CN108574429A - 一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，采用转速和转矩双闭环的控制方式,非换相时刻进行转矩控制，换相时刻进行重叠换相并且加入了电流预测模块进行占空比的计算。当霍尔位置信号跳变标志换相的开始，关断相电流减少为零标志换相结束。此时采用重叠换相的方法，为了在延迟关断期间直流母线上能够反映出非换相相的电流，在换相期间采取了关断相和非换相相同步PWM调制而开通相恒通的措施。同时采样当前时刻即k时刻的非换相相电流值和电机转速，根据电机当前时刻即k时刻的运行状态，获得三相绕组相反电动势，运用电流预测控制模块计算出预测控制律D，从而控制逆变电路输出，实现无刷直流电机在宽调速范围下的转矩脉动抑制。

Description

一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制，属于永磁无刷直流电机控制领域。

背景技术

无刷直流电机作为一种永磁电机，不仅具有交流电机结构简单、制造成本低、维护维修简单经济的优势，还具有直流电机出力大、启动和调速性能好的优点，同时无刷直流电机中采用电子换向器，避免了传统机械电刷的弊端。故无刷直流电机被广泛应用在航空航天、汽车电子、工业生产、家用电器等国民生产的各个领域中。但是无刷直流电机最严重的问题就是由于加工工艺和电机性能所引起的转矩脉动。转矩脉动会带来振动、噪声、谐振等一系列问题，降低***运行的安全和可靠性，限制了无刷直流电机在高精度领域中的应用。

为了解决转矩脉动的问题，国内外许多学者进行了大量的研究。PWM电流调制技术、自适应控制、模糊控制等控制策略被提出。这些控制策略主要是通过控制电流的方法间接的控制转矩，属于转矩开环控制，转矩响应慢。直接转矩控制(DTC)属于转矩闭环控制，它具有转矩动态响应快、结构简单、鲁棒性强、易于实现等优点。DTC采用定子磁场定向和空间矢量的概念，通过检测定子电压、电流，直接在定子坐标系下观测电机的磁链、转矩，并将此观测值和给定值进行比较，差值经滞环控制器得到相应的控制信号，再综合当前的磁链状态来选择相应的电压空间矢量，实现对电机转矩的直接控制。它从功能上可以划分为两部分：定子磁链的观测和控制部分，作用是选择适当的电压空间矢量，以在定子中产生六边形磁链；转矩观测和控制部分，作用是实现转矩的瞬时控制。由于永磁无刷直流电机装有霍尔位置传感器，且电机运行过程中由位置传感器决定的电压空间矢量在电机定子上所形成的磁链是六边形，所以DTC用于无刷直流电机时，一方面可以略去其磁链观测部分，以简化控制***的结构，另一方面利用其转矩控制的高动态性，将电机的转矩波动限制在规定的范围内。

无刷直流电机直接转矩控制策略通常采用两相导通模式，这种方式虽然可以简化控制***结构，但是电机运行高速区段时，其与传统脉宽调制电流控制一样，对换相转矩脉动会失去抑制作用。

发明内容

为了解决无刷直流电机直接转矩控制在高速区段运行时，换相转矩脉动抑制效果差的问题，本发明提出了无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法。在传统的直接转矩控制中加入了电流预测控制，目的是使得电机在低速、中速、高速运行转矩脉动最小化。

本发明的技术方案为：一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，参考无刷直流电机转速和实际转速的差值输入到PID的调节器中，PID调节器输出参考转矩T_e ^*，参考转矩T_e ^*和实际转矩T_e的差值输入到两点式转矩调节器中，根据转矩调节器的输出导通相应的绕组，同时结合检测装置反馈的电机转子位置角θ，加入电流预测控制，最终使得电机在低速、中速、高速运行转矩脉动最小化。

进一步，在转速和转矩的调节中，霍尔位置信号跳变标志换相的开始，关断相电流减少至零标志换相的结束，非换相时刻进行转矩闭环控制，换相时刻进行重叠换相，并且在换相期间采取了关断相和非换相相同步PWM调制而开通相恒通的措施，同时加入了电流预测模块进行占空比的计算。

