CN103414427A - 无刷直流电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种无刷直流电机控制方法，它仅利用简易的开关型霍尔位置检测器，通过软件实现的观测器，重构出比较精确的电机转角和电机速度的观测值，利用观测值实现无刷直流电动机的正弦波矢量控制。这种方法既保留了无刷电机控制***简单可靠成本低的优点，同时提高了控制精度和动态性能。

Description

无刷直流电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电动机的控制方法，特别涉及一种基于观测器的无刷直流电动机正弦波矢量控制方法。

背景技术

根据相励磁磁势分布的不同，三相永磁同步电动机可分为两种类型：正弦波型和方波型永磁同步电动机，前者励磁磁势分布是正弦波状，后者励磁磁势分布呈方波状。

方波型永磁同步电动机亦称为无刷直流电动机（BLDC）；正弦波型永磁同步电动机习惯被称为PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）。按照传统的技术，正弦波永磁同步电机（PMSM），一般采用正弦波矢量控制方式，用于高精度的位置伺服控制，需要比较高精度的位置检测器，如光电脉冲编码器、旋转变压器等等。无刷直流电机（BLDC）一般采用方波控制方式，只用于简单的速度控制，仅仅装有简易的开关型霍尔位置检测器，其直接的位置检测精度仅有60度（电角度）。无刷直流电机控制***的主要特点是简单可靠成本低，缺点是控制精度和动态性能较低。

近年来无刷直流电机正弦波矢量控制方法一直处于研究中，需要解决的最主要问题是在只采用简单霍尔检测器的情况下，尽量提高位置检测精度，通常的解决方法是：假定前一个霍尔信号周期与当前的霍尔信号周期相同，通过测量时间，间接地计算电机转角,这种方法在速度较低和电机处于速度变化状态下是不准确的，因而也限制了其实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：本发明为了解决现有技术中存在缺陷，无刷直流电机的转角、速度和负载观测模型及其控制方法，该方法仅利用简易的开关型霍尔位置检测器，实现无刷直流电机的正弦波控制。

本发明的技术方案是：

无刷直流电机控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立无刷直流电机的转角、速度和负载观测模型，具体如下：

（1）以固定的检测周期T，实时读取电机霍尔检测器发出的三路位置脉冲信号,实时计取三路位置脉冲总个数，通过下式得到电机转角的计算值

和速度的计算值

$\widetilde{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\frac{2\mathrm{\πP}}{3}N\left(k\right)$

$\widetilde{\mathrm{\ω}}\left(k\right)=\frac{2\mathrm{\πP}}{3}(N\left(k\right)-N(k-1))/T$

式中，k是循环采样次数，是电机转角的第k次计算值，

是电机速度的第k次计算值，N(k)是第k次检测得到的位置脉冲总个数，P是电机的磁极对数，T是检测周期；

（2）按下式进行低通滤波处理，得到电机的转角值θ和速度值ω；

$\mathrm{\θ}\left(k\right)=\mathrm{\α}\widetilde{\mathrm{\θ}}\left(k\right)+(1-\mathrm{\α})\mathrm{\θ}(k-1)$

$\mathrm{\ω}\left(k\right)=\mathrm{\α}\widetilde{\mathrm{\ω}}\left(k\right)+(1-\mathrm{\α})\mathrm{\ω}(k-1)$

式中，θ(k)是电机转角的第k次滤波输出值，ω(k)是电机速度的第k次滤波输出值，α是滤波器系数，介于0和1之间；

（3）依据电机的动力学特性，构建电机转角和速度观测模型如下：

$\widehat{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)+\widehat{\mathrm{\ω}}(k-1)*T$

$\widehat{\mathrm{\ω}}\left(k\right)=\frac{1}{J}(K_m{i}_q\left(k\right)-T_{\mathrm{fz}}\left(k\right))*T+\widehat{\mathrm{\ω}}(k-1)$

式中，

瞬时转角观测值，为瞬时速度观测值，J是电机的转动惯量，K_m是转矩系数，i_q是电机定子电流的交轴分量，采用定子电流交轴分量的指令值

代替实际的i_q，T_fz是负载转矩；通过负载观测模型计算得出，所述负载观测模型如下：

$T_{\mathrm{fz}}\left(k\right)=a_1(\mathrm{\θ}\left(k\right)-\widehat{\mathrm{\θ}}\left(k\right))+a_2(\mathrm{\ω}\left(k\right)-\widehat{\mathrm{\ω}}\left(k\right))$

