专利名称：一种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法
技术领域：
本发明涉及无刷直流电 机的控制技术领域，特别涉及一种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法。
背景技术：
永磁无刷直流电机是针对传统直流电机的机械换向弊病，采用电子换向的ー种特种电机，具有结构简单、功率密度大、转动惯量小和效率高等优点，是以电子换相代替机械换相，它保持了直流电机的良好性能，具有较好的起动和调速特性，因为它无需机械换相设备，所以没有必要由于磨损而更换电刷，在航空航天系统、国防军事装备、エ业自动化、交通运输等领域得到了广泛的应用。在应用过程中，经常要遇到包括正、反转电动和制动等四象限运行情況，由于无刷直流电机存在转矩脉动问题，这也限制了它的应用场合。因此对无刷直流电机的控制方法在转矩调节上的效果，提出了更高的要求，即要实现小的转矩脉动，又要快速、平稳地实现四象限运行。永磁无刷直流电机的转矩控制一般是通过电流控制来实现的。它是基于假设相电流和电磁转矩之间成线性关系，类似于直流电机。因此，依靠调节相电流的方式，来控制电磁转矩以便满足需求。这是非常简单且广泛地使用在许多低成本的应用场合。然而，给定电流和所产生的电磁转矩之间的耦合特性实际上并非是线性关系的。在无刷直流电机控制系统中，非理想反电势和相电流换相是引起电磁转矩脉动的主要原因，而该转矩脉动又是产生噪音和振动的原因，所以需要提供ー种使无刷电机的转矩脉动最小化的控制方法。一般的无刷直流电机电流的控制方法为电流PWM控制，通过电流传感器检测无刷直流电机每相的瞬时电流，然后采用PI或滞环控制调节器调节每相的瞬时电流，保持电流跟踪给定电流。检测转子位置信息来控制换相逻辑，产生六个输出信号控制每相桥臂的上、下两个开关管通或断。所述參考电流是由ー个PI调节器決定，此调节器保持转子的平均转速恒定。然而，此方法存在较明显的低频转矩脉动，使得无刷直流电机在高性能伺服系统中的应用受到了限制。更进一歩，还有采用带电流整形的电流PWM控制技木，以便更好地实现抑制转矩脉动，但所需的适当參考电流相对复杂且不容易实现。此外，还有采用通过精确检测三相交流电换相时间和换相期间进行电流补偿的方法，以便减小转矩脉动，但是控制算法实现起来比较复杂，从而在实际应用中难以推广。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，通过控制无刷直流电机的导通相电流、跟踪给定的优化參考电流、以及采用开关模式共同作用以实现抑制无刷直流电机的电磁转矩脉动。为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的—种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，首先将市交流电源经过整流器整流后，通过电容滤波得到稳定的直流电源，再由功率变换器将所述直流电源转换为多相交流电供给无刷直流电动机，其控制方法为通过电流传感器检测由功率变换器供给无刷直流电机的两相电流值，并通过计算得到另ー相的电流值，利用位置传感器检测无刷直流电机的转子位置，由速度计算单元计算得到当前无刷直流电机的转速，将电机的实际转速与速度指令相比较后的偏差经过速度调节器，从而得到无刷直流电机当前所需的给定瞬时转矩；通过所述的位置传感器检测出的无刷直流电机的转子位置，可以在转矩系数倒数数据库中找到ー个相对应的值，即得到在不同位置处由转矩到电流的換算系数，再根据电磁转矩与电流之间的关系，就可以获得与所需给定的參考瞬时转矩相对应的优化參考电流；将无刷直流电机经相选择得到的电流与所述优化參考电流的偏差经过电流调节器后，得到所需的占空比D1，加上与转速成正比的反电势对应的占空比D2，得到最終驱动占空比D，再把转速指令正负、优化參考电流正负以及转子位置信息一起输入到开关状态查询表中，根据对应关系选择出相应的开关模式作用在功率变换器上，从而驱动无刷直流电机运行；所述的开关状态查询表，是考虑到电机正反转运行时，采用的开关模式不同而进行相对应的选择，可以实现无刷直流电机的四象限运行；开关状态查询表
权利要求
