专利名称：无刷直流电机直接转矩控制的超空间矢量调速方法
技术领域：
本发明所涉及得是一种电压综合矢量与定子磁链综合矢量在三维空间运动的无刷直流电机直接转矩控制的调速方法，属无刷直流电机系统的调速方法。
背景技术：
用交流调速技术达到节能的效果是众所周知的事情，而永磁电机由于使用了稀土永磁材料，节能效果更为显著。我国是稀土金属大国，多年来一直在推广稀土永磁电机的应用；另外，交流调速技术还能提高各种动态、静态性能，使加工质量或系统运行综合品质得到提高。因此，永磁电机的调速技术是一个应用非常广泛，对国民经济有大面积影响的技术。
永磁电机包括两种类型，一类是无刷直流电机，一类是交流正弦永磁电机。事实上这两类都是交流电机，只是第一类的特性有如直流电机，但它无刷，所以叫其为无刷直流电机，它即是永磁方波电机。1997年在美国IEEE PE杂志上公开了一种交流正弦永磁电机的直接转矩控制方案。此后，该技术的研究在国外和国内同时兴起，已发表了许多论文，有很大进展。但是还未有人把直接转矩控制应用到无刷直流电机上，而无刷直流电机在家电、一般工业用品上使用上非常广泛，如冰箱、洗衣机、空调都在大量使用无刷直流电机。申请号200610037967.2，公开号CN1819439的《无刷直流电机的直接自控制系统的控制方法》中，在任意一个控制采样周期中，电机的a相、b相、c相是同时导通的，这种导通模式带来的一个不足是电流脉动大。
发明内容
本发明的目的在于解决存在关断相的无刷直流电机驱动系统中，相电压变化时电压矢量的计算问题和定子磁链计算问题，使系统结构简单，提高系统的动态性能，实现无刷直流电机驱动系统的高性能控制。
为实现上述技术指标，本发明的技术解决方案是，硬件系统由主回路，检测回路，控制回路三大部分组成。主回路由无刷直流电机与功率变换器串联，由功率变换器接到供电电网；检测回路由电流传感器和电压传感器所组成；控制回路由模数转换器连于基于数字信号处理器(DSP)的控制单元，产生功率变换器控制信号，再连于与功率变换器相连的变换器控制信号处理单元所组成。在检测回路中，具有常用的速度传感器(或者采用无速度传感器技术)；在控制回路中不包含电流闭环线路。
一种无刷直流电机直接转矩控制的超空间矢量调速方法，其特征在于，采用三维空间正交坐标系XYZ及无刷直流电机三相坐标轴a轴和b轴和c轴所在平面abc平面，abc平面是X轴及Y轴所在平面，将关断相的电压放置到三维空间正交坐标系的Z轴，将导通相的电压放置到电机三相坐标轴a轴和b轴和c轴所在的abc平面，电压综合矢量和定子磁链综合矢量分别称之为电压超空间矢量us和定子磁链超空间矢量Ψs，电压超空间矢量us与定子磁链超空间矢量Ψs在三维空间中运动，电压超空间矢量us在abc平面的投影为七个电压投影矢量V0～V6，定子磁链超空间矢量Ψs在abc平面的投影为投影磁链Ψsp，投影磁链Ψsp的轨迹为六边形，在每一个控制采样周期中，根据连于主电路的由电流传感器和电压传感器所组成的检测电路检测到的瞬时电流与瞬时电压，通过数学模型T(t)＝K*I和Ψsp＝∫(usp-ispR)dt计算出瞬时转矩T(t)和投影磁链Ψsp以及投影磁链Ψsp在无刷直流电机三相轴的a轴和b轴和c轴上的三个投影Ψa、Ψb、Ψc，其中，K为转矩系数，I为直流母线电流，usp＝(2/3)*(uap+ubpα+ucpα2)，isp＝(2/3)*(iap+ibp*α+icp*α2)，α＝e(j2π/3)，α2＝e-(j2π/3)，uap、ubp、ucp和iap、ibp、icp分别是无刷直流电机三相相电压ua、ub、uc在abc平面上的投影和无刷直流电机三相电流ia、ib、ic在abc平面上的投影，uap＝Sa*udc/2，ubp＝Sb*udc/2，ucp＝Sc*udc/2，iap＝Sa*I。