[发明专利]一种无刷直流电机全调速范围内转矩脉动抑制方法

说明书

技术领域

本发明属于无刷直流电机的调速领域，涉及一种无刷直流电机全速度运行范围内的转矩脉动抑制方法。

背景技术

直流电机因其出色的调速能力和启动性能，被越来越多地使用于电力拖动与电气传动系统中。然而，传统的有刷直流电机采用电刷以机械方式换相，因而存在可靠性差、寿命短、故障多、需维护、噪声大以及换相火花易产生电磁干扰等一系列问题，在很大程度上限制了其在某些特殊领域的应用。无刷直流电机正是在有刷直流电机基础之上发展起来的一种新型直流电机，具有结构简单、寿命长、体积小和效率高等优点。由于采用电子换相，避免了换相器与电刷之间的机械接触，从而消除了火花，电机寿命得到延长，免维护；转子使用永磁铁励磁，没有励磁损耗，效率更高；结构紧凑，体积小，可应用于空间受限场合；调速范围广。

然而，由于无刷直流电机相绕组电感的存在及非理想空载感应电势、定位齿槽转矩、换相控制方式等，在运行过程中会产生一定程度的转矩脉动，其中尤以换相转矩脉动最为突出，限制了其在精密传动系统中的应用。因此，转矩脉动的抑制对基于无刷直流电机的伺服系统性能提高具有十分重要的理论意义与工程应用价值。

中国发明专利《无刷直流电机的直接自控制系统的控制方法》,专利号为CN200610037967.2，公开日期为2006.8.16，公开了一种无刷直流电机的直接自控制系统的控制方法。在每个控制周期中，根据检测到的电流、电压，计算出定子磁链和转矩，将其与给定磁链、给定转矩相比较，由比较结果决定所选用的空间电压矢量，最终通过功率变换器作用于无刷直流电机，达到调速目的，即传统的直接转矩控制。

中国发明专利《无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法》,专利号为CN201010127885.3，公开日期为2010.7.21，公开了一种无刷直流电机的磁链自控式直接转矩控制方法。根据位置传感器输出的转子位置信号，经速度计算单元得到电机的转子角速度；进而根据电机电流值、电压值和转子角速度由反电势滑模观测器对电机反电势进行估算，再由转矩估算单元计算获得电机的预计转矩T_e，将T_e与给定转矩T_e^*作比较后送入转矩滞环调节器，调节得到控制参数τ，再结合位置传感器输出信号，输入电压矢量选择单元产生相应的开关信号去控制逆变器，从而驱动无刷直流电机运行。

上述技术的不足之处在于：专利CN200610037967.2采用了转矩环和磁链环的双闭环控制，其中电机磁链的获取需要采用一定的算法进行估算。而对于无刷直流电机而言，要获得较好的控制性能，定子磁链幅值的给定应是位置的一个函数，这使得系统较为复杂，控制成本大大增加。专利CN201010127885.3虽然采用了转矩单闭环控制，实现了无刷直流电机的无磁链控制，但是由于转矩计算模块T_e的估算需要用到滑模观测器观测反电势，增加了系统的计算成本；此外，由于该方案仅对开通相进行斩波控制，而电机高速运行时，关断相电流的下降速度大于开通相的电流上升速度，需要对关断相进行延迟关断处理，否则就会使得开通相与关断相的电流变化速率不同，进而引起较大的转矩脉动，电机运行性能较差，因此上述专利所提的方法仅对电机低速运行时有效。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种反电势计算观测成本低、能够应用在高速运行场合的无刷直流电机全调速范围内转矩脉动抑制方法。

技术方案：本发明的无刷直流电机全调速范围内转矩脉动抑制方法，根据速度计算模块得出的电机转速，分为低速运行与高速运行两个状态，并针对这两种状态分别按照如下方式进行转矩脉动控制：

①当电机低速运行时，采用位置反馈模块检测无刷直流电机的转子角速度信号，并由速度计算模块根据所述转子的角速度信号，计算得到电机的转速ω，将其与给定转速ω^*作差，所得转速差输入PI转速调节器后得到电机的参考电磁转矩T_e^*；同时，将电机任意两相电流的反馈值i_j、i_k输入给转矩计算模块估算出电机的电磁转矩T_e；

将所述电磁转矩T_e与给定转矩T_e^*作差，所得的转矩差值经转矩滞环调节器调节得到控制参数τ，将其输入至开关表选择模块，再结合扇区判断模块的输出信号，决定当前应施加的开关信号以控制逆变器，从而驱动无刷直流电机运行，实现无刷直流电机低速运行时的无磁链直接转矩控制；