CN110649844A - 一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机矢量控制技术领域，特别涉及一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***及方法。其控制***通过电流传感器采集三相电流信号，然后经过Clark变换器，将abc坐标系下的三相电流转换为αβ坐标系下的两相电流。转速控制器根据目标转速n_ref和反馈转速n输出目标空间矢量电流的模，空间矢量电流分配器根据转子所在位置和目标空间矢量电流的模输出αβ坐标系下的目标两相电流，电流控制器根据目标电流与反馈电流输出αβ坐标系下的两相电压，然后经过SVPWM控制三相全桥逆变器，完成直流无刷电机驱动。本发明可以有效改善无刷直流电机的驱动性能，减小换向转矩波动，避免自举型驱动电路中的自举电容无法充电问题。

Description

一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***及方法
技术领域
本发明涉及电机矢量控制技术领域，特别涉及一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***及方法。
背景技术
无刷直流电机属于永磁同步电机的一种，既具有永磁电机的效率高、功率密度大的优点，又具有直流电机的控制简单、调速性能好的优点，因此得到了广泛的应用。无刷直流电机(BLDCM)具有梯形波的气隙磁场，这使得其比永磁同步电机(PMSM)具有更高的功率密度，但由于通电电流需要矩形波，这使得无刷直流电机换向不连续，会产生较大的换向转矩波动。
采用两两导通的矩形波电流驱动无刷直流电机换向时，换向电流的上升速率与下降速率不相等，进而造成导通相的相电流波动，是造成了转向转矩波动的重要原因。无刷直流电机的反馈电流常采用三相相电流最大值或母线电流，因此难以有效利用三相电流的信息。传统的斩波方式只控制两个开关管，难以对换向电流速率进行有效控制。
无刷直流电机采用两两导通梯形波电流驱动时，存在60°电角度上下桥臂同时关闭的情况，造成上桥臂开关管的下端电压浮动，进而造成此段时间内自举电容无法充电。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***及方法，其利用矢量控制算法产生矩形波电流，从而在驱动无刷直流电机运行时，减小了换向转矩波动，并解决了自举型驱动电路中自举电容无法充电的问题。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***，包括转速控制器(1)、空间矢量电流分配器(2)、α电流控制器(3)、β电流控制器(4)、SVPWM模块(5)、三相全桥逆变器(6)、Clark变换器(7)、转子位置检测模块(9)和转速计算模块(10)，所述的转速计算模块(10)根据转子所在的实时位置θ计算出当前直流无刷电机的转速，转速控制器(1)根据参考转速n_ref和无刷直流电机的反馈转速n计算出满足控制所需的空间矢量电流的模is，空间矢量电流分配器(2)根据转子所在的位置θ和空间矢量电流的模is计算出αβ坐标系下的电流iα_ref与iβ_ref，Clark变换器(7)将三相全桥逆变器(6)三相电流ia、ib、 ic作为输入，计算出αβ坐标系下的电流iα与iβ，α电流控制器(3)根据参考电流iα_ref和反馈电流iα计算出应该施加的电压uα，β电流控制器(4)根据参考电流iβ_ref和反馈电流iβ计算出应该施加的电压uβ，SVPWM模块(5)根据电压uα和电压uβ控制三相全桥逆变器。
空间矢量电流分配器(2)根据转子所在的位置θ，将无刷直流电机分为6 个扇区，在每个扇区内定子电流空间矢量的大小和方向保持不变，定子电流空间矢量与αβ坐标系中的α轴的夹角为γ。
无刷直流电机根据转子所在位置θ，定义6个扇区，每个扇区对应的夹角
γ如下表
Figure RE-GDA0002266107800000021
空间矢量电流分配器(2)根据公式
Figure RE-GDA0002266107800000022
计算出参考电流iα_ref和iβ_ref。
电流闭环控制器的反馈电流iα和iβ由Clark变换器(7)产生，与当前扇区下的参考电流进行运算，两者差值直接用于α电流控制器(3)和β电流控制器(4)。
由SVPWM模块(5)产生三相全桥逆变器(6)的控制信号，用于实现无刷直流电机矩形波电流控制。
无刷直流电机转子在当前扇区下，三相全桥逆变器(6)在一个开关周期内，其三个下桥臂均会开启一次，分别构成相应上桥臂自举电容的充电回路。
本发明的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制方法，包括以下步骤：
A、采用转速与电流双闭环控制，转速环作为外环，电流环作为内环，根据无刷直流电机的霍尔位置传感器输出的信号计算出电机转速，与参考转速比较后得到转速误差，经转速控制器调节后输出参考空间矢量电流；
