一種永磁無刷直流電機(jī)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電機(jī)控制應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種永磁無刷直流電機(jī)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁無刷直流電機(jī)（Brushless DC motor, BLDCM)由于結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性能好、功 率密度大，在工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有永磁無刷直流電機(jī)主要采 用轉(zhuǎn)速外環(huán)和負(fù)母線電流雙閉環(huán)的控制策略，利用觀測(cè)器獲得感應(yīng)電勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩以及采 樣獲得三相電機(jī)相電流等信息來研究減小永磁無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
[0003] 傳統(tǒng)所采用的雙閉環(huán)控制策略，利用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和 電流控制，但由于永磁無刷直流電機(jī)的非理想梯形感應(yīng)電勢(shì)和六個(gè)狀態(tài)的換相，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 并不能很好的被消除。然而，直接轉(zhuǎn)矩控制，電流優(yōu)化控制等先進(jìn)的方法被提出，用于抑制 非理想梯形波感應(yīng)電勢(shì)和換相續(xù)流等因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但在這些方法中難免用到復(fù)雜 的觀測(cè)器和較多的電流電壓傳感器，對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴也較明顯，復(fù)雜的算法和硬件的成 本或多或少的阻礙了其在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種永磁無刷直流電機(jī)控制方法，解決現(xiàn)有方法中能簡單的控制永磁 無刷直流電機(jī)，但不能有效的抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，或者能較好的抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但在控制軟件和 硬件上花銷太大的問題。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下： 一種永磁無刷直流電機(jī)控制方法，其步驟包括： 步驟1 :利用永磁無刷直流電機(jī)內(nèi)部霍爾傳感器獲得轉(zhuǎn)子位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)合電機(jī) 負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能，作為能量外環(huán)反饋，期望的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn) 換成給定動(dòng)能。
[0006] 步驟2 :轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的誤差經(jīng)過外環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到平均功率給定。
[0007] 步驟3 :直流側(cè)電壓和負(fù)母線電流在單個(gè)控制周期內(nèi)的積累，得到直流側(cè)輸出的 能量，進(jìn)而得到單個(gè)控制周期內(nèi)的平均功率，作為功率內(nèi)環(huán)反饋?zhàn)兞俊?br>[0008] 步驟4:平均功率的誤差利用能量脈沖調(diào)制方式，并結(jié)合實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子位置，配合功 率管導(dǎo)通關(guān)斷，由電機(jī)控制器從直流電源獲得負(fù)載所需的能量。。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是：通過轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能外環(huán)和單周期平均功率內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)環(huán)路設(shè) 計(jì)，依靠簡單的硬件負(fù)母線電流和直流側(cè)電壓采樣不變，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。同時(shí)，從能量傳輸 及波動(dòng)觀念的角度來抑制電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。避免了復(fù)雜的觀測(cè)器、算法和額外的 硬件成本。
[0010] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下限定。
[0011] 進(jìn)一步，所述步驟1包括：永磁無刷直流電機(jī)內(nèi)部三個(gè)霍爾元件，得到六個(gè)有效編 碼信號(hào)，用來確定轉(zhuǎn)子位置，利用一相霍爾信號(hào)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量別來計(jì)算轉(zhuǎn)子儲(chǔ)
[0012] 進(jìn)一步，所述步驟2包括：期望給定轉(zhuǎn)速//，轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子動(dòng)能給定
，動(dòng)能給定 與反饋電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，輸出所需的平均功率給定產(chǎn)_。
[0013] 進(jìn)一步，所述步驟3包括：直流電源電壓&由一個(gè)電壓傳感器獲得，直流電源負(fù) 母線電流由一個(gè)電流傳感器獲得，考慮在一個(gè)控制周期_內(nèi)的能量傳遞，積累的能量為
，進(jìn)而得到一個(gè)周期內(nèi)電源輸出的平均功率丨
進(jìn)一步，所述步驟4包括：外環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出的平均功率給定與實(shí)時(shí)采樣計(jì)算獲得 的平均功率誤差利用能量滯環(huán)的方式調(diào)節(jié)，分解到每個(gè)控制周期以脈沖能量的方式向外輸 出，并根據(jù)轉(zhuǎn)子所在六個(gè)區(qū)域中的某一個(gè)，調(diào)制特定的功率管。
