本發(fā)明屬于電機控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及無刷直流電機電流變化率積分等值控制方法。

背景技術(shù)：

無刷直流電機與傳統(tǒng)有刷直流電動機相比,是用電子換向取代原直流電動機的機械換向,并將原有刷直流電動機的定轉(zhuǎn)子顛倒，轉(zhuǎn)子采用永磁體，從而省去了機械換向器和電刷，其定子電流為方波，而且控制較簡單。

無刷直流電機的常用控制算法為6拍換向控制，該算法雖然可以實現(xiàn)電機的閉環(huán)調(diào)速，但是電流紋波較大，轉(zhuǎn)矩脈動較大。為減小轉(zhuǎn)矩脈動，提高系統(tǒng)地穩(wěn)態(tài)性能，可以使用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，該算法減小了電機的相電流紋波和轉(zhuǎn)矩脈動。

轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制圖1所示，直流電源為三相全橋逆變器提供母線電壓，三相全橋逆變器的三個橋臂中點分別連接電機的A、B、C三相電樞繞組，交流同步電機的轉(zhuǎn)軸上裝有轉(zhuǎn)子位置傳感器，由轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得電機的轉(zhuǎn)子位置信號θ_r，采用微分環(huán)節(jié)對電機的轉(zhuǎn)子位置信號θ_r進行求微分，獲得電機的實際轉(zhuǎn)子同步電角頻率ω_e，電機的期望轉(zhuǎn)子同步角頻率設(shè)定為與ω_e作差，所得差值依次經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)(即PI環(huán)節(jié))、限幅環(huán)節(jié)獲得電機的期望定子電流幅值I^*，利用電壓傳感器獲得為三相全橋逆變器供電的直流電源的母線電壓幅值U_dc，利用電流傳感器獲得無刷直流電機的三相定子電流的實際值I_a，I_b，I_c，

當三相定子電流的期望值為

當三相定子電流的期望值為

當三相定子電流的期望值為

當三相定子電流的期望值為

當三相定子電流的期望值為

當三相定子電流的期望值為

當三相定子電流的期望值為

求取電流差值

當ΔI_a≥0，開關(guān)管g1導(dǎo)通，開關(guān)管g2關(guān)斷；

當ΔI_a<0，開關(guān)管g1關(guān)斷，開關(guān)管g2開通；

當ΔI_b≥0，開關(guān)管g3導(dǎo)通，開關(guān)管g4關(guān)斷；

當ΔI_b<0，開關(guān)管g3關(guān)斷，開關(guān)管g4開通；

當ΔI_c≥0，開關(guān)管g5導(dǎo)通，開關(guān)管g6關(guān)斷；

當ΔI_c<0，開關(guān)管g5關(guān)斷，開關(guān)管g6開通。

然而，由于電流PI環(huán)的存在，影響了電機的動態(tài)性能。為提高電磁轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能，文獻《Direct Torque Control of Brushless DC Drives With Reduced Torque Ripple，IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS,VOL.41,NO.2,MARCH/APRIL2005,pp:599-608,Y Liu，ZQ Zhu，D Howe》提出了無刷直流電機的直接轉(zhuǎn)矩控制，其控制思想是在轉(zhuǎn)速外環(huán)仍采用PI環(huán)控制，但是將電流PI環(huán)變成了轉(zhuǎn)矩滯環(huán)，根據(jù)實際轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩之差直接選擇電壓矢量作用于電機，實際轉(zhuǎn)矩跟蹤給定轉(zhuǎn)矩的速度不受到PI參數(shù)的影響，提高了電機電磁轉(zhuǎn)矩的動態(tài)性能。

然而，電機的轉(zhuǎn)速控制仍然受到轉(zhuǎn)速PI環(huán)參數(shù)的影響。因此，如何在動態(tài)過程中使得轉(zhuǎn)速控制不受PI參數(shù)的影響是提高系統(tǒng)動態(tài)性能的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了無刷直流電機電流變化率積分等值控制方法。所述方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中負載突變時，電機的轉(zhuǎn)速控制受到轉(zhuǎn)速PI環(huán)參數(shù)影響的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

