CN117792194A - 一种高速无刷风机无传感器的控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速无刷风机无传感器的控制方法及***，本发明通过将前置Buck变换器和PWM驱动方式相结合，采用局部PWM驱动方式，利用滑模观测器获取电机转子位置、速度信息以及电机d轴电流，并根据电机d轴电流，利用PI控制器得到电机位置补偿信息，根据电机位置信息和电机位置补偿信息控制六个MOS管的占空比，进而实现通过局部PWM驱动方式驱动电机运行，同时利用PI控制器控制PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流以控制电机速度。本发明中六个MOS管只有三分之一的时间进行了PWM调制，开关损耗大幅降低。本发明的前置Buck变换器的局部PWM驱动方法实现高速无刷风机的正弦波控制，输出转矩平稳，噪声小。本发明对电机参数不敏感，适应性好，鲁棒性强。

Description

一种高速无刷风机无传感器的控制方法及***

技术领域

本发明属于无刷风机控制技术领域，具体涉及一种高速无刷风机无传感器的控制方法及***。

背景技术

目前，无刷电机控制方法一般采用方波或者正弦波的方法进行控制。方波控制依据每个旋转周期内电机转子的六种位置情况，切换六个MOS管的开关状态，产生步进角度为60度的旋转磁场，从而带动电机转子旋转。方波控制方式中的PWM驱动方式的无刷电机通过PWM调制实现电机电流和转速的控制，由于高速电机的电感很小，这种方式会产生高频、大范围的电流纹波，从而导致电机转子涡流损耗增加。前置Buck变换器的PWM方波驱动方法通过Buck变换器改变电机电压实现电机电流和转速的控制，这种方式的输出转矩不均衡，振动和噪声较大。

传统的正弦波控制的无刷电机驱动方法只有PWM一种，会产生高频、大范围的电流纹波，导致电机转子涡流损耗增加。

无刷电机控制方法可分为有位置传感器控制方法和无位置传感器控制方法两种。有位置传感器控制方法是指在电机内安装位置传感器，根据位置传感器得到的位置信息，但是位置传感器会降低电机运行的可靠性和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，本发明提供了一种高速无刷风机无传感器的控制方法及***，本发明基于无传感器的控制方法可以有效克服有传感器控制方法的缺点。本发明通过将前置Buck变换器和PWM驱动方式相结合，采用局部PWM驱动方式，利用滑模观测器获取电机转子位置、速度信息以及电机d轴电流，并根据电机d轴电流，利用PI控制器得到电机位置补偿信息，根据电机位置信息和电机位置补偿信息控制六个MOS管的占空比，实现局部PWM驱动方式，驱动电机运行，同时利用PI控制器控制PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流，进而控制电机速度。本发明对电机参数不敏感，适应性好，鲁棒性强。

为了到达预期效果，本发明采用了以下技术方案：

本发明公开了一种高速无刷风机无传感器的控制方法，包括：

S1.通过检测局部PWM驱动方式下的母线电压计算得到电机相电压，同时检测电机相电流；

S2.根据电机相电压和电机相电流建立滑模观测器；

S3.利用滑模观测器观测电机反电动势得到电机位置信息，并利用电机位置信息计算得到电机速度和电机d轴电流；

S4.根据电机d轴电流，利用PI控制器得到电机位置补偿信息；

S5.利用电机位置信息和电机位置补偿信息控制PWM驱动电路内MOS管的占空比，实现局部PWM驱动方式驱动电机运行；

S6.根据电机速度，利用PI控制器控制局部PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流，以控制电机速度。

进一步地，所述S2具体包括：根据电机相电压和电机相电流，利用无刷电机数学模型在三相静止坐标系中对其中两相建立滑模观测器。

进一步地，所述滑模观测器由李雅普诺夫稳定直接判据法得到滑模增益的取值范围。

进一步地，所述利用滑模观测器观测电机反电动势得到电机位置信息具体包括：将反电动势计算值经过以电机转速为截止频率的一阶低通滤波器得到电机反电动势观测值，将电机反电动势观测值经过以电机转速为截止频率的一阶低通滤波器得到滤波后的反电动势观测值，根据滤波后的反电动势观测值计算得到电机位置信息。

