一种无刷直流电机直接转矩控制系统和控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无刷直流电机直接转矩控制系统和控制方法，系统包括光电编码器、定子电流和端电压检测电路、转速计算器、转速误差比较器、转速调节器、磁链观测器、磁链误差比较器、磁链滞环比较器、转矩观测器、转矩误差比较器、转矩滞环比较器、PWM控制器和三相桥式逆变电路。光电编码器采集电机转子的位置信息，根据转子位置信息计算出实际转速，根据转子位置信息以及参考转矩，计算定子磁链给定值，采集定子三相电流和端电压来计算实际电磁转矩和实际定子磁链，PWM控制器根据转矩误差和磁链误差，产生电压矢量，通过电压矢量驱动逆变电路，实现电机稳定运行。本发明专利技术不需要实时计算磁链，简化系统程序，提高控制效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无刷直流电机控制
，特别涉及了一种无刷直流电机直接转矩控制系统和控制方法。
技术介绍
无刷直流电机是一种在传统直流电机基础上发展起来的新型直流电机，具有控制简单、效率高、动态响应好、可靠性高等优点。目前，无刷直流电机的应用已经从最初的军事工业，向航空航天、信息、生产、医疗以及工业自动化领域迅速发展。直接转矩控制是一种高性能的电机调速技术，它摒弃了矢量控制的解耦控制思想，利用电机转矩磁链的直接闭环来获得快速的转矩响应和优良的控制性能，并且在感应电机和永磁同步电动机上已获得成功，近年来直接转矩控制技术开始应用于无刷直流电机。常用的无刷直流电机直接转矩控制方法是定子磁链、电磁转矩、转速闭环控制，当无刷直流电机在二二导通方式下运行，由于关断相的存在，定子磁链运动轨迹为圆锯齿形，定子磁链给定是一个变量，因此电机定子磁链的给定是直接转矩控制技术的关键所在。公开号为CN 101702607A的中国专利申请将转子感应磁链给定和定子电枢反应磁链给定两部分分别设定，再将这两部分通过矢量合成法得到定子磁链矢量，求出给定值，该方法需要实时计算磁链，这样会使系统变得复杂，将不利于工程实现。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种无刷直流电机直接转矩控制系统和控制方法，不需要实时计算磁链，简化系统程序，提高控制效率。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种无刷直流电机直接转矩控制系统，包括光电编码器、定子电流和端电压检测电路、转速计算器、转速误差比较器、转速调节器、磁链观测器、磁链误差比较器、磁链滞环比较器、转矩观测器、转矩误差比较器、转矩滞环比较器、PWM控制器和三相桥式逆变电路，所述光电编码器安装在无刷直流电机的转子上，用于采集转子的位置信息，光电编码器的输出端连接转速计算器的输入端，转速误差比较器的负输入端连接转速比较器的输出端，转速误差比较器的正输入端输入参考转速，转速误差比较器的输出端连接转速调节器的输入端，所述定子电流和端电压检测电路的输入端连接在无刷直流电机的母线上，定子电流和端电压检测电路的输出端分别连接磁链观测器、转矩观测器的输入端，转矩误差比较器的负输入端连接转矩观测器的输出端，转矩误差比较器的正输入端连接转速调节器的输出端，转矩误差比较器的输出端连接转矩滞环比较器的输入端，磁链误差比较器的负输入端连接磁链观测器的输出端，磁链误差比较器的正输入端输入磁链给定值，磁链误差比较器的输出端连接磁链滞环比较器的输入端，所述PWM控制器的输入端分别连接转矩转换比较器、磁链滞环比较器的输出端，PWM控制器的输出端连接三相桥式逆变电路中6个开关管的门极，从而控制三相桥式逆变电路向无刷直流电机输出交流电信号。进一步地，所述速度调节器采用PI调节器。进一步地，所述三相桥式逆变电路中的6个开关管均为IGBT。进一步地，所述转速计算器、转速误差比较器、转速调节器、磁链观测器、磁链误差比较器、磁链滞环比较器、转矩观测器、转矩误差比较器、转矩滞环比较器、PWM控制器集成在一片DSP处理器上。进一步地，所述DSP处理器的型号为DSP28335。