1.一种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，其特征在于首先将市交流电源经过整流器整流后，通过电容滤波得到稳定的直流电源，再由功率变换器将所述直流电源转换为多相交流电供给无刷直流电动机，其控制方法为 通过电流传感器检测由功率变换器供给无刷直流电机的两相电流值，并通过计算得到另ー相的电流值，利用位置传感器检测无刷直流电机的转子位置，由速度计算单元计算得到当前无刷直流电机的转速，将电机的实际转速与速度指令相比较后的偏差经过速度调节器，从而得到无刷直流电机当前所需的给定瞬时转矩； 通过所述的位置传感器检测出的无刷直流电机的转子位置，可以在转矩系数倒数数据库中找到一个相对应的值，即得到在不同位置处由转矩到电流的換算系数，再根据电磁转矩与电流之间的关系，就可以获得与所需给定的參考瞬时转矩相对应的优化參考电流；将无刷直流电机经相选择得到的电流与所述优化參考电流的偏差经过电流调节器后，得到所需的占空比D1，加上与转速成正比的反电势对应的占空比D2，得到最終驱动占空比D，再把转速指令正负、优化參考电流正负以及转子位置信息一起输入到开关状态查询表中，根据对应关系选择出相应的开关模式作用在功率变换器上，从而驱动无刷直流电机运行； 所述的开关状态查询表，是考虑到电机正反转运行时，所采用的开关模式不同而进行相对应的选择，可以实现无刷直流电机的四象限运行； 开关状态查询表速度|_电流指|_占空I第-一扇K |_第二IiK 第三扇!^第四扇K「第五扇K T第六指令令比(be)(ba)(ca)(cb)(ab)(ac) D>0 0, I*, -I -I*, I, 0 -I, O1 I* 0 I , I I*, -I, 0 I, 0，-I*I >0------- D<0 0, I*, 0 -I*, 0, 0 0，0, I* 0，-I* 0 I*, 0, 0 0, 0, -I*"> o-------- D>0 -I*, -I*, 0 I* 0, I* 0,-1*,-I* I*, I*, 0 -I*, 0,-1* 0，I*, I*/*<0------- D<Q 0，-I*, I I* -1,0 I, 0, -I* 0，I* -I -I* I, 0 -I, 0, I* D>0 0 I, -I* -I, 1*,0 -I* 0, I 0, -I, I* I, -I* 0 F,0, -I /*>0_______D<0 -I*, 0,-1* 0, I*, I* -I*, -I*, 0 I*, 0, I* 0,-1*，-I* I*, I*, 0n < 0________ D>Q 0, 0, I* 0’ -1*’0 I*, 0, 0 0，0,-1* 0, 1*，0 -1*,0, 0I* <0------- D<0 0, -I, I* I, -Is,0 1*,0, -I 0, 1,-1* -I, 1*,0 -I*, 0, I 表中，n表示转速指令，I*表示优化參考电流,D表示最终驱动占空比,姆个开关模式中的三个数字依次表示A、B、C三相的上下桥臂，“0”表示上下桥臂全关断，“ I ”表示上桥臂完全导通，“ I*”表示上桥臂做PWM调制，“-1”表示下桥臂完全导通，“-1*”表示下桥臂做PWM调制；所述的开关状态查询表在换相过程中通过切换不同逆变电路导通状态，可以改善换相过程中开通相电流和关断相电流的变化速率，而且考虑了电机正反转电动与制动运行时的工作情況，能够实现无刷直流电机的四象限运行。
2.根据权利要求I所述的ー种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，其特征在于所述相电流选择为在每个扇区中，当某相电流在上一个扇区就存在，则将其选为与所需优化參考电流相比较的实际电流信号。在各扇区下用于估算电磁转矩的相电流统ー选取所在扇区的工作相电流。
3.根据权利要求I所述的ー种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，其特征在于所述采用位置传感器获得无刷直流电机的转子速度信号是指采用把光电编码器发出的脉冲边沿个数，输入到DSP中经过计算处理后，获得转子位置信息，并且根据单位时间 内所计编码器发出的脉冲边沿个数，计算得到电机当前的转速信息。
