一种永磁无刷直流电机控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机控制应用技术领域，特别涉及一种永磁无刷直流电机控制方法。
【背景技术】
[0002] 永磁无刷直流电机（Brushless DC motor, 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。现有永磁无刷直流电机主要采 用转速外环和负母线电流双闭环的控制策略，利用观测器获得感应电势、电磁转矩以及采 样获得三相电机相电流等信息来研究减小永磁无刷直流电机的转矩脉动。
[0003] 传统所采用的双闭环控制策略，利用转速外环和电流内环PI调节器实现转速和 电流控制，但由于永磁无刷直流电机的非理想梯形感应电势和六个状态的换相，转矩脉动 并不能很好的被消除。然而，直接转矩控制，电流优化控制等先进的方法被提出，用于抑制 非理想梯形波感应电势和换相续流等因素引起的转矩脉动，但在这些方法中难免用到复杂 的观测器和较多的电流电压传感器，对电机参数的依赖也较明显，复杂的算法和硬件的成 本或多或少的阻碍了其在实际系统中的应用。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种永磁无刷直流电机控制方法，解决现有方法中能简单的控制永磁 无刷直流电机，但不能有效的抑制转矩脉动，或者能较好的抑制转矩脉动，但在控制软件和 硬件上花销太大的问题。
[0005] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下： 一种永磁无刷直流电机控制方法，其步骤包括： 步骤1 :利用永磁无刷直流电机内部霍尔传感器获得转子位置和电机转速，结合电机 负载的转动惯量将电机转速转换成电机转子储存动能，作为能量外环反馈，期望的转速转 换成给定动能。
[0006] 步骤2 :转子储能的误差经过外环PI调节器得到平均功率给定。
[0007] 步骤3 :直流侧电压和负母线电流在单个控制周期内的积累，得到直流侧输出的 能量，进而得到单个控制周期内的平均功率，作为功率内环反馈变量。
[0008] 步骤4:平均功率的误差利用能量脉冲调制方式，并结合实时的转子位置，配合功 率管导通关断，由电机控制器从直流电源获得负载所需的能量。。
[0009] 本发明的有益效果是：通过转子储能外环和单周期平均功率内环的双闭环环路设 计，依靠简单的硬件负母线电流和直流侧电压采样不变，实现闭环控制。同时，从能量传输 及波动观念的角度来抑制电机输出电磁转矩的脉动。避免了复杂的观测器、算法和额外的 硬件成本。
[0010] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下限定。
[0011] 进一步，所述步骤1包括：永磁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，转动惯量別来计算转子储
[0012] 进一步，所述步骤2包括：期望给定转速//，转换成转子动能给定
，动能给定 与反馈电机转子储能的误差经过PI调节器，输出所需的平均功率给定产_。
[0013] 进一步，所述步骤3包括：直流电源电压&由一个电压传感器获得，直流电源负 母线电流由一个电流传感器获得，考虑在一个控制周期_内的能量传递，积累的能量为
，进而得到一个周期内电源输出的平均功率丨
进一步，所述步骤4包括：外环PI调节器输出的平均功率给定与实时采样计算获得 的平均功率误差利用能量滞环的方式调节，分解到每个控制周期以脉冲能量的方式向外输 出，并根据转子所在六个区域中的某一个，调制特定的功率管。
[0014] 进一步，所述硬件拓扑及功率器件为两电平全桥逆变电路和上下桥臂开关。
[0015] 采用上述进一步方案的有益效果是通过能量和功率流动的思想，调整双闭环的控 制变量，不额外增加硬件成本来实现永磁无刷直流电机的控制，并在实现能量不波动的目 标下间接抑制输出电磁转矩脉动。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明永磁无刷直流电机控制方法实施例的控制框图。
[0017] 图2为本发明方法永磁无刷直流电机控制方法实施例的双闭环控制结构图。
[0018] 图3为本发明永磁无刷直流电机控制方法实施例的控制周期内能量脉冲示意图。
[0019] 图4为没有本发明方法控制时负母线电流和电机三相电流波形。
[0020] 图5为本发明方法永磁无刷直流电机控制方法实施例的控制时负母线电流和电 机三相电流波形。
[0021] 图6为永磁无刷直流电机理想梯形感应电势示意图。
[0022] 图7为永磁无刷直流电机实际非理想梯形感应电势实测波形。
【具体实施方式】
[0023] 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。
[0024] 如图1所示，一种永磁无刷直流电机控制方法，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速度计算。
[0025] 过程2 :转子储能外环设计和调节器输出内环给定。
[0026] 过程3 :功率内环设计和滞环方式的能量脉冲调节器输出控制功率器件。
[0027] 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（〇〇〇,011，001，101，100, 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。