[0014] 進(jìn)一步，所述硬件拓?fù)浼肮β势骷閮呻娖饺珮蚰孀冸娐泛蜕舷聵虮坶_關(guān)。
[0015] 采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是通過能量和功率流動(dòng)的思想，調(diào)整雙閉環(huán)的控 制變量，不額外增加硬件成本來實(shí)現(xiàn)永磁無刷直流電機(jī)的控制，并在實(shí)現(xiàn)能量不波動(dòng)的目 標(biāo)下間接抑制輸出電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明永磁無刷直流電機(jī)控制方法實(shí)施例的控制框圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明方法永磁無刷直流電機(jī)控制方法實(shí)施例的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖3為本發(fā)明永磁無刷直流電機(jī)控制方法實(shí)施例的控制周期內(nèi)能量脈沖示意圖。
[0019] 圖4為沒有本發(fā)明方法控制時(shí)負(fù)母線電流和電機(jī)三相電流波形。
[0020] 圖5為本發(fā)明方法永磁無刷直流電機(jī)控制方法實(shí)施例的控制時(shí)負(fù)母線電流和電 機(jī)三相電流波形。
[0021] 圖6為永磁無刷直流電機(jī)理想梯形感應(yīng)電勢(shì)示意圖。
[0022] 圖7為永磁無刷直流電機(jī)實(shí)際非理想梯形感應(yīng)電勢(shì)實(shí)測(cè)波形。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0024] 如圖1所示，一種永磁無刷直流電機(jī)控制方法，其具體實(shí)施過程如下： 過程1 :根據(jù)霍爾信號(hào)確定轉(zhuǎn)子位置和速度計(jì)算。
[0025] 過程2 :轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能外環(huán)設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)器輸出內(nèi)環(huán)給定。
[0026] 過程3 :功率內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)和滯環(huán)方式的能量脈沖調(diào)節(jié)器輸出控制功率器件。
[0027] 其中過程1包括以下具體步驟： 電機(jī)內(nèi)部三個(gè)霍爾信號(hào)輸出，共得到八種編碼信號(hào)（〇〇〇,011，001，101，100, 110， 010, 111 )，其中000和111為錯(cuò)誤信號(hào)，剩余六種信號(hào)將電機(jī)轉(zhuǎn)子分為六個(gè)電角度均為60 ° 的區(qū)域，因此轉(zhuǎn)子位置可以由這三個(gè)霍爾信號(hào)六種編碼信號(hào)確定。
[0028] 根據(jù)某一霍爾信號(hào)，軟件計(jì)算電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；某一霍爾信號(hào)在0和1之間跳變，也 即永磁體磁鋼N和S極轉(zhuǎn)過固定在定子上的霍爾元件，因此在預(yù)知電機(jī)的極對(duì)數(shù)MP跳變 時(shí)間間隔拍勺情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際速度λ就能被計(jì)算出來。
[0029]
其中過程2包括以下具體步驟： 轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能外環(huán)反饋，由過程1中得到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，動(dòng) 能給定也相應(yīng)由速度給定轉(zhuǎn)換過來，能量誤差森__作為外環(huán)調(diào)節(jié)器輸入。
[0030]
外環(huán)PI調(diào)節(jié)器對(duì)誤差調(diào)節(jié)輸出內(nèi)環(huán)平均功率給定產(chǎn)_，調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為毛，積分系 數(shù)為尤。
[0031]
其中過程3包括以下具體步驟： 功率內(nèi)環(huán)反饋項(xiàng)/從直流電源能量傳遞思路，并在單個(gè)控制周期內(nèi)進(jìn)行積分計(jì) 算，其中需要一個(gè)電壓傳感器獲得直流側(cè)電壓一個(gè)電流傳感器獲得負(fù)母線電流4。
[0032]
如圖2所示本發(fā)明實(shí)施例的控制結(jié)構(gòu)圖，功率內(nèi)環(huán)誤差:涵:，利用能量滯環(huán)方式的脈 沖調(diào)制方法借助實(shí)際硬件拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，將脈沖能量在每一個(gè)控制周期內(nèi)送給電機(jī)及負(fù) 載。由內(nèi)環(huán)誤差經(jīng)內(nèi)環(huán)滯環(huán)調(diào)節(jié)器及電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)4導(dǎo)到電機(jī)相電流，再根據(jù)電 機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)々7得到電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
[0033] 其中代表電機(jī)軸的粘結(jié)系數(shù)。
[0034] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的控制周期內(nèi)能量脈沖示意圖，解釋過程3中能量脈沖調(diào)節(jié)， 設(shè)定功率的上限值/^/#和給定平均值戶_;上限值冬?Λ/決定開關(guān)的導(dǎo)通，即功率上升時(shí)間 匕;為了利用脈沖能量等效給定平均功率，開關(guān)管的關(guān)斷，即功率的下降時(shí)間? σ//由計(jì)算獲 得，因此調(diào)制周期7；不定。
[0035]