进一步地，所述电机d轴电流i_d为：i_d＝i_α×cos(θ)+i_β×sin(θ)，

其中，

i_α＝i_A；

i_A、i_B分别为电机A、B两相的相电流实际值。

进一步地，所述电机位置补偿信息Δθ为：

其中，i_d为电机d轴电流，K_p1和K_i1分别为PI控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。

进一步地，局部PWM驱动方式驱动电机运行的具体方式是：每个MOS管在电机位置角度和电机位置补偿角度之和的一个周期内，只有三分之一的时间在进行PWM调制。

进一步地，所述电机速度包括电机转子角速度和电机转子速度。

进一步地，所述S6具体包括：根据电机转子速度，利用PI控制器控制PWM驱动方式下前置Buck变换器母线电流的大小以控制电机速度。

本发明还公开了一种高速无刷风机无传感器的控制***，包括：

局部PWM驱动电路，用于实现局部PWM驱动方式驱动电机运行；

滑模观测器，用于观测电机反电动势得到电机位置信息；

位置转速计算模块，用于利用电机位置信息计算得到电机速度；

d轴电流计算模块，用于计算得到电机d轴电流；

电机位置补偿PI控制器，用于根据电机d轴电流，得到电机位置补偿信息；

MOS管占空比计算模块，用于利用电机位置信息和电机位置补偿信息控制PWM驱动电路内MOS管的占空比；

电机转速PI控制器，用于根据电机速度，控制局部PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流，以控制电机速度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种高速无刷风机无传感器的控制方法及***，本发明通过将前置Buck变换器和PWM驱动方式相结合，提出一种使用局部PWM驱动方式，利用滑模观测器获取电机转子位置、速度信息以及电机d轴电流，并根据电机d轴电流，利用PI控制器得到电机位置补偿信息，根据电机位置信息和电机位置补偿信息控制六个MOS管的占空比，进而实现通过局部PWM驱动方式驱动电机运行，同时利用PI控制器控制PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流以控制电机速度。本发明中六个MOS管只有三分之一的时间进行了PWM调制，开关损耗大幅降低。本发明的前置Buck变换器的局部PWM驱动方法实现了高速无刷风机的正弦波控制，输出转矩比较平稳，噪声很小，同时降低了传统PWM驱动方式下MOS的开关损耗以及高次谐波造成的涡流损耗，并且使用滑模观测器实现了高速无刷风机的无传感器控制，使用前置Buck变换器实现了高速无刷风机的电流和转速控制。此外，本发明对电机参数不敏感，适应性好，鲁棒性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种高速无刷风机无传感器的控制***的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的一种高速无刷风机无传感器的控制方法的流程图。

图3为本发明实施例提供的一种电机转子位置估计值与实际值的变化曲线示意图。

图4为本发明实施例提供的一种电机转子位置估计误差的变化曲线。

图5为本发明实施例提供的一种三相端电压和三相电流变化曲线。

图6为本发明实施例提供的一种MOS管占空比取值表示意图。

图7为本发明实施例提供的一种MOS管占空比随电机位置角度和电机位置补偿角度之和变化的示意图。

图8为本发明实施例提供的一种MOS管的调制随补偿角度之和变化的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1至图8，本发明公开了一种高速无刷风机无传感器的控制方法，包括：

S1.通过检测局部PWM驱动方式下的母线电压计算得到电机相电压，同时检测电机相电流；

S2.根据电机相电压和电机相电流建立滑模观测器；

进一步地，所述S2具体包括：根据电机相电压和电机相电流，利用无刷电机数学模型在三相静止坐标系中对其中两相建立滑模观测器。

示例性的，所述电机相电压可表示为：

(1)

(2)

其中，S_A ⁺、S_B ⁺、S_C ⁺为电机A、B、C相上方MOS管的占空比，A相超前B相120°，V_bus为电机母线电压，V_A、V_B分别为电机A、B两相的电机相电压。

具体地，根据电机相电压与电机相电流的线性微分方程式(3)构造滑模观测器如式(4)和式(5)所示，将式(4)减式(3)得到观测器的误差方程式(6)：

(3)