一种无刷直流电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：(1)利用光电编码器采集电机转子的位置信息，根据转子位置信息计算出实际转速；(2)参考转速减去实际转速得到转速误差，转速误差通过速度调节器得到参考转矩；(3)根据转子位置信息以及参考转矩，计算定子磁链给定值；(4)采集定子三相电流和端电压，根据定子三相电流值和端电压计算实际电磁转矩和实际定子磁链；(5)参考转矩减去实际电磁转矩得到转矩误差，将转矩误差输入转矩滞环比较器，将转矩滞环比较器的输出值传送给PWM控制器；(6)定子磁链给定值减去实际定子磁链得到磁链误差，将磁链误差输入磁链滞环比较器，将磁链滞环比较器的输出值传送给PWM控制器；(7)PWM控制器根据输入信号确定电压矢量，根据电压矢量控制三相桥式逆变电路各个开关管的导通状态，从而使无刷直流电机稳定运行。进一步地，步骤(3)的具体过程如下：(a)定子磁链给定值ψ是电枢反应磁链ψa和转子感应磁链ψr的矢量和，将电枢反应磁链ψa和转子感应磁链ψr投影到α/β两相静止坐标系，然后分别将两轴的分量相加，得到α、β轴分量ψα、ψβ：ψα＝ψaα+ψrαψβ＝ψaβ+ψrβ上式中，ψaα、ψaβ分别为电枢反应磁链ψa在α、β轴的投影，ψrα、ψrβ分别为转子感应磁链ψr在α、β轴的投影；(b)首先，利用下式计算出定子电流给定值：IS=Te*kt]]>上式中，Te*为参考转矩，kt为转矩系数；接着，根据转子位置信息得到定子三相电流给定值Ia、Ib、Ic，将Ia、Ib、Ic通过clark变换投影到α/β两相静止坐标系：ISαISβ=[CLARK]IaIbIc]]>然后，根据ISα、ISβ计算ψaα、ψaβ：ψaα＝LSISαψaβ＝LSISβ(c)由定子三相绕组反电动势积分求出三相转子磁链：ψra＝∫eadtψrb＝∫ebdtψrc＝∫ecdt然后，将三相转子磁链进行clark变换，得到ψrα、ψrβ：ψrαψrβ=[CLARK]ψraψrbψrc;]]>(d)根据ψaα、ψaβ、ψrα、ψrβ计算出ψα、ψβ，然后根据ψα、ψβ求出定子磁链给定值：|ψ|=ψα2+ψβ2]]>φ*＝arctan(ψα/ψβ)上式中，|ψ|为定子磁链给定值的幅值，φ*为定子磁链给定值的幅角。进一步地，在步骤(5)中，转矩滞环比较器的输出值τ如下式所示：τ=1(ΔTe>ΔT)0(ΔTe<-ΔT)]]>上式中，ΔTe为输入转矩滞环比较器的转矩误差，ΔT为设定的转矩误差阈值。进一步地，在步骤(6)中，磁链滞环比较的输出值η如下式所示：η=1(Δψs>Δψ)0(-Δψ<Δψs<Δψ)-1(Δψs<-Δψ)]]>上式中，Δψs为输入磁链滞环比较器的磁链误差，Δψ为设定的磁链误差阈值；进一步地，步骤(7)的具体过程如下：PWM控制器根据输入的τ和η，选择相应的电压矢量，电压矢量在电机定子上产生六边形磁链，从而控制电机连续稳定运行：当τ＝1，且η＝1时，若磁链位于第I扇区，即定子磁链幅角φ∈[330,360)&[0,30)，则输出电压矢量V1，若磁链位于第II扇区，即定子磁链幅角φ∈[30,90)，则输出电压矢量V2，若磁链位于第III扇区，即定子磁链幅角φ∈[90,150)，则输出电压矢量V3，若磁链位于第IV扇区，即定子磁链幅角φ∈[150,210)，则输出电压矢量V4，若磁链位于第Ⅴ扇区，即定子磁链幅角φ∈[210,270)，则输出电压矢量V5，若磁链位于第VI扇区，即定子磁链幅角φ∈[270,330)，则输出电压矢量V6；当τ＝1，且η＝0时，若磁链位于第I本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无刷直流电机直接转矩控制系统，其特征在于：包括光电编码器、定子电流和端电压检测电路、转速计算器、转速误差比较器、转速调节器、磁链观测器、磁链误差比较器、磁链滞环比较器、转矩观测器、转矩误差比较器、转矩滞环比较器、PWM控制器和三相桥式逆变电路，所述光电编码器安装在无刷直流电机的转子上，用于采集转子的位置信息，光电编码器的输出端连接转速计算器的输入端，转速误差比较器的负输入端连接转速比较器的输出端，转速误差比较器的正输入端输入参考转速，转速误差比较器的输出端连接转速调节器的输入端，所述定子电流和端电压检测电路的输入端连接在无刷直流电机的母线上，定子电流和端电压检测电路的输出端分别连接磁链观测器、转矩观测器的输入端，转矩误差比较器的负输入端连接转矩观测器的输出端，转矩误差比较器的正输入端连接转速调节器的输出端，转矩误差比较器的输出端连接转矩滞环比较器的输入端，磁链误差比较器的负输入端连接磁链观测器的输出端，磁链误差比较器的正输入端输入磁链给定值，磁链误差比较器的输出端连接磁链滞环比较器的输入端，所述PWM控制器的输入端分别连接转矩转换比较器、磁链滞环比较器的输出端，PWM控制器的输出端连接三相桥式逆变电路中6个开关管的门极，从而控制三相桥式逆变电路向无刷直流电机输出交流电信号。...