B、参考空间矢量电流经空间矢量电流分配器给出αβ坐标系下的α轴的参考电流和β轴的参考电流；
C、通过电流传感器采集电机的三相电流，然后经过Clark变化得到αβ坐标系下的α轴实际电流和β轴实际电流，根据参考电流与实际电流的误差，经PI 调节后得出αβ坐标系下的α轴电压和β轴电压；
D、SVPWM模块根据αβ坐标系下的α轴电压和β轴电压控制三相全桥逆变器开关管开关，完成对无刷直流电机的控制。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
利用SVPWM模块在每个开关周期内三相全桥逆变器均会开关一次的特性，解决直流无刷电机自举驱动电路中自举电容充电困难问题。
通过本发明的技术方案，能够有效减小无刷直流电机的换向转矩波动，矢量控制***不需要经过dq坐标变化，简化控制算法，同时还解决了无刷直流电机两两导通矩形波电流驱动时，自举型驱动电路自举电容充电困难的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***的***结构框图；
图2为本发明的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***的空间矢量电流分配图示意图；
图3为本发明的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***的SVPWM模块电压空间矢量图；
图4为本发明的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***的无刷直流电机工作时序原理图；
图5为本发明的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***的全桥逆变器自举驱动原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
如附图1所示，本实施例的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***，主要包含以下几个模块：转速控制器1、空间矢量电流分配器2、α电流控制器3、β电流控制器4、SVPWM模块5、三相全桥逆变器6、Clark变换器7、无刷直流电机8、转子位置检测模块9、转速计算模块10。转子位置检测模块9使用霍尔位置传感器。转速控制器1、α电流控制器3、β电流控制器4 使用PID控制器。
本实施例的磁场定向空间矢量控制原理如下：
电机的反电动势为正弦波时，用正弦波电流驱动，电机的电磁转矩波动最小。正弦波驱动的空间矢量电流，其旋转角度连续，因此αβ坐标系下的反馈电流需要经dq坐标系变换得到反馈电流Id、Iq，然后作为控制器的输入。电机的反电动势为梯形波，用矩形波电流驱动，电机的电磁转矩波动最小。矩形波驱动的空间矢量电流，其旋转角度以60度电角度步进运行，因此αβ坐标系下的反馈电流可以不经过dq坐标系变换直接用于控制器反馈电流，这样就可以简化无刷直流电机的空间矢量算法，减少控制器运算量。
普通直流无刷电机控制算法常将相电流的最大值或母线电流作为电流环的反馈电流，这种控制方式只能实现电流反馈的一维控制，采用Clark变换器将相电流分解为αβ坐标系下的两相电流，可以实现电流反馈的二维控制，因此可以有效减小直流无刷电机换向转矩波动。
直流无刷电机采用两两导通矩形波电流驱动时，存在相电流为零的情况(如图4所示)，此时该相上下桥臂同时关闭，导致上桥臂功率开关管的下端浮动，此时自举驱动的自举电容将无法充电，导致驱动芯片无法正常工作。SVPWM控制算法的特性是：上下桥臂开关管的开关波形互补，在每个开关周期内，全桥逆变器的下桥臂均会打开一次，因此，当无刷直流电机相电流为零时也可以保证自举电容的正常充电。
本实施例中的磁场定向空间矢量控制算法实现如下：
转速计算模块10根据一段时间内转子位置的变化计算出无刷直流电机的反馈转速n，转速控制器1根据参考转速n_ref和无刷直流电机的反馈转速n计算出满足控制所需的空间矢量电流is。
空间矢量电流分配器根据转子N极在αβ坐标系下所处的位置θ，确定转子所在的扇区S，转子位置与扇区的对应关系见图2，转子N极位于S3扇区时，选择I2电流空间矢量；转子N极位于S2扇区时，选择I3电流空间矢量；转子N极位于S6扇区时，选择I4电流空间矢量；转子N极位于S4扇区时，选择电流I5空间矢量；转子N极位于S5扇区时，选择电流I6空间矢量；转子N极位于S1 扇区时，选择I1电流空间矢量。根据选择的空间电流矢量确定与αβ坐标系中的α轴的夹角γ。随后根据公式
Figure RE-GDA0002266107800000051
计算出参考电流iα_ref和iβ_ref。
电机的三相定子电流ia、ib、ic经过Clark变换器7得到反馈电流iα和反馈电流iβ。
Clark变换器的变换公式为
Figure RE-GDA0002266107800000052
