CN104022699A - 无刷直流电机直接转矩控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无刷直流电机直接转矩控制方法，采用转速与转矩双闭环控制，转速环作为外环，转矩环作为内环，根据无刷直流电机的霍尔传感器输出信号计算出电机转速，与参考转速比较后得到转速误差，经模糊自适应调节后的输出作为转矩期望值；期望转矩减去实际转矩得到转矩误差，实际转矩采用反电势与相电流相乘的方法计算得到；转矩误差输入滞环比较器，滞环比较器输出结合转子的位置信号，从制定好的开关表中选择合适的电压矢量去控制与直流电源相连的逆变桥，使无刷直流电机输出稳定的转矩。该方法避免了电流滞环控制对电磁转矩抑制效果较差的缺陷、克服了传统PID控制方法在对BLDCM进行控制时具有精度低、抗干扰能力差问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机直接转矩控制方法。
背景技术
无刷直流电机作为一种永磁同步电机，既具有交流电机结构简单，运行可靠，维修方便的优点，又具有直流电机运行效率高，无励磁损耗，调速性能好等优点，同时还克服了直流电机机械电刷带来的一些弊端，故其越来越广泛地被应用在国民生产各领域。无刷直流电动机是一个多变量、强耦合的非线性***采用经典的控制理论很难满足实际的要求。无刷直流电机最突出的问题就是具有转矩脉动。由于转矩脉动带来了振动、谐振、噪声等问题，降低了电气传动***的控制特性和可靠性，因此限制了无刷电机在诸多高精度领域的应用。
目前的无刷电机控制策略多是通过控制电流的方法间接控制转矩，属于转矩的开环控制，转矩响应慢且转矩脉动大。直接转矩控制(DTC)是一种转矩闭环控制方法。它以电机的瞬时转矩为控制对象，将转矩脉动视为可测干扰，根据转矩误差，通过转矩控制器实现对瞬时转矩的直接控制，具有转矩控制的动态性。无刷直流电机的基本原理是由电磁转矩误差、定子磁链误差和定子磁链所在扇区这三个值，通过查开关表得到应施加的上述空间电压矢量，使得定子磁链沿着圆形轨迹旋转，最终达到减小电磁转矩脉动的目的。当无刷直流电机采用二二导通方式时，由于关断相电压的不确定性，电压空间矢量己无法通过逆变器开关状态来计算。通过实时检测三相电压来计算电压矢量，却又增加了硬件复杂度，因此采用电压计算模型来计算定子磁链就更加困难。而且由于定子磁链幅值随空间位置不同而时刻变化，定子磁链的观测也非常困难。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种新型无刷直流电机的直接转矩控制方法，避免了电流滞环控制对电磁转矩抑制效果较差的缺陷、克服了传统的PID控制方法在对无刷直流电机进行控制时具有精度低、抗干扰能力差问题，省去了定子磁链观测与控制环节，同时又具有结构简化、低成本的特点。
为了实现以上目的，本发明的技术方案如下：
一种无刷直流电机直接转矩控制方法，
采用转速与转矩双闭环控制，转速环作为外环，转矩环作为内环，根据无刷直流电机的霍尔传感器输出信号计算出电机转速，与参考转速比较后得到转速误差，经模糊自适应调节后的输出作为转矩期望值；
期望转矩减去实际转矩得到转矩误差，实际转矩采用反电势与相电流相乘的方法计算得到；
转矩误差输入滞环比较器，滞环比较器输出结合转子的位置信号，从制定好的开关表中选择合适的电压矢量去控制与直流电源相连的逆变桥，使无刷直流电机输出稳定的转矩。
进一步地，转速外环的模糊自适应调节是通过模糊控制器对PID控制器的比例、积分、微分参数Kp，Ki，Kd进行在线调整，来获得较佳控制参数。
进一步地，转速外环的模糊自适应调节是通过模糊自适应调节器实现的，模糊自适应调节器中，参考转速n*与测量转速n经过误差比较器得到误差，误差经过一个微分环节产生误差微分，误差与误差微分输入到模糊推理，输出对pid调节器的参数进行在线调整，来获得较佳控制参数。
进一步地，利用反电势、相电流计算观测到的电磁转矩，
Te＝K(ea*ia+eb*ib+ec*ic) (1)
其中，k是反电势系数。
进一步地，在转矩滞环比较器中，当转矩给定T*与实际转矩T差值大于转矩调节器滞环宽度ΔT，转矩滞环调节器输出τ＝1，这时应增大转矩；当转矩给定T*与实际转矩T差值小于转矩调节器滞环宽度ΔT，转矩滞环调节器输出τ＝-1；否则转矩滞环调节器输出τ＝0。
进一步地，根据转矩调节器输出τ和转子位置所在扇区选择开关表，开关表如下：
进一步地，实现该方法的结构为：无刷直流电机与位置信号输出相连，转速计算模块与位置信号输出相连，参考转速和计算转速输入到转速比较器，比较器输出输入到模糊自适应pid调节器，反电势、相电流测量模块与无刷直流电机相连，输出输入到转矩观测模块，模糊自适应pid调节器输出的参考转矩与转矩观测模块输出的测量转矩输入到转矩比较器，转矩比较器的输出输入到滞环比较器，滞环比较器的输出和位置信号输出输入到开关表选择合适的开关信号驱动与直流电源相连的逆变器，从而控制无刷直流电机的转矩输出。
本发明的有益效果是：该方法避免了电流滞环控制对电磁转矩抑制效果较差的缺陷、克服了传统的PID控制方法在对BLDCM进行控制时具有精度低、抗干扰能力差问题，同时又具有结构简化、低成本的特点，
附图说明
图1为本发明的原理说明示意图；
