双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法技术

本发明专利技术公开了双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法，涉及磁阻类电动机控制领域。本发明专利技术包括：检测电流过零点对应的电角度作为电流相位的观测值，并将过零点的角度作为被控量，将提前换相角作为控制量，进行反馈闭环控制，从而实现提前换相角的自动调节和电流相位的自动控制，使得不同励磁电流、转速和负载下电流相位与反电势相位保持同步。本发明专利技术避免了由于电流相位滞后导致的输出转矩降低和转矩脉动变大的问题，可提高电动机在高转速下的转矩输出性能,在多电飞机、新能源汽车等系统中有重要应用价值。

Current Synchronization Control Method of Double Salient Brushless DC Motor

The invention discloses a current synchronization control method for a doubly salient brushless DC motor, which relates to the field of reluctance motor control. The invention includes: detecting the electric angle corresponding to the current zero-crossing point as the observation value of the current phase, taking the angle of the zero-crossing point as the controlled quantity, taking the advance commutation angle as the control quantity, and carrying out feedback closed-loop control, thereby realizing the automatic adjustment of the advance commutation angle and the automatic control of the current phase, so as to keep the current phase and the back EMF phase under different excitation currents, rotational speeds and loads. Hold synchronization. The invention avoids the problems of reducing output torque and increasing torque ripple caused by current phase lag, improves the torque output performance of motor at high speed, and has important application value in multi-electric aircraft, new energy vehicles and other systems.

