一种基于磁链追踪的无刷直流电机控制方法技术

一种基于磁链追踪的无刷直流电机控制方法，首先，根据无刷直流电机的期望转速和期望转矩确定一个基准磁链ψ(n)；再根据增量模型构造一个虚拟磁链来逼近该基准磁链ψ(n)；最后根据逼近结果对应的状态来控制逆变器输出得到所需的PWM驱动。本发明专利技术的方法利用了磁链追踪技术，可以自动根据目标转矩实现过调制（六拍波）输出到线性调制输出之间的无缝切换。当无刷直流电机工作在大转矩状态下时，控制器输出电平为六拍波，使电机具有最大的直流母线电压利用率；当电机工作在小转矩状态下时，则控制器可以平滑切换至输出经过线性调制的PWM波状态，使电机平稳运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无刷直流电机调速控制器的调制方法，具体涉及一种可以在小转矩条件下有效减少电机转矩脉动的基于磁链追踪的无刷直流电机控制方法。
技术介绍
目前随着绿色环保的观念日渐深入人心，电动车作为一种可以实现零排放、零污染的清洁环保交通工具正日渐受到人们的重视。但是现有的电动车所使用的无刷直流电机调速控制器在工作时还存在着很多问题。其中，在小转矩情况下的电机转矩脉动是一个重要的缺陷因素。传统的无刷直流电机调速控制器始终工作在输出六拍波的模式下，以模拟传统直流电机的机械换相输出方波电流，该方案具有直流母线电压利用率高，简单可靠的优点。但是在小转矩下，由于六拍波本身的谐波成分较高以及电机的齿槽效应等因素导致的电机转矩脉动，会为电机的工作带来一系列不利影响。如产生较大的噪音、造成机械磨损并造成电机工作效率的降低等。目前，已有的解决方案从大体上来看，是从两方面着手:一方面旨在降低无刷直流电机控制器输出电流的谐波，具体来说即改变无刷直流电机控制器的调制方法，优化现有的输出电流波形。例如现有技术中，一种按照无刷直流电机工作角区间周期性进行线性调制——过调制——线性调制的方案；另一方面旨在改进电机的机械结构，优化气隙磁场以降低由于齿槽效应导致的磁通突变造成的影响。如现有技术中，一种通过在转子芯中安装多个磁铁的方式，防止磁通的断开，最小化磁通的泄漏。事实上，基于空间电压矢量调制技术(SVPWM)的线性调制的方案已 经发展地极为成熟，但由于传统的基于SVPWM的过调制策略算法过于复杂，而仅使用线性调制的SVPWM方法则直接影响到直流母线电压利用率。因此这一问题亦限制了传统SVPWM方案在无刷直流电机控制器上的应用。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服无刷直流电机在小转矩条件下由于谐波原因引起的电机转矩脉动，使电机在运转过程中更加平稳的。本专利技术采用如下技术方案:—种基于磁链追踪的无刷直流电机控制方法，其特征在于:首先，根据无刷直流电机的期望转速 和期望转矩I确定一个基准磁链Ψ(η);再根据增量模型构造一个虚拟磁链f(〃)来逼近该基准磁链Ψ(η);最后根据逼近结果对应的状态来控制逆变器输出得到所需的PWM驱动。进一步的，所述期望转速 由期望相角的闭环控制实现，所述的期望相角Θ = nTA-2kn，k=l, 2，...，其通过与实际相角Θ求差，得到当前相位误差Δθ=6^-Θ，通过对角速度ω = ω+ρΛ Θ的调整，实现对期望相角#的闭环控制。进一步的，所述的实际相角Θ代表无刷直流电机转子角度位置，可由无刷直流电机的Hell元件信号瞬时采集。进一步的，所述的瞬时采集指在每个圆周中，Hell元件信号共有6次变化，变化时刻的转子角度位置分别代表.|，则通过监测Hell元件信号变化的瞬时，来采集实际相角Θ.进一步的，所述的基准磁链Ψ (η)，是无刷直流电机转子在α -β坐标系下以r为半径并按照角速度ω旋转的轨迹，其中，η表示按采样周期T离散化后的第η时刻；所述的半径广^; Uout为无刷直流电机输出相电压峰值，其值与期望力矩<成正比。 ^ 0.9475Λ'7,、进一步的，所述半径r的取值范围为(P，1π/ )，Ud为逆变器直流驱动电压;当时无刷直流电机可得到六拍波驱动，具有最大的电压利用率；当时无2π/4π/ 刷直流电机将工作在线性驱动，具有最小的谐波。进一步的,所述的虚拟磁链)在α-β坐标系可由增量模型φ(//)=φ(//-1) + Δφ(//)进行构造，其中i=0 5，该取值范围对应逆变器的开关状态；Ud为逆变器直流驱动电压，Te为电机的电磁转矩，且P(O)= MO)。进一步的，所述的逼近是指磁链增量Δφ( )在所述取值范围内确定一个最佳取值，使得虚拟磁链4〃)和基准磁链Ψ(η)在α-β坐标系下的范数距离最小。进一步的，计算取值范围的所有磁链增量Δφ(〃)并确定每个扇区Sector的候选开关状态；设置初始期望相位角θ~ = 0, <Ρ(0) = Φ);每经过一次采样周期，相位角增量Αθ(^ = θ^)-θ(,7-1)，其中#(〃)为按采样周期T离散化后的第η时刻的期望相位角；所述的逼近具体包括如下步骤:I) η=η+1,期望相位角I更新,并求取当前相位角#下,正交二轴系下的基准磁链Ψ (η),即 #() =卢(-1) + Δ0Ο), Ψ (η) = | I Ψ I I {sin[ Θ (n)]，-cos[ θ (η)]}';2)计算并读取当前相位角Θ所处的扇区Sector,分别计算当前扇区Sector下的每个候选磁链增量与上一时刻虚拟磁链相叠加后与基准磁链ψ (η)之间的范数距离即4 >||Δφ竹&_/■)卜求取最佳输出状态^ BPΓ = min/ (r)；3)逆变器输出该f状态；4)计算当前虚拟磁链.