图2为实施例中转速环采用的模糊自适应调节的原理说明图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一种无刷直流电机直接转矩控制方法，采用转速与转矩双闭环控制，其中转速环作为外环，转矩环作为内环。根据无刷直流电机的霍尔传感器输出信号计算出电机转速，与参考转速比较后得到转速误差，经模糊自适应调节后的输出作为转矩期望值。期望转矩减去实际转矩得到转矩误差，其中实际转矩采用反电势与相电流相乘的方法计算得到。转矩误差输入滞环比较器，其输出结合转子的位置信号，从制定好的开关表中选择合适的电压矢量去控制与直流电源相连的逆变桥，从而使无刷直流电机输出稳定的转矩。
通过图1可看出，实现实施例方法的构造：位置信号输出1与无刷直流电机12相连，转速计算模块2与位置信号输出1相连，参考转速和计算转速输入到转速比较器3，比较器输出输入到模糊自适应pid调节器4，反电势、相电流测量模块7与无刷直流电机12相连，其输出输入到转矩观测模块6，模糊自适应pid调节器4输出的参考转矩与转矩观测模块6输出的测量转矩输入到转矩比较器5，转矩比较器5的输出输入到滞环比较器8，滞环比较器8的输出和位置信号输出1输入到开关表9选择合适的开关信号驱动与直流电源10相连的逆变器11，从而控制无刷直流电机12的转矩输出。为了保证控制的精度和灵活性，控制器可以选用DSP及FPGA等芯片。
通过图2可以看出转速环的模糊自适应调节器的结构。参考转速n*与测量转n转速误差比较器100，误差经过一个微分环节101产生误差微分，误差与误差微分输入到模糊推理102，其输出对pid调节器103的参数进行在线调整，从而获得较佳控制参数，加快电机速度响应，减小超调。
利用反电势、相电流计算观测到的电磁转矩。
Te＝K(ea*ia+eb*ib+ec*ic) (1)
其中，该转矩方程只包含反电流与反电势的形状函数，不包含转速项。
在转矩滞环比较器中，当转矩给定T*与实际转矩T差值大于转矩调节器滞环宽度ΔT，转矩滞环调节器输出τ＝1，这时应增大转矩；当转矩给定T*与实际转矩T差值小于转矩调节器滞环宽度ΔT，转矩滞环调节器输出τ＝-1；否则转矩滞环调节器输出τ＝0。
根据转矩调节器输出τ和转子位置所在扇区选择合适的开关表。
表1优化的开关表
Claims (7)
1.一种无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于：
采用转速与转矩双闭环控制，转速环作为外环，转矩环作为内环，根据无刷直流电机的霍尔传感器输出信号计算出电机转速，与参考转速比较后得到转速误差，经模糊自适应调节后的输出作为转矩期望值；
期望转矩减去实际转矩得到转矩误差，实际转矩采用反电势与相电流相乘的方法计算得到；
转矩误差输入滞环比较器，滞环比较器输出结合转子的位置信号，从制定好的开关表中选择合适的电压矢量去控制与直流电源相连的逆变桥，使无刷直流电机输出稳定的转矩。
2.如权利要求1所述的无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于：转速外环的模糊自适应调节是通过模糊控制器对PID控制器的比例、积分、微分参数Kp，Ki，Kd进行在线调整，来获得较佳控制参数。
3.如权利要求2所述的无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于：转速外环的模糊自适应调节是通过模糊自适应调节器实现的，模糊自适应调节器中，参考转速n*与测量转速n经过误差比较器得到误差，误差经过一个微分环节产生误差微分，误差与误差微分输入到模糊推理，输出对pid调节器的参数进行在线调整，来获得较佳控制参数。
4.如权利要求1-3任一项所述的无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于：利用反电势、相电流计算观测到的电磁转矩，
Te＝K(ea*ia+eb*ib+ec*ic) (1)
其中，k是反电势系数。
5.如权利要求4所述的无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于：
在转矩滞环比较器中，当转矩给定T*与实际转矩T差值大于转矩调节器滞环宽度ΔT，转矩滞环调节器输出τ＝1，这时应增大转矩；当转矩给定T*与实际转矩T差值小于转矩调节器滞环宽度ΔT，转矩滞环调节器输出τ＝-1；否则转矩滞环调节器输出τ＝0。
6.如权利要求5所述的无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于，根据转矩调节器输出τ和转子位置所在扇区选择开关表，开关表如下：
7.如权利要求6所述的无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于，实现该方法的结构为：无刷直流电机与位置信号输出相连，转速计算模块与位置信号输出相连，参考转速和计算转速输入到转速比较器，比较器输出输入到模糊自适应pid调节器，反电势、相电流测量模块与无刷直流电机相连，输出输入到转矩观测模块，模糊自适应pid调节器输出的参考转矩与转矩观测模块输出的测量转矩输入到转矩比较器，转矩比较器的输出输入到滞环比较器，滞环比较器的输出和位置信号输出输入到开关表选择合适的开关信号驱动与直流电源相连的逆变器，从而控制无刷直流电机的转矩输出。
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