无刷直流电机的基波法无位置传感器直接转矩控制系统

摘要

一种涉及无位置传感器技术的无刷直流电机基波法直接转矩控制系统，包括无刷直流电机(1)，功率变换器(2)，变换器控制信号(3)，基于数字控制信号处理器的控制系统(4)，模数转换器A/D(5)及电流、电压传感器(6)。去掉了常用的位置传感器和电流闭环电路。其直接转矩控制方法是，在每个控制周期中，根据检测到的电流、电压，计算出磁链和转矩，将其和给定基波磁链、给定转矩相比较，由比较结果和磁链所在的空间位置，直接选用最优的空间电压矢量通过功率变换器作用于无刷直流电机，达到调速的目的。由于删除了位置传感器，该系统结构简单、坚固可靠、造价低。调速比可达1∶150，能广泛适用于军工和民用的要求。

说明书

技术领域

本发明所涉及的是一种采用无位置传感器直接转矩控制的无刷直流电机调速系统，

背景技术：

用交流调速技术达到节能的效果是众所周知的事情，而永磁电机由于使用了稀土永磁材料，节能效果更为显著。我国是稀土金属大国，多年来在推广稀土永磁电机的应用；另外，交流调速技术还能提高各种动态、静态性能，使加工质量或系统运行综合品质得到提高。因此，永磁电机的调速技术是一个应用非常广泛，对国民经济大面积有影响的技术。

永磁电机包括两种类型，一类是无刷直流电机，一类是交流正弦永磁电机。事实上这两类都是交流电机，只是第一类的特性有如直流电机，但它无刷，所以叫其为无刷直流电机，它即是永磁方波电机。1996年，本申请人之一在澳大利亚新南威尔士大学工作期间和澳方学者首次提出了交流正弦永磁电机的直接转矩控制方案，并在1997年美国IEEE PE杂志上公开了其成果，未申请专利。此后，该技术的研究在国外和国内同时兴起，已发表了许多论文，有很大进展。但是还未有人把直接转矩控制直接应用到无刷直流电机上，而无刷直流电机在家电、一般工业用品上使用上非常广泛，如冰箱、洗衣机、空调都在大量使用无刷直流电机。无刷直流电机弱磁较困难，调速范围受到限制，期待发明新的控制方法能克服这些弱点。

发明内容

本发明的目的在于将两种先进技术应用到无刷直流电机上，以求扩大它的调速范围和提高动态性能。一种先进技术是无位置传感器技术，它不是利用电机反电动势的无位置传感器技术，而是检测瞬时电流，经过建立的转速数学模型计算出瞬时转速，这种技术能扩大低速的运行范围。另一种先进技术是直接转矩控制技术，它能提高系统的动态性能，且能改善弱磁的状况。扩大电机的高速运行范围。这两个技术相结合，能使无位置传感器的无刷直流电机调速范围达到1∶150。

为实现上述技术指标，本发明的技术解决方案是，硬件系统由主回路，检测回路，控制回路三大部分组成。主回路由无刷直流电机、功率变换器串联，由功率变换器接到供电电网；检测回路由电流传感器和电压传感器所组成；控制回路由模数转换器连于基于数字信号处理器(DSP)的控制单元，产生功率变换器控制信号，再连于变换器控制信号处理单元所组成。在检测回路中，删除了常用的位置传感器(或者电机三相交流反电势过零位置检测器)；在控制回路中删除了电流闭环线路。

本发明无位置传感器的尤刷直流电机基波法直接转矩控制系统的控制方法是：在每一个控制周期中，根据检测到的电流、电压，计算出瞬时磁链和瞬时转矩，并且根据建立的转速数学模型，计算出瞬时转速(此即为无位置传感器技术)；由给定转速和计算出的瞬时转速，经由速度调节器，得到给定转矩。将瞬时磁链和给定基波磁链比较，瞬时转矩和给定转矩比较，由比较的结果和磁链所在的空间位置，直接选用最优的电力电子变换器空间电压矢量作用于无刷直流电机，使其达到调速的目的。而基波给定磁链是由电机设计给出。

本控制方法，计算简单，受电机参数影响小，系统的动态响应好，调速范围宽。同时由于去掉了位置传感器和电流闭环，整个系统结构简单，提高了可靠性。

附图说明：

图1是无刷直流电机的基波法无位置传感器直接转矩控制系统的组成框图

图2是磁链轨迹示意图

图3是无刷直流电机的基波法无位置传感器直接转矩控制系统框图

图1中各框图内的编号名称分别是；1、无刷直流电机，2、功率变换器，3、变换器控制信号，4、基于数字控制信号处理器的控制系统，5、模数转换器A/D，6、电流传感器和电压传感器。

