一种基于电流滞环控制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法与流程

本发明属于电机控制应用技术领域，特别涉及一种基于电流滞环控制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法。

背景技术：

无刷直流电机（brushlessdcmotor,bldcm）由于结构简单、调速性能好、功率密度大，在工业、航空航天等领域得到了日益广泛的应用。但bldcm的转矩波动制约了其在高性能场合的应用。此外，转矩脉动也是造成电机噪声与振动的重要因素。转矩脉动产生的原因主要包括：齿槽转矩、非理想反电动势、换相转矩。对于一台设计和制造精良的bldcm而言，换相转矩是转矩脉动的主要组成部分。

针对抑制bldcm的转矩脉动，国内外学者提出了很多行之有效的方法，主要有：1）利用dc-dc变换器，通过调节直流母线电压来控制换相过程电流的变化率，从而达到抑制换相转矩脉动，如z源网络电路；2）改变换相区间的pwm调制方式；3）电流预测控制转矩脉动；4）直接转矩控制来实现抑制转矩脉动；5）重叠换相转矩脉动控制法；6）积分变结构控制的电流优化算法等。以上控制方法有以抑制换相转矩脉动为主的，也有抑制电机整体转矩脉动为主的。关于换相转矩波动理论最早由r.carlson提出，认为换入相和换出相电流的变化速率不同是导致换相转矩波动产生的主要原因，很多抑制换相转矩脉动的方法都从换相过程保证换入相与换出相电流变化速率相等，即保证非换相相电流保持不变这种思路着手。因为换相转矩脉动是无刷直流电机整体转矩脉动的主要部分（可能达到平均转矩的50%）。因此，研究一种简单实用的抑制无刷直流电机换相转矩脉动方法是十分有意义。

技术实现要素：

本发明提供一种基于电流滞环控制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，利用电流滞环控制换相区间非换相相电流保持不变，即保证了换出相电流下降的速率与导通相电流上升的速率相同，从而抑制或消除换相转矩脉动。该方法简单可行，采用了电流滞环控制提高了系统的动态性能与鲁棒性。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于电流滞环控制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其步骤包括：

步骤1：利用无刷直流电机内部霍尔传感器获得转子位置和电机转速，电机转速作为外环反馈，期望的转速作为给定量；

步骤2：转速的误差经过外环pi调节器得到电流给定量；

步骤3：利用电流传感器得到无刷直流电机相电流，并对采样电流进行处理得到内环反馈变量；

步骤4：外环输出的电流给定量与内环电流反馈量相比较经电流滞环控制，结合转子位置信号，控制相应功率管导通关断。

本发明的有益效果是：利用电流滞环控制换相区间非换相相电流保持不变，即保证了换出相电流下降的速率与导通相电流上升的速率相同，实现了抑制换相转矩脉动的目的。该方法简单可行，采用了电流滞环控制提高了系统的动态性能与鲁棒性。避免了复杂的观测器、算法和额外的硬件成本。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下限定。

进一步，所述步骤1包括：无刷直流电机内部三个霍尔元件，得到六个有效编码信号，用来确定转子位置，利用一相霍尔信号计算电机转速。

进一步，所述步骤2包括：期望给定转速与实际转速反馈量的误差经过pi调节器，输出所需的电流给定。

进一步，所述步骤3包括：利用电流传感器得到无刷直流电机的相电流，对采样电流进行处理是指根据电机霍尔状态选择内环反馈电流。在此过程分为非换相区间和换相区间，针对非换相区间，采用导通相电流作为内环反馈电流；对于换相区间，采用非换相相电流作为内环反馈电流。

进一步，所述步骤4包括：外环输出的电流给定量与内环电流反馈量相比较经电流滞环控制，结合转子位置信号，控制相应功率管导通关断。在此过程分为非换相区间和换相区间，对于非换相区间，采用导通相电流作为内环反馈量来控制导通相功率管的导通与关断；换相区间，采用非换相相电流作为内环反馈电流，在电机电动状态下根据高低速模式的不同来控制相应功率管的导通与关断。现以下管换相ab到ac、上管换相ba到ca为例做出相应的解释，在ab相通电稳定运行的非换相区间，通过调制a相功率管（vt0、vt1）导通关断来控制a相的电流，在ab到ac的换相区间，当电机工作在电动低速运行模式下，利用滞环控制a相功率管（vt0、vt1）导通关断来维持a相电流的恒定，当电机工作在电动高速运行模式下，利用滞环控制b相功率管（vt2、vt3）导通关断来维持a相电流的恒定；对于上管换相ba到ca，当电机工作在电动低速运行模式下，利用滞环控制a相功率管（vt0、vt1）导通关断来维持a相电流的恒定，当电机工作在电动高速运行模式下，利用滞环控制b相功率管（vt2、vt3）导通关断来维持a相电流的恒定。至于其他换相过程，控制方式与上面分析具有相似性。

进一步，所述硬件拓扑及功率器件为两电平全桥逆变电路。

采用上述进一步方案的有益效果是电流滞环控制方法，提高了系统的动态性能以及鲁棒性，不额外增加硬件成本来实现无刷直流电机的控制，并在实现换相区间非换相相电流保持不变的目标下间接抑制输出电磁转矩脉动。