[0028] 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MP跳变 时间间隔拍勺情况下，电机转子的实际速度λ就能被计算出来。
[0029]
其中过程2包括以下具体步骤： 转子储能外环反馈，由过程1中得到的转速进行计算，转子及负载的转动惯量为，动 能给定也相应由速度给定转换过来，能量误差森__作为外环调节器输入。
[0030]
外环PI调节器对误差调节输出内环平均功率给定产_，调节器比例系数为毛，积分系 数为尤。
[0031]
其中过程3包括以下具体步骤： 功率内环反馈项/从直流电源能量传递思路，并在单个控制周期内进行积分计 算，其中需要一个电压传感器获得直流侧电压一个电流传感器获得负母线电流4。
[0032]
如图2所示本发明实施例的控制结构图，功率内环误差:涵:，利用能量滞环方式的脉 冲调制方法借助实际硬件拓扑实现调节，将脉冲能量在每一个控制周期内送给电机及负 载。由内环误差经内环滞环调节器及电机感应电势4导到电机相电流，再根据电 机的转矩系数々7得到电机的电磁转矩，电机运动方程得到电机的转速。
[0033] 其中代表电机轴的粘结系数。
[0034] 图3是本发明实施例的控制周期内能量脉冲示意图，解释过程3中能量脉冲调节， 设定功率的上限值/^/#和给定平均值户_;上限值冬?Λ/决定开关的导通，即功率上升时间 匕;为了利用脉冲能量等效给定平均功率，开关管的关断，即功率的下降时间? σ//由计算获 得，因此调制周期7；不定。
[0035]
图4为没有本发明方法控制时负母线电流&和电机三相电流波形，图中负母线电 流和三相电流出现较大的波动，一般认为直流侧电压几乎不波动，因此可知没有本发明方 法控制时直流电源输出能量波动，也即反应电机输出转矩脉动；图5为本发明方法控制时 负母线电流&和电机三相电流&D波形，图中负母线电流基本平稳，反应能量传输平稳， 输出转矩平稳；本技术领域内的技术人员应当理解，图5中所示三相电流成下凹弧月牙状， 正是因为实际生产出的永磁无刷直流电机的永磁体磁钢磁场并非理想的梯形波，如图6所 示为永磁无刷直流电机理想梯形感应电势示意图和图7所示为永磁无刷直流电机实际非 理想梯形感应电势实测波形，需要图5中所示形状的三相电流i 3, iA，Λ来补偿电机自身的 非理想梯形波感应电势e3, ％ 使得它们乘积不变，也即电机输出功率平稳，在电机 运行的某一稳定转速下输出转矩'&_才会平稳，图中平稳的负母线电流正好说明这一 点，#表示电机转子运行的角速度。
[0036]
由以上的说明可知，按照一种永磁无刷直流电机控制方法和具体的实施方式，可以得 到较好的永磁无刷直流电机控制，且在避免增加复杂的观测器和较多的传感器情况下有效 的抑制转矩脉动。
[0037] 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。
【主权项】
1. 一种永磁无刷直流电机控制方法，其步骤包括： 步骤1:利用永磁无刷直流电机内部霍尔传感器获得转子位置和电机转速，结合电机 负载的转动惯量将电机转速转换成电机转子储存动能，作为能量外环反馈，期望的转速转 换成给定动能； 步骤2 :转子储能的误差经过外环PI调节器得到平均功率给定； 步骤3 :直流侧电压和负母线电流在单个控制周期内的积累，得到直流侧输出的能量， 进而得到单个控制周期内的平均功率，作为功率内环反馈变量； 步骤4 :平均功率的误差利用能量脉冲调制方式，并结合实时的转子位置，配合功率管 导通关断，由电机控制器从直流电源获得负载所需的能量。2. 根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机控制方法，其特征在于所述步骤1包括： 利用某一相电机内部霍尔元件输出的跳变信号，结合跳变信号所用的时间间隔以及永 磁无刷直流电机的极对数，计算出电机转子的转动速度； 借助永磁无刷直流电机和负载的转动惯量，将转速外环设计调整为转子储能外环。3. 根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机控制方法，其特征在于，步骤3中所述单个 控制周期内的平均功率由直流电源的电压和输出负母线电流在单个控制周期内的瞬时功 率积累得到。4. 根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机控制方法，其特征在于所述步骤4包括： 外环输出平均功率给定和实际计算平均功率产生的误差，利用能量滞环的方式，将能 量脉冲经由电机控制器传送到负载。
【专利摘要】本发明公开了一种永磁无刷直流电机控制方法。该方法包括设计调整转子储存动能作为外环控制，直流电源输出平均功率作为内环控制，并利用能量滞环的调制方式对永磁无刷直流电机进行控制，同时避免增加复杂的观测器和额外的硬件检测传感器，实现能量传输平稳，抑制输出转矩脉动。本发明所述的方法具有简单实用，控制方便，动态响应快速和系统稳定性好的特点。
【IPC分类】H02P6/10, H02P6/16
【公开号】CN105099290
【申请号】CN201510449808
【发明人】姜卫东, 胡杨, 赵德勇, 汪磊, 黄辉, 王永生
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年7月29日