[发明专利]一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法

说明书

本发明涉及一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，采用转速和转矩双闭环的控制方式,非换相时刻进行转矩控制，换相时刻进行重叠换相并且加入了电流预测模块进行占空比的计算。当霍尔位置信号跳变标志换相的开始，关断相电流减少为零标志换相结束。此时采用重叠换相的方法，为了在延迟关断期间直流母线上能够反映出非换相相的电流，在换相期间采取了关断相和非换相相同步PWM调制而开通相恒通的措施。同时采样当前时刻即k时刻的非换相相电流值和电机转速，根据电机当前时刻即k时刻的运行状态，获得三相绕组相反电动势，运用电流预测控制模块计算出预测控制律D，从而控制逆变电路输出，实现无刷直流电机在宽调速范围下的转矩脉动抑制。

技术领域

本发明涉及无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制，属于永磁无刷直流电机控制领域。

背景技术

无刷直流电机作为一种永磁电机，不仅具有交流电机结构简单、制造成本低、维护维修简单经济的优势，还具有直流电机出力大、启动和调速性能好的优点，同时无刷直流电机中采用电子换向器，避免了传统机械电刷的弊端。故无刷直流电机被广泛应用在航空航天、汽车电子、工业生产、家用电器等国民生产的各个领域中。但是无刷直流电机最严重的问题就是由于加工工艺和电机性能所引起的转矩脉动。转矩脉动会带来振动、噪声、谐振等一系列问题，降低系统运行的安全和可靠性，限制了无刷直流电机在高精度领域中的应用。

为了解决转矩脉动的问题，国内外许多学者进行了大量的研究。PWM电流调制技术、自适应控制、模糊控制等控制策略被提出。这些控制策略主要是通过控制电流的方法间接的控制转矩，属于转矩开环控制，转矩响应慢。直接转矩控制(DTC)属于转矩闭环控制，它具有转矩动态响应快、结构简单、鲁棒性强、易于实现等优点。DTC采用定子磁场定向和空间矢量的概念，通过检测定子电压、电流，直接在定子坐标系下观测电机的磁链、转矩，并将此观测值和给定值进行比较，差值经滞环控制器得到相应的控制信号，再综合当前的磁链状态来选择相应的电压空间矢量，实现对电机转矩的直接控制。它从功能上可以划分为两部分：定子磁链的观测和控制部分，作用是选择适当的电压空间矢量，以在定子中产生六边形磁链；转矩观测和控制部分，作用是实现转矩的瞬时控制。由于永磁无刷直流电机装有霍尔位置传感器，且电机运行过程中由位置传感器决定的电压空间矢量在电机定子上所形成的磁链是六边形，所以DTC用于无刷直流电机时，一方面可以略去其磁链观测部分，以简化控制系统的结构，另一方面利用其转矩控制的高动态性，将电机的转矩波动限制在规定的范围内。

无刷直流电机直接转矩控制策略通常采用两相导通模式，这种方式虽然可以简化控制系统结构，但是电机运行高速区段时，其与传统脉宽调制电流控制一样，对换相转矩脉动会失去抑制作用。

发明内容

为了解决无刷直流电机直接转矩控制在高速区段运行时，换相转矩脉动抑制效果差的问题，本发明提出了无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法。在传统的直接转矩控制中加入了电流预测控制，目的是使得电机在低速、中速、高速运行转矩脉动最小化。

本发明的技术方案为：一种无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，参考无刷直流电机转速和实际转速的差值输入到PID的调节器中，PID调节器输出参考转矩T_e^*，参考转矩T_e^*和实际转矩T_e的差值输入到两点式转矩调节器中，根据转矩调节器的输出导通相应的绕组，同时结合检测装置反馈的电机转子位置角θ，加入电流预测控制，最终使得电机在低速、中速、高速运行转矩脉动最小化。

进一步，在转速和转矩的调节中，霍尔位置信号跳变标志换相的开始，关断相电流减少至零标志换相的结束，非换相时刻进行转矩闭环控制，换相时刻进行重叠换相，并且在换相期间采取了关断相和非换相相同步PWM调制而开通相恒通的措施，同时加入了电流预测模块进行占空比的计算。

进一步，电流预测模型包括如下控制步骤：

步骤1)换相时刻采样当前时刻即k时刻的非换相相电流值和电机转速；