凸極式永磁無刷直流電機電磁轉矩觀測方法及裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及一種凸極式永磁無刷直流電機電磁轉矩觀測方法及裝置，特別適合該種電機驅動系統無位置傳感及無速度傳感器時電磁轉矩、轉速控制。該觀測方法及裝置利用轉子反電動勢自適應的定子電流觀測裝置、基于鎖相環的轉子旋轉速度及位置角觀測裝置、轉子反電動勢/轉子磁鏈與轉子位置角關系曲線、坐標變換裝置、定子磁鏈計算裝置、電磁轉矩計算裝置等，在無位置傳感器方式下，連續、實時、準確地觀測出電磁轉矩，同時將轉子轉速、定子磁鏈以中間變量方式觀測出來，以滿足電機無傳感器高性能直接轉矩控制需要。本發明專利技術觀測方法及裝置具有實時性好、觀測精度高、成本低廉等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及永磁無刷直流電機驅動控制
，特別是一種適用于凸極式永磁無刷直流電機直接轉矩控制系統的無位置傳感器型電磁轉矩觀測方法及裝置。
技術介紹
永磁無刷直流電機(BLDCM)具有效率高，控制結構簡潔等特點，在家用電器、工業中均有廣泛應用。但由于實際制造過程中多種因素影響，導致轉子反電勢并非理想波形(既非梯形波又非正弦波)，采用簡單的方波電流PWM控制轉矩脈動較大，制約其應用領域的拓展。 為了改善永磁無刷直流電機驅動性能，人們針對該種電機提出直接轉矩控制策略。該控制策略采用兩相導通模式，利用電磁轉矩和定子磁鏈幅值雙磁滯比較器，結合定子磁鏈矢量所處扇區選擇一個最優空間電壓矢量作用于電機，在無電流閉環控制的情況下，實現電機電磁轉矩跟蹤其給定值。由于電機采用兩相導通模式，定子磁鏈旋轉軌跡非圓形，所以定子磁鏈幅值閉環結構可以省略。與三相導通方式正弦波永磁同步電機直接轉矩控制策略相比較，永磁無刷直流電機直接轉矩控制策略特點在于1)永磁無刷直流電機轉子磁場及其反電動勢為非正弦波，且不同生產廠家及不同型號電機，對應的轉子磁場及其反電動勢波形差別很大；2)為了產生平穩的電磁轉矩，理論上希望流過方波電流，但由于轉子反電動勢波形的非理想，實際電流波形是一個類似方波的不連續波形，導致定子磁鏈也是一種非正弦的不連續波形；3)采用兩相導通模式，理論上任何瞬時總有一相繞組懸空不導電，導致電機端電壓不能簡單利用直流母線電壓及功率管開關狀態獲得。從上述闡述可見，永磁無刷直流電機直接轉矩控制目的是要實現電磁轉矩的閉環直接控制，連續、實時、準確地觀測出電磁轉矩非常關鍵。實際永磁無刷直流電機具有一定的磁凸極現象，而人們為了簡化其數學模型及簡化其控制策略，在分析及構建控制策略時將這種磁凸極現象忽略。忽略磁凸極現象后，觀測電磁轉矩方法如下根據端電壓和電流可以直接觀測出定子磁鏈，根據定子磁鏈、定子電流及電機電感可以計算出轉子磁鏈，對轉子磁鏈微分即可以獲得轉子反電動勢，根據速度及轉子反電動勢可以以開環方式計算出電磁轉矩。可見忽略磁凸極現象后，計算或觀測電磁轉矩過程較簡單，無需轉子位置角信息。當然對于磁凸極現象不明顯的永磁無刷直流電機而言，這種忽略不會帶來太大的電磁轉矩觀測及控制誤差。但實際應用中有很多永磁無刷直流電機具有嚴重的磁凸極現象，若仍然忽略磁凸極現象，必然帶來很大的電磁轉矩觀測及控制誤差，極大影響到該種電機驅動系統的運行性能，例如電機負載能力降低、穩態轉速不平穩等。所以對于凸極式永磁無刷直流電機，實現其直接轉矩控制關鍵技術同樣是電磁轉矩的連續、實時、準確觀測，但兩方面因素導致這種電機電磁轉矩觀測非常困難1)電機磁凸極現象使得電機數學模型是一個與轉子位置角有關的時變非線性系統；2)轉子反電動勢及轉子磁鏈為嚴重非正弦波。這兩方面因素導致現有的忽略磁凸極現象的永磁無刷直流電機中電磁轉矩觀測方法不適用于凸極式永磁無刷直流電機。另外，直接轉矩控制最大優點在于其本質上無位置傳感器，在無需轉子位置物理傳感器情況下，觀測電磁轉矩并實現其直接閉環控制才能體現該控制策略最大優勢。所以如何根據實際凸極式永磁無刷直流電機可測量的電信號，連續、實時、準確地觀測出電磁轉矩對實現高性能的凸極式永磁無刷直流電機直接轉矩控制驅動系統尤為關鍵
技術實現思路
