本發明屬于無刷直流電機的調速領域，涉及一種無刷直流電機全速度運行范圍內的轉矩脈動抑制方法。

背景技術：

直流電機因其出色的調速能力和啟動性能，被越來越多地使用于電力拖動與電氣傳動系統中。然而，傳統的有刷直流電機采用電刷以機械方式換相，因而存在可靠性差、壽命短、故障多、需維護、噪聲大以及換相火花易產生電磁干擾等一系列問題，在很大程度上限制了其在某些特殊領域的應用。無刷直流電機正是在有刷直流電機基礎之上發展起來的一種新型直流電機，具有結構簡單、壽命長、體積小和效率高等優點。由于采用電子換相，避免了換相器與電刷之間的機械接觸，從而消除了火花，電機壽命得到延長，免維護；轉子使用永磁鐵勵磁，沒有勵磁損耗，效率更高；結構緊湊，體積小，可應用于空間受限場合；調速范圍廣。

然而，由于無刷直流電機相繞組電感的存在及非理想空載感應電勢、定位齒槽轉矩、換相控制方式等，在運行過程中會產生一定程度的轉矩脈動，其中尤以換相轉矩脈動最為突出，限制了其在精密傳動系統中的應用。因此，轉矩脈動的抑制對基于無刷直流電機的伺服系統性能提高具有十分重要的理論意義與工程應用價值。

中國發明專利《無刷直流電機的直接自控制系統的控制方法》,專利號為CN200610037967.2，公開日期為2006.8.16，公開了一種無刷直流電機的直接自控制系統的控制方法。在每個控制周期中，根據檢測到的電流、電壓，計算出定子磁鏈和轉矩，將其與給定磁鏈、給定轉矩相比較，由比較結果決定所選用的空間電壓矢量，最終通過功率變換器作用于無刷直流電機，達到調速目的，即傳統的直接轉矩控制。

中國發明專利《無刷直流電機的磁鏈自控式直接轉矩控制方法》,專利號為CN201010127885.3，公開日期為2010.7.21，公開了一種無刷直流電機的磁鏈自控式直接轉矩控制方法。根據位置傳感器輸出的轉子位置信號，經速度計算單元得到電機的轉子角速度；進而根據電機電流值、電壓值和轉子角速度由反電勢滑模觀測器對電機反電勢進行估算，再由轉矩估算單元計算獲得電機的預計轉矩T_e，將T_e與給定轉矩T_e^*作比較后送入轉矩滯環調節器，調節得到控制參數τ，再結合位置傳感器輸出信號，輸入電壓矢量選擇單元產生相應的開關信號去控制逆變器，從而驅動無刷直流電機運行。

上述技術的不足之處在于：專利CN200610037967.2采用了轉矩環和磁鏈環的雙閉環控制，其中電機磁鏈的獲取需要采用一定的算法進行估算。而對于無刷直流電機而言，要獲得較好的控制性能，定子磁鏈幅值的給定應是位置的一個函數，這使得系統較為復雜，控制成本大大增加。專利CN201010127885.3雖然采用了轉矩單閉環控制，實現了無刷直流電機的無磁鏈控制，但是由于轉矩計算模塊T_e的估算需要用到滑模觀測器觀測反電勢，增加了系統的計算成本；此外，由于該方案僅對開通相進行斬波控制，而電機高速運行時，關斷相電流的下降速度大于開通相的電流上升速度，需要對關斷相進行延遲關斷處理，否則就會使得開通相與關斷相的電流變化速率不同，進而引起較大的轉矩脈動，電機運行性能較差，因此上述專利所提的方法僅對電機低速運行時有效。

技術實現要素：

技術問題：本發明提供了一種反電勢計算觀測成本低、能夠應用在高速運行場合的無刷直流電機全調速范圍內轉矩脈動抑制方法。

技術方案：本發明的無刷直流電機全調速范圍內轉矩脈動抑制方法，根據速度計算模塊得出的電機轉速，分為低速運行與高速運行兩個狀態，并針對這兩種狀態分別按照如下方式進行轉矩脈動控制：

①當電機低速運行時，采用位置反饋模塊檢測無刷直流電機的轉子角速度信號，并由速度計算模塊根據所述轉子的角速度信號，計算得到電機的轉速ω，將其與給定轉速ω^*作差，所得轉速差輸入PI轉速調節器后得到電機的參考電磁轉矩T_e^*；同時，將電機任意兩相電流的反饋值i_j、i_k輸入給轉矩計算模塊估算出電機的電磁轉矩T_e；

