一種基于磁鏈追蹤的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法技術(shù)

一種基于磁鏈追蹤的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，首先，根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)矩確定一個(gè)基準(zhǔn)磁鏈ψ(n)；再根據(jù)增量模型構(gòu)造一個(gè)虛擬磁鏈來(lái)逼近該基準(zhǔn)磁鏈ψ(n)；最后根據(jù)逼近結(jié)果對(duì)應(yīng)的狀態(tài)來(lái)控制逆變器輸出得到所需的PWM驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)的方法利用了磁鏈追蹤技術(shù)，可以自動(dòng)根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)過(guò)調(diào)制（六拍波）輸出到線性調(diào)制輸出之間的無(wú)縫切換。當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)工作在大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下時(shí)，控制器輸出電平為六拍波，使電機(jī)具有最大的直流母線電壓利用率；當(dāng)電機(jī)工作在小轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下時(shí)，則控制器可以平滑切換至輸出經(jīng)過(guò)線性調(diào)制的PWM波狀態(tài)，使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制器的調(diào)制方法，具體涉及一種可以在小轉(zhuǎn)矩條件下有效減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的基于磁鏈追蹤的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法。
技術(shù)介紹
目前隨著綠色環(huán)保的觀念日漸深入人心，電動(dòng)車(chē)作為一種可以實(shí)現(xiàn)零排放、零污染的清潔環(huán)保交通工具正日漸受到人們的重視。但是現(xiàn)有的電動(dòng)車(chē)所使用的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制器在工作時(shí)還存在著很多問(wèn)題。其中，在小轉(zhuǎn)矩情況下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是一個(gè)重要的缺陷因素。傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制器始終工作在輸出六拍波的模式下，以模擬傳統(tǒng)直流電機(jī)的機(jī)械換相輸出方波電流，該方案具有直流母線電壓利用率高，簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)。但是在小轉(zhuǎn)矩下，由于六拍波本身的諧波成分較高以及電機(jī)的齒槽效應(yīng)等因素導(dǎo)致的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，會(huì)為電機(jī)的工作帶來(lái)一系列不利影響。如產(chǎn)生較大的噪音、造成機(jī)械磨損并造成電機(jī)工作效率的降低等。目前，已有的解決方案從大體上來(lái)看，是從兩方面著手:一方面旨在降低無(wú)刷直流電機(jī)控制器輸出電流的諧波，具體來(lái)說(shuō)即改變無(wú)刷直流電機(jī)控制器的調(diào)制方法，優(yōu)化現(xiàn)有的輸出電流波形。例如現(xiàn)有技術(shù)中，一種按照無(wú)刷直流電機(jī)工作角區(qū)間周期性進(jìn)行線性調(diào)制——過(guò)調(diào)制——線性調(diào)制的方案；另一方面旨在改進(jìn)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，優(yōu)化氣隙磁場(chǎng)以降低由于齒槽效應(yīng)導(dǎo)致的磁通突變?cè)斐傻挠绊?。如現(xiàn)有技術(shù)中，一種通過(guò)在轉(zhuǎn)子芯中安裝多個(gè)磁鐵的方式，防止磁通的斷開(kāi)，最小化磁通的泄漏。事實(shí)上，基于空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)(SVPWM)的線性調(diào)制的方案已 經(jīng)發(fā)展地極為成熟，但由于傳統(tǒng)的基于SVPWM的過(guò)調(diào)制策略算法過(guò)于復(fù)雜，而僅使用線性調(diào)制的SVPWM方法則直接影響到直流母線電壓利用率。