进一步，电流预测模型包括如下控制步骤：

步骤1)换相时刻采样当前时刻即k时刻的非换相相电流值和电机转速；

步骤2)根据电机当前时刻即k时刻的运行状态，获得三相绕组相反电动势；

步骤3)根据当前时刻即k时刻的三相绕组端电压，三相绕组反电动势、当前时刻k时刻的非换相电流值以及下一时刻k+1非换相相电流预测值，计算出预算控制律D，从而控制逆变电路输出；

步骤4)重复步骤1)-3)，直至换相结束，进行转矩闭环控制。

进一步，步骤3)中，电流预测模型计算预测控制律D为：

a)高速区段换相期间电流预测控制的表达式:

b)低速区段换相期间电流预测控制的表达式:

其中，U_(k)是k时刻施加在关断相和非换相相两相绕组之间的电压，R是绕组电阻，i_(k)是k时刻非换相绕组电流，i_(k+1)是k+1时刻非换相绕组电流，L是绕组电感，T是采样周期，E_(k)是k时刻的三相反电动势幅值，U_bus是直流母线电压。

进一步，对转矩调节控制中需要对电磁转矩进行观测，在实际的控制***，可检测量包括定子对地端电压、定子电流、中性点电压(对于有中性点引出线的电机可直接测量，对于无中性点引出线的电机，可通过在定子端并联三相Y形对称负载来模拟中性点)、电机转速。采用如下转矩计算模型：

T_e＝(e_ai_a+e_bi_b+e_ci_c)/Ω

其中，u_a，u_b，u_c为三相定子对地端电压，u_n为中性点电压，e_a，e_b，e_c为三相定子反电势，i_a，i_b，i_c为三相定子电流，L为定子自感，M是定子间互感。

当电机高速运行时，关断相电流的下降率大于开通相电流的上升率，非换相电流产生电流跌落，而直接转矩控制策略并不能补偿非换相相电流的减少。根据转矩计算公式可知，此时转矩减小，产生转矩脉动。为了补偿非换相相电流的跌落，引入了电流预测控制。电流预测控制以非换相相电流保持恒定不变作为预测参考轨迹，以控制关断相和开通相的电流变化率一致建立预测模型。

由于需要同时控制开通相和关断相电流的变化率，为使得关断相延时关断，采用了重叠换相的方法。同时在换相期间采取关断相和非换相相同步PWM调制而开通相恒通的措施，从而反映出在延迟关断期间直流母线上非换相相的电流。以电机高速运行时B相换到C相为例，B相是关断相，C相是开通相，A相是非换相相。设重叠换相期间关断相和导通相的占空比为D_B。PWM处于ON状态时，电流从B相和C相流入A相；当PWM处于OFF状态时，B相电流通过其下桥臂二极管续流，A相电流通过其上桥臂二极管续流。此时三相电压为：

由三相电压方程可以得到：

经过离散化处理得到：

其中，T是采样周期，式(3)即为高速区段换相期间电流预测控制的表达式，其物理意义是：在当前k时刻，关断相B、非换相相A两相绕组之间施加以式(3)所示的电压时，就可以迫使在(k+1)时刻非换相绕组上的电流值达到理想值i*_(k+1)。预测控制规则表现为，以非换相相绕组上的电流在换相期间保持恒定为控制目标，使开通相恒通，关断相上施加以式(3)所示的占空比D_B进行补偿。

同理由电机在低速下运行时换相期间电流状态，可得低速区段下预测控制的表达式：

其物理意义是：在当前k时刻，开通相C、非换相相A之间施加以式(4)所示的电压时，就可以迫使在(k+1)时刻非换相绕组上的电流值达到理想值i*_(k+1)。式中D_C为加于开通相上的占空比。可见，电机在低速区运行时，预测控制规则表现为，以非换相相绕组上的电流在换相期间保持恒定为控制目标，使关断相关断，开通相上施加以式(4)所示的占空比D_C进行补偿。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)直接转矩电流预测控制策略能够较好的抑制永磁无刷直流电机转矩脉动，在高速运行时可以补偿换相转矩的减少，在低速运行时可以削弱换相转矩的增加。