(4)

(5)

(6)

其中，e_A、e_B分别为电机A、B两相的反电动势实际值；i_A、i_B分别为电机A、B两相的相电流实际值；分别为电机A、B两相的相电流观测值；R为电机定子相电阻；L为电机定子相电感；K_slide为滑模增益。

进一步地，所述滑模观测器由李雅普诺夫稳定直接判据法得到滑模增益的取值范围。

具体地，选择滑模面由李雅普诺夫稳定直接判据法得到滑模增益的取值范围为K_slide＞max(|e_A|,|e_B|)。

S3.利用滑模观测器观测电机反电动势得到电机位置信息，并利用电机位置信息计算得到电机速度和电机d轴电流；

优选的，所述利用滑模观测器观测电机反电动势得到电机位置信息具体包括：将反电动势计算值经过以电机转速为截止频率的一阶低通滤波器得到电机反电动势观测值，将电机反电动势观测值经过以电机转速为截止频率的一阶低通滤波器得到滤波后的反电动势观测值，根据滤波后的反电动势观测值计算得到电机位置信息。

具体地，当***处于滑模面后：

带入式(6)得：

e_A＝z_A

e_B＝z_B；

将z_A、z_B经过以电机转速为截止频率的一阶低通滤波器得到电机A、B两相的反电动势观测值离散形式如下所示：

其中，n为电机转子速度，T为控制周期。

将反电动势观测值 经过以电机转速为截止频率的一阶低通滤波器得到A、B相滤波后的反电动势观测值/>离散形式如下所示：

进一步地，可以得到电机转子位置：

其中，θ为电机转子位置角度。

根据得到的电机转子位置角度，利用速度公式可得到电机转子角速度ω和电机转子速度n为：

其中，n_p为电机极对数。

进一步地，所述电机d轴电流i_d为：i_d＝i_α×cos(θ)+i_β×sin(θ)，

其中，

i_α＝i_A；

i_A、i_B分别为电机A、B两相的相电流实际值。

S4.根据电机d轴电流，利用PI控制器得到电机位置补偿信息；

进一步地，所述电机位置补偿信息Δθ为：

其中，i_d为电机d轴电流，和K_i1分别为PI控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。

S5.利用电机位置信息和电机位置补偿信息控制PWM驱动电路内MOS管的占空比，实现局部PWM驱动方式驱动电机运行；

具体地，利用电机位置信息和电机位置补偿信息是根据电机位置角度和电机位置补偿角度之和，控制电机的六个MOS管的占空比，MOS管占空比取值如图6所示。其中，S_A ^-、S_B ^-、S_C ^-为电机A、B、C相下方MOS管的占空比，并且同一相上的两个MOS管导通信号互补。MOS管的占空比随补偿角度之和变化的示意图如图7所示。

进一步地，局部PWM驱动方式驱动电机运行的具体方式是：每个MOS管在电机位置角度和电机位置补偿角度之和的一个周期内，只有三分之一的时间在进行PWM调制。MOS管的调制随补偿角度之和的变化如图8所示。

S6.根据电机速度，利用PI控制器控制局部PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流，以控制电机速度，进而实现对电机速度的闭环控制。

一方面，所述电机速度包括电机转子角速度和电机转子速度。

另一方面，所述S6具体包括：根据电机转子速度，利用PI控制器控制PWM驱动方式下前置Buck变换器母线电流的大小以控制电机速度。

具体地，根据电机转子速度n，利用PI控制器控制PWM驱动方式下前置Buck变换器母线电流的大小，实现对电机的速度控制，PI控制器如下所示：

其中，i_Buck ^*为PWM驱动方式下前置Buck变换器母线电流的给定值，n^*为电机转速给定值，K_p2和K_i2分别为PI控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。