因此這一問(wèn)題亦限制了傳統(tǒng)SVPWM方案在無(wú)刷直流電機(jī)控制器上的應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的主要目的在于克服無(wú)刷直流電機(jī)在小轉(zhuǎn)矩條件下由于諧波原因引起的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中更加平穩(wěn)的。本專(zhuān)利技術(shù)采用如下技術(shù)方案:—種基于磁鏈追蹤的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于:首先，根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速 和期望轉(zhuǎn)矩I確定一個(gè)基準(zhǔn)磁鏈Ψ(η);再根據(jù)增量模型構(gòu)造一個(gè)虛擬磁鏈f(〃)來(lái)逼近該基準(zhǔn)磁鏈Ψ(η);最后根據(jù)逼近結(jié)果對(duì)應(yīng)的狀態(tài)來(lái)控制逆變器輸出得到所需的PWM驅(qū)動(dòng)。進(jìn)一步的，所述期望轉(zhuǎn)速 由期望相角的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)，所述的期望相角Θ = nTA-2kn，k=l, 2，...，其通過(guò)與實(shí)際相角Θ求差，得到當(dāng)前相位誤差Δθ=6^-Θ，通過(guò)對(duì)角速度ω = ω+ρΛ Θ的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)期望相角#的閉環(huán)控制。進(jìn)一步的，所述的實(shí)際相角Θ代表無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子角度位置，可由無(wú)刷直流電機(jī)的Hell元件信號(hào)瞬時(shí)采集。進(jìn)一步的，所述的瞬時(shí)采集指在每個(gè)圓周中，Hell元件信號(hào)共有6次變化，變化時(shí)刻的轉(zhuǎn)子角度位置分別代表.|，則通過(guò)監(jiān)測(cè)Hell元件信號(hào)變化的瞬時(shí)，來(lái)采集實(shí)際相角Θ.進(jìn)一步的，所述的基準(zhǔn)磁鏈Ψ (η)，是無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子在α -β坐標(biāo)系下以r為半徑并按照角速度ω旋轉(zhuǎn)的軌跡，其中，η表示按采樣周期T離散化后的第η時(shí)刻；所述的半徑廣^; Uout為無(wú)刷直流電機(jī)輸出相電壓峰值，其值與期望力矩<成正比。 ^ 0.9475Λ'7,、進(jìn)一步的，所述半徑r的取值范圍為(P，1π/ )，Ud為逆變器直流驅(qū)動(dòng)電壓;當(dāng)時(shí)無(wú)刷直流電機(jī)可得到六拍波驅(qū)動(dòng)，具有最大的電壓利用率；當(dāng)時(shí)無(wú)2π/4π/ 刷直流電機(jī)將工作在線性驅(qū)動(dòng)，具有最小的諧波。進(jìn)一步的,所述的虛擬磁鏈)在α-β坐標(biāo)系可由增量模型φ(//)=φ(//-1) + Δφ(//)進(jìn)行構(gòu)造，其中i=0 5，該取值范圍對(duì)應(yīng)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)；Ud為逆變器直流驅(qū)動(dòng)電壓，Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，且P(O)= MO)。進(jìn)一步的，所述的逼近是指磁鏈增量Δφ( )在所述取值范圍內(nèi)確定一個(gè)最佳取值，使得虛擬磁鏈4〃)和基準(zhǔn)磁鏈Ψ(η)在α-β坐標(biāo)系下的范數(shù)距離最小。進(jìn)一步的，計(jì)算取值范圍的所有磁鏈增量Δφ(〃)并確定每個(gè)扇區(qū)Sector的候選開(kāi)關(guān)狀態(tài)；設(shè)置初始期望相位角θ~ = 0, <Ρ(0) = Φ);每經(jīng)過(guò)一次采樣周期，相位角增量Αθ(^ = θ^)-θ(,7-1)，其中#(〃)為按采樣周期T離散化后的第η時(shí)刻的期望相位角；所述的逼近具體包括如下步驟:I) η=η+1,期望相位角I更新,并求取當(dāng)前相位角#下,正交二軸系下的基準(zhǔn)磁鏈Ψ (η),即 #() =盧(-1) + Δ0Ο), Ψ (η) = | I Ψ I I {sin[ Θ (n)]，-cos[ θ (η)]}';2)計(jì)算并讀取當(dāng)前相位角Θ所處的扇區(qū)Sector,分別計(jì)算當(dāng)前扇區(qū)Sector下的每個(gè)候選磁鏈增量與上一時(shí)刻虛擬磁鏈相疊加后與基準(zhǔn)磁鏈ψ (η)之間的范數(shù)距離即4 >||Δφ竹&_/■)卜求取最佳輸出狀態(tài)^ BPΓ = min/ (r)；3)逆變器輸出該f狀態(tài)；4)計(jì)算當(dāng)前虛擬磁鏈.