适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，其中，有效矢量的选择通过磁链控制环节实现，零矢量的插入通过变开关点控制器实现，其开关状态的切换点(开关点)可以发生在控制周期的任意时刻，主要包括求取电机转矩变化率、选取电机有效电压矢量、开关脉冲的产生、计算开关点时刻和计算电机转速。本发明专利技术考虑到了无刷直流电机控制系统的稳态转矩特性及逆变器开关频率；将转矩波动的峰值由控制周期的起始时刻平移到控制周期内部，通过计算变开关时刻的最优值减小了转矩波动，从而改善了系统的稳态特性，表现为稳态下系统转速跟踪误差小，系统运行更平稳。本发明专利技术实现了在无位置传感器的前提下对电机运行性能的优化。

【技术实现步骤摘要】
适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法
本专利技术涉及无刷直流电机控制领域，特别涉及在无位置传感器的情况下，兼顾电机的运行性能的电机控制领域。具体讲，涉及适用于无刷直流电机的直接自控制方法。
技术介绍
无刷直流电机被广泛使用于工业应用场合，由于其具有转矩密度高、效率高等优势，近年来在电动汽车的驱动领域成为了关注的焦点。转子位置信息的获取是对无刷直流电机进行精确控制的必要条件。安装传统的机械式位置传感器不仅会增加成本，还会降低整个系统的可靠性。采用电压、电流等易测量的信号辨识位置信号，从而实现无位置传感器控制是一种很有价值的解决方案。然而，无位置传感器控制算法可能给电机的运行性能带来调速范围窄，带载能力差，转矩波动大等不利影响。在无位置传感器的情况下，兼顾电机的运行性能，对电机进行精确控制已成为当前的研究热点。由于磁链变量中包含转子位置信息，若能对该信息进行提取，则能够实现无刷直流电机的无位置传感器控制。目前，基于磁链的位置信号辨识方法已在电机控制、伺服系统运行控制等领域得到成功应用。其应用包括基于磁链观测器，配合电流滞环比较器实现对电机的无位置传感器控制。此外，磁链作为一个与电机特性密切相关的变量，除了能够用来辨识转子位置信号，还能够作为控制变量控制电机的运行。然而，将直接转矩控制应用于反电动势为非正弦波的无刷直流电机时，跟踪的定子磁链轨迹实际为跳变的花瓣形，导致磁链给定函数较为复杂。直接转矩控制通过查开关表的方式来实时选取电压矢量，而开关表的建立需要转子位置信息，因而若欲实现无位置传感器控制，通常需要结合先进控制算法对位置信号进行辨识。若能够让磁链信号同时发挥双重作用，则能够简化控制结构。无刷直流电机的直接自控制方法通过对反电动势求积分观测定子磁链的幅值和相位，并根据定子磁链与转子位置之间的对应关系，利用定子磁链直接得出换相信号。然而与直接转矩控制类似，直接自控制采用磁链及转矩滞环比较器直接选取电压矢量以获取较快的动态响应，然而这种控制结构也带来了较大的转矩波动。
技术实现思路
为克服技术的不足，提供一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，有效提升系统的稳态性能。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，包括以下步骤：步骤一、求取电机转矩变化率：式(1)中，Te为电机的电磁转矩；Ts为控制周期；Rs、Ls分别为电机绕组相电阻和电机绕组相电感；isα、isβ分别为电机绕组相电流在两相静止坐标系下的分量；kα和kβ均为与反电动势系数ke有关的常数，在不同的有效电压矢量作用下kα和kβ的取值如下：其中，V1至V6分别为逆变器在120°导通模式下6种不同开关状态的电压矢量；式(1)中，M1反映了所选的电压矢量对电机转矩变化率的影响，有：M1＝kαusα+kβusβ(2)式(2)中，usα、usβ分别为电机绕组相电压在两相静止坐标系下的分量；式(1)中，M2反映了定子电流的采样值对电机转矩变化率的影响，有：M2＝kαisα+kβisβ(3)式(1)中，M3反映了反电动势对电机转矩变化率的影响，有：M3＝kαeα+kβeβ(4)式(4)中，eα、eβ分别为电机定子绕组相反电势在两相静止坐标系下的分量；步骤二、选取电机有效电压矢量：有效电压矢量根据定子磁链矢量在三相静止坐标系的ABC坐标轴上的投影值进行选择；设转子永磁体磁链的幅值为定子磁链幅值的给定值ψs*；在定子磁链矢量逆时针运动的过程中，导致有效电压矢量发生切换的边界条件包括下述情形之一：a)定子磁链矢量的投影值增大到ψs*；b)定子磁链矢量的投影值减小到-ψs*；c)定子磁链矢量的投影值增大到0；d)定子磁链矢量的投影值减小到0；其中，有效电压矢量两次切换之间的时间即为定子磁链矢量转过一个扇区所需的时间T；步骤三、产生开关脉冲：一个控制周期内作用有两个电压矢量，分别为第1电压矢量Vx1和第2电压矢量Vx2，当前控制周期为n，将第n-1个周期第2电压矢量赋值给当前控制周期n的第1电压矢量Vx1，如果该第1电压矢量Vx1为零矢量，则将滞环比较器当前输出的有效矢量赋值给当前控制周期n的第2电压矢量Vx2；如果该第1电压矢量Vx1为有效矢量，则该第2电压矢量Vx2设为零矢量；其中，零矢量是指逆变器正向导通相和负向导通相下桥臂的MOS管导通；步骤四、计算开关点时刻：以转矩波动最小化为控制目标确定开关点的位置，即矢量作用时间t1a：式(5)中，Te*表示电磁转矩的参考值，Te0表示第n个采样时刻的电磁转矩实际值；一个控制周期内作用有两个电压矢量，分别为第1电压矢量Vx1和第2电压矢量Vx2，s1和s2分别是与第1电压矢量Vx1和第2电压矢量Vx2对应的转矩变化率，t1a的限幅值如下：步骤五、计算电机转速：电机每转过一个扇区，磁链滞环比较器自动进行一次有效电压矢量的切换，无需转子位置信息提供换相信号，即可使电机沿着逆时针方向运转；电机在每个扇区的平均转速为：式(7)中，T为定子磁链矢量转过一个扇区所需的时间。