专利名称：：无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法
技术领域：
：本发明涉及一种无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法，属于无刷直流电机的调速领域。
背景技术：
：无刷直流电机较直流电机省掉了换向器和电刷，具有牢固耐用、免于维护、噪声小、效率高和功率密度大等优点，在工业、航天航空等领域得到了日益广泛的应用。永磁无刷直流电机按照磁场形状可分为方波磁场无刷直流电机和正弦波磁场永磁同步电机，方波磁场无刷直流电机即通常所说的无刷直流电机，与正弦波磁场永磁同步电机相比，具有控制简单及成本低的优点。但由于无刷直流电机的非理想反电势、电流换相等原因，使其转矩波动较正弦波磁场永磁同步电机明显，这影响了无刷直流电机性能的进一步提高，限制了其在高精度伺服系统中的应用。直接转矩控制技术作为交流电机的一种高性能变频调速方案，摒弃了矢量控制的解耦控制思想，利用电机转矩和磁链的直接闭环来获得快速的转矩响应和优良的控制性能，应用于感应电机和永磁同步电机取得了良好的效果，近年来直接转矩控制技术开始应用于无刷直流电机。中国专利《阶梯波反电势无刷直流电机直接转矩控制方法》，公开号为CN101442289，公开日为2009.05.27，将正弦波永磁同步电机的直接转矩控制技术应用到永磁无刷直流电机中，提高了永磁体的利用率。中国专利《无刷直流电机的直接自控制系统的控制方法》，公开号为CN1819439，公开日为2006.08.16，公开了一种定子磁链为六边形运动的无刷直流电机直接自控制调速方法，在每个控制周期中，根据检测到的电流和电压计算定子磁链和转矩，与其给定的磁链和转矩相比较，由比较结果直接选用逆变器的八个空间电压矢量中最好的一个，达到调速的目的。中国专利《直接转矩无刷直流伺服控制系统及其工作方法》，公开号为CN101056084，公开日为2007.10.17，使转矩环和磁链环调节器的输出频率达到4kHz至8kHz，提高了输入开关表控制信号的频率，加快了转矩响应，从而削减了转矩脉动。中国专利《无刷直流电机的基波法无位置传感器直接转矩控制系统》，公开号为CN1614869，公开日为2005.05.11，公开了一种涉及无位置传感器技术的无刷直流电机基波法直接转矩控制系统，它省掉了位置传感器和电流闭环调节，简化了系统结构，降低了成本。以上所述现有技术的不足之处在于都采用了转矩和电机磁链的双闭环调节，其中电机磁链的获取需要采用一定的算法进行估算，并且对于无刷直流电机而言，要取得优越的控制性能，定子磁链幅值的给定应是位置的一个函数，这使得系统控制方法复杂，开发成本提高。
发明内容本发明的目的是提供一种无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法，它解决了现有方法由于采用转矩和电机磁链的双闭环调节，而使得系统控制方法复杂的问题。本发明首先将工频的供电交流电源经整流器整流，再经滤波电容滤波得到直流电源，再由逆变器将所述直流电源转化为交流电源为所述无刷直流电机供电；它的控制方法为采集无刷直流电机输入端的三相电流值，并将所述三相电流值进行三相_两相坐标变换，得到无刷直流电机输入端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量i。、ie;采集无刷直流电机输入端的三相电压值，并将所述三相电压值进行三相_两相坐标变换，得到无刷直流电机输入端的三相电压值在两相静止坐标系下的分量ua、ue;采用位置传感器检测无刷直流电机的转子角速度信号，并由速度计算单元根据所述转子角速度信号，计算得到无刷直流电机的转速o;将无刷直流电机输入端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量ia、ie，无刷直流电机输入端的三相电压值在两相静止坐标系下的分量u。、ue和无刷直流电机的转速"输入给反电势滑模观测器，反电势滑模观测器根据输入的数据在两相静止坐标系下对电机反电势进行估算，得到两相静止坐标系下的电机反电势ea、ee;再将两相静止坐标系下的电机反电势ea、ee，无刷直流电机输入端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量ia、ie和无刷直流电机的转速o输入给转矩估算单元，转矩估算单元根据输入的数据计算得到无刷直流电机的转矩L;将无刷直流电机的转矩L与无刷直流电机的给定转矩1作差，并经转矩滞环调节器调节得到控制参数t，将控制参数t和由位置传感器检测获得的无刷直流电机的转子角速度信号输入给电压矢量选择单元，电压矢量选择单元根据输入的数据产生相应的开关信号，对逆变器进行控制，进而实现对所述无刷直流电机的直接转矩控制。本发明的优点是本发明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霍尔磁极位置传感器的输出来决定施压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，省去了磁链观测和闭环控制环节；对电机转矩的估算，通过在两相静止坐标系下采用反电势滑模观测器来观测电机反电势，进而通过转矩估算单元计算出电机的实际转矩。