φ(//),即<p(+ ΔφM ,并返回到(I)。進(jìn)一步的，所述的逼近結(jié)果對(duì)應(yīng)的狀態(tài)指最佳取值所對(duì)應(yīng)的逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)。由上述對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)的描述可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專(zhuān)利技術(shù)具有如下有益效果:本專(zhuān)利技術(shù)所采用的基于磁鏈追蹤的無(wú)刷電機(jī)控制方法，是通過(guò)以理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，不考慮空間電壓矢量的合成，而直接通過(guò)逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的磁鏈增量來(lái)跟蹤基準(zhǔn)磁鏈圓，從而形成PWM波的策略。由于拋棄了合成的思路，而直接考慮以七個(gè)空間磁鏈增量矢量來(lái)逼近基準(zhǔn)磁鏈圓。故在小轉(zhuǎn)矩下，基準(zhǔn)磁鏈圓半徑很小，該方法可以通過(guò)線性調(diào)制手段，追蹤出一個(gè)誤差很小的磁鏈圓。表現(xiàn)在輸出的PWM波特性上，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)諧波成分極小的定子相電流輸出；而在大轉(zhuǎn)矩下，基準(zhǔn)磁鏈圓半徑很大，超過(guò)了該方法追蹤能力的極限，因此按照空間距離最小的原則，該方法最終會(huì)追蹤出一個(gè)正六邊形的“磁鏈圓”。表現(xiàn)在輸出的PWM波特性上，就可以實(shí)現(xiàn)六拍波輸出。綜上所述，該方法可以統(tǒng)一處理在SVPWM方法當(dāng)中需要分階段對(duì)待的過(guò)調(diào)制策略，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩要求實(shí)現(xiàn)從線性調(diào)制到六階梯模式的連續(xù)平滑過(guò)渡。同時(shí)該方法運(yùn)算量較小，過(guò)渡自然。附圖說(shuō)明圖1為本專(zhuān)利技術(shù)的控制方法流程示意圖；圖2為本專(zhuān)利技術(shù)無(wú)刷直流電機(jī)控制器控制系統(tǒng)框圖；圖3為本專(zhuān)利技術(shù)的6個(gè)扇區(qū)的候選狀態(tài)列表；圖4為隨著基準(zhǔn)磁鏈半徑增大，無(wú)刷直流電機(jī)動(dòng)線性調(diào)制狀態(tài)輸出到過(guò)調(diào)制(六拍波)狀態(tài)輸出時(shí)線電壓的PWM波形變化。具體實(shí)施例方式以下通過(guò)具體實(shí)施方式對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)作進(jìn)一步的描述。無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)相比，最大的區(qū)別是由電子換向取代了機(jī)械換向一直流有刷電機(jī)是通過(guò)機(jī)械換向器將直流電流轉(zhuǎn)化為近似梯形波的交流送入電樞的，而無(wú)刷直流電機(jī)是通過(guò)電子換向器將直流電流轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)方波電流送入電樞。但是由于六拍波含有的諧波分量會(huì)產(chǎn)生六次諧波轉(zhuǎn)矩，故在大轉(zhuǎn)矩條件下，這個(gè)紋波有可能會(huì)被轉(zhuǎn)子慣量過(guò)濾掉。但是在小轉(zhuǎn)矩條件下，它將使轉(zhuǎn)子速度發(fā)生波動(dòng)，嚴(yán)重影響速度的穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)對(duì)位置伺服系統(tǒng)的定位精度和重復(fù)性造成一定影響。探究電機(jī)調(diào)速的過(guò)程，會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)質(zhì)就是使電機(jī)定子獲得一個(gè)轉(zhuǎn)矩可變的圓磁場(chǎng)。傳統(tǒng)的SVPWM方法是從供電電源的角度出發(fā)，通過(guò)逆變器的開(kāi)關(guān)模式組合形成空間電壓矢量，來(lái)跟蹤期望的旋轉(zhuǎn)電壓。但是由于該方法是通過(guò)合成的原理來(lái)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的跟蹤，故在過(guò)調(diào)制區(qū)，旋轉(zhuǎn)電壓矢量無(wú)法被直接合成，就需要采用特殊的過(guò)調(diào)制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)調(diào)制區(qū)的電壓合成目的。