ibp＝Sb*I，icp＝Sc*I，Sa、Sb、Sc为开关信号选择单元ASS输出的三个开关信号，udc为功率变换器直流侧直流电压，关断相的电压放置到Z轴后，其在abc平面的投影永远为零，关断相只影响定子磁链但不影响转矩，与转矩有关的控制量都位于abc平面上，再由给定转速和通过计算软件计算出的瞬时转速，经由速度比例积分调节软件，得到给定转矩T*，将上述三个投影Ψa、Ψb、Ψc和给定磁链Ψs*进行比较，将瞬时转矩T(t)和给定转矩T*进行比较，由比较结果，直接选用七个电压投影矢量V0～V6当中最好的一个通过功率变换器作用于无刷直流电机，使得投影磁链Ψsp沿着设定地六边形轨迹运动，七个电压投影矢量中的零矢量定义为逆变器六个开关管全部关断，应用这个零矢量时，无刷直流电机的三相a相和b相和c相全部关断，无刷直流电机的三相相电压ua、ub、uc全部位于三维空间正交坐标系的Z轴上，定子磁链超空间矢量Ψs在三维空间中沿着Z轴方向运动，投影磁链Ψsp静止，系统是通过控制投影磁链Ψsp的运动速度来实现无刷直流电机转矩的直接控制和调速目的，不需要转子位置信号。
本调速方法，定义零矢量为功率变换器的六个开关管全部关断，不需要转子位置信号，不存在坐标旋转变换环节，计算简单，给定磁链Ψs*为一个常数，准确一点说，给定磁链Ψs*并不是期望的瞬时磁链，期望的瞬时磁链的矢尖轨迹是一个六边形，它的磁链幅值不是一个常数。但是，这个六边形的内接圆的半径是一个常数，为了计算方便，我们把这个为常数的内接圆半径定义为给定磁链Ψs*，即六边形中心到六条边中点的垂线长。系统受电机参数影响小，动态响应好，调速范围宽。去掉了电流闭环，提高了可靠性，是一种很有实用价值的无刷直流电机直接转矩控制的新方法。
四
图1是无刷直流电机系统组成框图。
图2是无刷直流电机超空间矢量调速方法的原理示意图。
图3是坐标系与磁链轨迹示意图。
图4是无刷直流电机超空间矢量调速方法的原理框图。
图5是无刷直流电机超空间矢量调速方法的软件流程图。
图1中各框图内的编号名称分别是；1、无刷直流电机，2、功率变换器，3、变换器控制电路，4、基于数字控制信号处理器的控制单元，5、模数转换器A/D，6、电流传感器和电压传感器。
图3中符号名称V0～V6-电压矢量，a、b、c-电机三相坐标系；α、β-电机αβ坐标系，Ψs*-给定磁链；S1～S6-Ψsp所在空间均分的六个区段。
图4中符号名称Ψs*-给定磁链，T*-给定转矩，T(t)-瞬时转矩，ωr*-给定转速，ωr-瞬时转速，ST-转矩环迟滞比较器输出值，SaΨ、SbΨ、ScΨ-三个磁链开关状态，Sa、Sb、Sc-三个开关状态，uα、ia-电压超空间矢量和电流超空间矢量在α轴上的投影，uβ、iβ-电压超空间矢量和电流超空间矢量在β轴上的投影，Ψα、Ψβ-定子磁链超空间矢量在α轴和β轴的投影，Ψa、Ψb、Ψc-定子磁链超空间矢量在a轴和b轴c轴上的投影，udc-输出的直流环节电压。图中各框图内名称逆变器模型AIM，磁链自控制单元DMC，开关信号选择单元ASS，转矩调节软件单元ATR，还有主电路中的永磁无刷直流电机(BLDC)、检测转子速度的编码器(ENCODE)及三相桥。
