凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法及装置，特别适合该种电机驱动系统无位置传感及无速度传感器时电磁转矩、转速控制。该观测方法及装置利用转子反电动势自适应的定子电流观测装置、基于锁相环的转子旋转速度及位置角观测装置、转子反电动势/转子磁链与转子位置角关系曲线、坐标变换装置、定子磁链计算装置、电磁转矩计算装置等，在无位置传感器方式下，连续、实时、准确地观测出电磁转矩，同时将转子转速、定子磁链以中间变量方式观测出来，以满足电机无传感器高性能直接转矩控制需要。本发明专利技术观测方法及装置具有实时性好、观测精度高、成本低廉等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及永磁无刷直流电机驱动控制
，特别是一种适用于凸极式永磁无刷直流电机直接转矩控制系统的无位置传感器型电磁转矩观测方法及装置。
技术介绍
永磁无刷直流电机(BLDCM)具有效率高，控制结构简洁等特点，在家用电器、工业中均有广泛应用。但由于实际制造过程中多种因素影响，导致转子反电势并非理想波形(既非梯形波又非正弦波)，采用简单的方波电流PWM控制转矩脉动较大，制约其应用领域的拓展。 为了改善永磁无刷直流电机驱动性能，人们针对该种电机提出直接转矩控制策略。该控制策略采用两相导通模式，利用电磁转矩和定子磁链幅值双磁滞比较器，结合定子磁链矢量所处扇区选择一个最优空间电压矢量作用于电机，在无电流闭环控制的情况下，实现电机电磁转矩跟踪其给定值。由于电机采用两相导通模式，定子磁链旋转轨迹非圆形，所以定子磁链幅值闭环结构可以省略。与三相导通方式正弦波永磁同步电机直接转矩控制策略相比较，永磁无刷直流电机直接转矩控制策略特点在于1)永磁无刷直流电机转子磁场及其反电动势为非正弦波，且不同生产厂家及不同型号电机，对应的转子磁场及其反电动势波形差别很大；2)为了产生平稳的电磁转矩，理论上希望流过方波电流，但由于转子反电动势波形的非理想，实际电流波形是一个类似方波的不连续波形，导致定子磁链也是一种非正弦的不连续波形；3)采用两相导通模式，理论上任何瞬时总有一相绕组悬空不导电，导致电机端电压不能简单利用直流母线电压及功率管开关状态获得。从上述阐述可见，永磁无刷直流电机直接转矩控制目的是要实现电磁转矩的闭环直接控制，连续、实时、准确地观测出电磁转矩非常关键。实际永磁无刷直流电机具有一定的磁凸极现象，而人们为了简化其数学模型及简化其控制策略，在分析及构建控制策略时将这种磁凸极现象忽略。忽略磁凸极现象后，观测电磁转矩方法如下根据端电压和电流可以直接观测出定子磁链，根据定子磁链、定子电流及电机电感可以计算出转子磁链，对转子磁链微分即可以获得转子反电动势，根据速度及转子反电动势可以以开环方式计算出电磁转矩。可见忽略磁凸极现象后，计算或观测电磁转矩过程较简单，无需转子位置角信息。当然对于磁凸极现象不明显的永磁无刷直流电机而言，这种忽略不会带来太大的电磁转矩观测及控制误差。但实际应用中有很多永磁无刷直流电机具有严重的磁凸极现象，若仍然忽略磁凸极现象，必然带来很大的电磁转矩观测及控制误差，极大影响到该种电机驱动系统的运行性能，例如电机负载能力降低、稳态转速不平稳等。所以对于凸极式永磁无刷直流电机，实现其直接转矩控制关键技术同样是电磁转矩的连续、实时、准确观测，但两方面因素导致这种电机电磁转矩观测非常困难1)电机磁凸极现象使得电机数学模型是一个与转子位置角有关的时变非线性系统；2)转子反电动势及转子磁链为严重非正弦波。这两方面因素导致现有的忽略磁凸极现象的永磁无刷直流电机中电磁转矩观测方法不适用于凸极式永磁无刷直流电机。另外，直接转矩控制最大优点在于其本质上无位置传感器，在无需转子位置物理传感器情况下，观测电磁转矩并实现其直接闭环控制才能体现该控制策略最大优势。所以如何根据实际凸极式永磁无刷直流电机可测量的电信号，连续、实时、准确地观测出电磁转矩对实现高性能的凸极式永磁无刷直流电机直接转矩控制驱动系统尤为关键
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法及装置，该方法及装置有利于实现凸极式永磁无刷直流电机无位置传感器时电磁转矩的连续、实时、准确观测。本专利技术的目的是采用如下的技术方案实现的一种凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法，对凸极式永磁无刷直流电机的电压和电流进行采样，将检测到的电压、电流以及观测的转子位置角、转子速度送给利用凸极式永磁无刷直流电机非线性时变数学模型构建的转子反电动势自适应的定子电流观测模块，输出转子反电动势；如果是第一次采样，观测的转子位置角、转子速度为任意设定的初值，否则为上一次采样计算得到的转子位置角和转子速度的观测值；将自适应辨识出的转子反电动势送给锁相环模块，输出转子位置角和转子速度的观测刷新值；根据转子位置角观测刷新值，查转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表，输出转子反电动势和转子磁链；根据转子磁链、转子位置角观测刷新值及定子电流，计算出定子磁链；根据定子磁链、转子磁链、定子电流及转子反电动势，计算出电磁转矩。