无刷直流电机直接转矩控制的超空间矢量调速方法技术

一种无刷直流电机直接转矩控制的超空间矢量调速方法，属无刷直流电机调速方法。该调速方法是，将关断相的电压放置到三维空间正交坐标系的Ｚ轴，将导通相的电压放置到ａｂｃ平面。电压超空间矢量在ａｂｃ平面上投影为七个电压投影矢量，定子磁链超空间矢量在ａｂｃ平面上的投影为投影磁链。在每个采样周期中，根据检测到的电流、电压，计算出投影磁链在ａ、ｂ、ｃ轴上的投影值和瞬时转矩，将投影值和给定值比较，将瞬时转矩和给定转矩比较，由比较结果选用电压矢量通过功率变换器作用于无刷直流电机。本发明专利技术解决了电压综合矢量计算和定子磁链综合矢量计算两个困难问题，简化了系统，不需要转子位置信号，动态响应快，适用于军工和民用要求。

【技术实现步骤摘要】
一、
本专利技术所涉及得是一种电压综合矢量与定子磁链综合矢量在三维空间运动的无刷直流电机直接转矩控制的调速方法，属无刷直流电机系统的调速方法。二、
技术介绍
：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，多年来一直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，对国民经济有大面积影响的技术。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。1997年在美国IEEE PE杂志上公开了一种交流正弦永磁电机的直接转矩控制方案。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。申请号200610037967.2，公开号CN1819439的《无刷直流电机的直接自控制系统的控制方法》中，在任意一个控制采样周期中，电机的a相、b相、c相是同时导通的，这种导通模式带来的一个不足是电流脉动大。三、
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决存在关断相的无刷直流电机驱动系统中，相电压变化时电压矢量的计算问题和定子磁链计算问题，使系统结构简单，提高系统的动态性能，实现无刷直流电机驱动系统的高性能控制。为实现上述技术指标，本专利技术的技术解决方案是，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与功率变换器串联，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，再连于与功率变换器相连的变换器控制信号处理单元所组成。在检测回路中，具有常用的速度传感器(或者采用无速度传感器技术)；在控制回路中不包含电流闭环线路。-->一种无刷直流电机直接转矩控制的超空间矢量调速方法，其特征在于，采用三维空间正交坐标系XYZ及无刷直流电机三相坐标轴a轴和b轴和c轴所在平面abc平面，abc平面是X轴及Y轴所在平面，将关断相的电压放置到三维空间正交坐标系的Z轴，将导通相的电压放置到电机三相坐标轴a轴和b轴和c轴所在的abc平面，电压综合矢量和定子磁链综合矢量分别称之为电压超空间矢量us和定子磁链超空间矢量Ψs，电压超空间矢量us与定子磁链超空间矢量Ψs在三维空间中运动，电压超空间矢量us在abc平面的投影为七个电压投影矢量V0～V6，定子磁链超空间矢量Ψs在abc平面的投影为投影磁链Ψsp，投影磁链Ψsp的轨迹为六边形，在每一个控制采样周期中，根据连于主电路的由电流传感器和电压传感器所组成的检测电路检测到的瞬时电流与瞬时电压，通过数学模型：T(t)＝K*I和Ψsp＝∫(usp-ispR)dt计算出瞬时转矩T(t)和投影磁链Ψsp以及投影磁链Ψsp在无刷直流电机三相轴的a轴和b轴和c轴上的三个投影Ψa、Ψb、Ψc，其中，K为转矩系数，I为直流母线电流，usp＝(2/3)*(uap+ubpα+ucpα2)，isp＝(2/3)*(iap+ibp*α+icp*α2)，α＝e(j2π/3)，α2＝e-(j2π/3)，uap、ubp、ucp和iap、ibp、icp分别是无刷直流电机三相相电压ua、ub、uc在abc平面上的投影和无刷直流电机三相电流ia、ib、ic在abc平面上的投影，uap＝Sa*udc/2，ubp＝Sb*udc/2，ucp＝Sc*udc/2，iap＝Sa*I。