五、具体实施方法根据附图叙述本发明的具体实施方法及工作原理和工作过程。由图1可知，本发明的无刷直流电机直接自控制系统包括由无刷直流电机1、功率变换器2二者连接而成的主回路；由电流传感器和电压传感器6组成的检测回路，由模数转换器A/D5连于基于数字信号处理器(DSP)的控制单元4后再连于变换器控制信号3所组成的控制回路。功率变换器中的功率管可采用IGBT功率管或功率场效应管；电流电压传感器可为霍尔传感器，也可为采样电阻。传感器将主回路上的电流和电压，转变为弱电的模拟电压信号，进入模数转换器A/D，由它将模拟信号转换为数字信号，再送给DSP控制单元所用。根据取得的信号和本发明的超空间矢量理论的控制策略，计算出转矩与定子磁链超空间矢量的投影磁链Ψsp所在区段，并发出控制信号，经由变换器控制信号3，发出6位脉冲信号去控制主回路中的功率变换器。
本发明在控制回路中，删除了电流闭环线路(此处的电流信号不作电流闭环用，只作为确定定子磁链超空间矢量的投影磁链Ψsp的位置和计算瞬时电磁转矩所需要的信号)。
本发明的无刷直流电机超空间矢量调速方法，通过电力电子变换器直接选用电压超空间矢量的投影V0～V6作用于无刷直流电机的方法直接控制电磁转矩，使电机快速改变转速，达到快速调速的目的。
根据附图2和附图3叙述本发明调速方法的基本原理及具体控制方法如下对于无刷直流电机，当采用两相导通方式的直接转矩控制方法时，由于关断相电压具有不确定性，电压空间矢量是时刻变化的，定子磁链的计算是非常困难的。本发明将关断相的电压放置到三维空间正交坐标系的Z轴，导通两相的电压放置到abc平面上。不同磁状态下关断相不同，三个关断相的电压就被轮流放到三维空间正交坐标系的Z轴上。受关断相的电压的变化的影响，定子磁链超空间矢量不再像以往那样在一个平面上运动，而是在三维空间中运动(图2.b)。一个60°电角度磁状态中定子磁链超空间矢量在abc平面的投影为一段直线段，一个360°周期内的六段直线段构成一个封闭的六边形(图3)，本发明的意义在于虽然电压超空间矢量与定子磁链超空间矢量在三维空间中运动，但它们在abc平面上的投影非常简单，本发明的具体实现的控制思路就是利用电压超空间矢量在abc平面上的投影矢量V0～V6，使投影磁链Ψsp的矢量端部轨迹沿着这个封闭的六边形运动，从而在根本上简化了系统。
把六边形内接圆的半径定义为给定磁链Ψs*(图3)，这个Ψs*是一个恒值，这样，计算和控制就显得非常简单。不存在坐标旋转变换的环节，系统组成结构极其简单，但是所得到的动态响应非常优异。测量出的瞬时转速ωr和给定转速ωr*送入转速调节软件单元ATR，根据其差给出给定转矩。如果瞬时转矩T(t)小于给定转矩T*超过允许容差，就根据磁链比较输出选择运动矢量。如果瞬时转矩T(t)大于给定转矩T*超过允许容差，就使用开关管全关的零矢量，当采用零矢量时，定子磁链超空间矢量是在图2.b的基础上沿着Z轴运动，但其在abc平面上的投影静止。如果瞬时转矩T(t)与给定转矩T*之差在允许容差之内，则保持电压矢量不变。而控制周期内转子磁链的方向变化不大，转子磁链与投影磁链Ψsp的夹角由投影磁链Ψsp的方向决定。因此，实际上只要通过控制投影磁链Ψsp的方向就能实现这个夹角的改变。而投影磁链Ψsp受电压投影矢量V0～V6的影响，即投影磁链Ψsp的矢尖轨迹将沿着所选电压投影矢量的方向运动，选择不同的电压投影矢量将使投影磁链Ψsp的幅值和方向变化。若选择零矢量，则投影磁链Ψsp不变，即保持定子磁链矢量的角度。因此，按照一定规则选择恰当的电压矢量就可控制投影磁链Ψsp按所需的运动轨迹运动。本发明的特点就在于投影磁链Ψsp的矢尖应被控制成按六边形轨迹运动。图3所示的就是投影磁链Ψsp轨迹示意图。图中分为6个不同区段，在六个不同区段存在着各自相应的使投影磁链Ψsp运动轨迹沿着六边形轨迹运动的电压矢量。要迅速改变瞬时转矩T(t)是通过快速改变投影磁链Ψsp的角度达到的。改变投影磁链Ψsp的旋转速度是通过选择恰当的运动矢量和插入零矢量实现的。据此，通过在每一个极短的控制周期中从电压投影矢量V0～V6中选择运动矢量或零矢量，一方面使投影磁链Ψsp沿着六边形轨迹运动；另一方面尽快地改变投影磁链Ψsp的运动速度。