(2)直接转矩电流预测控制策略不需要对电机高速、低速运行状态分开考虑，在整个调速范围内可以采用统一的转矩脉动方法。避免了增加了额外的硬件电路与拓扑结构。

(3)直接转矩电流预测控制策略不仅具有直接转矩控制结构简单、转矩响应快、鲁棒性强的优点，还具有电流预测控制的控制精度高，可控性强等优点。

附图说明

图1.直接转矩两点式调节过程

图2.换相时期三相电流波形示意图

图3.换相期间调制措施示意图

图4.换相期间电路状态示意图

图5.预测电流补偿方法原理图

图6.宽调速范围低转矩脉动抑制***框图

具体实施方式

如图1所示，本发明是为了解决无刷直流电机在宽调速范围内，转矩脉动抑制效果不理想的问题。图1是直接转矩两点式调节过程图。其中T_g是转矩给定值，T_f是转矩反馈值，ΔT是转矩误差，T_Q是转矩开关信号。调节器的容差是±ε_m，采用离散的两点式调节方式。在时刻t₁，ΔT≤—ε_m，T_Q输出“1”。当T_Q＝1时，结合位置信号选择非零电压空间矢量，此时定子磁链向前旋转，T_f上升，ΔT增大；到时刻t₂，ΔT增大到容差的上限+ε_m，即ΔT≥+ε_m，T_Q输出“0”。当T_Q＝0时，零电压空间矢量加到电机上，定子磁链静止不动，T_f下降，ΔT减少。

如图2所示，电机运行在不同转速下的三相电流波形示意图。当电机运行于中速区段时(4E_m＝U_bus)，开通相和关断相电流的变化率基本一致，不会产生转矩脉动。当电机运行于低速区段时(4E_m<U_bus)，开通相电流的上升率大于关断相电流的下降率，非换相电流增大，转矩增大，为了减少转矩的持续增加，此时零电压矢量被选择，开通相电流被斩波，最终使得开通相和关断相电流的变化率一致，转矩脉动被抑制。当电机运行于高速区段时(4E_m>U_bus),开通相电流的上升率小于关断相电流的下降率，非换相相电流跌落，而此时关断相不可控，所选择的非零电压矢量也不能补偿非换相相电流的减少，出现转矩脉动。

如图3所示，本发明需要同时控制开通相和关断相电流的变化率，因此采用了重叠换相的方法即关断相延时关断。为了在延迟关断期间直流母线上能够反映出非换相相的电流，在换相期间采取了关断相和非换相相同步PWM调制而开通相恒通的措施。

如图4所示，本发明所采用调制措施的电路状态示意图。以电机高速运行时BA相变换到CA相为例，B相是关断相，C相是开通相，A相是非换相相。设重叠换相期间关断相和导通相的占空比为D_B。PWM处于ON状态时，电流从B相和C相流入A相；当PWM处于OFF状态时，B相电流通过其下桥臂二极管续流，A相电流通过其上桥臂二极管续流。

如图5所示，本发明所采用的预测电流补偿方法。实际控制***中，换相区间的第一个控制周期内，预测电流模型计算得到的占空比还未施加，此时换相电流的变化率无法保证相等，所以非换相相的电流脉动无法消除。需要对电流进行补偿，仍以BA到CA换相为例，i_a(k-1)为上一周期非换相相电流，|Δi_b|为关断相电流变化量，|Δi_c|为开通相电流变化量。具体实现方式是将开通相和关断相的电流变化量做差后乘以比例常数K，然后将得到的数值负反馈到预测电流给定端。