無刷直流電機電流變化率積分等值控制方法，所述無刷直流電機的控制系統(tǒng)包括直流電源、三相全橋逆變器、無刷直流電機、電壓傳感器、電流傳感器、轉(zhuǎn)子位置傳感器，所述直流電源并聯(lián)在所述三相全橋逆變器的母線兩端，所述三相全橋逆變器的三個橋臂中點分別連接所述電機的三相繞組的三個輸出端，每個所述橋臂中點與所述電機的一相繞組輸出端之間串聯(lián)一個電流傳感器用于測量電機的相電流，所述電壓傳感器并聯(lián)在三相全橋逆變器的母線兩端測量母線電壓，所述轉(zhuǎn)子位置傳感器與電機轉(zhuǎn)子同軸安裝用于測量電機的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，所述電流變化率積分等值控制方法，其特征在于：

針對所述無刷直流電機的負載突加過程和負載突卸過程分別進行電流變化率積分等值控制，所述負載突加過程分別按照增大相電流幅值和緩慢減小相電流幅值以及增大相電流幅值和快速減小相電流幅值兩種情形實現(xiàn)電流變化率積分等值控制；所述負載突卸過程分別按照增大相電流幅值和緩慢減小相電流幅值以及增大相電流幅值和快速減小相電流幅值兩種情形實現(xiàn)電流變化率積分等值控制；

所述負載突加過程中，增大相電流幅值和緩慢減小相電流幅值的電流變化率積分等值控制方法，其步驟如下：

步驟1.1.1：測定無刷直流電機的定子電感L和定子電阻R；

步驟1.1.2：利用有限元仿真獲得電機的反電勢系數(shù)K_e，利用速度傳感器獲得電機的轉(zhuǎn)速n，K_e與n相乘獲得電機的空載反電勢幅值E＝K_en，利用電壓傳感器獲得母線電壓U_dc，利用電流傳感器獲得電機的相電流幅值i；

步驟1.1.3：負載突加的時刻記錄為t₀時刻，t₀時刻對進行二重積分，控制電機增大相電流幅值；

步驟1.1.4：t₁時刻電機轉(zhuǎn)速變化率為0，此時的二重積分值為

步驟1.1.5：在t₁時刻開始對進行二重積分，繼續(xù)控制電機增大相電流幅值；

步驟1.1.6：當時，此時時刻為t₂，從t₂開始，控制電機緩慢減小相電流幅值；

步驟1.1.7：在t₃時刻，電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)；

所述無刷直流電機負載突加過程中，增大相電流幅值和快速減小相電流幅值的電流變化率積分等值控制方法，其步驟如下：

步驟1.2.1：測定無刷直流電機的定子電感L和定子電阻R；

步驟1.2.2：利用有限元仿真獲得電機的反電勢系數(shù)K_e，利用速度傳感器獲得電機的轉(zhuǎn)速n，K_e與n相乘獲得電機的空載反電勢幅值E＝K_en，利用電壓傳感器獲得母線電壓U_dc，利用電流傳感器獲得電機的相電流幅值i；

步驟1.2.3：負載突加的時刻記錄為t₀時刻，t₀時刻對進行二重積分，控制電機增大相電流幅值；

步驟1.2.4：t₁時刻電機轉(zhuǎn)速變化率為0，此時的二重積分值為

步驟1.2.5：在t₁時刻開始對進行二重積分，繼續(xù)控制電機增大相電流幅值；

步驟1.2.6：當時，此時時刻為t₂，從t₂開始，控制電機快速減小相電流幅值；

步驟1.2.7：在t₃時刻，電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)；

所述無刷直流電機負載突卸過程中，增大相電流幅值和緩慢減小相電流幅值的電流變化率積分等值控制方法，其步驟如下：

步驟2.1.1：測定無刷直流電機的定子電感L，定子電阻R；

步驟2.1.2：利用有限元仿真獲得電機的反電勢系數(shù)K_e，利用速度傳感器獲得電機的轉(zhuǎn)速n，K_e與n相乘獲得電機的空載反電勢幅值E＝K_en，利用電壓傳感器獲得母線電壓U_dc，利用電流傳感器獲得電機的相電流幅值i；

