[发明专利]用于飞轮储能的无轴承无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法

说明书

本发明涉及一种用于飞轮储能的无轴承无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，属于电机控制领域，本发明在直接转矩控制中加入了电流预测控制，系统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，换相期间采取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，最后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，控制电机的旋转。

技术领域

本发明涉及无轴承无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制，适用于飞轮电池用无轴承无刷直流电机高性能控制，属于电机控制领域。

背景技术

随着新能源发电、分布式电源系统、混合动力车辆、航空航天等领域的发展，储能技术已成为世界性的研究课题。众多储能技术中，飞轮电池以功率大、效率高、寿命长、储能密度大、清洁无污染等优点受到国内外的高度重视。作为飞轮电池的核心部件之一，驱动电机成为研究的焦点。无轴承无刷直流电机不仅具有无刷直流电机临界转速高、调速性能好、结构简单的优势，还具有磁轴承电机低损耗、高集成的特点。然而，和传统永磁无刷直流电机一样，无轴承无刷直流电机也存在着不可避免的问题：由于加工工艺和电机控制性能所引起的转矩转矩脉动。转矩脉动会带来振动、噪声、谐振等一系列问题，降低了飞轮电池系统运行的安全性和可靠性，限制了无轴承无刷直流电机在飞轮电池等新能源以及航空、医疗等高精度领域中的应用。

为了抑制无刷直流电机的转矩脉动，国内外学者提出了PWM电流调制技术、电流滞环、自适应控制等控制策略。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，转矩响应速度慢。而直接转矩控制(DTC)对转矩进行闭环控制，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运用定子磁场定向和空间矢量的原理，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，但是电机运行于高速区段时，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

为了解决无轴承无刷直流电机直接转矩控制策略在高速区段运行时，换相转矩脉动抑制效果不理想的问题，本发明提出了无轴承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策略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：一种用于飞轮储能的无轴承无刷直流电机宽调速范围低转矩脉动抑制方法，包括以下两个控制过程：转矩控制部分和悬浮控制部分；

转矩控制部分：无轴承无刷直流电机给定转速n*和实际转速n的误差通过PID调节作为给定转矩T_e^*,给定转矩T_e^*和实际转矩T_e的误差经过转矩调节器，选择相应的电压矢量，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，经过逆变器的输出，最终使得电机在低速、中速、高速运行转矩脉动最小化；