式中，a₁和a₂是负载观测器系数，可离线计算得到；

步骤2，将步骤1建立的电机转角和速度观测模型以及负载观测模型整合，得到转角、转速观测器，用于实时得到转角观测值

和速度观测值

将其应用于控制方法如下：

以转角观测值为位置反馈信号，将位置给定信号θ^*与位置反馈信号相减而得到位置跟随误差信号，位置跟随误差信号经位置控制器后输出速度给定信号ω^*；

以速度观测值

为速度反馈信号，将速度给定信号ω^*与速度反馈信号

相减而得速度误差信号，速度误差信号经速度控制器后输出q轴电流给定信号

检测电机定子电流i_a、i_b，经过旋转变换器形成交轴电流i_q和直轴电流i_d；以转角观测值作为旋转变换器的旋转变换角度，将q轴电流给定信号

与交轴电流i_q相减而得q轴电流误差信号，此误差信号经q轴电流控制器后输出交轴电压u_q，d轴电流给定信号为0，将直轴电流i_d经d轴电流控制器后输出直轴电压u_d，

所述交轴电压u_q和直轴电压u_d经逆旋转变换器形成电机定子三相交流电压参考信号u_a、u_b、u_c，再经SPWM调制，用于控制主回路中的逆变器，驱动电机。

所述步骤2中的滤波器的系数α应当随着速度的变化进行调整，电机速度越低，α值应当越小，速度越高，α值应当越大；所述滤波器的系数α小于等于0.9且大于等于0.1。

技术效果

本发明给出了一种无刷直流电动机的正弦波矢量控制方法，它仅利用简易的开关型霍尔位置检测器，通过软件实现的观测器，重构出比较精确的电机转角和电机速度的观测值，利用观测值实现无刷直流电动机的正弦波矢量控制。这种方法既保留了无刷电机控制***简单可靠成本低的优点，同时提高了控制精度和动态性能。

附图说明

图1是转角、转速观测器的结构框图；

图2是基于转角、转速观测器的无刷直流电机控制***的结构框图；

图3是无刷直流电机控制***的电路原理图；

图4是无刷直流电机控制***软件主程序流程图；

图5是无刷直流电机控制***软件中断服务程序流程图。

具体实施例

一种无刷直流电机转角和速度观测模型及负载观测模型构建方法如下：

（1）以固定的检测周期T，实时读取电机霍尔检测器发出的三路位置脉冲信号,实时计取三路位置脉冲总个数。通过下式得到电机转角的计算值

和速度的计算值

$\widetilde{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\frac{2\mathrm{\πP}}{3}N\left(k\right)$

$\widetilde{\mathrm{\ω}}\left(k\right)=\frac{2\mathrm{\πP}}{3}(N\left(k\right)-N(k-1))/T$

式中，k是循环采样次数，

是电机转角的第k次计算值，

是电机速度的第k次计算值，N(k)是第k次检测得到的位置脉冲个数，P是电机的磁极对数，T是检测周期。

（2）由于电机的霍尔检测器精度低，电机转角计算值和速度计算值都是的阶梯信号，是不连续的，须按下式进行低通滤波处理，得到电机的转角值θ和速度值ω。

$\mathrm{\θ}\left(k\right)=\mathrm{\α}\widetilde{\mathrm{\θ}}\left(k\right)+(1-\mathrm{\α})\mathrm{\θ}(k-1)$

$\mathrm{\ω}\left(k\right)=\mathrm{\α}\widetilde{\mathrm{\ω}}\left(k\right)+(1-\mathrm{\α})\mathrm{\ω}(k-1)$

式中，θ(k)是电机转角的第k次滤波输出值，ω(k)是电机速度的第k次滤波输出值。α是滤波器系数，理论上介于0和1之间。

（3）滤波器的系数α应当随着速度的变化进行调整，电机速度越低，α值应当越小，速度越高，α值应当越大，实际经验表明，α小于等于0.9且大于等于0.1。

（4）按上述步骤得到电机的转角值θ和速度值ω，仍然存在较大的波动，而且存在时间上的滞后，为了得到瞬时转角观测值

和瞬时速度观测值

应当依据电机的动力学特性，构建“电机转角和速度观测模型”如下：

$\widehat{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)+\widehat{\mathrm{\ω}}(k-1)*T$

$\widehat{\mathrm{\ω}}\left(k\right)=\frac{1}{J}(K_m{i}_q\left(k\right)-T_{\mathrm{fz}}\left(k\right))*T+\widehat{\mathrm{\ω}}(k-1)$