【技术特征摘要】
1.一种无刷直流电机直接转矩控制系统，其特征在于：包括光电编码器、定子电流和端电压检测电路、转速计算器、转速误差比较器、转速调节器、磁链观测器、磁链误差比较器、磁链滞环比较器、转矩观测器、转矩误差比较器、转矩滞环比较器、PWM控制器和三相桥式逆变电路，所述光电编码器安装在无刷直流电机的转子上，用于采集转子的位置信息，光电编码器的输出端连接转速计算器的输入端，转速误差比较器的负输入端连接转速比较器的输出端，转速误差比较器的正输入端输入参考转速，转速误差比较器的输出端连接转速调节器的输入端，所述定子电流和端电压检测电路的输入端连接在无刷直流电机的母线上，定子电流和端电压检测电路的输出端分别连接磁链观测器、转矩观测器的输入端，转矩误差比较器的负输入端连接转矩观测器的输出端，转矩误差比较器的正输入端连接转速调节器的输出端，转矩误差比较器的输出端连接转矩滞环比较器的输入端，磁链误差比较器的负输入端连接磁链观测器的输出端，磁链误差比较器的正输入端输入磁链给定值，磁链误差比较器的输出端连接磁链滞环比较器的输入端，所述PWM控制器的输入端分别连接转矩转换比较器、磁链滞环比较器的输出端，PWM控制器的输出端连接三相桥式逆变电路中6个开关管的门极，从而控制三相桥式逆变电路向无刷直流电机输出交流电信号。2.根据权利要求1所述一种无刷直流电机直接转矩控制系统，其特征在于：所述速度调节器采用PI调节器。3.根据权利要求1所述一种无刷直流电机直接转矩控制系统，其特征在于：所述三相桥式逆变电路中的6个开关管均为IGBT。4.根据权利要求1所述一种无刷直流电机直接转矩控制系统，其特征在于：所述转速计算器、转速误差比较器、转速调节器、磁链观测器、磁链误差比较器、磁链滞环比较器、转矩观测器、转矩误差比较器、转矩滞环比较器、PWM控制 器集成在一片DSP处理器上。5.根据权利要求4所述一种无刷直流电机直接转矩控制系统，其特征在于：所述DSP处理器的型号为DSP28335。6.一种无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用光电编码器采集电机转子的位置信息，根据转子位置信息计算出实际转速；(2)参考转速减去实际转速得到转速误差，转速误差通过速度调节器得到参考转矩；(3)根据转子位置信息以及参考转矩，计算定子磁链给定值；(4)采集定子三相电流和端电压，根据定子三相电流值和端电压计算实际电磁转矩和实际定子磁链；(5)参考转矩减去实际电磁转矩得到转矩误差，将转矩误差输入转矩滞环比较器，将转矩滞环比较器的输出值传送给PWM控制器；(6)定子磁链给定值减去实际定子磁链得到磁链误差，将磁链误差输入磁链滞环比较器，将磁链滞环比较器的输出值传送给PWM控制器；(7)PWM控制器根据输入信号确定电压矢量，根据电压矢量控制三相桥式逆变电路各个开关管的导通状态，从而使无刷直流电机稳定运行。7.根据权利要求6所述一种无刷直流电机直接转矩控制方法，其特征在于，步骤(3)的具体过程如下：(a)定子磁链给定值ψ是电枢反应磁链ψa和转子感应磁链ψr的矢量和，将电枢反应磁链ψa和转子感应磁链ψr投影到α/β两相静止坐标系，然后分别将两轴的分量相加，得到α、β轴分量ψα、ψβ：ψα＝ψaα+ψrαψβ＝ψaβ+ψrβ上式中，ψaα、ψaβ分别为电枢反应磁链ψa在α、β轴的投影，ψrα、ψrβ分别为转子感应磁链ψr在α、β轴的投影；(b)首先，利用下式计算出定子电流给定值：上式中，Te*为参考转矩，kt为转矩系数；接着，根据转子位置信息得到定子三相电流给定值Ia、Ib、Ic，将Ia、Ib、Ic通过clark变换投影到α/β两相静止坐标系：然后，根据ISα、ISβ计算ψaα、ψaβ：ψaα＝LSISαψaβ＝LSISβ(c)由定子三相绕组反电动势积分求出三相转子磁链：ψra＝∫eadtψrb＝∫ebdtψrc＝∫ecdt然后，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：余莉，孙加伟，芮元栋，刘锐，刘德，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32