，得到Ia，Ib，Ic三相电流，然后将三相电流两两相加并取绝对值，得到最小值m。在非换相期间，非导通相电流为0，其余两相电流相加之和也为0。而在换相期间，由于导通相电流与关断相电流的变化速率不一样，三个电流值均不为0，则m的值也不为0。开关表选择模块8通过判断m是否为0，就可以判断此时电机是否处于换相期间。若处于非换相期间，则采用低速运行时的两相导通表；若处于换相期间，则采用更换的三相导通表，进行高速控制方式，从而驱动无刷直流电机。

所述低速运行状态与高速运行状态的转矩脉动控制中，开关表选择模块8根据输入的数据产生相应的开关信号，开关表选择模块8根据转矩滞环调节器7输出信号τ，扇区判断模块9输出信号Q和换相判断单元12输出信号K，按照下表选择欲施加给无刷直流电机的电压矢量，并产生相应的开关信号：

表中，S₁～S₆表示逆变器模块4的6个开关管，表中1表示开通，0表示关断。

本发明所用的空间电压矢量：

定义电压空间矢量U_s为：

其中U_an、U_bn、U_cn分别为电机相电压。

图6是传统滞环控制方式下无刷直流电机低速运行时转矩仿真波形；图7是本发明提出的无磁链直接转矩控制方式在低速时转矩仿真波形；图8是采用本发明提出的方法后转速由低速升入高速时的转速仿真波形图；图9是未应用本发明所提出的高速时转矩脉动抑制方法的转速由低速升入高速时的转矩仿真波形图；图10是高速时采用本发明所提方法的转速由低速升入高速时的转矩仿真波形图；

根据仿真的转矩结果图可以看出，本发明所述方法是行之有效的。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。