一种高速无刷直流电机最优超前角实时控制方法

摘要

本发明涉及一种高速无刷直流电机最优超前角实时控制方法，在分析电机动态数学方程的基础上，得到超前补偿的角度与电机电感、电流及磁通之间的关系，根据单个导通状态中电流矢量与反电势矢量的角度关系，提出一种平均角度差的最优角度判定方法，动态调整最优导通角度使得相电流和反电势保持同步。有益效果是：无刷直流电机为感性负载，电机相电流会滞后反电势，滞后角度随着电机转速和负载的增加而增大。本发明所提出的高速无刷直流电机最优超前角实时控制方法，计算滞后角度并进行超前导通，保证了无刷直流电机在不同的转速和负载情况下相电流和反电势的同相位，使得电机在相同的定子电流和反电势情况下输出最大的电磁转矩。

说明书

技术领域

本发明属于无刷直流电机最优超前角的控制方法，涉及一种高速无刷直流电机最优超前角实时控制方法，特别是在高速状态下超前角的实时控制方法。

背景技术

高速无刷直流电机具有高效率、高功率密度、宽调速范围等优点，在航空、车载、穿戴设备上具有广泛的应用前景，同功率条件下，无刷直流电机的转速高，输出转矩小，较适用于风机、压缩机等负载较轻的场合。高速无刷直流电机由于绕组电感的存在，会导致相电流滞后反电势，造成电机的铜耗增大，带载能力下降。

电流滞后反电势的角度随着电机转速升高以及负载转矩的增大而增加，使得电机带载能力下降、效率降低、损耗增大，尤其对高速大功率无刷直流电机而言，问题更加严峻。对导通角进行超前补偿可以使得相电流与反电势保持同相位，不同的电流上升率和下降率给补偿带来难度，一种超前角的实时精确补偿控制方法可以有效解决电流滞后的问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高速无刷直流电机最优超前角实时控制方法

技术方案

一种高速无刷直流电机最优超前角实时控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：

计算电流矢量在两相静止坐标系下的角度θ_s和模值i_{αβ_m}：

其中：C_T＝E_φ/ω，E_φ为反电势的幅值，ω为转子电角速度；

计算反电势矢量在两相静止坐标系下的角度θ_f和模值e_{f_m}：

其中：θ_r为电机转子电角度；

步骤2：利用平均值分析方法得到超前补偿的角度

其中，L_s为电机在静止坐标系下的等效电感；

步骤3：将得到的超前补偿角度叠加至转子位置角度上，即更新后的转子位置角度为：

将新的转子位置角度θ用于坐标变换中，实现电机控制；其中：θ^*为电机转子位置角度。

所述电机转子位置角度θ^*由位置传感器的测量得到。

有益效果

本发明提出的一种高速无刷直流电机最优超前角实时控制方法，在分析电机动态数学方程的基础上，得到超前补偿的角度与电机电感、电流及磁通之间的关系，根据单个导通状态中电流矢量与反电势矢量的角度关系，提出一种平均角度差的最优角度判定方法，动态调整最优导通角度使得相电流和反电势保持同步。

本发明解决其技术问题通过以下技术方案实现：

1、高速无刷直流电机最优超前角实时控制方法。其特征在于：采用矢量分析的方法，计算单个导通状态中电流矢量和反电势矢量在两相静止坐标系下的角度和模值。

2、高速无刷直流电机最优超前角实时控制方法。其特征在于：通过电机的动态模型和平均值分析思路，得到超前补偿的角度与电机电感、电流以及转子位置的关系。

3、高速无刷直流电机最优超前角实时控制方法。其特征在于：仅需测量电机两相电流以及转子角度就可以实时计算出最优超前角度。

本发明的有益效果是：无刷直流电机为感性负载，电机相电流会滞后反电势，滞后角度随着电机转速和负载的增加而增大。本发明所提出的高速无刷直流电机最优超前角实时控制方法，计算滞后角度并进行超前导通，保证了无刷直流电机在不同的转速和负载情况下相电流和反电势的同相位，使得电机在相同的定子电流和反电势情况下输出最大的电磁转矩。