將所述電磁轉矩T_e與給定轉矩T_e^*作差，所得的轉矩差值經轉矩滯環調節器調節得到控制參數τ，將其輸入至開關表選擇模塊，再結合扇區判斷模塊的輸出信號，決定當前應施加的開關信號以控制逆變器，從而驅動無刷直流電機運行，實現無刷直流電機低速運行時的無磁鏈直接轉矩控制；

②當電機高速運行時，采用位置反饋模塊檢測無刷直流電機的轉子角速度信號，并由速度計算模塊根據所述轉子的角速度信號，計算得到電機的轉速ω，將其與給定轉速ω^*作差，所得轉速差輸入PI轉速調節器后得到電機的參考電磁轉矩T_e^*；同時，將電機任意兩相電流的反饋值i_j、i_k輸入給轉矩計算模塊估算出電機的電磁轉矩T_e；

將所述電磁轉矩T_e與給定轉矩T_e^*作差，所得的轉矩差值經轉矩滯環調節器調節得到控制參數τ，將其輸入至開關表選擇模塊，將電機任意兩相電流的反饋值i_j、i_k輸入至換相判斷模塊，當其輸出為零時，采用兩相導通開關表，輸出不為零時，對關斷相進行延遲關斷，這樣在關斷期間會同時導通3個開關管，即采用三相導通開關表；

最后由開關表選擇模塊根據轉矩滯環調節器輸出信號τ、扇區判斷模塊輸出信號Q和換相判斷單元輸出信號K決定當前應施加的開關信號以控制逆變器模塊，從而驅動無刷直流電機，實現無刷直流電機高速運行時的無磁鏈直接轉矩控制。

進一步的，本發明方法中，所述位置反饋模塊采用光電編碼器、霍爾元件抑或無位置傳感器。

進一步的，本發明方法中，所述低速運行狀態與高速運行狀態的轉矩脈動控制中，轉矩T_e根據下式計算：

T_e＝Ke(|i_j|+|i_k|+|i_j+i_k|)

其中K_e為電機空載反電勢常數，i_j，i_k為電機三相電流中的任意兩相電流。

進一步的，本發明方法中，所述高速運行狀態的轉矩脈動控制中，換相判斷模塊按照以下方法形成輸出：在任意時刻檢測兩相電流并計算出第三相電流，得到I_a，I_b，I_c三相電流，然后將三相電流兩兩相加并取絕對值，得到最小值k，當所述最小值k為0，開關表選擇模塊判斷此時電機處于非換相期間，換相判斷模塊輸出0，當所述最小值k不為0，開關表選擇模塊判斷此時電機處于換相期間，換相判斷模塊輸出1。

進一步的，本發明方法中，所述低速運行狀態與高速運行狀態的轉矩脈動控制中，開關表選擇模塊按照下表決定當前應施加的開關信號：

表中，S₁～S₆表示逆變器模塊的6個開關管，表中1表示開通，0表示關斷。

本發明首先將供電交流電源經過整流器整流后，再經過濾波電容濾波后得到直流電源，最后由逆變器將所述直流電源轉化為交流電源來給無刷直流電機供電，其控制方法為：

根據速度計算模塊得出的電機轉速，分為低速運行與高速運行兩個狀態進行相應控制：

①當電機低速運行時，采用位置反饋模塊檢測無刷直流電機的轉子角速度信號，并由速度計算模塊根據所述轉子的角速度信號，計算得到電機的轉速ω，與給定轉速ω^*作差，所得轉速差輸入PI轉速調節器后得到電機的參考電磁轉矩T_e^*；同時，將電機任意兩相電流的反饋值i_j、i_k輸入給轉矩計算模塊估算出電機的電磁轉矩T_e；將所述電磁轉矩T_e與給定轉矩T_e^*作差，所得的轉矩差值經轉矩滯環調節器調節得到控制參數τ，將其輸入至開關表選擇模塊，再結合扇區判斷模塊的輸出信號，選擇相應的開關信號控制逆變器，從而驅動無刷直流電機運行，實現無刷直流電機低速運行時的無磁鏈直接轉矩控制；