本专利技术还公开了一种凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测装置，包括直流母线电压采集电路、关断相绕组电压采集电路、绕组电流采集电路、中央控制器和隔离驱动单元；所述直流母线电压采集电路采集直流母线电压产生电路输出给两相导通模式的三相逆变器的直流母线电压，所述关断相绕组电压采集电路采集所述三相逆变器施加给凸极式永磁无刷直流电机三相绕组的非导通相电压，所述绕组电流采集电路采集三相绕组电流，并将采集到的直流母线电压、非导通相电压及三相绕组电流送给所述中央控制器，所述中央控制器的输出通过隔离驱动单元连接到所述三相逆变器；所述中央控制器包括转子反电动势自适应的定子电流观测模块，用于根据输入的定子电压矢量 足子电流矢量及观测的转子位置角I、转子速度屯，输出转子反电动势自适应辨识矢量毛；锁相环模块，用于根据输入的转子反电动势自适应辨识矢量输出转子位置角是和转子速度屯的观测刷新值；转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表查表模块，用于根据输入的转子位置角观测刷新值息，输出转子反电动势 &e > / We和转子磁链巧W ;定子磁链计算模块，用于根据输入的α β坐标系中转子磁链％ 、Ψτβ，定子电流及转子位置角观测刷新值息，输出定子磁链;以及电磁转矩计算模块，用于根据输入的α β坐标系中定子磁链转子磁链定子电流k、V及转子反电动势士》/ ^^ / A，输出电磁转矩7；观测值。本专利技术同现有的永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法相比较，具有如下优点 O实现凸极式无刷直流电机无位置传感器方式电磁转矩连续、实时、准确观测，同时还以过程变量方式输出定子磁链、转子速度等观测值，方便实现无位置传感器凸极式无刷直流电机直接转矩驱动控制； 2)无需物理上的位置传感器，例如霍尔传感器、旋转编码器等，基于电机驱动中本已连续测量的电量来构建电磁转矩观测器，无需添加任何的辅助硬件电路即可实现电磁转矩准确观测，驱动系统硬件成本没有增加，同时提高了系统运行可靠性； 3)基于电机驱动中本已实时测量的电量和电机设计时保证的转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系特性构建电磁转矩观测器，保证了变量观测的连续性、实时性及准确性，同时也避免了电机两相导通模式及其换相动作对变量观测的负面影响； 4)将电机设计时保证的转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系特性作为观测器中一个环节，保证了参与计算电磁转矩中的转子反电动势、转子磁链值的真实性，进一步提高了变量观测的精度。下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。附图说明图I是本专利技术实施例中凸极式无刷直流电机坐标系定义及矢量关系示意图。其中，α β为定子静止直角坐标系，α轴与A相绕组轴线重合;而为转子同步旋转坐标系L分别为定子电压矢量和电流矢量从为定子磁链矢量；七、界分别为转子反电动势矢量和转子磁链矢量4力V轴与α轴的夬角，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法，其特征在于：对凸极式永磁无刷直流电机的电压和电流进行采样，将检测到的电压、电流以及观测的转子位置角、转子速度送给利用凸极式永磁无刷直流电机非线性时变数学模型构建的转子反电动势自适应的定子电流观测模块，输出转子反电动势；如果是第一次采样，观测的转子位置角、转子速度为任意设定的初值，否则为上一次采样计算得到的转子位置角和转子速度的观测值；将自适应辨识出的转子反电动势送给锁相环模块，输出转子位置角和转子速度的观测刷新值；根据转子位置角观测刷新值，查转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表，输出转子反电动势和转子磁链；根据转子磁链、转子位置角观测刷新值及定子电流，计算出定子磁链；根据定子磁链、转子磁链、定子电流及转子反电动势，计算出电磁转矩。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周扬忠，林启星，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：