本发明所述对电机的控制方法，能够有效抑制非理想反电势和电机低速运行时电流换相引起的转矩波动；较现有的无刷直流电机直接转矩控制方法，省掉了磁链闭环，克服了现有直接转矩控制方法中磁链的估算和给定困难等问题，简化了系统。图1是现有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信号走向示意图；图2是本发明控制方法的信号走向示意图；图3是实现本发明控制方法的控制系统的原理框图；图4是采用图3所示控制系统实现本发明控制方法时，图3中控制器DSP内嵌入的软件程序流程图；图5是本发明中无刷直流电机采用120°方波电流驱动时，无刷直流电机的三相电枢绕组中的电流ia、ib、i。，三相电枢绕组的反电势ea、eb、ee，以及三个霍尔磁极位置传感器输出的信号HA、HB、HC的对应关系图；图6是本发明控制方法采用的逆变器的拓扑结构图；图7是本发明控制方法采用的空间电压矢量分布图；图8是本发明控制方法采用的反电势滑模观测器的原理图。具体实施例方式具体实施方式一下面结合图l至图8说明本实施方式，本实施方式首先将工频的供电交流电源1经整流器2整流，再经滤波电容3滤波得到直流电源，再由逆变器4将所述直流电源转化为交流电源为所述无刷直流电机供电；它的控制方法为采集无刷直流电机输入端的三相电流值，并将所述三相电流值进行三相_两相坐标变换，得到无刷直流电机输入端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量i。、ie;采集无刷直流电机输入端的三相电压值，并将所述三相电压值进行三相_两相坐标变换，得到无刷直流电机输入端的三相电压值在两相静止坐标系下的分量Ua、ue;采用位置传感器5检测无刷直流电机的转子角速度信号，并由速度计算单元6根据所述转子角速度信号，计算得到无刷直流电机的转速o;将无刷直流电机输入端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量ia、ie，无刷直流电机输入端的三相电压值在两相静止坐标系下的分量u。、ue和无刷直流电机的转速"输入给反电势滑模观测器7，反电势滑模观测器7根据输入的数据在两相静止坐标系下对电机反电势进行估算，得到两相静止坐标系下的电机反电势e。、ee;再将两相静止坐标系下的电机反电势ea、ee，无刷直流电机输入端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量i。、ie和无刷直流电机的转速"输入给转矩估算单元8，转矩估算单元8根据输入的数据计算得到无刷直流电机的转矩Te;将无刷直流电机的转矩L与无刷直流电机的给定转矩1作差，并经转矩滞环调节器9调节得到控制参数t，将控制参数t和由位置传感器5检测获得的无刷直流电机的转子角速度信号输入给电压矢量选择单元10，电压矢量选择单元10根据输入的数据产生相应的开关信号，对逆变器4进行控制，进而实现对所述无刷直流电机的直接转矩控制。所述无刷直流电机的给定转矩的计算方法为将无刷直流电机的转速"与无刷直流电机的给定转速作差，并经转速调节器11调节获得无刷直流电机给定转矩T/。所述无刷直流电机的转矩L的计算公式为7;=晏XZXgA+g/~，式中p为电机极数。22必所述采用位置传感器5检测无刷直流电机的转子角速度信号是指采用三个霍尔磁极位置传感器采集的信号获得无刷直流电机的转子角速度信号。所述的电压矢量选择单元10根据输入的数据产生相应的开关信号，电压矢量选择单元10根据三个霍尔磁极位置传感器分别输出的信号HA、HB、HC和转矩滞环调节器9输出的控制参数t，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；<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表中Vk，k=0，1，…，6为无刷直流电机的6种通电状态对应的6个离散的基本电压矢量和零电压矢量。本实施方式中，无刷直流电机输入端的电流值和电压值分别由电流检测单元和电压检测单元实时检测后，再经过计算得到；根据三个霍尔磁极位置传感器输出的信号HA、HB和HC，经速度计算单元6计算后，能够得到无刷直流电机的转子角速度；经转矩滞环调节器9调节得到控制参数t结合三个霍尔磁极位置传感器输出的信号HA、HB和HC，电压矢量选择单元10能够产生相应的开关信号去控制逆变器4，从而驱动无刷直流电机运行。转矩环构成了系统的内环，电机的给定转矩l由外环的转速环输出得到，转速环的输出由电机的给定转速"*与电机的实际转速"作差后经转速调节器11得到。图3所示的控制系统的原理框图中，将反电势滑模观测器7、转矩估算单元8、速度计算单元6、转速调节器11、转矩滞环调节器9和电压矢量选择单元10集成到一个DSP控制器中实现，并由所述DSP中嵌入的软件程序调用相应功能单元进行工作，具体流程图如图4所示。图3中控制器DSP输出的开关信号，通过光耦隔离后，对逆变器4中的功率管进行开关控制。下面对本发明所述的无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法作进一步说明。