專利名稱：無(wú)刷直流電機(jī)的基波法無(wú)位置傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是一種采用無(wú)位置傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，
背景技術(shù)：
用交流調(diào)速技術(shù)達(dá)到節(jié)能的效果是眾所周知的事情，而永磁電機(jī)由于使用了稀土永磁材料，節(jié)能效果更為顯著。我國(guó)是稀土金屬大國(guó)，多年來(lái)在推廣稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用；另外，交流調(diào)速技術(shù)還能提高各種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，使加工質(zhì)量或系統(tǒng)運(yùn)行綜合品質(zhì)得到提高。因此，永磁電機(jī)的調(diào)速技術(shù)是一個(gè)應(yīng)用非常廣泛，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)大面積有影響的技術(shù)。
永磁電機(jī)包括兩種類型，一類是無(wú)刷直流電機(jī)，一類是交流正弦永磁電機(jī)。事實(shí)上這兩類都是交流電機(jī)，只是第一類的特性有如直流電機(jī)，但它無(wú)刷，所以叫其為無(wú)刷直流電機(jī)，它即是永磁方波電機(jī)。1996年，本申請(qǐng)人之一在澳大利亞新南威爾士大學(xué)工作期間和澳方學(xué)者首次提出了交流正弦永磁電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，并在1997年美國(guó)IEEE PE雜志上公開了其成果，未申請(qǐng)專利。此后，該技術(shù)的研究在國(guó)外和國(guó)內(nèi)同時(shí)興起，已發(fā)表了許多論文，有很大進(jìn)展。但是還未有人把直接轉(zhuǎn)矩控制直接應(yīng)用到無(wú)刷直流電機(jī)上，而無(wú)刷直流電機(jī)在家電、一般工業(yè)用品上使用上非常廣泛，如冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)都在大量使用無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)弱磁較困難，調(diào)速范圍受到限制，期待發(fā)明新的控制方法能克服這些弱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于將兩種先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到無(wú)刷直流電機(jī)上，以求擴(kuò)大它的調(diào)速范圍和提高動(dòng)態(tài)性能。一種先進(jìn)技術(shù)是無(wú)位置傳感器技術(shù)，它不是利用電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的無(wú)位置傳感器技術(shù)，而是檢測(cè)瞬時(shí)電流，經(jīng)過建立的轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型計(jì)算出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，這種技術(shù)能擴(kuò)大低速的運(yùn)行范圍。另一種先進(jìn)技術(shù)是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，它能提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，且能改善弱磁的狀況。擴(kuò)大電機(jī)的高速運(yùn)行范圍。這兩個(gè)技術(shù)相結(jié)合，能使無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速范圍達(dá)到1∶150。
為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)指標(biāo)，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，硬件系統(tǒng)由主回路，檢測(cè)回路，控制回路三大部分組成。主回路由無(wú)刷直流電機(jī)、功率變換器串聯(lián)，由功率變換器接到供電電網(wǎng)；檢測(cè)回路由電流傳感器和電壓傳感器所組成；控制回路由模數(shù)轉(zhuǎn)換器連于基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的控制單元，產(chǎn)生功率變換器控制信號(hào)，再連于變換器控制信號(hào)處理單元所組成。在檢測(cè)回路中，刪除了常用的位置傳感器(或者電機(jī)三相交流反電勢(shì)過零位置檢測(cè)器)；在控制回路中刪除了電流閉環(huán)線路。
本發(fā)明無(wú)位置傳感器的尤刷直流電機(jī)基波法直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制方法是在每一個(gè)控制周期中，根據(jù)檢測(cè)到的電流、電壓，計(jì)算出瞬時(shí)磁鏈和瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，并且根據(jù)建立的轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速(此即為無(wú)位置傳感器技術(shù))；由給定轉(zhuǎn)速和計(jì)算出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，經(jīng)由速度調(diào)節(jié)器，得到給定轉(zhuǎn)矩。將瞬時(shí)磁鏈和給定基波磁鏈比較，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和給定轉(zhuǎn)矩比較，由比較的結(jié)果和磁鏈所在的空間位置，直接選用最優(yōu)的電力電子變換器空間電壓矢量作用于無(wú)刷直流電機(jī)，使其達(dá)到調(diào)速的目的。而基波給定磁鏈?zhǔn)怯呻姍C(jī)設(shè)計(jì)給出。