式中，J是电机的转动惯量，K_m是转矩系数，i_q是电机定子电流的交轴分量，T_fz是负载转矩。

（5）在重构的观测模型中，为了实际运算的方便，可用定子电流交轴分量的指令值代替实际的i_q。

（6）在重构的观测模型中，负载转矩T_fz可根据前面得到的θ与

的差，ω与

的差，按下式计算得到，该式称为“负载观测模型”。

$T_{\mathrm{fz}}\left(k\right)=a_1(\mathrm{\θ}\left(k\right)-\widehat{\mathrm{\θ}}\left(k\right))+a_2(\mathrm{\ω}\left(k\right)-\widehat{\mathrm{\ω}}\left(k\right))$

式中，a₁和a₂是负载观测器系数，可离线计算得到。

（7）将“电机转角和速度观测模型”以及“负载观测模型”整合，可得到“转角、转速观测器”，用于实时得到转角观测值

和速度观测值和

可用于电机的矢量运算和反馈控制。“转角、转速观测器”的结构见附图1。

霍尔信号经计数、采样和预计算得到电机转角的计算值

和速度的计算值

电机转角的计算值

和速度计算值

经低通滤波器处理，得到电机的转角值θ和速度值ω，依据电机的动力学特性，构建“电机转角和速度观测模型”，同时构建“负载观测模型”，将“电机转角和转速观测模型”以及“负载观测模型”整合，可得到“转角、转速观测器”，实时获取转角观测值

和速度观测值

(8)将“转角、转速观测器”用于无刷直流电机闭环控制***中，可以实现正弦波矢量控制。基于“转角、转速观测器”的无刷直流电机控制***的结构如附图2所示。

以转角观测值为位置反馈信号,位置给定信号θ^*与位置反馈信号

相减而得到位置跟随误差，位置跟随误差经位置控制器，输出速度给定信号ω^*，以速度观测值

为速度反馈信号，速度给定信号ω^*与速度反馈信号

相减而得速度误差，速度误差经速度控制器，输出q轴电流给定信号检测电机定子电流i_a、i_b，经过旋转变换器形成交轴电流i_q和直轴电流i_d；旋转变换器的旋转变换角度是q轴电流给定信号

与交轴电流i_q相减而得q轴电流误差，此误差经q轴电流控制器，输出交轴电压u_q，d轴电流给定信号为0，直轴电流i_d经d轴电流控制器，输出直轴电压u_d，交轴电压u_q和直轴电压u_d，经逆旋转变换器形成电机定子三相交流电压参考信号u_a、u_b、u_c，再经SPWM调制，用于控制主回路中的逆变器，驱动电机。

在附图2所示的***中，外环是位置环，位置给定信号是θ^*，位置反馈信号是

位置控制器的输出信号是速度给定信号ω^*，速度反馈信号是

速度控制器采用PI控制算法。

速度环的内部，包含了q轴电流环和d轴电流环，速度控制器的输出信号是q轴电流给定信号

d轴电流给定信号为0。检测电机定子电流i_a、i_b，经过旋转变换形成交轴电流i_q和直轴电流i_d,用于反馈。旋转变换角度是

来自“转角、转速观测器”。

q轴电流控制器和d轴电流控制器均采用PI控制算法，其输出分别是交轴电压u_q和直轴电压u_d，经逆旋转变换可形成电机定子三相交流电压参考信号u_a、u_b、u_c，再经SPWM调制，用于控制主回路中的逆变器，驱动电机。

（9）如图3所示，本***的处理器是采用TMS320F28035,附图2中的转角、速度观测器、位置控制器、速度控制器、d轴电流控制器、q轴电流控制器、旋转变换、逆旋转变换等模块均由软件实现，SVPWM模块由TMS320F28035内部的硬件实现。采用两只电流传感器ACS712检测电机定子电流i_a、i_b，电流传感器的信号输入到TMS320F28035的A/D转换接口。

主回路为交—直—交结构，其中的逆变器由智能功率模块IRAMX20UP60A实现。

如图4和图5所示，分别为无刷直流电机控制软件主流程图和无刷直流电机控制***软件中断服务程序流程图。所述的无刷直流电机控制软件主流程如下：1）初始化***时钟、中断向量表、IO端口，2）初始化控制参数表，3）初始化A/D转换电路、PWM输出，4）启动控制周期定时器，5）等待控制周期定时器中断、刷新人机界面，6）读取霍尔传感器信号Ha、Hb、Hc，计算电机转角