②當電機高速運行時，采用位置反饋模塊檢測無刷直流電機的轉子角速度信號，并由速度計算模塊根據所述轉子的角速度信號，計算得到電機的轉速ω，與給定轉速ω^*作差，所得轉速差輸入PI轉速調節器后得到電機的參考電磁轉矩T_e^*；同時，將電機任意兩相電流的反饋值i_j、i_k輸入給轉矩計算模塊估算出電機的電磁轉矩T_e；將所述電磁轉矩T_e與給定轉矩T_e^*作差，所得的轉矩差值經轉矩滯環調節器調節得到控制參數τ，將其輸入至開關表選擇模塊，除此之外，低速時不參與作用的換相判斷模塊參與控制。將電機任意兩相電流的反饋值i_j、i_k輸入至換相判斷模塊，根據其輸出是否為零判斷當前是否需要對關斷相進行延遲關斷控制，若需要，則對關斷相進行延遲關斷，這樣在關斷期間會同時導通3個開關管，低速時的兩相導通開關表就變為了三相導通開關表，最后由開關表選擇模塊根據轉矩滯環調節器輸出信號τ，扇區判斷模塊輸出信號Q和換相判斷單元輸出信號K決定當前應施加的開關信號以控制逆變器模塊，從而驅動無刷直流電機，實現無刷直流電機高速運行時的無磁鏈直接轉矩控制。

本發明適合于任意相數、任意定轉子齒槽數配合的無刷直流電機調速系統。

有益效果：本發明與現有技術相比，具有以下優點：

1.采用單環的轉矩滯環調節器，由轉矩滯環調節器的輸出結合位置傳感器的輸出、速度計算模塊的輸出和換相判斷單元的輸出來決定施加于無刷直流電機的定子電壓矢量，由于定子電壓矢量定向于轉子磁場位置，由此能夠實現定子磁鏈的自控制，省去了傳統雙閉環直接轉矩控制中磁鏈閉環部分，精簡了控制系統，優化了控制成本；

2.對電機轉矩的估算，通過對無刷直流電機的轉矩計算公式的詳細推導，得出了只需要兩相電流的參與就能估算出實時轉矩的計算方法，解決了現有裝置采用滑模觀測器導致計算復雜的問題，降低了系統的控制成本。

3.對于控制方法在高速時失效的情況，增設了換相判斷模塊進行延遲關斷控制，將低速運行時的兩相導通開關表更換為高速運行時針對換相時刻的三相導通開關表，解決了現有算法在無刷直流電機高速運行時失效的問題。

本發明所述對電機的控制方法，能夠有效的抑制電機全調速范圍內由于電流換相引起的轉矩脈動；較現有的無刷直流電機直接轉矩控制方法，采用單環控制，簡化了系統，克服了磁鏈估算和給定困難的問題；其次，推導優化了轉矩計算公式，解決了現有方法引入滑模觀測器觀測反電勢帶來的系統控制算法復雜的問題；最后，針對電機高速運行，它解決了由于開通相與關斷相電流變化速率不一樣所引起的轉矩脈動問題。因此，本發明解決了無刷直流電機控制系統全調速范圍內轉矩脈動大的問題。

附圖說明

圖1是傳統的采用轉矩和磁鏈雙閉環控制的無刷直流電機直接轉矩控制方法的邏輯框圖；

圖2是所述無刷直流電機全速度運行范圍內轉矩脈動抑制方法控制框圖的示意圖；

圖3是本發明所采用的控制流程圖；

圖4是本發明所采用的逆變器的拓撲結構圖；

圖5是本發明控制方法所采用的空間電壓矢量分布圖；

圖6是傳統滯環控制方式下無刷直流電機低速運行時轉矩仿真波形；

圖7是本發明提出的無磁鏈直接轉矩控制方式在低速時轉矩仿真波形；

圖8是采用本發明提出的方法后轉速由低速升入高速時的轉速仿真波形圖；

圖9是未應用本發明所提出的高速時轉矩脈動抑制方法的轉速由低速升入高速時的轉矩仿真波形圖；

圖10是高速時采用本發明所提方法的轉速由低速升入高速時的轉矩仿真波形圖。

具體實施方式

下面結合實施例和說明書附圖對本發明作進一步的說明。

應用本發明為無刷直流電機供電時，首先將供電交流電源1經過整流器2整流后，再經過濾波電容3濾波后得到直流電源，最后由由逆變器4將所述直流電源轉化為交流電源給無刷直流電機供電，本發明的無刷直流電機全調速范圍內轉矩脈動控制方法為：

根據速度計算模塊12得出的電機轉速，分為低速運行與高速運行兩個狀態進行相應控制：

①當電機低速運行時，采用位置反饋模塊5檢測無刷直流電機的轉子角速度信號，并由速度計算模塊11根據所述轉子的角速度信號，計算得到電機的轉速ω，與給定轉速ω*作差，所得轉速差輸入PI轉速調節器6后得到電機的參考電磁轉矩Te*；同時，將電機任意兩相電流的反饋值ij、ik輸入給轉矩計算模塊10估算出電機的電磁轉矩Te；