无刷直流电机运行原理本发明所述的无刷直流电机为方波磁场无刷直流电机，绕组为集中绕组，形成的电机反电势为梯形波反电势。使无刷直流电机按图5所示的120。方波电流模式运行，能够获得稳定的转矩输出。为了获得12(T方波电流，如图6所示的逆变器拓扑，用^se分别表示功率管Vl\VT6的开关状态，1表示开通，O表示关断，此时无刷直流电机的导通模式列于表l。表17<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本发明所用的空间电压矢量定义电压空间矢量us为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，uan、ubn和um分别为电机相电压。无刷直流电机的6种通电状态对应6个基本电压矢量，如表2所示。这6个离散的基本电压矢量和零电压矢量的空间分布如图7所示，6个基本电压矢量将空间分为IVI6个扇区，每个扇区各占60。电角度。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表中Vd。为逆变器4输出的直流母线电压。定子磁链自控制方法忽略无刷直流电机绕组电阻压降时，定子磁链Vs可由下式表示Vs=/Vkdt=Vkt+Vs(0)，(k=0，l，".，6)，式中Vs(0)为定子磁链初值。由上式可以看出，随着所施离散基本电压矢量的不同，定子磁链[沿电压矢量Vk(k=0，l，…，6)方向运动，且运动速度为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>当无刷直流电机被施加非零的基本电压矢量时，定子磁链以所加基本电压矢量幅值的速度沿所加电压矢量方向运动；当施加激励为零电压矢量时，磁链静止不动。这样，通过判断定子磁链所在的区域，施加相应的基本电压矢量，就可以使定子磁链沿着电压矢量顶点连线组成的六边形轨迹运动，实现定子磁链的自控制。如图7所示，三个霍尔磁极位置传感器的空间位置由HA、HB和HC表示。由于采用的是开关锁相型霍尔元件，每个输出的霍尔信号为以霍尔磁极位置传感器放置位置为中心的180°电角度宽的方波。这样，可以根据霍尔信号来判断永磁转子磁链的位置，如表l，进而，使定子磁链定向于转子磁场，得到同相位的定子磁链位置。因此，只要根据霍尔信号检测出的转子磁场位置，按表1施加相应的电压，就可实现无刷直流电机定子磁链的自控制。实际上，受无刷直流电机非导通相反电势的影响，定子磁链并不能完全沿六边形边沿运动，而是出现跳变的"花瓣"形，如图7所示。电压空间矢量的选择以定子磁链位于第I扇区为例，当施加电压V2(001001)时，定子磁链沿V6至的顶点方向运动，同时带动转子逆时针方向旋转，即电机产生的逆时针方向转矩增加；相反地，如果施加电压V5(000110)，则电机产生顺时针方向转矩；施加零电压矢量V。(000000)时，电机输出转矩为零。同理，其他扇区也有相同的结论。因此，可以根据定子磁链所处扇区和转矩滞环比较器的输出值t来选择施加的电压矢量，实现对电机转矩的动态直接控制，电压矢3t选择与扇区的对应关系如表3所示'表3扇区霍尔信号(HAHBHQ10-lV101r6(iooioo)r0(oooooo)F3(011000)VI100^(100001)F4(010010)I110F2(001001)，o画)F5(000110)II010F3(011000)Fo(OOOOOO)F6(100,III011F4(010010)Fo(OOOOOO)r,(iooooi)IV001K5(000110)F0(000000)F2(001001)本发明采用的控制方法中，除了实现对转矩的直接控制外，在根据扇区选择施加的电压矢量时与传统P丽电流控制也有所不同。如对于传统P丽电流控制的HP丽-L0N方式中，Model(对应扇区V)下根据电流调节器输出选择导通状态(100100)和(000100)，而本发明控制方法中使用电压矢量V6(100100)、V3(011000)和V。(000000)。无刷直流电机的反电势滑模观测器7的原理如图8所示。根据无刷直流电机的实际模型构建构造模型，并与实际模型并联连接，以电机的实际模型和构建的构造模型的状态误差等于零为控制目标，选用切换函数不断调整构造模型的参数，达到稳定后提取电机反电势参数值，即为观测值。将u。、ue和ia、ie以及无刷直流电机的定子电阻R和定子电感L作为反电势滑模观测器7的输入，采用反电势滑模观测器7观测的过程中用到的公式有无刷直流电机在两相静止坐标系-a|3坐标系下的电压方程为W一氛+〖2+^=i^+Z-无刷直流电机的状态方程z=^/+-o，《丄oo-班式中，系数矩阵^4=系数矩阵5=;定子电流矢:势e,ie]T，定子电流矢J[eaee]T;:的导数/=，i/zo-ol/i:;定子电压矢量11=[11。Ue]T;电机反电10滑模面方程S(AT)=根据观测变量u。、Ue和i。