前置Buck变换器的局部PWM驱动方式的高速无刷风机无传感器控制***仿真结果如图3、图4所示。图3为前置Buck变换器的局部PWM驱动方式的高速无刷风机无传感器控制方法电机转子位置估计值与实际值的变化曲线，图4为前置Buck变换器的局部PWM驱动方式的高速无刷风机无传感器控制方法电机转子位置估计误差的变化曲线，图5为本发明的前置Buck变换器的局部PWM驱动方式的高速无刷风机无传感器控制方法三相端电压和三相电流变化曲线。从仿真结果来看，滑模观测器的电机转子位置估计值与实际值的误差很小，计算结果准确。可以说明，前置Buck变换器的局部PWM驱动方式的高速无刷风机无传感器控制技术能满足实际电机控制性能的需要。

本发明通过将前置Buck变换器和PWM驱动方式相结合，提出一种使用局部PWM驱动方式，利用滑模观测器获取电机转子位置、速度信息以及电机d轴电流，并根据电机d轴电流，利用PI控制器得到电机位置补偿信息，根据电机位置信息和电机位置补偿信息控制六个MOS管的占空比，进而实现通过局部PWM驱动方式驱动电机运行，同时利用PI控制器控制PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流以控制电机速度。本发明中六个MOS管只有三分之一的时间进行了PWM调制，开关损耗大幅降低。本发明的前置Buck变换器的局部PWM驱动方法实现了高速无刷风机的正弦波控制，输出转矩比较平稳，噪声很小，同时降低了传统PWM驱动方式下MOS的开关损耗以及高次谐波造成的涡流损耗，并且使用滑模观测器实现了高速无刷风机的无传感器控制，使用前置Buck变换器实现了高速无刷风机的电流和转速控制。此外，本发明对电机参数不敏感，适应性好，鲁棒性强。

本发明还公开了一种高速无刷风机无传感器的控制***，包括：

局部PWM驱动电路，用于实现局部PWM驱动方式驱动电机运行；

滑模观测器，用于观测电机反电动势得到电机位置信息；

位置转速计算模块，用于利用电机位置信息计算得到电机速度；

d轴电流计算模块，用于计算得到电机d轴电流；

电机位置补偿PI控制器，用于根据电机d轴电流，得到电机位置补偿信息；

MOS管占空比计算模块，用于利用电机位置信息和电机位置补偿信息控制PWM驱动电路内MOS管的占空比；

电机转速PI控制器，用于根据电机速度，控制局部PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流，以控制电机速度。

示例性的，如图1所示，所述***包括前置Buck变换器1，局部PWM驱动电路2、无刷风机3、电机转速PI控制器4、滑模观测器5、MOS管占空比计算模块6、位置转速计算模块7、d轴电流计算模块8、电机位置补偿PI控制器9。

所述***实施例可与前述方法实施例一一对应实现，在此不再赘述。

基于同一发明思路，本发明还公开了一种电子设备，该电子设备可以包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行一种高速无刷风机无传感器的控制方法，包括：

S1.通过检测局部PWM驱动方式下的母线电压计算得到电机相电压，同时检测电机相电流；

S2.根据电机相电压和电机相电流建立滑模观测器；

S3.利用滑模观测器观测电机反电动势得到电机位置信息，并利用电机位置信息计算得到电机速度和电机d轴电流；

S4.根据电机d轴电流，利用PI控制器得到电机位置补偿信息；

S5.利用电机位置信息和电机位置补偿信息控制六个MOS管的占空比，实现局部PWM驱动方式驱动电机运行；

S6.根据电机速度，利用PI控制器控制局部PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流，以控制电机速度。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的一种高速无刷风机无传感器的控制方法，包括：

S1.通过检测局部PWM驱动方式下的母线电压计算得到电机相电压，同时检测电机相电流；

S2.根据电机相电压和电机相电流建立滑模观测器；

S3.利用滑模观测器观测电机反电动势得到电机位置信息，并利用电机位置信息计算得到电机速度和电机d轴电流；

S4.根据电机d轴电流，利用PI控制器得到电机位置补偿信息；

S5.利用电机位置信息和电机位置补偿信息控制六个MOS管的占空比，实现局部PWM驱动方式驱动电机运行；

S6.根据电机速度，利用PI控制器控制局部PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流，以控制电机速度。