附图说明

图1为本发明基于电流滞环控制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法的拓扑图。

图2为本发明基于电流滞环控制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法的滞环控制原理图。

图3为本发明基于电流滞环控制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法的正转运行模式图。

图4为本发明基于电流滞环控制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法的双闭环控制框图。

图5为没用本发明方法控制时电磁转矩和电机三相电流波形。

图6为本发明基于电流滞环控制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法的电磁转矩和电机三相电流波形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图4所示，一种基于电流滞环控制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其具体实施过程如下：

过程1：根据霍尔信号确定转子位置和转速计算。

过程2：转速外环设计和调节器输出内环给定。

过程3：外环输出的电流给定量与内环电流反馈量相比较经电流滞环控制，结合转子位置信号，控制相应功率管导通关断。

其中过程1包括以下具体步骤：

电机内部三个霍尔信号输出，共得到八种编码信号（000，011,001,101,100,110，010,111），其中000和111为错误信号，剩余六种信号将电机转子分为六个电角度均为60°的区域，因此转子位置可以由这三个霍尔信号六种编码信号确定。

根据某一霍尔信号，软件计算电机实际转速；某一霍尔信号在0和1之间跳变，也即永磁体磁钢n和s极转过固定在定子上的霍尔元件，因此在预知电机的极对数p和跳变时间间隔t的情况下，电机转子的实际转速n就能被计算出来。

其中过程2包括以下具体步骤：

转速外环反馈由过程1中得到的转速进行计算，转速误差作为外环调节器输入。

外环pi调节器对误差调节输出内环电流给定，调节器比例系数为kp，积分系数为ki。

其中过程3包括以下具体步骤：

滞环控制原理：较为简单的滞环控制系统为通过一个桥臂来控制电阻，电感和反电动势构成的支路内的电流，如图2所示。当vtu导通时，负载支路电压方程为：

此时负载支路电流上升。当vdl导通时，负载支路电压方程为：

此时负载支路电流下降。因此电流滞环控制的基本原理是：

给定电流参考值，并设定环宽，当电流达到时，关断vtu并导通vtl，使电流下降至；然后再关断vtl并导通vtu，使电流上升至。依次往复，最终将电流控制在和限定的范围内，如图2所示。

这里的电流给定就是外环转速环的输出量，对于内环电流反馈量的获取，针对非换相区间与换相区间对应的电流反馈量有所不同，当电机运行在非换相区间，采用导通相电流作为内环反馈电流；当电机运行在换相区间，采用非换相相电流作为内环反馈电流。这里说到的非换相区间、换相区间，非换相相、换出相、换入相下面以例子的形式做出相应解释。

无刷直流电机旋转方向可以分为正向旋转与反向旋转（这里正转反转都是人为规定的），现在以正向旋转为例。图3给出了无刷直流电机正转运行模式，ab指的是电机a相b相导通，非换相区间是指只有两项导通的时间段，如ab。换相区间是指三相都有电流，都参与能量交换，如ab换到ac，在ab切换到ac的过程称为换相区间，这个过程a相是非换相相，b相是换出相，c相是换入相。

外环输出的电流给定量与内环电流反馈量相比较经电流滞环控制，结合转子位置信号，控制相应功率管导通关断。在此过程分为非换相区间和换相区间，对于非换相区间，采用导通相电流作为内环反馈量来控制导通相功率管的导通与关断；换相区间，采用非换相相电流作为内环反馈电流，在电机电动状态下根据高低速模式的不同来控制相应功率管的导通与关断。现以下管换相ab到ac、上管换相ba到ca为例做出相应的解释，在ab相通电稳定运行的非换相区间，通过调制a相功率管（vt0、vt1）导通关断来控制a相的电流，在ab到ac的换相区间，当电机工作在电动低速运行模式下，利用滞环控制a相功率管（vt0、vt1）导通关断来维持a相电流的恒定，当电机工作在电动高速运行模式下，利用滞环控制b相功率管（vt2、vt3）导通关断来维持a相电流的恒定；对于上管换相ba到ca，当电机工作在电动低速运行模式下，利用滞环控制a相功率管（vt0、vt1）导通关断来维持a相电流的恒定，当电机工作在电动高速运行模式下，利用滞环控制b相功率管（vt2、vt3）导通关断来维持a相电流的恒定。至于其他换相过程，控制方式与上面分析具有相似性。

进一步，所述硬件拓扑及功率器件为两电平全桥逆变电路，如图1所示。

如图4所示本发明实施例的控制框图，转速给定与电机实际转速作差送给pi调节器输出电流内环给定值，内环给定电流与实际采样电流经电流滞环控制功率管的导通关断。

图5为没有本发明方法控制时电磁转矩和电机三相电流，，波形，图中电磁转矩和三相电流出现较大的波动；图6为本发明方法控制时电磁转矩和电机三相电流，，波形，图中电磁转矩波动相对较小，输出转矩平稳。

由以上的说明可知，按照一种基于电流滞环控制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法和具体的实施方式，可以得到较为简单可行的无刷直流电机控制方法，且在避免增加硬件成本情况下有效的抑制换相转矩脉动。同时，采用了电流滞环控制提高了系统的动态性能与鲁棒性。

以上所述为本发明方法的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。