將所述電磁轉矩Te與給定轉矩Te*作差，所得的轉矩差值經轉矩滯環調節器7調節得到控制參數τ，將其輸入至開關表選擇模塊8，再結合扇區判斷模塊9的輸出信號，選擇相應的開關信號控制逆變器4，從而驅動無刷直流電機運行，實現無刷直流電機低速運行時的無磁鏈直接轉矩控制；

②當電機高速運行時，采用位置反饋模塊5檢測無刷直流電機的轉子角速度信號，并由速度計算模塊11根據所述轉子的角速度信號，計算得到電機的轉速ω，與給定轉速ω*作差，所得轉速差輸入PI轉速調節器6后得到電機的參考電磁轉矩Te*；同時，將電機任意兩相電流的反饋值i_j、i_k輸入給轉矩計算模塊10估算出電機的電磁轉矩Te；

將所述電磁轉矩Te與給定轉矩Te*作差，所得的轉矩差值經轉矩滯環調節器7調節得到控制參數τ，將其輸入至開關表選擇模塊8，除此之外，低速時不參與作用的換相判斷模塊參與控制。將電機任意兩相電流的反饋值ij、ik輸入至換相判斷模塊12，根據其輸出是否為零判斷當前是否需要對關斷相進行延遲關斷控制，若需要，則對關斷相進行延遲關斷，這樣在關斷期間會同時導通3個開關管，低速時的兩相導通開關表就變為了三相導通開關表，最后由開關表選擇模塊8根據轉矩滯環調節器7輸出信號τ，扇區判斷模塊9輸出信號Q和換相判斷單元12輸出信號K決定當前應施加的開關信號以控制逆變器模塊4，從而驅動無刷直流電機，實現無刷直流電機高速運行時的無磁鏈直接轉矩控制。

所述位置反饋模塊5可以使用光電編碼器、霍爾元件抑或無位置傳感器；參考電磁轉矩Te*的計算方法是將電機轉速ω與給定轉速ω*作差，轉速差輸入至轉速調節器6后得到無刷直流電機的參考電磁轉矩。

所述低速運行狀態與高速運行狀態的轉矩脈動控制中，轉矩Te根據下式計算：

T_e＝Ke(|i_j|+|i_k|+|i_j+i_k|)

其中Ke為電機空載反電勢常數，ij，ik為電機三相電流中的任意兩相電流。

換相判斷模塊12的具體實施方法為：在任意時刻檢測兩相電流并計算出第三相電流，得到Ia，Ib，Ic三相電流，然后將三相電流兩兩相加并取絕對值，得到最小值m。在非換相期間，非導通相電流為0，其余兩相電流相加之和也為0。而在換相期間，由于導通相電流與關斷相電流的變化速率不一樣，三個電流值均不為0，則m的值也不為0。開關表選擇模塊8通過判斷m是否為0，就可以判斷此時電機是否處于換相期間。若處于非換相期間，則采用低速運行時的兩相導通表；若處于換相期間，則采用更換的三相導通表，進行高速控制方式，從而驅動無刷直流電機。

所述低速運行狀態與高速運行狀態的轉矩脈動控制中，開關表選擇模塊8根據輸入的數據產生相應的開關信號，開關表選擇模塊8根據轉矩滯環調節器7輸出信號τ，扇區判斷模塊9輸出信號Q和換相判斷單元12輸出信號K，按照下表選擇欲施加給無刷直流電機的電壓矢量，并產生相應的開關信號：

表中，S₁～S₆表示逆變器模塊4的6個開關管，表中1表示開通，0表示關斷。

本發明所用的空間電壓矢量：

定義電壓空間矢量U_s為：

其中U_an、U_bn、U_cn分別為電機相電壓。

圖6是傳統滯環控制方式下無刷直流電機低速運行時轉矩仿真波形；圖7是本發明提出的無磁鏈直接轉矩控制方式在低速時轉矩仿真波形；圖8是采用本發明提出的方法后轉速由低速升入高速時的轉速仿真波形圖；圖9是未應用本發明所提出的高速時轉矩脈動抑制方法的轉速由低速升入高速時的轉矩仿真波形圖；圖10是高速時采用本發明所提方法的轉速由低速升入高速時的轉矩仿真波形圖；

根據仿真的轉矩結果圖可以看出，本發明所述方法是行之有效的。

上述實施例僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發明權利要求進行改進和等同替換后的技術方案，均落入本發明的保護范圍。