φ(//),即<p(+ ΔφM ,并返回到(I)。进一步的，所述的逼近结果对应的状态指最佳取值所对应的逆变器开关状态。由上述对本专利技术的描述可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果:本专利技术所采用的基于磁链追踪的无刷电机控制方法，是通过以理想磁链圆为基准，不考虑空间电压矢量的合成，而直接通过逆变器开关状态所产生的磁链增量来跟踪基准磁链圆，从而形成PWM波的策略。由于抛弃了合成的思路，而直接考虑以七个空间磁链增量矢量来逼近基准磁链圆。故在小转矩下，基准磁链圆半径很小，该方法可以通过线性调制手段，追踪出一个误差很小的磁链圆。表现在输出的PWM波特性上，就可以实现一个谐波成分极小的定子相电流输出；而在大转矩下，基准磁链圆半径很大，超过了该方法追踪能力的极限，因此按照空间距离最小的原则，该方法最终会追踪出一个正六边形的“磁链圆”。表现在输出的PWM波特性上，就可以实现六拍波输出。综上所述，该方法可以统一处理在SVPWM方法当中需要分阶段对待的过调制策略，可以根据转矩要求实现从线性调制到六阶梯模式的连续平滑过渡。同时该方法运算量较小，过渡自然。附图说明图1为本专利技术的控制方法流程示意图；图2为本专利技术无刷直流电机控制器控制系统框图；图3为本专利技术的6个扇区的候选状态列表；图4为随着基准磁链半径增大，无刷直流电机动线性调制状态输出到过调制(六拍波)状态输出时线电压的PWM波形变化。具体实施例方式以下通过具体实施方式对本专利技术作进一步的描述。无刷直流电机与有刷直流电机相比，最大的区别是由电子换向取代了机械换向一直流有刷电机是通过机械换向器将直流电流转化为近似梯形波的交流送入电枢的，而无刷直流电机是通过电子换向器将直流电流转换为准方波电流送入电枢。但是由于六拍波含有的谐波分量会产生六次谐波转矩，故在大转矩条件下，这个纹波有可能会被转子惯量过滤掉。但是在小转矩条件下，它将使转子速度发生波动，严重影响速度的稳定性，同时也会对位置伺服系统的定位精度和重复性造成一定影响。探究电机调速的过程，会发现其实质就是使电机定子获得一个转矩可变的圆磁场。传统的SVPWM方法是从供电电源的角度出发，通过逆变器的开关模式组合形成空间电压矢量，来跟踪期望的旋转电压。但是由于该方法是通过合成的原理来间接实现对电压的跟踪，故在过调制区，旋转电压矢量无法被直接合成，就需要采用特殊的过调制算法来实现过调制区的电压合成目的。本专利技术所采用的磁链本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁链追踪的无刷直流电机控制方法，其特征在于：首先，根据无刷直流电机的期望转速和期望转矩确定一个基准磁链ψ(n)；再根据增量模型构造一个虚拟磁链来逼近该基准磁链ψ(n)；最后根据逼近结果对应的状态来控制逆变器输出得到所需的PWM驱动。FDA00003075644000011.jpg,FDA00003075644000012.jpg,FDA00003075644000013.jpg

【技术特征摘要】
1.一种基于磁链追踪的无刷直流电机控制方法，其特征在于:首先，根据无刷直流电机的期望转速i和期望转矩I确定一个基准磁链ψ (η);再根据增量模型构造一个虚拟磁链免(〃)来逼近该基准磁链Ψ(η);最后根据逼近结果对应的状态来控制逆变器输出得到所需的PWM驱动。2.如权利要求1所述的一种基于磁链追踪的无刷直流电机控制方法，其特征在于:所述期望转速6由期望相角#的闭环控制实现，所述的期望相角 = η ，k=l, 2，...，其通过与实际相角Θ求差，得到当前相位误差Δθ=θ-Θ，通过对角速度ω = ω+ρΛ Θ的调整，实现对期望相角Θ'的闭环控制。3.如权利要求2所述的一种基于磁链追踪的无刷直流电机控制方法，其特征在于:所述的实际相角Θ代表无刷直流电机转子角度位置，可由无刷直流电机的Hell元件信号瞬时米集。4.如权利要求3所述的一种基于磁链追踪的无刷直流电机控制方法，其特征在于:所述的瞬时采集指在每个圆周中，Hell元件信号共有6次变化，变化时刻的转子角度位置分别代表f，则通过监测Hell元件信号变化的瞬时，来采集实际相角Θ。5.如权利要求1所述的一种基于磁链追踪的无刷直流电机控制方法，其特征在于:所述的基准磁链Ψ (η)， 是无刷直流电机转子在α-β坐标系下以r为半径并按照角速度ω旋转的轨迹，其中，η表示按采样周期T离散化后的第η时刻；所述的半径Z =Uout为无刷直流电机输出相电压峰值，其值与期望力矩尤成正比。6.如权利要求5所述的一种基于磁链追踪的无刷直流电机控制方法，其特征在于:所 0.9475/7,O 9475/7述半径r的取值范围为(O, ^ ，Ud为逆变器直流驱动电压；当〃 时无刷直 2 兀/2ττ/流电机可得到六拍波驱动，具有最大的电压利用率；当〃时无刷直流电机将工作在线性驱动，具有最小的谐波。7.如权利要求1所述的一种基于磁链...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴德会，陈俊，李超，游德海，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：