步驟2.1.3：負載突加的時刻記錄為t₀時刻，t₀時刻電機開始對進行二重積分，控制電機緩慢減小相電流幅值；

步驟2.1.4：t₁時刻電機轉(zhuǎn)速變化率為0，此時的二重積分值為

步驟2.1.5：在t₁時刻開始對進行二重積分，繼續(xù)控制電機緩慢減小相電流幅值；

步驟2.1.6：當時，此時時刻為t₂，從t₂開始，控制電機增大相電流幅值；

步驟2.1.7：在t₃時刻，電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)；

所述無刷直流電機負載突卸過程中，增大相電流幅值和快速減小相電流幅值的電流變化率積分等值控制方法，其步驟如下：

步驟2.2.1：測定無刷直流電機的定子電感L，定子電阻R；

步驟2.2.2：利用有限元仿真獲得電機的反電勢系數(shù)K_e，利用速度傳感器獲得電機的轉(zhuǎn)速n，K_e與n相乘獲得電機的空載反電勢幅值E＝K_en，利用電壓傳感器獲得母線電壓U_dc，利用電流傳感器獲得電機的相電流幅值i；

步驟2.2.3：負載突加的時刻記錄為t₀時刻，t₀時刻電機開始對進行二重積分，并控制電機快速減小相電流幅值；

步驟2.2.4：t₁時刻電機轉(zhuǎn)速變化率為0，此時的二重積分值為

步驟2.2.5：在t₁時刻開始對進行二重積分，繼續(xù)控制電機快速減小相電流幅值；

步驟2.2.6：當時，此時時刻為t₂，從t₂開始，控制電機增大相電流幅值；

步驟2.2.7：在t₃時刻，電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提出了無刷直流電機電流變化率積分等值控制方法。所述控制方法在電機負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化的動態(tài)過程中，根據(jù)相電流變化率二重積分相等的原則，準確計算出增大相電流幅值的矢量的作用時間、減小相電流幅值的矢量的作用時間以及不同矢量時間的切換時刻，使得電機轉(zhuǎn)速經(jīng)過一次降速、一次升速的過程即可收斂，轉(zhuǎn)速收斂時間最短，轉(zhuǎn)速動態(tài)紋波最小，使得任意負載突變的轉(zhuǎn)速收斂時間和轉(zhuǎn)速動態(tài)紋波不受轉(zhuǎn)速環(huán)PI參數(shù)的影響，使得調(diào)速系統(tǒng)具有最優(yōu)的動態(tài)性能。

附圖說明

圖1為無刷直流電機轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制框圖。

圖2為本發(fā)明無刷直流電機電流變化率積分等值控制方法系統(tǒng)框圖。

圖3為轉(zhuǎn)矩沖量平衡示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明提出的無刷直流電機電流變化率積分等值控制方法進行詳細說明：

圖2為本發(fā)明無刷直流電機電流變化率積分等值控制方法系統(tǒng)框圖。如圖2所示，所述無刷直流電機的控制系統(tǒng)包括直流電源、三相全橋逆變器、無刷直流電機、電壓傳感器、電流傳感器、轉(zhuǎn)子位置傳感器，所述直流電源并聯(lián)在所述三相全橋逆變器的母線兩端，所述三相全橋逆變器的三個橋臂中點分別連接所述電機的三相繞組的三個輸出端，每個所述橋臂中點與所述電機的一相繞組輸出端之間串聯(lián)一個電流傳感器用于測量電機的相電流，所述電壓傳感器并聯(lián)在三相全橋逆變器的母線兩端測量母線電壓，所述轉(zhuǎn)子位置傳感器與電機轉(zhuǎn)子同軸安裝用于測量電機的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。

當轉(zhuǎn)角θ_r在不同區(qū)間內(nèi)，無刷直流電機增大相電流幅值的矢量、緩慢減小相電流幅值的矢量以及快速減小相電流幅值的矢量的定義如下：

當增大相電流幅值的矢量為(0，0，0，1，1，0)，緩慢減小相電流幅值的矢量為(0，0，0，1，0，1)，快速減小相電流幅值的矢量為(0，0，1，0，1，0)，括號中6個數(shù)字分別代表開關(guān)管g1，g2，g3，g4，g5，g6的開關(guān)狀態(tài)，“0”表示開關(guān)管關(guān)斷，“1”表示開關(guān)管開通，下同；