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术提出一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，其考虑到了无刷直流电机控制系统的稳态转矩特性及逆变器开关频率；将转矩波动的峰值由控制周期的起始时刻平移到控制周期内部，通过计算变开关时刻的最优值减小了转矩波动，从而改善了系统的稳态特性，表现为稳态下系统转速跟踪误差小，系统运行更平稳。(2)本专利技术提出的方法具有较宽的转速范围和较强的带载能力，实现了在无位置传感器的前提下对电机运行性能的优化。(3)本专利技术方法在提高稳态转矩性能的同时保留了传统直接自控制方法控制结构简单，易于实现无位置传感器控制的特点。附图说明图1为无刷直流电机稳态转矩波动抑制方法实施例的原理图。图2(a)为电压矢量示意图，图2(b)为直接自控制的扇区划分和开关状态选择示意图。图3为开关序列对转矩波动的影响分析图。图4为本专利技术中开关脉冲产生流程图。具体实施方式本专利技术的设计思路是，针对无刷直流电机系统所提出的一种结合变开关点的直接自控制策略，其考虑到了无刷直流电机控制系统的稳态转矩特性及逆变器开关频率；将转矩波动的峰值由控制周期的起始时刻平移到控制周期内部，通过计算变开关时刻的最优值减小了转矩波动，从而改善了系统的稳态特性，表现为稳态下系统转速跟踪误差小，系统运行更平稳；具有较宽的转速范围和较强的带载能力，控制结构简单，实现了在无位置传感器的前提下对电机运行性能的优化。本专利技术提出的一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，其中，有效矢量的选择通过磁链控制环节实现，零矢量的插入通过变开关点控制器实现，其开关状态的切换点(开关点)可以发生在控制周期的任意时刻，包括以下具体内容：一、求取电机转矩变化率,转矩变化率可根据电流变化率得出：式(1)中，Te为电机的电磁转矩；Ts为控制周期；Rs、Ls分别为电机绕组相电阻和电机绕组相电感；isα、isβ分别为电机绕组相电流在两相静止坐标系下的分量；kα和kβ均为与反电动势系数ke有关的常数，在不同的有效电压矢量作用下kα和kβ的取值，其取值在不同电压矢量作用下各不相同，如表1所示；表1各有效矢量作用下的kα和kβ其中，V1至V6分别为逆变器在120°本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、求取电机转矩变化率：

【技术特征摘要】
1.一种适用于无刷直流电机的变开关点的直接自控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、求取电机转矩变化率：式(1)中，Te为电机的电磁转矩；Ts为控制周期；Rs、Ls分别为电机绕组相电阻和电机绕组相电感；isα、isβ分别为电机绕组相电流在两相静止坐标系下的分量；kα和kβ均为与反电动势系数ke有关的常数，在不同的有效电压矢量作用下kα和kβ的取值如下：其中，V1至V6分别为逆变器在120°导通模式下6种不同开关状态的电压矢量；式(1)中，M1反映了所选的电压矢量对电机转矩变化率的影响，有：M1＝kαusα+kβusβ(2)式(2)中，usα、usβ分别为电机绕组相电压在两相静止坐标系下的分量；式(1)中，M2反映了定子电流的采样值对电机转矩变化率的影响，有：M2＝kαisα+kβisβ(3)式(1)中，M3反映了反电动势对电机转矩变化率的影响，有：M3＝kαeα+kβeβ(4)式(4)中，eα、eβ分别为电机定子绕组相反电势在两相静止坐标系下的分量；步骤二、选取电机有效电压矢量：有效电压矢量根据定子磁链矢量在三相静止坐标系的ABC坐标轴上的投影值进行选择；设转子永磁体磁链的幅值为定子磁链幅值的给定值ψs*；在定子磁链矢量逆时针运动的过程中，导致有效电压矢量发生切换的边界条件包括下述情形之一：a)定子磁链矢量的投影值增大到ψs*；b)定子磁链矢量的投影值减小到-ψs*；c)定子磁链矢量的...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏长亮，陈鹤，李新旻，史婷娜，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12