和转速

，7）计算电机转角滤波值θ(k)和转速滤波值ω(k)，8）计算转角观测值

和速度观测值

，9）根据电流i_a、i_b、i_c的当前值，计算i_q(k)和i_d(k)；分别以主循环周期的1倍、2倍、4倍控制周期，完成位置控制器、速度控制器、电流控制器的刷新运算；10）根据交、直轴电流控制器的输出信号u_q(k)和u_d(k)，以及转角观测值

，通过逆旋转变换，计算三相电子电压的参考值，刷新SVPWM环节。无刷直流电机控制***软件中断服务程序如下：1）响应定时中断，2）启动A/D转换器，3）读取A相电流采样值，4）读取B相电流采样值，5）读取C相电流采样值，6）中断返回。

Claims (2)

1.无刷直流电机控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，建立无刷直流电机的转角、速度和负载观测模型，具体如下：

（1）以固定的检测周期T，实时读取电机霍尔检测器发出的三路位置脉冲信号,实时计取三路位置脉冲总个数，通过下式得到电机转角的计算值

和速度的计算值

$\widetilde{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\frac{2\mathrm{\πP}}{3}N\left(k\right)$

$\widetilde{\mathrm{\ω}}\left(k\right)=\frac{2\mathrm{\πP}}{3}(N\left(k\right)-N(k-1))/T$

式中，k是循环采样次数，

是电机转角的第k次计算值，

是电机速度的第k次计算值，N(k)是第k次检测得到的位置脉冲总个数，P是电机的磁极对数，T是检测周期；

（2）按下式进行低通滤波处理，得到电机的转角值θ和速度值ω；

$\mathrm{\θ}\left(k\right)=\mathrm{\α}\widetilde{\mathrm{\θ}}\left(k\right)+(1-\mathrm{\α})\mathrm{\θ}(k-1)$

$\mathrm{\ω}\left(k\right)=\mathrm{\α}\widetilde{\mathrm{\ω}}\left(k\right)+(1-\mathrm{\α})\mathrm{\ω}(k-1)$

式中，θ(k)是电机转角的第k次滤波输出值，ω(k)是电机速度的第k次滤波输出值，α是滤波器系数，介于0和1之间；

（3）依据电机的动力学特性，构建电机转角和速度观测模型如下：

$\widehat{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)+\widehat{\mathrm{\ω}}(k-1)*T$

$\widehat{\mathrm{\ω}}\left(k\right)=\frac{1}{J}(K_m{i}_q\left(k\right)-T_{\mathrm{fz}}\left(k\right))*T+\widehat{\mathrm{\ω}}(k-1)$

式中，

瞬时转角观测值，

为瞬时速度观测值，J是电机的转动惯量，K_m是转矩系数，i_q是电机定子电流的交轴分量，采用定子电流交轴分量的指令值

代替实际的i_q，T_fz是负载转矩；通过负载观测模型计算得出，所述负载观测模型如下：

$T_{\mathrm{fz}}\left(k\right)=a_1(\mathrm{\θ}\left(k\right)-\widehat{\mathrm{\θ}}\left(k\right))+a_2(\mathrm{\ω}\left(k\right)-\widehat{\mathrm{\ω}}\left(k\right))$

式中，a₁和a₂是负载观测器系数，可离线计算得到；

步骤2，将步骤1建立的电机转角和速度观测模型以及负载观测模型整合，得到转角、转速观测器，用于实时得到转角观测值

和速度观测值

；将其应用于控制方法如下：

以转角观测值

为位置反馈信号，将位置给定信号θ^*与位置反馈信号相减而得到位置跟随误差信号，位置跟随误差信号经位置控制器后输出速度给定信号ω^*；

以速度观测值

为速度反馈信号，将速度给定信号ω^*与速度反馈信号

相减而得速度误差信号，速度误差信号经速度控制器后输出q轴电流给定信号

；

检测电机定子电流i_a、i_b，经过旋转变换器形成交轴电流i_q和直轴电流i_d；以转角观测值作为旋转变换器的旋转变换角度，将q轴电流给定信号

与交轴电流i_q相减而得q轴电流误差信号，此误差信号经q轴电流控制器后输出交轴电压u_q，d轴电流给定信号为0，将直轴电流i_d经d轴电流控制器后输出直轴电压u_d，

所述交轴电压u_q和直轴电压u_d经逆旋转变换器形成电机定子三相交流电压参考信号u_a、u_b、u_c，再经SPWM调制，用于控制主回路中的逆变器，驱动电机。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述步骤2中的滤波器的系数α应当随着速度的变化进行调整，电机速度越低，α值应当越小，速度越高，α值应当越大；所述滤波器的系数α小于等于0.9且大于等于0.1。

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