當增大相電流幅值的矢量為(1，0，0，1，0，0)，緩慢減小相電流幅值的矢量為(1，0，1，0，0，0)，快速減小相電流幅值的矢量為(0，1，0，1，0，0)，

當增大相電流幅值的矢量為(1，0，0，1，0，0)，緩慢減小相電流幅值的矢量為(1，0，1，0，0，0)，快速減小相電流幅值的矢量為(0，1，0，1，0，0)，

當增大相電流幅值的矢量為(0，0，1，0，0，1)，緩慢減小相電流幅值的矢量為(0，0，1，0，1，0)，快速減小相電流幅值的矢量為(0，0，0，1，0，1)，

當增大相電流幅值的矢量為(0，1，1，0，0，0)，緩慢減小相電流幅值的矢量為(1，0，1，0，0，0)，快速減小相電流幅值的矢量為(1，0，0，1，0，0)，

當增大相電流幅值的矢量為(0，1，1，0，0，0)，緩慢減小相電流幅值的矢量為(1，0，1，0，0，0)，快速減小相電流幅值的矢量為(1，0，0，1，0，0)，

當三相定子電流的期望值為增大相電流幅值的矢量為(0，0，0，1，1，0)，緩慢減小相電流幅值的矢量為(0，0，1，0，1，0)，快速減小相電流幅值的矢量為(0，0，1，0，0，1)，

如圖2所示，當電機的負載發(fā)生突變時，設(shè)定電機的動態(tài)轉(zhuǎn)速閾值，當轉(zhuǎn)速期望值與轉(zhuǎn)速實際值ω_e的差值小于轉(zhuǎn)速閾值或者系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，電機采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制。

當大于或者等于轉(zhuǎn)速閾值，電機采用電流變化率積分等值控制方法，過程如下：

T_e為電機的電磁轉(zhuǎn)矩，E_a為電機a相空載反電勢，E_b為電機b相空載反電勢，E_c為電機c相空載反電勢，ω_r為電機的機械同步角頻率，T_L為電機的負載轉(zhuǎn)矩，J為電機的轉(zhuǎn)動慣量，D為電機的阻尼系數(shù)，

由于為電機常數(shù)，所以無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩與相電流幅值成線性關(guān)系。在電機負載變化后，ω_e重新等于時，在負載變化開始時刻對T_e進行時間積分得到的數(shù)值與在負載變化開始時刻對T_L進行時間積分得到的數(shù)值相等，在負載變化開始時刻，向電機發(fā)送增大相電流幅值的矢量，T_e增加，電磁轉(zhuǎn)矩增加過程中，分別對電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩對時間進行積分，計算T_e沖量A₁和T_L沖量A₃，然后向電機發(fā)送減小相電流幅值的矢量，T_e減小，電磁轉(zhuǎn)矩較小過程中，分別對電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩對時間進行積分，計算T_e沖量A₂和T_L沖量A₄，當A₁+A₂＝A₃+A₄，電機經(jīng)過一次降速和一次升速過程即可進入新的穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3所示。圖3為轉(zhuǎn)矩沖量平衡示意圖。

針對所述無刷直流電機的負載突加過程和負載突卸過程分別進行電流變化率積分等值控制，所述負載突加過程分別按照增大相電流幅值和緩慢減小相電流幅值以及增大相電流幅值和快速減小相電流幅值兩種情形實現(xiàn)電流變化率積分等值控制；所述負載突卸過程分別按照增大相電流幅值和緩慢減小相電流幅值以及增大相電流幅值和快速減小相電流幅值兩種情形實現(xiàn)電流變化率積分等值控制；

所述負載突加過程中，增大相電流幅值和緩慢減小相電流幅值的電流變化率積分等值控制方法，其步驟如下：

步驟1.1.1：測定無刷直流電機的定子電感L和定子電阻R；

步驟1.1.2：利用有限元仿真獲得電機的反電勢系數(shù)K_e，利用速度傳感器獲得電機的轉(zhuǎn)速n，K_e與n相乘獲得電機的空載反電勢幅值E＝K_en，利用電壓傳感器獲得母線電壓U_dc，利用電流傳感器獲得電機的相電流幅值i；