圖4為沒有本發(fā)明方法控制時(shí)負(fù)母線電流&和電機(jī)三相電流波形，圖中負(fù)母線電 流和三相電流出現(xiàn)較大的波動(dòng)，一般認(rèn)為直流側(cè)電壓幾乎不波動(dòng)，因此可知沒有本發(fā)明方 法控制時(shí)直流電源輸出能量波動(dòng)，也即反應(yīng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；圖5為本發(fā)明方法控制時(shí) 負(fù)母線電流&和電機(jī)三相電流&D波形，圖中負(fù)母線電流基本平穩(wěn)，反應(yīng)能量傳輸平穩(wěn)， 輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)；本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，圖5中所示三相電流成下凹弧月牙狀， 正是因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)出的永磁無刷直流電機(jī)的永磁體磁鋼磁場并非理想的梯形波，如圖6所 示為永磁無刷直流電機(jī)理想梯形感應(yīng)電勢(shì)示意圖和圖7所示為永磁無刷直流電機(jī)實(shí)際非 理想梯形感應(yīng)電勢(shì)實(shí)測(cè)波形，需要圖5中所示形狀的三相電流i 3, iA，Λ來補(bǔ)償電機(jī)自身的 非理想梯形波感應(yīng)電勢(shì)e3, ％ 使得它們乘積不變，也即電機(jī)輸出功率平穩(wěn)，在電機(jī) 運(yùn)行的某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下輸出轉(zhuǎn)矩'&_才會(huì)平穩(wěn)，圖中平穩(wěn)的負(fù)母線電流正好說明這一 點(diǎn)，#表示電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行的角速度。
[0036]
由以上的說明可知，按照一種永磁無刷直流電機(jī)控制方法和具體的實(shí)施方式，可以得 到較好的永磁無刷直流電機(jī)控制，且在避免增加復(fù)雜的觀測(cè)器和較多的傳感器情況下有效 的抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
[0037] 以上所述為本發(fā)明方法的較佳實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神 和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種永磁無刷直流電機(jī)控制方法，其步驟包括： 步驟1:利用永磁無刷直流電機(jī)內(nèi)部霍爾傳感器獲得轉(zhuǎn)子位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)合電機(jī) 負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能，作為能量外環(huán)反饋，期望的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn) 換成給定動(dòng)能； 步驟2 :轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的誤差經(jīng)過外環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到平均功率給定； 步驟3 :直流側(cè)電壓和負(fù)母線電流在單個(gè)控制周期內(nèi)的積累，得到直流側(cè)輸出的能量， 進(jìn)而得到單個(gè)控制周期內(nèi)的平均功率，作為功率內(nèi)環(huán)反饋?zhàn)兞浚? 步驟4 :平均功率的誤差利用能量脈沖調(diào)制方式，并結(jié)合實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子位置，配合功率管 導(dǎo)通關(guān)斷，由電機(jī)控制器從直流電源獲得負(fù)載所需的能量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁無刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于所述步驟1包括： 利用某一相電機(jī)內(nèi)部霍爾元件輸出的跳變信號(hào)，結(jié)合跳變信號(hào)所用的時(shí)間間隔以及永 磁無刷直流電機(jī)的極對(duì)數(shù)，計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度； 借助永磁無刷直流電機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，將轉(zhuǎn)速外環(huán)設(shè)計(jì)調(diào)整為轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能外環(huán)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁無刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于，步驟3中所述單個(gè) 控制周期內(nèi)的平均功率由直流電源的電壓和輸出負(fù)母線電流在單個(gè)控制周期內(nèi)的瞬時(shí)功 率積累得到。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁無刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于所述步驟4包括： 外環(huán)輸出平均功率給定和實(shí)際計(jì)算平均功率產(chǎn)生的誤差，利用能量滯環(huán)的方式，將能 量脈沖經(jīng)由電機(jī)控制器傳送到負(fù)載。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種永磁無刷直流電機(jī)控制方法。該方法包括設(shè)計(jì)調(diào)整轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存動(dòng)能作為外環(huán)控制，直流電源輸出平均功率作為內(nèi)環(huán)控制，并利用能量滯環(huán)的調(diào)制方式對(duì)永磁無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)避免增加復(fù)雜的觀測(cè)器和額外的硬件檢測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)能量傳輸平穩(wěn)，抑制輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本發(fā)明所述的方法具有簡單實(shí)用，控制方便，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速和系統(tǒng)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。
【IPC分類】H02P6/10, H02P6/16
【公開號(hào)】CN105099290
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510449808
【發(fā)明人】姜衛(wèi)東, 胡楊, 趙德勇, 汪磊, 黃輝, 王永生
【申請(qǐng)人】合肥工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年7月29日