4.根据权利要求I所述的ー种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，其特征在于所述的驱动占空比D由两部分相加组成，一部分是电流控制输出的占空比D1，一部分是与转速成正比的反电势对应的占空比D2。
5.根据权利要求I所述的ー种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，其特征在于:所述无刷直流电机的转矩计算可以表示为 ;=り'::bA，式中ea。与eb。分别为绕组端ロ a，c之间和b，c之间的线反电势；电机三相绕组的线反电势相互对称且与转子机械角速度成正比，因而线反电势可以表示成t(の=ん(^-がの ，式中g(9)为以a、c之间线电压为基准的线反电势常数，因此电磁转矩可以进一歩简化为Te = g( 0 ) I。
6.根据权利要求3所述的ー种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，其特征在于:所述无刷直流电机的转矩计算可以表示为C = eacl^}Vt，式中ea。与eb。分别为绕组端ロ a，c之间和b，c之间的线反电势；电机三相绕组的线反电势相互对称且与转子机械角速度成正比，因而线反电势可以表示成の=^丨d-^yg(d)-a>m,，式中g( 0 )为以a、c之间线电压为基准的线反电势常数，因此电磁转矩可以进一歩简化为Te = g( 0 ) I。
7.根据权利要求I所述的ー种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，其特征在于所述优化參考电流，根据上述转矩与线反电势常数之间的关系，对所得到线反电势常数数据进行拟合整理，就可以获得本发明所述的转矩系数倒数数据库，即得到由转矩到电流在不同位置处的換算系数，再根据电磁转矩与电流之间的关系，进而得到所需的优化參考电流信号，即电机运行时的相电流波形被控制成预先得到的线反电势波形的逆，以实现对无刷直流电机的电磁转矩脉动抑制。
8.根据权利要求2—5所述的ー种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，其特征在于所述优化參考电流，根据上述转矩与线反电势常数之间的关系，对所得到线反电势常数数据进行拟合整理，就可以获得本发明所述的转矩系数倒数数据库，即得到由转矩到电流在不同位置处的換算系数，再根据电磁转矩与电流之间的关系，进而得到所需的优化參考电流信号，即电机运行时的相电流波形被控制成预先得到的线反电势波形的逆，以实现对无刷直流电机的电磁转矩脉动抑制。
9.根据权利要求6所述的ー种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，其特征在于所述优化參考电流，根据上述转矩与线反电势常数之间的关系，对所得到线反电势常数数据进行拟合整理，就可以获得本发明所述的转矩系数倒数数据库，即得到由转矩到电流在不同位置处的換算系数，再根据电磁转矩与电流之间的关系，进而得到所需的优化參考电流信号，即电机运行时的相电流波形被控制成预先得到的线反电势波形的逆，以实现对无刷直流电机的电磁转矩脉动抑制。
全文摘要
本发明公开了一种基于电流控制的无刷直流电机瞬时转矩控制方法，其控制方法为通过电流传感器检测电机的两相电流值，并计算另一相的电流值，用位置传感器检测电机的转子位置，经计算和比较后得到电机当前所需的瞬时转矩，并结合转子位置通过转矩系数倒数数据库获得优化参考电流，将其与相选择得到的电流相比较获取占空比D1，并与转速成正比的反电势对应的占空比D2相加，得到最终占空比D，将最终占空比、转速指令和优化参考电流正负以及转子位置信息一起输入到开关状态查询表中，选择出相应的开关模式驱动无刷直流电机运行，从而可以实现无刷直流电机的四象限运行，实现对电机转速和瞬时转矩的控制，达到了抑制无刷直流电机电磁转矩脉动的目的。
文档编号H02P6/10GK102780433SQ20121023708
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者周生海, 李珍国, 章松发 申请人:燕山大学