如图6所示，本发明设计的宽调速范围低转矩脉动抑制的***框图。***采用转速和转矩双闭环的控制方式，转矩给定值由转速误差经过PID控制器整定得到，转矩经过两点式转矩调节器、电压空间矢量选择表、逆变器控制无刷直流电机。非换相时刻进行转矩控制，换相时刻进行重叠换相。同时加入了电流预测模块进行占空比的计算。霍尔位置信号跳变标志换相的开始，关断相电流减少为零标志换相结束。

综上，本发明的一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法。其具体方法为：无刷直流电机直接转矩控制策略通常采用两相导通模式，这种方式虽然可以简化控制***结构，但是电机运行高速区段时，其与传统脉宽调制电流控制一样，对换相转矩脉动会失去抑制作用，本发明在传统的直接转矩控制中加入了电流预测控制。***采用转速和转矩双闭环的控制方式,非换相时刻进行转矩控制，换相时刻进行重叠换相并且加入了电流预测模块进行占空比的计算。当霍尔位置信号跳变标志换相的开始，关断相电流减少为零标志换相结束。此时采用重叠换相的方法，为了在延迟关断期间直流母线上能够反映出非换相相的电流，在换相期间采取了关断相和非换相相同步PWM调制而开通相恒通的措施。同时采样当前时刻即k时刻的非换相相电流值和电机转速，根据电机当前时刻即k时刻的运行状态，获得三相绕组相反电动势，最后运用电流预测控制模块计算出预测控制律D，从而控制逆变电路输出，实现无刷直流电机在宽调速范围下的转矩脉动抑制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，其特征在于，参考无刷直流电机转速和实际转速的差值输入到PID的调节器中，PID调节器输出参考转矩T_e ^*，参考转矩T_e ^*和实际转矩T_e的差值输入到两点式转矩调节器中，根据转矩调节器的输出导通相应的绕组，同时结合检测装置反馈的电机转子位置角θ，加入电流预测控制，最终使得电机在低速、中速、高速运行转矩脉动最小化。

2.如权利要求1所述的一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，其特征在于，在转速和转矩的调节中，霍尔位置信号跳变标志换相的开始，关断相电流减少至零标志换相的结束，非换相时刻进行转矩闭环控制，换相时刻进行重叠换相，并且在换相期间采取了关断相和非换相相同步PWM调制而开通相恒通的措施，同时加入了电流预测模块进行占空比的计算。

3.如权利要求2所述的一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，其特征在于，电流预测模型包括如下控制步骤：

步骤1)换相时刻采样当前时刻即k时刻的非换相相电流值和电机转速；

步骤2)根据电机当前时刻即k时刻的运行状态，获得三相绕组相反电动势；

步骤3)根据当前时刻即k时刻的三相绕组端电压，三相绕组反电动势、当前时刻k时刻的非换相电流值以及下一时刻k+1非换相相电流预测值，计算出预算控制律D，从而控制逆变电路输出；

步骤4)重复步骤1)-3)，直至换相结束，进行转矩闭环控制。

4.如权利要求3所述的一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，其特征在于，步骤3)中，电流预测模型计算预测控制律D为：

a)高速区段换相期间电流预测控制的表达式:

b)低速区段换相期间电流预测控制的表达式:

其中，U_(k)是k时刻施加在关断相和非换相相两相绕组之间的电压，R是绕组电阻，i_(k)是k时刻非换相绕组电流，i_(k+1)是k+1时刻非换相绕组电流，L是绕组电感，T是采样周期，E_(k)是k时刻的三相反电动势幅值，U_bus是直流母线电压。

5.如权利要求2所述的一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，其特征在于，对转矩调节控制中还需要对电磁转矩进行观测，在实际的控制***，可检测量包括定子对地端电压、定子电流、中性点电压、电机转速，采用如下转矩计算模型：

T_e＝(e_ai_a+e_bi_b+e_ci_c)/Ω

其中，u_a，u_b，u_c为三相定子对地端电压，u_n为中性点电压，e_a，e_b，e_c为三相定子反电势，i_a，i_b，i_c为三相定子电流，L为定子自感，M是定子间互感。