、ie以及无刷直流电机的定子电阻R和定子电感L，得到无刷直流电机的反电势滑模观测器7的方程=j〖+B[m—《wsign(/—/)]，式中，符号"'"代表对应变量的估计值；符号""代表变量的导数；滑模增益矩阵Gsw=gl，其中g为正常数，I为单位矩阵；进而得到误差方程/=A7—必G^sign(;/—/)+，式中，符号""代表对应变再由低通滤波器采用切换函数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>为低通滤波器的截止频率，最后由观测值l和^得到电机反电势的权利要求一种无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法，它首先将工频的供电交流电源(1)经整流器(2)整流，再经滤波电容(3)滤波得到直流电源，再由逆变器(4)将所述直流电源转化为交流电源为所述无刷直流电机供电；其特征在于，它的控制方法为采集无刷直流电机输入端的三相电流值，并将所述三相电流值进行三相-两相坐标变换，得到无刷直流电机输入端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量iα、iβ；采集无刷直流电机输入端的三相电压值，并将所述三相电压值进行三相-两相坐标变换，得到无刷直流电机输入端的三相电压值在两相静止坐标系下的分量uα、uβ；采用位置传感器(5)检测无刷直流电机的转子角速度信号，并由速度计算单元(6)根据所述转子角速度信号，计算得到无刷直流电机的转速ω；将无刷直流电机输入端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量iα、iβ，无刷直流电机输入端的三相电压值在两相静止坐标系下的分量uα、uβ和无刷直流电机的转速ω输入给反电势滑模观测器(7)，反电势滑模观测器(7)根据输入的数据在两相静止坐标系下对电机反电势进行估算，得到两相静止坐标系下的电机反电势eα、eβ；再将两相静止坐标系下的电机反电势eα、eβ，无刷直流电机输入端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量iα、iβ和无刷直流电机的转速ω输入给转矩估算单元(8)，转矩估算单元(8)根据输入的数据计算得到无刷直流电机的转矩Te；将无刷直流电机的转矩Te与无刷直流电机的给定转矩Te*作差，并经转矩滞环调节器(9)调节得到控制参数τ，将控制参数τ和由位置传感器(5)检测获得的无刷直流电机的转子角速度信号输入给电压矢量选择单元(10)，电压矢量选择单元(10)根据输入的数据产生相应的开关信号，对逆变器(4)进行控制，进而实现对所述无刷直流电机的直接转矩控制。2.根据权利要求1所述的无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法，其特征在于所述无刷直流电机的给定转矩l的计算方法为将无刷直流电机的转速O与无刷直流电机的给定转速"M乍差，并经转速调节器(11)调节获得无刷直流电机给定转矩T/。3.根据权利要求1或2所述的无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法，其特征在于所述无刷直流电机的转矩i;的计算公式为r=要><4><仏+^，式中p为电机极数。22c;4.根据权利要求1所述的无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法，其特征在于所述采用位置传感器(5)检测无刷直流电机的转子角速度信号是指采用三个霍尔磁极位置传感器采集的信号获得无刷直流电机的转子角速度信号。5.根据权利要求4所述的无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法，其特征在于所述的电压矢量选择单元(10)根据输入的数据产生相应的开关信号，电压矢量选择单元(10)根据三个霍尔磁极位置传感器分别输出的信号HA、HB、HC和转矩滞环调节器(9)输出的控制参数t，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；<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>表中Vk，k=0，l，…，6为无刷直流电机的6种通电状态对应的6个离散的基本电压矢量和零电压矢量。全文摘要无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法，属于无刷直流电机的调速领域。它解决了现有方法由于采用转矩和电机磁链的双闭环调节，而使得系统控制方法复杂的问题。它的控制方法为根据位置传感器输出的信号经速度计算单元计算，得到无刷直流电机的转子角速度；根据电机输入端的电流值、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无刷直流电机的转矩Te，将Te与无刷直流电机的给定转矩Te*作差后经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的信号，电压矢量选择单元能够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。本发明用于无刷直流电机的调速控制。文档编号H02P6/06GK101783637SQ20101012788公开日2010年7月21日申请日期2010年3月19日优先权日2010年3月19日发明者吴凤江,孙力,孙立志,安群涛,赵克申请人:哈尔滨工业大学