图2中符号名称：U₁～U₆-空间电压矢量，θ₁～θ₆-定子磁链所在空间均分的六个区域。

图3中符号名称：Ψ^*-定子基波磁链的幅值给定值，T^*-电压调节器输出转矩给定值，Ψ-定子磁链，T-转矩瞬时值，Φ-磁链环迟滞比较器输出值，τ-转矩环迟滞比较器输出值，θ-定子磁场所在空间均分的六个区域输出值，S₁、S₂、S₃-三个开关状态，U_α、I_α-永磁无刷直流电机线电压和线电流在α-β坐标系中α轴上的投影，U_β、I_β-永磁无刷直流电机线电压和线电流在α-β坐标系中β轴上的投影，Ψ_α、Ψ_β-永磁无刷直流电机定子磁链Ψ在α-β坐标系中α轴和β轴向的投影，U_dc、I_dc-输出的直流电压和电流。图中各框图内名称，依据信号方向依次是：电压、电流检测，坐标变换，磁链估计，磁链给定，磁链环迟滞比较器，转矩估计，速度估计，速度给定，转速调节，转矩环迟滞比较器，磁链扇区确定，开关表，还有主电路中的永磁无刷直流电机(BLDC MOTOR)及IGBT三相桥。

具体实施方法：

根据附图叙述本发明的具体实施方法及工作原理和工作过程。由图1可知，本发明的无位置传感器无刷直流电机直接转矩控制系统包括由无刷直流电机1、功率变换器2二者连接而成的主回路；由电流传感器、电压传感器6组成的检测回路，由模数转换器A/D5连于基于数字信号处理器(DSP)的控制系统4后再连于变换器控制信号3所组成的控制回路。功率变换器中的功率管可采用IGBT功率管或功率场效应管；电流电压传感器可为霍尔传感器，也可为采样电阻。传感器将主回路上的电流和电压，转变为弱电的模拟电压信号，进入模数转换器A/D，由它将模拟信号转换为数字信号，再送给DSP控制系统所用。根据取得的信号和本发明的直接转矩控制策略，计算出瞬时转速，确定磁链所处的空间扇区，并计算出发出的控制信号，经由变换器控制信号3，发出6位脉冲信号去控制主回路中的功率变换器。

本发明在检测回路中，删除了常用的位置传感器；在控制回路中，删除了电流闭环线路(此处的交流电流i_信号不作电流闭环用，只作为计算瞬时转速，确定磁链位置和计算瞬时电磁转矩所需要的信号)。

本发明基于无位置传感器无刷直流电机直接转矩控制系统，通过电力电子变换器采用直接选用最优的空间电压矢量作用于无刷直流电机的方法直接控制电磁转矩，使电机快速改变转速，达到快速调速的目的。

本控制方法的基本原理叙述如下：

以往的无刷直流电机调速系统都是通过位置传感器来测定转子位置，从而确定主功率开关的触发信号，实现与直流电机换向类似的电子换向。一旦附加的位置传感器失效，无刷直流电机将不能工作。近年来用户纷纷要求革除故障率高的位置传感器、使系统更加简化和紧凑，无位置传感器技术得到迅速发展。一般的无刷直流电机调速系统都采用检测电机不通电相的反电势的过零点信号来确定转子位置和计算转速，但是电机反电动势的大小总和电机转速成正比，转速低时，反电势很弱，信噪比差，无法检测。因此这种无位置传感器技术不能用于速度低的场合，局限性很大。本发明则采用建立转速数学模型的方法，用检测的瞬时电流、选用的空间电压矢量和计算出的磁链来计算出转速，由于电流、空间电压矢量、磁链都和转速的高低没有关系，因此，只要数学模型构造正确，理论上它能计算出很低转速下的转速，由于无刷直流电机所应用的场合多为一般性的场合，为使计算简单，本处选用的如下数学模型：

在定子静止坐标系中，有：

$>>>\psi >s>>=>>>d>>\theta >s>>>dt>>=>>>ver>>\psi >·>>\beta >>>\psi >\alpha >>->ver>>\psi >·>>\alpha >>>\psi >\beta >>>sup>>\psi >\alpha >2sup>>+sup>>\psi >\beta >2sup>>>>>s>$

由于电机中有关系式：

$>>>>ver>>\psi >·>>\alpha >>=>U>>\alpha >>->>i>\alpha >>>R>s>>>s>$

$>>ver>>\psi >·>>\beta >>>>=>U>>\beta >>->>i>\beta >>>R>s>>>s>$

于是：

$>>>\omega >s>>=>>>>(>>U>\beta >>->>i>\beta >>>R>s>>)>>>\psi >\alpha >>->>(>>U>\alpha >>->>i>\alpha >>>R>s>>)>>>\psi >\beta >>>sup>>\psi >\alpha >2sup>>+sup>>\psi >\beta >2sup>>>>>s>$