又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的一种高速无刷风机无传感器的控制方法，包括：

S1.通过检测局部PWM驱动方式下的母线电压计算得到电机相电压，同时检测电机相电流；

S2.根据电机相电压和电机相电流建立滑模观测器；

S3.利用滑模观测器观测电机反电动势得到电机位置信息，并利用电机位置信息计算得到电机速度和电机d轴电流；

S4.根据电机d轴电流，利用PI控制器得到电机位置补偿信息；

S5.利用电机位置信息和电机位置补偿信息控制六个MOS管的占空比，实现局部PWM驱动方式驱动电机运行；

S6.根据电机速度，利用PI控制器控制局部PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流，以控制电机速度。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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)

1.一种高速无刷风机无传感器的控制方法，其特征在于，包括：

S1.通过检测局部PWM驱动方式下的母线电压计算得到电机相电压，同时检测电机相电流；

S2.根据电机相电压和电机相电流建立滑模观测器；

S3.利用滑模观测器观测电机反电动势得到电机位置信息，并利用电机位置信息计算得到电机速度和电机d轴电流；

S4.根据电机d轴电流，利用PI控制器得到电机位置补偿信息；

S5.利用电机位置信息和电机位置补偿信息控制PWM驱动电路内MOS管的占空比，实现局部PWM驱动方式驱动电机运行；

S6.根据电机速度，利用PI控制器控制局部PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流，以控制电机速度。

2.如权利要求1所述的一种高速无刷风机无传感器的控制方法，其特征在于，所述S2具体包括：根据电机相电压和电机相电流，利用无刷电机数学模型在三相静止坐标系中对其中两相建立滑模观测器。

3.如权利要求1所述的一种高速无刷风机无传感器的控制方法，其特征在于，所述滑模观测器由李雅普诺夫稳定直接判据法得到滑模增益的取值范围。

4.如权利要求1所述的一种高速无刷风机无传感器的控制方法，其特征在于，所述利用滑模观测器观测电机反电动势得到电机位置信息具体包括：将反电动势计算值经过以电机转速为截止频率的一阶低通滤波器得到电机反电动势观测值，将电机反电动势观测值经过以电机转速为截止频率的一阶低通滤波器得到滤波后的反电动势观测值，根据滤波后的反电动势观测值计算得到电机位置信息。

5.如权利要求1所述的一种高速无刷风机无传感器的控制方法，其特征在于，所述电机d轴电流i_d为：i_d＝i_α×cos(θ)+i_β×sin(θ)，

其中，

i_α＝i_A；

i_A、i_B分别为电机A、B两相的相电流实际值。

6.如权利要求5所述的一种高速无刷风机无传感器的控制方法，其特征在于，所述电机位置补偿信息Δθ为：

其中，i_d为电机d轴电流，K_p1和K_i1分别为PI控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。

7.如权利要求1所述的一种高速无刷风机无传感器的控制方法，其特征在于，局部PWM驱动方式驱动电机运行的具体方式是：每个MOS管在电机位置角度和电机位置补偿角度之和的一个周期内，只有三分之一的时间在进行PWM调制。

8.如权利要求1所述的一种高速无刷风机无传感器的控制方法，其特征在于，所述电机速度包括电机转子角速度和电机转子速度。

9.如权利要求8所述的一种高速无刷风机无传感器的控制方法，其特征在于，所述S6具体包括：根据电机转子速度，利用PI控制器控制PWM驱动方式下前置Buck变换器母线电流的大小以控制电机速度。

10.一种高速无刷风机无传感器的控制***，其特征在于，包括：

局部PWM驱动电路，用于实现局部PWM驱动方式驱动电机运行；

滑模观测器，用于观测电机反电动势得到电机位置信息；

位置转速计算模块，用于利用电机位置信息计算得到电机速度；

d轴电流计算模块，用于计算得到电机d轴电流；

电机位置补偿PI控制器，用于根据电机d轴电流，得到电机位置补偿信息；

MOS管占空比计算模块，用于利用电机位置信息和电机位置补偿信息控制PWM驱动电路内MOS管的占空比；

电机转速PI控制器，用于根据电机速度，控制局部PWM驱动方式下前置Buck变换器的电流，以控制电机速度。