附图说明

图1是扇区4内电流矢量与反电势矢量的关系图；

图2是扇区4内电流、反电势和电压的向量图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的基本思想是依据矢量分析方法，计算电流矢量和反电势矢量在两相静止坐标系下的角度和模值，根据电机模型和平均值分析方法得到超前补偿的角度与电机电感、电流以及转子位置的关系，计算超前补偿角，对电流进行超前导通从而实现电流和反电势的同步。

本发明具体按照以下步骤实施：

步骤1：计算电流矢量在两相静止坐标系下的角度和模值

无刷直流电机的转矩方程为

其中，T_em为电磁转矩，ω为转子电角速度，i_a、i_b和i_c分别为电机三相电流，e_a(θ_r)、e_b(θ_r)和e_c(θ_r)分别为电机三相反电动势。在三相六状态驱动方法下，电机绕组只有两相导通，根据三相反电势的变化规律，将电机转子分为6个扇区。当电机转子电角度θ_r位于扇区4时，i_a＝0，i_b＝-i_c，e_b(θ_r)＝-e_c(θ_r)＝E_φ，E_φ为反电势的幅值，其他扇区依次类推，此时的转矩方程可简化为

令C_T＝E_φ/ω得

由于无刷直流电机气隙磁场的饱和设计，可以忽略电枢反应，同时忽略涡流损耗。参数C_T是固定值，三相电流只与电磁转矩T_em有关。两相静止坐标系下的电流值可表示为

电流矢量在两相静止坐标系下的角度θ_s和模值i_{αβ_m}为

步骤2：计算反电势矢量在两相静止坐标系下的角度和模值

三相反电势在两相静止坐标系下表示为

反电势矢量在两相静止坐标系下的角度θ_f和模值e_{f_m}为

步骤3：得到超前角最优的判定依据

令不考虑电机的凸极效应，转矩可以表示为电流矢量和反电势矢量的点积

其中，e_{f_m}/ω为常数，当θ_f与θ_s的夹角为0时，i_{αβ_m}产生的转矩最大。在扇区4内，电流矢量和反电势矢量的角度关系如图1。是扇区4开始时刻的反电势矢量，是扇区4结束时刻的反电势矢量。理想情况下，在扇区4的起点，电流矢量超前反电势矢量30°，在扇区4的终点，电流矢量滞后反电势矢量30°，在整个扇区4内，电流矢量和反电势矢量的平均夹角为0。因此，将某个扇区内电流矢量和反电势矢量的平均夹角是否为0作为超前角控制算法是否最优的依据。

步骤4：利用平均值原理计算超前角

无刷直流电机的气隙磁场通常饱和设计，忽略电机电枢反应，在两相静止坐标系下，电机的动态方程为

其中，是电压矢量，L_s和R_s是电机在静止坐标系下的等效电感和电阻，的微分可以表示为

无刷直流电机工作在三相六状态模式，使得θ_s以及ω_s在换相点存在较大的周期脉动和阶跃变化，采用平均值的分析思路可以有效处理非线性特征带来的复杂度，此时

其中，θ_{s_mean}和θ_{f_mean}分别为某个扇区内电流矢量和反电势矢量的平均角度，ω_{s_mean}为电流矢量的平均旋转速度。当电机状态稳定时，认为i_{αβ_m}波动较小，理想情况下，θ_{s_mean}与θ_{f_mean}相等，ω_{s_mean}与电机旋转速度ω相等。忽略电阻R_s以及di_{αβ_m}/dt＝0，则电机的动态方程可表示为

当电机转子位于扇区4时，平均电流矢量、平均反电势矢量和电压矢量的关系见图2。

图2扇区4内电流、反电势和电压的向量图

图2中，为电压矢量需要超前导通的角度，其计算公式为

其中，L_s和C_T是电机的固有参数，与电流幅值和转子角度有关，与电机转速无关。因此，通过两相电流以及转子位置就可以计算出超前导通的角度，进而实现相电流与反电势的同步。

步骤5：计算转子角度

电机控制系统中由位置传感器的测量或者无位置传感器的估算均可得到一个电机转子位置角度θ^*，将得到的超前补偿角度叠加至转子位置角度上，即更新后的转子位置角度为

将新的转子位置角度用于坐标变换中，实现电机控制。