[发明专利]一种基于转矩反馈和换向补偿的无刷电机控制方法

摘要

本发明旨在通过引入转矩环和换相补偿来减小无刷电机运行时的转矩波动问题，提供了一种新型无刷电机的控制方法，具体的技术方案如下：步骤一，以给定转速和实际转速的差值来决定电机所需要的转矩；步骤二，以外环所给定的转矩和电机的实际转矩的差值来决定占空比；步骤三，与一和二同时进行，为了减小由于换向造成的转矩波动，采取了开关管滞后关断的控制策略；步骤四，按照前面双闭环控制算法得出的占空比和转矩的方向驱动开关；本方法同时通过滞后换向的换向补偿方法扩展了电机的工作范围，其外环使用的神经网络控制算法响应快，稳态误差小，超调小，内环使用转矩环代替电流环使得电机控制精度极大提高，减小了电机在换向时的波动。

主权项

一种基于转矩反馈和换向补偿的无刷电机控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一，以给定转速和实际转速的差值来决定电机所需要的转矩，即外环控制，具体过程为：1.初始化参数：设本轮控制为第n轮控制，记为T_n，相对于本轮控制T_n的上一轮控制记为T_n‑1，相对于本轮控制T_n的上两轮控制记为T_n‑2；记本轮控制T_n的目标转速与实际转速的差值为e_O，相对于T_n的上一轮控制T_n‑1目标转速与实际转速的差值为e_O1，相对于T_n的上两轮控制T_n‑2目标转速与实际转速的差值为e_O2，在第一轮控制T₁中，令e_O1＝e_O2＝0，记T_n的转矩输出为u_O，相对于T_n的上一轮控制T_n‑1转矩输出为u_O1，第一轮控制T₁中，令u_O1＝0，记T_n的神经网络的权值为w_i，(i＝1，2，3)，相对于T_n的上一轮控制T_n‑1神经网络的权值为w_{i_1}，(i＝1，2，3)，第一轮控制T₁中，令w_{i_1}＝0，(i＝1，2，3)；2.根据神经网络算法，计算转矩输出u_O：令Δe_O＝e_O‑e_O1，也就是本轮控制T_n目标转速与实际转速的差值e_O与T_n的上一轮控制T_n‑1目标转速与实际转速的差值e_O1的差值，即本轮控制T_n目标转速与实际转速的差值的一阶差分，令Δe_O1＝e_O1‑e_O2，令Δ²e_O＝Δe_O‑Δe_O1，也就是本轮控制T_n目标转速与实际转速的差值的一阶差分与T_n的上一轮控制T_n‑1目标转速与实际转速的差值的一阶差分的差值，即本轮控制T_n目标转速与实际转速的差值的二阶差分，令x₁＝e_O，x₂＝Δe_O，x₃＝Δ²e_O；首先，计算神经网络的权值：w_i＝w_{i_1}+η_ie_Ou_O1(e_O+Δe_O)，(i＝1，2，3)，其中，常数η_i，(i＝1，2，3)为学习效率；再对计算神经网络的权值进行归一化：最后求出外环输出：其中，K为神经元比例系数；3.更新参数：本轮控制T_n结束，下一轮控制T_n+1中，需要对参数进行更新；将本轮控制T_n中目标转速与实际转速的差值e_O赋值给下一轮控制T_n+1中的上一轮目标转速与实际转速的差值e_O1，将相对与T_n的前一轮控制目标转速与实际转速的差值e_O1赋值给相对于下一轮控制T_n+1的上两轮目标转速与实际转速的差值e_O2：将本轮控制T_n的神经网络的权值赋值给相对下一轮控制T_n+1的上一轮神经网络的权值w_{i_1}：w_{i_1}＝w_i，(i＝1，2，3)将本轮控制T_n转矩输出u_O赋值给下一轮控制T_n+1中的上一轮转矩输出值u_O1：u_O1＝u_O；步骤二，以外环所给定的转矩和电机的实际转矩的差值来决定占空比，即内环控制，具体过程为：1.初始化参数：记本轮控制T_n外环给定转矩与实际转矩的差值为e_I，T_n的上一轮控制T_n‑1外环给定转矩与实际转矩的差值为e_I1，T_n的上两轮控制T_n‑2外环给定转矩与实际转矩的差值为e_I2，在第一轮控制T₁中，令e_I1＝e_I2＝0，记本轮控制T_n内环输出为u_I，T_n的上一轮控制T_n‑1内环输出为u_I1，在第一轮控制T₁时，令u_I1＝0；2.根据修正增量PID算法，计算占空比输出D：令控制量的增量Δu_I＝u_I‑u_I1，那么u_I＝u_I1+Δu_I，同外环控制定义一致，令Δe_I＝e_I‑e_I1，也就是本轮控制T_n外环给定转矩与实际转矩的差值与T_n的上一轮控制T_n‑1外环给定转矩与实际转矩的差值的差值，即本轮控制T_n外环给定转矩与实际转矩的差值的一阶差分，令Δe_I1＝e_I1‑e_I2，令Δ²e_I＝Δe_I‑Δe_I1，也就是本轮控制T_n外环给定转矩与实际转矩的差值的一阶差分与T_n的上一轮控制T_n‑1的外环给定转矩与实际转矩的差值的一阶差分的差值，即本轮控制T_n外环给定转矩与实际转矩的差值的二阶差分，那么可以通过下式求得Δu_I：Δu_I＝k_PΔe_I+k_Ie_I+k_DΔ²e_I，其中，k_P为比例系数，k_I为积分系统，k_D为微分系数；再通过求得的Δu_I确定控制量u_I：u_I＝u_I1+Δu_I然后根据u_I确定修正后的输出其中，K_e为一个大于1的常数，表示允许进入饱和区的深度；接着根据确定电机输入的转矩方向：当时，输出转矩方向与转速方向相同，当输出转矩方向与转速方向相反；最后，确定输出的占空比D：3.更新参数：同外环控制一样，内环控制也需要对参数进行更新，将本轮控制T_n中外环给定转矩与实际转矩的差值e_I赋值给相对下一轮控制T_n+1的上一轮外环给定转矩与实际转矩的差值e_I1，将相对与T_n的前一轮控制目标转速与实际转速的差值e_I1赋值给相对于下一轮控制T_n+1的上两轮目标转速与实际转速的差值e_I2：将本轮控制T_n修正后的输出赋值给下一轮控制T_n+1中的上一轮输出值：步骤三，本步骤与步骤一和步骤二同时进行，为了减小由于换向造成的转矩波动，采取了开关管滞后关断的控制策略，具体过程为：1.监测霍尔信号，确定补偿的开始时刻：电机的一相的控制过程如下，其他相控制过程同该相一样；当霍尔传感器输出发生变化，根据传统控制方法判定为应该关断该开关管的时刻，以此时刻作为补偿的开始，记为t_s；2.监测转速信号，确定补偿的结束时刻：从t_s时刻对转速的脉冲信号进行计数，设每个脉冲信号对应的电角度为α_e，补偿电角度为α_c，当记满n＝α_c/α_e个脉冲时，以此时刻作为补偿的结束时刻，记为t_e，并在此时刻关断开关管；在换向补偿的阶段，该开关管的驱动方式为PWM，其占空比D由步骤一和步骤二来确定；步骤四，按照前面双闭环控制算法得出的占空比D和转矩的方向驱动开关管，具体过程为：1.霍尔信号每60°输出不同的值，单片机根据霍尔信号，确定电机电角度的范围。