步驟1.1.3：負載突加的時刻記錄為t₀時刻，t₀時刻對進行二重積分，控制電機增大相電流幅值；

步驟1.1.4：t₁時刻電機轉(zhuǎn)速變化率為0，此時的二重積分值為

步驟1.1.5：在t₁時刻開始對進行二重積分，繼續(xù)控制電機增大相電流幅值；

步驟1.1.6：當時，此時時刻為t₂，從t₂開始，控制電機緩慢減小相電流幅值；

步驟1.1.7：在t₃時刻，電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)；

所述無刷直流電機負載突加過程中，增大相電流幅值和快速減小相電流幅值的電流變化率積分等值控制方法，其步驟如下：

步驟1.2.1：測定無刷直流電機的定子電感L和定子電阻R；

步驟1.2.2：利用有限元仿真獲得電機的反電勢系數(shù)K_e，利用速度傳感器獲得電機的轉(zhuǎn)速n，K_e與n相乘獲得電機的空載反電勢幅值E＝K_en，利用電壓傳感器獲得母線電壓U_dc，利用電流傳感器獲得電機的相電流幅值i；

步驟1.2.3：負載突加的時刻記錄為t₀時刻，t₀時刻對進行二重積分，控制電機增大相電流幅值；

步驟1.2.4：t₁時刻電機轉(zhuǎn)速變化率為0，此時的二重積分值為

步驟1.2.5：在t₁時刻開始對進行二重積分，繼續(xù)控制電機增大相電流幅值；

步驟1.2.6：當時，此時時刻為t₂，從t₂開始，控制電機快速減小相電流幅值；

步驟1.2.7：在t₃時刻，電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)；

所述無刷直流電機負載突卸過程中，增大相電流幅值和緩慢減小相電流幅值的電流變化率積分等值控制方法，其步驟如下：

步驟2.1.1：測定無刷直流電機的定子電感L，定子電阻R；

步驟2.1.2：利用有限元仿真獲得電機的反電勢系數(shù)K_e，利用速度傳感器獲得電機的轉(zhuǎn)速n，K_e與n相乘獲得電機的空載反電勢幅值E＝K_en，利用電壓傳感器獲得母線電壓U_dc，利用電流傳感器獲得電機的相電流幅值i；

步驟2.1.3：負載突加的時刻記錄為t₀時刻，t₀時刻電機開始對進行二重積分，控制電機緩慢減小相電流幅值；

步驟2.1.4：t₁時刻電機轉(zhuǎn)速變化率為0，此時的二重積分值為

步驟2.1.5：在t₁時刻開始對進行二重積分，繼續(xù)控制電機緩慢減小相電流幅值；

步驟2.1.6：當時，此時時刻為t₂，從t₂開始，控制電機增大相電流幅值；

步驟2.1.7：在t₃時刻，電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)；

所述無刷直流電機負載突卸過程中，增大相電流幅值和快速減小相電流幅值的電流變化率積分等值控制方法，其步驟如下：

步驟2.2.1：測定無刷直流電機的定子電感L，定子電阻R；

步驟2.2.2：利用有限元仿真獲得電機的反電勢系數(shù)K_e，利用速度傳感器獲得電機的轉(zhuǎn)速n，K_e與n相乘獲得電機的空載反電勢幅值E＝K_en，利用電壓傳感器獲得母線電壓U_dc，利用電流傳感器獲得電機的相電流幅值i；

步驟2.2.3：負載突加的時刻記錄為t₀時刻，t₀時刻電機開始對進行二重積分，并控制電機快速減小相電流幅值；

步驟2.2.4：t₁時刻電機轉(zhuǎn)速變化率為0，此時的二重積分值為

步驟2.2.5：在t₁時刻開始對進行二重積分，繼續(xù)控制電機快速減小相電流幅值；

步驟2.2.6：當時，此時時刻為t₂，從t₂開始，控制電機增大相電流幅值；

步驟2.2.7：在t₃時刻，電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)。

基于電流變化率控制策略在電機負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化的動態(tài)過程中，根據(jù)相電流變化率二重積分相等的原則，準確計算出增大相電流幅值的矢量的作用時間、減小相電流幅值的矢量的作用時間以及不同矢量時間的切換時刻，使得電機轉(zhuǎn)速經(jīng)過一次降速、一次升速的過程即可收斂，轉(zhuǎn)速收斂時間最短，轉(zhuǎn)速動態(tài)紋波最小，使得任意負載突變的轉(zhuǎn)速收斂時間和轉(zhuǎn)速動態(tài)紋波不受轉(zhuǎn)速環(huán)PI參數(shù)的影響，使得調(diào)速系統(tǒng)具有最優(yōu)的動態(tài)性能。