本控制方法，計(jì)算簡(jiǎn)單，受電機(jī)參數(shù)影響小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，調(diào)速范圍寬。同時(shí)由于去掉了位置傳感器和電流閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高了可靠性。


圖1是無(wú)刷直流電機(jī)的基波法無(wú)位置傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成框2是磁鏈軌跡示意3是無(wú)刷直流電機(jī)的基波法無(wú)位置傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框1中各框圖內(nèi)的編號(hào)名稱分別是；1、無(wú)刷直流電機(jī)，2、功率變換器，3、變換器控制信號(hào)，4、基于數(shù)字控制信號(hào)處理器的控制系統(tǒng)，5、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，6、電流傳感器和電壓傳感器。
圖2中符號(hào)名稱U1～U6-空間電壓矢量，θ1～θ6-定子磁鏈所在空間均分的六個(gè)區(qū)域。
圖3中符號(hào)名稱Ψ*-定子基波磁鏈的幅值給定值，T*-電壓調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩給定值，Ψ-定子磁鏈，T-轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值，Φ-磁鏈環(huán)遲滯比較器輸出值，τ-轉(zhuǎn)矩環(huán)遲滯比較器輸出值，θ-定子磁場(chǎng)所在空間均分的六個(gè)區(qū)域輸出值，S1、S2、S3-三個(gè)開關(guān)狀態(tài)，Uα、Iα-永磁無(wú)刷直流電機(jī)線電壓和線電流在α-β坐標(biāo)系中α軸上的投影，Uβ、Iβ-永磁無(wú)刷直流電機(jī)線電壓和線電流在α-β坐標(biāo)系中β軸上的投影，Ψα、Ψβ-永磁無(wú)刷直流電機(jī)定子磁鏈Ψ在α-β坐標(biāo)系中α軸和β軸向的投影，Udc、Idc-輸出的直流電壓和電流。圖中各框圖內(nèi)名稱，依據(jù)信號(hào)方向依次是電壓、電流檢測(cè)，坐標(biāo)變換，磁鏈估計(jì)，磁鏈給定，磁鏈環(huán)遲滯比較器，轉(zhuǎn)矩估計(jì)，速度估計(jì)，速度給定，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)矩環(huán)遲滯比較器，磁鏈扇區(qū)確定，開關(guān)表，還有主電路中的永磁無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC MOTOR)及IGBT三相橋。
具體實(shí)施方法根據(jù)附圖敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方法及工作原理和工作過程。由圖1可知，本發(fā)明的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)包括由無(wú)刷直流電機(jī)1、功率變換器2二者連接而成的主回路；由電流傳感器、電壓傳感器6組成的檢測(cè)回路，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D5連于基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的控制系統(tǒng)4后再連于變換器控制信號(hào)3所組成的控制回路。功率變換器中的功率管可采用IGBT功率管或功率場(chǎng)效應(yīng)管；電流電壓傳感器可為霍爾傳感器，也可為采樣電阻。傳感器將主回路上的電流和電壓，轉(zhuǎn)變?yōu)槿蹼姷哪M電壓信號(hào)，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，由它將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再送給DSP控制系統(tǒng)所用。根據(jù)取得的信號(hào)和本發(fā)明的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，計(jì)算出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，確定磁鏈所處的空間扇區(qū)，并計(jì)算出發(fā)出的控制信號(hào)，經(jīng)由變換器控制信號(hào)3，發(fā)出6位脈沖信號(hào)去控制主回路中的功率變換器。
本發(fā)明在檢測(cè)回路中，刪除了常用的位置傳感器；在控制回路中，刪除了電流閉環(huán)線路(此處的交流電流i_信號(hào)不作電流閉環(huán)用，只作為計(jì)算瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，確定磁鏈位置和計(jì)算瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩所需要的信號(hào))。
本發(fā)明基于無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，通過電力電子變換器采用直接選用最優(yōu)的空間電壓矢量作用于無(wú)刷直流電機(jī)的方法直接控制電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)快速改變轉(zhuǎn)速，達(dá)到快速調(diào)速的目的。