实现无刷直流电机直接转矩控制的超空间矢量调速方法的框图如图4所示。投影磁链Ψsp向a轴、b轴、c轴上的投影磁链分别为Ψa、Ψb、Ψc。将三个投影磁链Ψa、Ψb、Ψc分别与给定磁链Ψs*比较，三个磁链调节器构成磁链自控制单元DMC。磁链调节器是两点式比较器，输入三个投影磁链Ψa、Ψb、Ψc及给定磁链Ψs*，输出三个开关量SaΨ、SbΨ、ScΨ，三个比较器各输出一个开关信号SaΨ、SbΨ、ScΨ。当投影磁链Ψa、Ψb、Ψc大于给定磁链Ψs*，比较器输出1，当投影磁链Ψa、Ψb、Ψc小于给定磁链Ψs*的负值，比较器输出0。
转矩调节软件单元ATR为两点式比较器，输入瞬时转矩T(t)与给定转矩T*之差，输出转矩环迟滞比较器输出值ST。当瞬时转矩T(t)小于给定转矩T*超过允许容差，转矩环迟滞比较器输出值ST为1，要求增大转矩；当瞬时转矩T(t)大于给定转矩T*超过允许容差，转矩环迟滞比较器输出值ST为0，要求减小转矩；当两者之差在正负容差内，转矩环迟滞比较器输出值ST不变。
Sa、Sb、Sc代表功率变换器三个桥臂的开关状态，当开关变量为1，代表该桥臂的上管导通，当开关变量为-1，代表该桥臂的下管导通，当开关变量为0，代表该桥臂的上下管都关断。当转矩环迟滞比较器输出值ST为0时，三个开关变量Sa、Sb、Sc的值都是0，投影磁链Ψsp静止不动，而转子磁链继续旋转，速度基本维持不变，瞬时转矩随之下降。当转矩环迟滞比较器输出值ST为1时，选择哪一个运动矢量取决于磁链自控制单元DMC的三个输出，系统调速是通过改变投影磁链Ψsp速度的方式实现的。通过这样的方式，投影磁链Ψsp的速度在零和最高速之间任意变化。所以，转矩调节软件单元ATR决定了选择零矢量或运动矢量，磁链自控制单元DMC决定了选择哪一个运动矢量。以上本发明的磁链为自调节过程，转矩是自控制的。磁链自控制环节给出正确的区段，采用两点式调节控制转矩。
根据图5叙述计算过程及其公式如下投影磁链ψsp＝∫(usp-ispR)dt，电压超空间矢量us＝(2/3)*(ua+ubα+ucα2)。其中，ua、ub、uc为三相相电压，α＝e(j2π/3)，α2＝e-(j2π/3)。以A相和B相两相导通而C相关断为例，C相电压连续变化，电压超空间矢量us从矢量U1连续变化到矢量U2(图2.a)。电压超空间矢量us的轨迹一半在abc平面之上，另一半在abc平面之下。电压超空间矢量us是在三维空间中运动。电压超空间矢量us在abc平面上的投影矢量为七个电压投影矢量(图3中的电压投影矢量V0～V6)，这七个电压投影矢量可以表示为usp＝(2/3)*(uap+ubpα+ucpα2)，其中，uap、ubp、ucp分别是ua、ub、uc在abc平面上的投影，uap＝Sa*udc/2、ubp＝Sb*udc/2、ucp＝Sc*udc/2，udc为功率变换器直流侧直流电压，Sa、Sb、Sc为开关信号选择单元ASS输出的三个开关信号。isp为电流矢量，isp＝(2/3)*(iap+ibp*α+icp*α2)，iap、ibp、icp为a、b、c三相电流在abc平面上的投影，iap＝Sa*I、ibp＝Sb*I、icp＝Sc*I，I为直流母线电流，在两相导通模式下，iap、ibp、icp就是实际相电流。投影矢量V0～V6是激励定子绕组产生电流的量；投影磁链Ψsp是定子磁链中产生转矩的分量。Z轴分量与转矩无关，与转矩相关的所有分量都落在abc平面上。瞬时转矩T(t)可由电流测量所计算得到，T(t)＝K*I，其中，K为转矩系数，I为直流侧母线电流。