本專(zhuān)利技術(shù)所采用的磁鏈本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于磁鏈追蹤的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于：首先，根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)矩確定一個(gè)基準(zhǔn)磁鏈ψ(n)；再根據(jù)增量模型構(gòu)造一個(gè)虛擬磁鏈來(lái)逼近該基準(zhǔn)磁鏈ψ(n)；最后根據(jù)逼近結(jié)果對(duì)應(yīng)的狀態(tài)來(lái)控制逆變器輸出得到所需的PWM驅(qū)動(dòng)。FDA00003075644000011.jpg,FDA00003075644000012.jpg,FDA00003075644000013.jpg

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于磁鏈追蹤的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于:首先，根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速i和期望轉(zhuǎn)矩I確定一個(gè)基準(zhǔn)磁鏈ψ (η);再根據(jù)增量模型構(gòu)造一個(gè)虛擬磁鏈免(〃)來(lái)逼近該基準(zhǔn)磁鏈Ψ(η);最后根據(jù)逼近結(jié)果對(duì)應(yīng)的狀態(tài)來(lái)控制逆變器輸出得到所需的PWM驅(qū)動(dòng)。2.如權(quán)利要求1所述的一種基于磁鏈追蹤的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于:所述期望轉(zhuǎn)速6由期望相角#的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)，所述的期望相角 = η ，k=l, 2，...，其通過(guò)與實(shí)際相角Θ求差，得到當(dāng)前相位誤差Δθ=θ-Θ，通過(guò)對(duì)角速度ω = ω+ρΛ Θ的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)期望相角Θ'的閉環(huán)控制。3.如權(quán)利要求2所述的一種基于磁鏈追蹤的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于:所述的實(shí)際相角Θ代表無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子角度位置，可由無(wú)刷直流電機(jī)的Hell元件信號(hào)瞬時(shí)米集。4.如權(quán)利要求3所述的一種基于磁鏈追蹤的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于:所述的瞬時(shí)采集指在每個(gè)圓周中，Hell元件信號(hào)共有6次變化，變化時(shí)刻的轉(zhuǎn)子角度位置分別代表f，則通過(guò)監(jiān)測(cè)Hell元件信號(hào)變化的瞬時(shí)，來(lái)采集實(shí)際相角Θ。5.如權(quán)利要求1所述的一種基于磁鏈追蹤的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于:所述的基準(zhǔn)磁鏈Ψ (η)， 是無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子在α-β坐標(biāo)系下以r為半徑并按照角速度ω旋轉(zhuǎn)的軌跡，其中，η表示按采樣周期T離散化后的第η時(shí)刻；所述的半徑Z =Uout為無(wú)刷直流電機(jī)輸出相電壓峰值，其值與期望力矩尤成正比。6.如權(quán)利要求5所述的一種基于磁鏈追蹤的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于:所 0.9475/7,O 9475/7述半徑r的取值范圍為(O, ^ ，Ud為逆變器直流驅(qū)動(dòng)電壓；當(dāng)〃 時(shí)無(wú)刷直 2 兀/2ττ/流電機(jī)可得到六拍波驅(qū)動(dòng)，具有最大的電壓利用率；當(dāng)〃時(shí)無(wú)刷直流電機(jī)將工作在線性驅(qū)動(dòng)，具有最小的諧波。7.如權(quán)利要求1所述的一種基于磁鏈...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳德會(huì)，陳俊，李超，游德海，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：廈門(mén)大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：