【技术实现步骤摘要】
双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法
本专利技术涉及磁阻类电动机控制领域，尤其涉及双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法。
技术介绍
双凸极无刷直流电机(下文简称双凸极电机)由于其结构简单可靠、成本低廉等优势，在航空起动发电和电动汽车等领域引起了广泛的研究兴趣。根据励磁方式的不同，双凸极电机可以分为永磁励磁双凸极电机、电励磁双凸极电机和混合励磁双凸极电机三种。由于反电势为独特的非正弦波形，双凸极电动机的电流需要控制为阶梯形的准方波，才能获得良好的转矩性能。阶梯形电流的阶跃变化需要电流换相十分迅速。但是电机转速较高时，换相电抗较大，反电势也较大，限制了电流的迅速变化，电流换相的控制效果因此变差，电流换相慢且相位滞后，带来较大的换相转矩脉动，降低了电机的输出转矩。提前角控制方法通过将换相位置提前标准换相位置一个电角度，使得电流的换相提前，补偿相位滞后，从而改善因换相慢且相位滞后所带来的问题。电流的换相过程在不同的工作条件参数(通常为转速、电枢电流或负载转矩、励磁电流)下各不相同，所以需要不同的提前换相角。对于每一个特定的工作条件，有一个最优的提前换相角。寻找合适的提前换相角问题实际上是不同条件下对于特定目标(比如最大转矩电流比)的参数优化问题。提前换相角α的优化方法可以分成两种：离线确定法，即事先由理论、仿真或者实验得到不同工作条件下的最优的提前换相角，用公式或者一个多维查找表描述最优α与工作条件参数之间的关系，建立最优提前换相角与工作条件参数之间的数学模型，实际运行时通过工作条件参数查表或者代入公式得到最优的提前换相角；在线寻优法：在线尝试不同的提前换相角，对优化目标进行评估，然后根据评估结果对提前换相角进行修正，这种不断试错和修正的方法还可以结合遗传算法，以避免陷入局部最优解。离线确定法需要事先进行大量的计算、仿真或实验工作，往往费时费力，一套控制率仅仅适用于一种结构参数的电机，设计新的电机需要重新确定控制率，使得电机的设计周期较长，而且这种方法对于电机结构参数在实际运行时的不确定性变化的适应性较低，需要占用微控制器大量的存储空间，若对控制性能要求较高则需要在线修正数学模型。在线寻优法加入了一个新的控制闭环，可以实现控制参数的自动调节，需要选取合适的控制参数与优化目标，使系统具有良好的能控性和能观性。现有技术中将转速调节器生成的电流给定作为反馈量，调节提前换相角使得电流给定值最小，实现了最大转矩电流比控制，这种方法没有对电流的相位滞后进行直接校正，且不能用于动态调速过程。总而言之，离线确定法费时费力且适用性差。已有的在线寻优法没有直接对电流的相位进行观测和控制，所以未能取得良好的相位滞后补偿效果，不利于提高电机高转速下的转矩输出性能。在一些情况下，双凸极电动机可以采用正弦电流控制，这时电流的相位有明确的定义，可以较为简单地进行观测和控制，因此容易实现对高转速下电流相位滞后的校正。但在一般情况下，双凸极电机的电流波形为非正弦的阶梯形准方波，谐波含量大、非线性强，并且不同工作条件下的电流波形畸变情况不同，不能用正弦电流的相位控制方法对阶梯形电流的相位进行控制。综上,现有技术中缺乏一种电励磁双凸极电动机的控制方法,能自动控制电流相位,使得电流相位和反电动势同步,解决电流相位滞后严重的问题。
技术实现思路
本专利技术提供了双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法，能够在励磁电流、转速和负载变化的影响下，自动同步电流相位和反电动势相位，解决电流相位滞后的问题，提高电动机在高转速下的转矩输出性能。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法，包括：S1、根据相电流传感器采集的电流信号i、转子位置传感器采集的转子位置角信号θ，检测相电流i经过零点时对应的转子位置角，将过零点对应的转子位置角标记为反馈值θzc_fdb。其中，检测电流过零点的方法是常规方法，现有技术中常用的有软件实现方法和硬件电路实现方法。S2、将相电流期望过零点的角度标记为θzc_ref，用θzc_ref减去θzc_fdb，得到控制误差角θzc_err。S3、控制误差角θzc_err经过误差校正环节进行误差校正处理，得到提前换相角α，提前换相角α被用来控制电流的换相过程，使电流换相的起始位置超前于标准位置，超前量为α。其中，电流换相的标准位置是采用常规方法控制双凸极电机时电流换相的起始位置。常规方法不对电流换相的起始位置进行调节，标准位置是固定的。进一步的，相电流期望过零点的角度θzc_ref为电机定子极与转子极对齐位置的角度θalign，使得电流在电机转子极与定子极对齐时经过零点。将电流过零点控制在这一位置能够使电动机获得较大的转矩电流比和较小的转矩脉动。进一步的，误差校正环节为一个积分环节，在z域的表达式为：z/T/(z-1)，T为积分时间常数，这种设计的优点是结构形式简单，能够消除稳态静差。本专利技术的原理是：首先检测阶梯形电流过零点对应的电角度作为电流相位的观测值，用提前换相角来控制电流过零点的角度，使得电流过零点的角度不变。在不考虑电枢反应的情况下，反电势的相位与转子位置角保持同步，所以，当电流过零点的角度被控制时，电流相位与反电势相位保持同步。本专利技术检测电流过零点并计算误差，误差经过误差校正环节处理得到提前换相角，提前换相角被施加给电动机后得到对应于这个提前换相角的电流过零点，进入下一个周期的循环，以此形成过零点控制系统，实现了提前换相角的在线寻优，使得电流相位不受励磁电流、转速和负载变化的影响，不同工作条件下能保持良好的转矩输出性能。本专利技术的有益效果是：双凸极电动机高转速时电流换相导致的电流相位滞后情况严重，本专利技术通过自动控制电流相位，使得电机不论工作条件如何变化，电流相位与反电势相位始终保持同步，锁定相电流与反电势的相位差，使得电流相位不受励磁电流、转速和负载变化的影响，在不同工作条件下仍然能保持良好的转矩输出性能；补偿后的电流相位，能改善高转速下由于电流换相所带来的输出转矩下降和换相转矩脉动的问题，从而提高电动机在高转速下的转矩输出性能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，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为双凸极无刷直流电动机阶梯形相电流波形的示意图；图2为转子位置角为0度时的电励磁三相双凸极无刷直流电机的结构示意图；图3为转子位置角为120度时的电励磁三相双凸极无刷直流电机的结构示意图；图4为转子位置角为240度时的电励磁三相双凸极无刷直流电机的结构示意图；图5为电流同步控制方法的算法原理图；图6为采用电流同步控制方法的电励磁三相双凸极无刷直流电动机的调速系统框图；图7为三相无刷直流双凸极电动机的电流同步控制软件算法流程图；图8为提前换相角控制三相电流的示意图；图9为采用不同的提前换相角α控制电机得到的仿真结果图。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术实施例提供了电励磁三相双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法。对于电励磁三相双凸极电机，三相的相位互差12本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法，其特征在于，包括：S1、根据相电流传感器采集的电流信号i、转子位置传感器采集的转子位置角信号θ，检测相电流i经过零点时对应的转子位置角，将过零点对应的转子位置角标记为反馈值θzc_fdb；S2、将相电流期望过零点的角度标记为θzc_ref，用θzc_ref减去θzc_fdb，得到控制误差角θzc_err；S3、控制误差角θzc_err经过误差校正环节进行误差校正处理，得到提前换相角α，提前换相角α被用来控制电流的换相过程，使电流换相的起始位置超前于标准位置，超前量为α。

【技术特征摘要】
1.双凸极无刷直流电动机的电流同步控制方法，其特征在于，包括：S1、根据相电流传感器采集的电流信号i、转子位置传感器采集的转子位置角信号θ，检测相电流i经过零点时对应的转子位置角，将过零点对应的转子位置角标记为反馈值θzc_fdb；S2、将相电流期望过零点的角度标记为θzc_ref，用θzc_ref减去θzc_fdb，得到控制误差角θzc_err；S3、控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卓然，卞张铭，于立，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32