权利要求
1.一种无刷直流电机直接转矩控制的超空间矢量调速方法，其特征在于，采用三维空间正交坐标系XYZ及无刷直流电机三相坐标轴a轴和b轴和c轴所在平面abc平面，abc平面是X轴及Y轴所在平面，将关断相的电压放置到三维空间正交坐标系的Z轴，将导通相的电压放置到电机三相坐标轴a轴和b轴和c轴所在的abc平面，在三维空间中运动的电压超空间矢量(us)在abc平面的投影为七个电压投影矢量(V0～V6)，在三维空间中运动的定子磁链超空间矢量(Ψs)在abc平面的投影为投影磁链(Ψsp)，投影磁链(Ψsp)的轨迹为六边形，在每一个控制采样周期中，根据连于主电路的由电流传感器和电压传感器所组成的检测电路检测到的瞬时电流与瞬时电压，通过数学模型T(t)＝K*I和Ψsp＝∫(usp-ispR)dt计算出瞬时转矩(T(t))和投影磁链(Ψsp)以及投影磁链(Ψsp)在无刷直流电机三相轴的a轴和b轴和c轴上的三个投影磁链(Ψa、Ψb、Ψc)，其中，K为转矩系数，I为直流母线电流，usp＝(2/3)*(uap+ubpα+ucpα2)，isp＝(2/3)*(iap+ibp*α+icp*α2)，α＝e(j2π/3)，α2＝e-(j2π/3)，uap、ubp、ucp和iap、ibp、icp分别是无刷直流电机三相相电压(ua、ub、uc)在abc平面上的投影和无刷直流电机三相电流(ia、ib、ic)在abc平面上的投影，uap＝Sa*udc/2，ubp＝Sb*udc/2，ucp＝Sc*udc/2，iap＝Sa*I，ibp＝Sb*I，icp＝Sc*I，Sa、Sb、Sc为开关信号选择单元ASS输出的三个开关信号，udc为功率变换器直流侧直流电压，再由给定转速和通过计算软件计算出的瞬时转速，经由速度比例积分调节软件，得到给定转矩(T*)，将上述三个投影磁链(Ψa、Ψb、Ψc)和给定磁链(Ψs*)进行比较，将上述瞬时转矩(T(t))和上述给定转矩(T*)进行比较，由比较结果，直接选用七个电压投影矢量(V0～V6)当中最好的一个通过功率变换器作用于无刷直流电机，使得投影磁链(Ψsp)沿着设定地六边形轨迹运动，七个电压投影矢量中的零矢量定义为逆变器六个开关管全部关断，应用这个零矢量时，无刷直流电机的三相a相和b相和c相全部关断，无刷直流电机的三相相电压(ua、ub、uc)全部位于三维空间正交坐标系的Z轴上，定子磁链超空间矢量(Ψs)在三维空间中沿着Z轴方向运动，投影磁链(Ψsp)静止，系统是通过控制投影磁链(Ψsp)的运动速度来实现无刷直流电机转矩的直接控制和调速目的。
全文摘要
一种无刷直流电机直接转矩控制的超空间矢量调速方法，属无刷直流电机调速方法。该调速方法是，将关断相的电压放置到三维空间正交坐标系的Z轴，将导通相的电压放置到abc平面。电压超空间矢量在abc平面上投影为七个电压投影矢量，定子磁链超空间矢量在abc平面上的投影为投影磁链。在每个采样周期中，根据检测到的电流、电压，计算出投影磁链在a、b、c轴上的投影值和瞬时转矩，将投影值和给定值比较，将瞬时转矩和给定转矩比较，由比较结果选用电压矢量通过功率变换器作用于无刷直流电机。本发明解决了电压综合矢量计算和定子磁链综合矢量计算两个困难问题，简化了系统，不需要转子位置信号，动态响应快，适用于军工和民用要求。
文档编号H02P21/00GK1937398SQ200610096849
公开日2007年3月28日 申请日期2006年10月20日 优先权日2006年10月20日
发明者高瑾, 胡育文, 黄文新 申请人:南京航空航天大学