本控制方法的基本原理敘述如下以往的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)都是通過位置傳感器來(lái)測(cè)定轉(zhuǎn)子位置，從而確定主功率開關(guān)的觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與直流電機(jī)換向類似的電子換向。一旦附加的位置傳感器失效，無(wú)刷直流電機(jī)將不能工作。近年來(lái)用戶紛紛要求革除故障率高的位置傳感器、使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化和緊湊，無(wú)位置傳感器技術(shù)得到迅速發(fā)展。一般的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)都采用檢測(cè)電機(jī)不通電相的反電勢(shì)的過零點(diǎn)信號(hào)來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置和計(jì)算轉(zhuǎn)速，但是電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的大小總和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速低時(shí)，反電勢(shì)很弱，信噪比差，無(wú)法檢測(cè)。因此這種無(wú)位置傳感器技術(shù)不能用于速度低的場(chǎng)合，局限性很大。本發(fā)明則采用建立轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型的方法，用檢測(cè)的瞬時(shí)電流、選用的空間電壓矢量和計(jì)算出的磁鏈來(lái)計(jì)算出轉(zhuǎn)速，由于電流、空間電壓矢量、磁鏈都和轉(zhuǎn)速的高低沒有關(guān)系，因此，只要數(shù)學(xué)模型構(gòu)造正確，理論上它能計(jì)算出很低轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速，由于無(wú)刷直流電機(jī)所應(yīng)用的場(chǎng)合多為一般性的場(chǎng)合，為使計(jì)算簡(jiǎn)單，本處選用的如下數(shù)學(xué)模型在定子靜止坐標(biāo)系中，有ψs=dθsdt=ψ·βψα-ψ·αψβψα2+ψβ2]]>由于電機(jī)中有關(guān)系式ψ·α=Uα-iαRs]]>ψ·β=Uβ-iβRs]]>于是ωs=(Uβ-iβRs)ψα-(Uα-iαRs)ψβψα2+ψβ2]]>式中ωs為電機(jī)中的同步轉(zhuǎn)速，Uα、Uβ為選用的空間電壓矢量在α、β軸上的投影；iα、iβ為電流矢量在α、β軸上的投影，Ψα、Ψβ為定子磁鏈在α、β軸上的投影，Rs為電機(jī)定子的電阻。
由于無(wú)刷直流電機(jī)本質(zhì)上屬永磁同步電機(jī)，同步電機(jī)的特征是在穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr等于同步轉(zhuǎn)速ωs，因此ωr＝ωs。
計(jì)算出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速ωr和給定轉(zhuǎn)速ωr*送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，根據(jù)其差給出給定轉(zhuǎn)矩。實(shí)際的轉(zhuǎn)矩可由磁鏈和電流計(jì)算得到。如果實(shí)際的轉(zhuǎn)矩小于給定轉(zhuǎn)矩，就增加定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角。如果實(shí)際轉(zhuǎn)矩大于給定轉(zhuǎn)矩，就減小這個(gè)夾角。如果實(shí)際轉(zhuǎn)矩基本上等于給定的轉(zhuǎn)矩，則應(yīng)該保持這個(gè)夾角不變。而控制周期內(nèi)轉(zhuǎn)子磁鏈的方向變化不大，這個(gè)夾角由定子磁鏈的方向決定。因此，實(shí)際上只要通過控制定子磁鏈的方向就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)夾角的改變。而定子磁鏈?zhǔn)芸臻g電壓矢量的影響，即定子磁鏈?zhǔn)噶康氖讣廛壽E將沿著所選空間運(yùn)動(dòng)電壓矢量的方向運(yùn)動(dòng)，選擇不同的空間運(yùn)動(dòng)電壓矢量將使定子磁鏈的幅值和方向變化。若選擇零矢量，則定子磁鏈?zhǔn)噶坎蛔儯幢３侄ㄗ哟沛準(zhǔn)噶康慕嵌?。因此，按照一定?guī)則選擇恰當(dāng)?shù)目臻g電壓矢量就可控制定子磁鏈?zhǔn)噶堪此璧倪\(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)。對(duì)于交流正弦永磁電機(jī)，所需的定子磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡是個(gè)圓，但是，對(duì)于方波電機(jī)(即無(wú)刷直流電機(jī))，則該磁鏈并不是一個(gè)圓，它的基波才是圓。本發(fā)明的特點(diǎn)就在于將該基波作為所需的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制。此時(shí)，控制方案還必須滿足基波磁鏈圓幅值恒定的條件。于是定子磁鏈?zhǔn)噶康氖讣鈶?yīng)被控制成按圓形軌道運(yùn)動(dòng)。圖2所示的就是定子磁鏈軌跡示意圖。圖中分為6個(gè)不同扇區(qū)，在圓周六個(gè)不同扇區(qū)存在著各自相應(yīng)的使磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡沿著圓周運(yùn)動(dòng)的最佳空間電壓矢量，因?yàn)橹挥辛鶄€(gè)運(yùn)動(dòng)矢量可選，致使定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)際上是如圖2所示的折線。但因?yàn)閷?shí)際的控制周期極短，運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓形，保證了定子磁鏈幅值不變的條件。要迅速改變電磁轉(zhuǎn)矩是通過快速改變定子磁鏈的角度達(dá)到的。改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度是通過選擇恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)矢量和插入零矢量實(shí)現(xiàn)的。據(jù)此，通過在每一個(gè)極短的控制周期中從八個(gè)空間電壓矢量中選擇最優(yōu)空間電壓矢量，一方面糾正定子磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡與給定軌跡的偏差；另一方面盡快地改變定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角。按照不同的扇區(qū)和磁鏈、轉(zhuǎn)矩變化的條件，可總結(jié)給出一個(gè)如下表所示的最優(yōu)空間電壓矢量的開關(guān)表。