α电流控制器3根据参考电流iα_ref和反馈电流iα计算出应该施加的电压uα，β电流控制器4根据参考电流iβ_ref和反馈电流iβ计算出应该施加的电压uβ。
SVPWM模块5根据电压uα和电压uβ控制三相全桥逆变器，SVPWM矢量组成如图3所示，由SVPWM基矢量电压产生目标所需电压矢量时，当占空比小于100％时，全桥逆变器的每个下桥臂均有机会开启一次，在每次下桥臂开启后上桥臂的自举电容可进行充电。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***，包括转速控制器(1)、空间矢量电流分配器(2)、α电流控制器(3)、β电流控制器(4)、SVPWM模块(5)、三相全桥逆变器(6)、Clark变换器(7)、转子位置检测模块(9)和转速计算模块(10)，所述的转速计算模块(10)根据转子所在的实时位置θ计算出当前直流无刷电机的转速，转速控制器(1)根据参考转速n_ref和无刷直流电机的反馈转速n计算出满足控制所需的空间矢量电流的模is，其特征在于：空间矢量电流分配器(2)根据转子所在的位置θ和空间矢量电流的模is计算出αβ坐标系下的电流iα_ref与iβ_ref，Clark变换器(7)将三相全桥逆变器(6)三相电流ia、ib、ic作为输入，计算出αβ坐标系下的电流iα与iβ，α电流控制器(3)根据参考电流iα_ref和反馈电流iα计算出应该施加的电压uα，β电流控制器(4)根据参考电流iβ_ref和反馈电流iβ计算出应该施加的电压uβ，SVPWM模块(5)根据电压uα和电压uβ控制三相全桥逆变器。
2.根据权利要求1所述的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***，其特征在于：空间矢量电流分配器(2)根据转子所在的位置θ，将无刷直流电机分为6个扇区，在每个扇区内定子电流空间矢量的大小和方向保持不变，定子电流空间矢量与αβ坐标系中的α轴的夹角为γ。
3.根据权利要求2所述的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***，其特征在于：
无刷直流电机根据转子所在位置θ，定义6个扇区，每个扇区对应的夹角γ如下表
Figure FDA0002202497100000011
4.根据权利要求3所述的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***，其特征在于：空间矢量电流分配器(2)根据公式
Figure FDA0002202497100000012
计算出参考电流iα_ref和iβ_ref。
5.根据权利要求1所述的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***，其特征在于：电流闭环控制器的反馈电流iα和iβ由Clark变换器(7)产生，与当前扇区下的参考电流进行运算，两者差值直接用于α电流控制器(3)和β电流控制器(4)。
6.根据权利要求1所述的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***，其特征在于：由SVPWM模块(5)产生三相全桥逆变器(6)的控制信号，用于实现无刷直流电机矩形波电流控制。
7.根据权利要求6所述的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***，其特征在于：无刷直流电机转子在当前扇区下，三相全桥逆变器(6)在一个开关周期内，其三个下桥臂均会开启一次，分别构成相应上桥臂自举电容的充电回路。
8.根据权利要求1所述的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***，其特征在于：所述的转子位置检测模块(9)使用霍尔位置传感器。
9.根据权利要求1所述的一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制***，其特征在于：所述的转速控制器(1)、α电流控制器(3)、β电流控制器(4)使用PID控制器。
10.一种基于αβ电流控制器的无刷直流电机矢量控制方法，包括以下步骤：
A、采用转速与电流双闭环控制，转速环作为外环，电流环作为内环，根据无刷直流电机的霍尔位置传感器输出的信号计算出电机转速，与参考转速比较后得到转速误差，经转速控制器调节后输出参考空间矢量电流；
B、参考空间矢量电流经空间矢量电流分配器给出αβ坐标系下的α轴的参考电流和β轴的参考电流；
C、通过电流传感器采集电机的三相电流，然后经过Clark变化得到αβ坐标系下的α轴实际电流和β轴实际电流，根据参考电流与实际电流的误差，经PI调节后得出αβ坐标系下的α轴电压和β轴电压；
D、SVPWM模块根据αβ坐标系下的α轴电压和β轴电压控制三相全桥逆变器开关管开关，完成对无刷直流电机的控制。
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