式中：ω_s为电机中的同步转速，U_α、U_β为选用的空间电压矢量在α、β轴上的投影；i_α、i_β为电流矢量在α、β轴上的投影，Ψ_α、Ψ_β为定子磁链在α、β轴上的投影，R_s为电机定子的电阻。

由于无刷直流电机本质上属永磁同步电机，同步电机的特征是在稳态时转子转速ω_r等于同步转速ω_s，因此ω_r＝ω_s。

计算出的瞬时转速ω_r和给定转速ω_r^*送入转速调节器，根据其差给出给定转矩。实际的转矩可由磁链和电流计算得到。如果实际的转矩小于给定转矩，就增加定子磁链和转子磁链的夹角。如果实际转矩大于给定转矩，就减小这个夹角。如果实际转矩基本上等于给定的转矩，则应该保持这个夹角不变。而控制周期内转子磁链的方向变化不大，这个夹角由定子磁链的方向决定。因此，实际上只要通过控制定子磁链的方向就能实现这个夹角的改变。而定子磁链受空间电压矢量的影响，即定子磁链矢量的矢尖轨迹将沿着所选空间运动电压矢量的方向运动，选择不同的空间运动电压矢量将使定子磁链的幅值和方向变化。若选择零矢量，则定子磁链矢量不变，即保持定子磁链矢量的角度。因此，按照一定规则选择恰当的空间电压矢量就可控制定子磁链矢量按所需的运动轨迹运动。对于交流正弦永磁电机，所需的定子磁链运动轨迹是个圆，但是，对于方波电机(即无刷直流电机)，则该磁链并不是一个圆，它的基波才是圆。本发明的特点就在于将该基波作为所需的运动轨迹进行控制。此时，控制方案还必须满足基波磁链圆幅值恒定的条件。于是定子磁链矢量的矢尖应被控制成按圆形轨道运动。图2所示的就是定子磁链轨迹示意图。图中分为6个不同扇区，在圆周六个不同扇区存在着各自相应的使磁链运动轨迹沿着圆周运动的最佳空间电压矢量，因为只有六个运动矢量可选，致使定子磁链矢量的运动轨迹实际上是如图2所示的折线。但因为实际的控制周期极短，运动轨迹近似为圆形，保证了定子磁链幅值不变的条件。要迅速改变电磁转矩是通过快速改变定子磁链的角度达到的。改变定子磁链的旋转速度是通过选择恰当的运动矢量和插入零矢量实现的。据此，通过在每一个极短的控制周期中从八个空间电压矢量中选择最优空间电压矢量，一方面纠正定子磁链运动轨迹与给定轨迹的偏差；另一方面尽快地改变定子磁链与转子磁链的夹角。按照不同的扇区和磁链、转矩变化的条件，可总结给出一个如下表所示的最优空间电压矢量的开关表。

  φ  τ  θ₁  θ₂  θ₃  θ₄  θ₅  θ₆  1  1  U₂(110)  U₃(010)  U₄(011)  U₅(001)  U₆(101)  U₁(100)  0  U₇(111)  U₀(000)  U₇(111)  U₀(000)  U₇(111)  U₀(000)  -1  U₆(101)  U₁(100)  U₂(110)  U₃(010)  U₄(011)  U₅(001)  -1  1  U₃(010)  U₄(011)  U₅(001)  U₆(101)  U₁(100)  U₂(110)  0  U₀(000)  U₇(111)  U₀(000)  U₇(111)  U₀(000)  U₇(111)  -1  U₁(100)  U₂(110)  U₃(010)  U₄(011)  U₅(001)  U₆(101)

实现无刷直流电机无位置传感器的基波法直接转矩控制的框图如图3所示。本系统的控制环节分为转矩控制环与磁链控制环，均采用乒乓(Band-Band)控制。采用圆形磁链轨迹，定子磁链的幅值给定值由电机的基波磁链给出，它是电机设计时的一个电机参数。转速调节器根据检测的转速和给定转速给出无刷直流电机转矩控制的给定值T^*。定子磁链Ψ与转矩的瞬时值T，可用电机模型观测计算得到，再分别与其给定值通过迟滞比较器比较后结合磁链所在的位置按上表来选取最优空间电压矢量。θ和τ分别为磁链环和转矩环中迟滞比较器的输出。φ＝1，要求采用使|Ψ_s|增加或保持的矢量，φ＝-1，则采用使|Ψ_s|减小或保持的矢量。τ＝1，要求转矩增大，采用运动矢量使定子磁链相对转子磁链的角度增大；τ＝0，则采用零矢量，使转矩保持，τ＝-1，要求转矩减小，采用运动矢量使定子磁链相对转子磁链的角度减小。在θ₁-θ₆的每个区域中采用相应方向的电压矢量可以同时控制磁链和电磁转矩，达到调速的目的。