實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器的基波法直接轉(zhuǎn)矩控制的框圖如圖3所示。本系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)分為轉(zhuǎn)矩控制環(huán)與磁鏈控制環(huán)，均采用乒乓(Band-Band)控制。采用圓形磁鏈軌跡，定子磁鏈的幅值給定值由電機(jī)的基波磁鏈給出，它是電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)電機(jī)參數(shù)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)檢測(cè)的轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速給出無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的給定值T*。定子磁鏈Ψ與轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值T，可用電機(jī)模型觀測(cè)計(jì)算得到，再分別與其給定值通過遲滯比較器比較后結(jié)合磁鏈所在的位置按上表來(lái)選取最優(yōu)空間電壓矢量。θ和τ分別為磁鏈環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)中遲滯比較器的輸出。φ＝1，要求采用使|Ψs|增加或保持的矢量，φ＝-1，則采用使|Ψs|減小或保持的矢量。τ＝1，要求轉(zhuǎn)矩增大，采用運(yùn)動(dòng)矢量使定子磁鏈相對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的角度增大；τ＝0，則采用零矢量，使轉(zhuǎn)矩保持，τ＝-1，要求轉(zhuǎn)矩減小，采用運(yùn)動(dòng)矢量使定子磁鏈相對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的角度減小。在θ1-θ6的每個(gè)區(qū)域中采用相應(yīng)方向的電壓矢量可以同時(shí)控制磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，達(dá)到調(diào)速的目的。
權(quán)利要求
1.一種基于無(wú)位置傳感器技術(shù)的無(wú)刷直流電機(jī)基波法直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，包括無(wú)刷直流電機(jī)(1)，功率變換器(2)，無(wú)刷直流電機(jī)接功率變換器。由交流電流傳感器和電壓傳感器(6)組成的檢測(cè)回路，檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(5)送入基于數(shù)字控制信號(hào)處理器的控制系統(tǒng)(4)，在該控制系統(tǒng)中，進(jìn)行轉(zhuǎn)速、磁鏈、轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，并做出控制決策，把控制決策經(jīng)由變換器控制信號(hào)(3)送給功率變換器(2)，最終由功率變換器(2)按控制規(guī)則控制無(wú)刷直流電機(jī)(1)。其基于無(wú)位置傳感器的基波法直接轉(zhuǎn)矩控制方法是不用位置檢測(cè)器，也不用無(wú)刷直流電機(jī)的反電勢(shì)，而用檢測(cè)的瞬時(shí)電流，通過轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型計(jì)算出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。然后，在每個(gè)控制周期中，根據(jù)轉(zhuǎn)速、磁鏈、轉(zhuǎn)矩直接選用最優(yōu)的電力電子變換器的空間電壓矢量，通過功率變換器作用于無(wú)刷直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)位置傳感器技術(shù)的無(wú)刷直流電機(jī)基波法直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于從設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)磁鏈中求取正弦形狀的基波磁鏈作為給定磁鏈，按正弦磁鏈的永磁電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行控制。
全文摘要
一種涉及無(wú)位置傳感器技術(shù)的無(wú)刷直流電機(jī)基波法直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，包括無(wú)刷直流電機(jī)(1)，功率變換器(2)，變換器控制信號(hào)(3)，基于數(shù)字控制信號(hào)處理器的控制系統(tǒng)(4)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(5)及電流、電壓傳感器(6)。去掉了常用的位置傳感器和電流閉環(huán)電路。其直接轉(zhuǎn)矩控制方法是，在每個(gè)控制周期中，根據(jù)檢測(cè)到的電流、電壓，計(jì)算出磁鏈和轉(zhuǎn)矩，將其和給定基波磁鏈、給定轉(zhuǎn)矩相比較，由比較結(jié)果和磁鏈所在的空間位置，直接選用最優(yōu)的空間電壓矢量通過功率變換器作用于無(wú)刷直流電機(jī)，達(dá)到調(diào)速的目的。由于刪除了位置傳感器，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固可靠、造價(jià)低。調(diào)速比可達(dá)1∶150，能廣泛適用于軍工和民用的要求。
文檔編號(hào)H02P6/18GK1614869SQ20041006533
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者胡育文, 黃文新 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)