ibp＝Sb*I，icp＝Sc*I，Sa、Sb、Sc为开关信号选择单元ASS输出的三个开关信号，udc为功率变换器直流侧直流电压，关断相的电压放置到Z轴后，其在abc平面的投影永远为零，关断相只影响定子磁链但不影响转矩，与转矩有关的控制量都位于abc平面上，再由给定转速和通过计算软件计算出的瞬时转速，经由速度比例积分调节软件，得到给定转矩T*，将上述三个投影Ψa、Ψb、Ψc和给定磁链Ψs*进行比较，将瞬时转矩T(t)和给定转矩T*进行比较，由比较结果，直接选用七个电压投影矢量V0～V6当中最好的一个通过功率变换器作用于无刷直流电机，使得投影磁链Ψsp沿着设定地六边形轨迹运动，七个电压投影矢量中的零矢量定义为逆变器六个开关管全部关断，应用这个零矢量时，无刷直流电机的三相a相和b相和c相全部关断，无刷直流电机的三相相电压ua、ub、uc全部位于三维空间正交坐标系的Z轴上，定子磁链超空间矢量Ψs在三维空间中沿着Z轴方向运动，投影磁链Ψsp静止，系统是通过控制投影磁链Ψsp的运动速度来实现无刷直流电机转矩的直接控制和调速目的，不需要转子位置信号。本调速方法，定义零矢量为功率变换器的六个开关管全部关断，不需要转子位置信号，不存在坐标旋转变换环节，计算简单，给定磁链Ψs*为一个常数，准-->确一点说，给定磁链Ψs*并不是期望的瞬时磁链，期望的瞬时磁链的矢尖轨迹是一个六边形，它的磁链幅值不是一个常数。但是，这个六边形的内接圆的半径是一个常数，为了计算方便，我们把这个为常数的内接圆半径定义为给定磁链Ψs*，即六边形中心到六条边中点的垂线长。系统受电机参数影响小，动态响应好，调速范围宽。去掉了电流闭环，提高了可靠性，是一种很有实用价值的无刷直流电机直接转矩控制的新方法。四、附图说明：图1是无刷直流电机系统组成框图。图2是无刷直流电机超空间矢量调速方法的原理示意图。图3是坐标系与磁链轨迹示意图。图4是无刷直流电机超空间矢量调速方法的原理框图。图5是无刷直流电机超空间矢量调速方法的软件流程图。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、变换器控制电路，4、基于数字控制信号处理器的控制单元，5、模数转换器A/D，6、电流传感器和电压传感器。图3中符号名称：V0～V6-电压矢量，a、b、c-电机三相坐标系；α、β-电机αβ坐标系，Ψs*-给定磁链；S1～S6-Ψsp所在空间均分的六个区段。图4中符号名称：Ψs*-给定磁链，T*-给定转矩，T(t)-瞬时转矩，ωr*-给定转速，ωr-瞬时转速，ST-转矩环迟滞比较器输出值，SaΨ、SbΨ、ScΨ-三个磁链开关状态，Sa、Sb、Sc-三个开关状态，uα、ia-电压超空间矢量和电流超空间矢量在α轴上的投影，uβ、iβ-电压超空间矢量和电流超空间矢量在β轴上的投影，Ψα、Ψβ-定子磁链超空间矢量在α轴和β轴的投影，Ψa、Ψb、Ψc-定子磁链超空间矢量在a轴和b轴c轴上的投影，udc-输出的直流环节电压。图中各框图内名称：逆变器模型AIM，磁链自控制单元DMC，开关信号选择单元ASS，转矩调节软件单元ATR，还有主电路中的永磁无刷直流电机(BLDC)、检测转子速度的编码器(ENCODE)及三相桥。五、具体实施方法：根据附图叙述本专利技术的具体实施方法及工作原理和工作过程。