為了克服現有技術的不足，本專利技術的目的在于提供一種凸極式永磁無刷直流電機電磁轉矩觀測方法及裝置，該方法及裝置有利于實現凸極式永磁無刷直流電機無位置傳感器時電磁轉矩的連續、實時、準確觀測。本專利技術的目的是采用如下的技術方案實現的一種凸極式永磁無刷直流電機電磁轉矩觀測方法，對凸極式永磁無刷直流電機的電壓和電流進行采樣，將檢測到的電壓、電流以及觀測的轉子位置角、轉子速度送給利用凸極式永磁無刷直流電機非線性時變數學模型構建的轉子反電動勢自適應的定子電流觀測模塊，輸出轉子反電動勢；如果是第一次采樣，觀測的轉子位置角、轉子速度為任意設定的初值，否則為上一次采樣計算得到的轉子位置角和轉子速度的觀測值；將自適應辨識出的轉子反電動勢送給鎖相環模塊，輸出轉子位置角和轉子速度的觀測刷新值；根據轉子位置角觀測刷新值，查轉子反電動勢、轉子磁鏈與轉子位置角關系表，輸出轉子反電動勢和轉子磁鏈；根據轉子磁鏈、轉子位置角觀測刷新值及定子電流，計算出定子磁鏈；根據定子磁鏈、轉子磁鏈、定子電流及轉子反電動勢，計算出電磁轉矩。本專利技術還公開了一種凸極式永磁無刷直流電機電磁轉矩觀測裝置，包括直流母線電壓采集電路、關斷相繞組電壓采集電路、繞組電流采集電路、中央控制器和隔離驅動單元；所述直流母線電壓采集電路采集直流母線電壓產生電路輸出給兩相導通模式的三相逆變器的直流母線電壓，所述關斷相繞組電壓采集電路采集所述三相逆變器施加給凸極式永磁無刷直流電機三相繞組的非導通相電壓，所述繞組電流采集電路采集三相繞組電流，并將采集到的直流母線電壓、非導通相電壓及三相繞組電流送給所述中央控制器，所述中央控制器的輸出通過隔離驅動單元連接到所述三相逆變器；所述中央控制器包括轉子反電動勢自適應的定子電流觀測模塊，用于根據輸入的定子電壓矢量 足子電流矢量及觀測的轉子位置角I、轉子速度屯，輸出轉子反電動勢自適應辨識矢量毛；鎖相環模塊，用于根據輸入的轉子反電動勢自適應辨識矢量輸出轉子位置角是和轉子速度屯的觀測刷新值；轉子反電動勢、轉子磁鏈與轉子位置角關系表查表模塊，用于根據輸入的轉子位置角觀測刷新值息，輸出轉子反電動勢 &e > / We和轉子磁鏈巧W ;定子磁鏈計算模塊，用于根據輸入的α β坐標系中轉子磁鏈％ 、Ψτβ，定子電流及轉子位置角觀測刷新值息，輸出定子磁鏈;以及電磁轉矩計算模塊，用于根據輸入的α β坐標系中定子磁鏈轉子磁鏈定子電流k、V及轉子反電動勢士》/ ^^ / A，輸出電磁轉矩7；觀測值。本專利技術同現有的永磁無刷直流電機電磁轉矩觀測方法相比較，具有如下優點 O實現凸極式無刷直流電機無位置傳感器方式電磁轉矩連續、實時、準確觀測，同時還以過程變量方式輸出定子磁鏈、轉子速度等觀測值，方便實現無位置傳感器凸極式無刷直流電機直接轉矩驅動控制； 2)無需物理上的位置傳感器，例如霍爾傳感器、旋轉編碼器等，基于電機驅動中本已連續測量的電量來構建電磁轉矩觀測器，無需添加任何的輔助硬件電路即可實現電磁轉矩準確觀測，驅動系統硬件成本沒有增加，同時提高了系統運行可靠性； 3)基于電機驅動中本已實時測量的電量和電機設計時保證的轉子反電動勢、轉子磁鏈與轉子位置角關系特性構建電磁轉矩觀測器，保證了變量觀測的連續性、實時性及準確性，同時也避免了電機兩相導通模式及其換相動作對變量觀測的負面影響； 4)將電機設計時保證的轉子反電動勢、轉子磁鏈與轉子位置角關系特性作為觀測器中一個環節，保證了參與計算電磁轉矩中的轉子反電動勢、轉子磁鏈值的真實性，進一步提高了變量觀測的精度。下面結合附圖及具體實施例對本專利技術作進一步的詳細說明。附圖說明圖I是本專利技術實施例中凸極式無刷直流電機坐標系定義及矢量關系示意圖。其中，α β為定子靜止直角坐標系，α軸與A相繞組軸線重合;而為轉子同步旋轉坐標系L分別為定子電壓矢量和電流矢量從為定子磁鏈矢量；七、界分別為轉子反電動勢矢量和轉子磁鏈矢量4力V軸與α軸的夬角，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種凸極式永磁無刷直流電機電磁轉矩觀測方法，其特征在于：對凸極式永磁無刷直流電機的電壓和電流進行采樣，將檢測到的電壓、電流以及觀測的轉子位置角、轉子速度送給利用凸極式永磁無刷直流電機非線性時變數學模型構建的轉子反電動勢自適應的定子電流觀測模塊，輸出轉子反電動勢；如果是第一次采樣，觀測的轉子位置角、轉子速度為任意設定的初值，否則為上一次采樣計算得到的轉子位置角和轉子速度的觀測值；將自適應辨識出的轉子反電動勢送給鎖相環模塊，輸出轉子位置角和轉子速度的觀測刷新值；根據轉子位置角觀測刷新值，查轉子反電動勢、轉子磁鏈與轉子位置角關系表，輸出轉子反電動勢和轉子磁鏈；根據轉子磁鏈、轉子位置角觀測刷新值及定子電流，計算出定子磁鏈；根據定子磁鏈、轉子磁鏈、定子電流及轉子反電動勢，計算出電磁轉矩。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：周揚忠，林啟星，
申請(專利權)人：福州大學，
類型：發明
國別省市：