由图1可知，本专利技术的无刷直流电机直接自控制系统包括由无刷直流电机1、功率变换器2二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无刷直流电机直接转矩控制的超空间矢量调速方法，其特征在于，采用三维空间正交坐标系ＸＹＺ及无刷直流电机三相坐标轴ａ轴和ｂ轴和ｃ轴所在平面ａｂｃ平面，ａｂｃ平面是Ｘ轴及Ｙ轴所在平面，将关断相的电压放置到三维空间正交坐标系的Ｚ轴，将导通相的电压放置到电机三相坐标轴ａ轴和ｂ轴和ｃ轴所在的ａｂｃ平面，在三维空间中运动的电压超空间矢量（ｕ↓［ｓ］）在ａｂｃ平面的投影为七个电压投影矢量（Ｖ０～Ｖ６），在三维空间中运动的定子磁链超空间矢量（Ψ↓［ｓ］）在ａｂｃ平面的投影为投影磁链（Ψ↓［ｓｐ］），投影磁链（Ψ↓［ｓｐ］）的轨迹为六边形，在每一个控制采样周期中，根据连于主电路的由电流传感器和电压传感器所组成的检测电路检测到的瞬时电流与瞬时电压，通过数学模型：Ｔ（ｔ）＝Ｋ＊Ｉ和Ψ↓［ｓｐ］＝∫（ｕ↓［ｓｐ］－ｉ↓［ｓｐ］Ｒ）ｄｔ计算出瞬时转矩（Ｔ（ｔ））和投影磁链（Ψ↓［ｓｐ］）以及投影磁链（Ψ↓［ｓｐ］）在无刷直流电机三相轴的ａ轴和ｂ轴和ｃ轴上的三个投影磁链（Ψ↓［ａ］、Ψ↓［ｂ］、Ψ↓［ｃ］），其中，Ｋ为转矩系数，Ｉ为直流母线电流，ｕ↓［ｓｐ］＝（２／３）＊（ｕ↓［ａｐ］＋ｕ↓［ｂｐ］ａ＋ｕ↓［ｃｐ］ａ↑［２］），ｉ↓［ｓｐ］＝（２／３）＊（ｉ↓［ａｐ］＋ｉ↓［ｂｐ］＊ａ＋ｉ↓［ｃｐ］＊ａ↑［２］），ａ＝ｅ↑［（ｊ２π／３）］，ａ↑［２］＝ｅ↑［－（ｊ２π／３）］，ｕ↓［ａｐ］、ｕ↓［ｂｐ］、ｕ↓［ｃｐ］和ｉ↓［ａｐ］、ｉ↓［ｂｐ］、ｉ↓［ｃｐ］分别是无刷直流电机三相相电压（ｕ↓［ａ］、ｕ↓［ｂ］、ｕ↓［ｃ］）在ａｂｃ平面上的投影和无刷直流电机三相电流（ｉ↓［ａ］、ｉ↓［ｂ］、ｉ↓［ｃ］）在ａｂｃ平面上的投影，ｕ↓［ａｐ］＝Ｓ↓［ａ］＊ｕ↓［ｄｃ］／２，ｕ↓［ｂｐ］＝Ｓ↓［ｂ］＊ｕ↓［ｄｃ］／２，ｕ↓［ｃｐ］＝Ｓ↓［ｃ］＊ｕ↓［ｄｃ］／２，ｉ↓［ａｐ］＝Ｓ↓［ａ］＊Ｉ，ｉ↓［ｂｐ］＝Ｓ↓［ｂ］＊Ｉ，ｉ↓［ｃｐ］＝Ｓ↓［ｃ］＊Ｉ，Ｓ↓［ａ］、Ｓ↓［ｂ］、Ｓ↓［ｃ］为开关信号选择单元ＡＳＳ输出的三个开关信号，ｕ↓［ｄｃ］为功率变换器直流侧直流电压，再由给定转速和通过计算软件计算出的瞬时转速，经由速度比例积分调节软件，得到给定转矩（Ｔ＊），将上述三个投影磁链（Ψ↓［ａ］、Ψ↓［ｂ］、Ψ↓［ｃ］）和给定磁链（Ψ↓［ｓ］↑［＊］）进行比较，将上述瞬时转矩（Ｔ（ｔ））和上述给定转矩（Ｔ＊）进行比较，由比较结果，直接选用七个电压投影矢量...

【技术特征摘要】
1.一种无刷直流电机直接转矩控制的超空间矢量调速方法，其特征在于，采用三维空间正交坐标系XYZ及无刷直流电机三相坐标轴a轴和b轴和c轴所在平面abc平面，abc平面是X轴及Y轴所在平面，将关断相的电压放置到三维空间正交坐标系的Z轴，将导通相的电压放置到电机三相坐标轴a轴和b轴和c轴所在的abc平面，在三维空间中运动的电压超空间矢量(us)在abc平面的投影为七个电压投影矢量(V0～V6)，在三维空间中运动的定子磁链超空间矢量(Ψs)在abc平面的投影为投影磁链(Ψsp)，投影磁链(Ψsp)的轨迹为六边形，在每一个控制采样周期中，根据连于主电路的由电流传感器和电压传感器所组成的检测电路检测到的瞬时电流与瞬时电压，通过数学模型：T(t)＝K*I和Ψsp＝∫(usp-ispR)dt计算出瞬时转矩(T(t))和投影磁链(Ψsp)以及投影磁链(Ψsp)在无刷直流电机三相轴的a轴和b轴和c轴上的三个投影磁链(Ψa、Ψb、Ψc)，其中，K为转矩系数，I为直流母线电流，usp＝(2/3)*(uap+ubpα+ucpα2)，isp＝(2/3)*(iap+ibp*α+icp*α2)，α＝e(j2π/3)，α2＝e-(j2π/3)，uap、ubp、ucp和iap、ibp、icp分别是...

【专利技术属性】
技术研发人员：高瑾，胡育文，黄文新，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]