專利名稱：無傳感器磁場定向控制車輪方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無傳感器磁場定向控制車輪方法及裝置，特別涉及一種對電 動自行車、電動摩托車、電動汽車的電機進行控制的方法及裝置。
背景技術：
對直流無刷電機控制最簡單的方法之一，是采用“梯形控制”。針對這個控制方法， 控制器每次只對電機的兩段進行通電，電機第三段始終與電源斷開，利用三個霍爾傳感器 或反電動勢過零點提供位置信息。在任何時候，兩個繞組的電流是相等的，第三相是零。這 種方法產(chǎn)生了 6個不同空間。當電機轉動，電機的相電流每旋轉60°就換向一次，每個繞組 都要經(jīng)歷正向電流、零電流、反向電流三個過程。這種方法產(chǎn)生的電流空間矢量，使電機大 約相當于平穩(wěn)旋轉，因為它在6個不同的方向有步驟轉換。PI控制器用于電流控制。所測量的電流與所需的扭矩進行比較以便產(chǎn)生誤差信 號，然后綜合(I)和擴增(P)來產(chǎn)生輸出校正。這種方式可以保證以恒流工作。梯形控制是單獨的電流控制，根據(jù)電機位置信號來選擇正確的通電順序，測量繞 組回路的電流，組成電流控制回路，隨著電機轉動，電流傳送到電機終端以維持轉矩。但欠缺地方在于
因為電流空間矢量只能在6點離散方向變換，由對齊以任何地方從0到30°的最佳方 向的比例始終為15%，引起脈動的工作頻率為6倍電機轉速。當前空間矢量偏差也代表著效 率損失，因為繞組電流產(chǎn)生的扭矩不一致，此外，在通電兩端引入了一個短暫的換向占電機 動作的6倍。這會導致聲音“點擊”使電機難以控制緩慢速度。提供平穩(wěn)和準確的無刷直流電機控制，梯形控制是不夠的，尤其是在低速，正弦控 制解決了這個問題。正弦換向無刷電機控制器，試圖用三個不同的正弦電流驅動電機轉動。 這些電流的相對階段選擇，使它們有一個旋轉的空間矢量使之正交。對比梯形控制，正弦控 制消除了轉矩脈動，為使電機的電流正弦調制轉子，轉子位置的測量要精確，霍爾器件只提 供了轉子的大概位置，并為此不足。至于這個原因，角度編碼器反饋或類似的裝置以成為需 求。這種技術方案使電機每一個繞組的電流成為單獨的電流環(huán)。電機第三相繞組的電 流等于前兩個繞組的電流負和。由于定子繞組空間相距120°，在每個繞組的電流必須正弦 且120°相移，測量其中兩個正弦信號，另外一個120°相移。這些信號然后乘于扭矩命令， 以便使正弦波的振幅正比于預期的扭矩。PI環(huán)對給定的正弦電流信號調整，給電機兩個繞組提供合適電流，電機第三個繞 組的電流是前兩個繞組電流的負和。因此不要單獨控制。從每個PI控制器輸出反饋到PWM 調制器，然后輸出到電機兩個端子。在某種程度上，實際輸出波形準確地跟蹤正弦電流信號，由此產(chǎn)生的旋轉電流是 標準的正交矢量，并且是可預期的。平滑的正弦控制結果，是梯形控制無法達到的，不過，雖然這是非常有效的，但運
3動速度低，在高速馬達它的性能往往下降，這是因為頻率越高，當前循環(huán)控制器追蹤的正弦 信號頻率增加，同時要克服反電動勢，在速度上升時，幅度和頻率也增加，隨著速度增加，為 了維持正交分量，空間矢量的方向將滯后，電流值將上升。由于PI (比例積分)控制器的增益和頻率響應有限，電機電流擾動增益誤差是電 流控制回路相位滯后的原因，更高的速度產(chǎn)生較大的錯誤。這困擾當前相對轉子空間矢量 方向，使之從正交方向偏移。當發(fā)生這種情況，扭矩少、電流大，為了保持一定量的力矩，以 致效率惡化。這種退化的速度繼續(xù)增大，在某些時候電機電流相移橫穿90°，當發(fā)生這種情 況扭矩減少到零。由于正弦折算超過了這個負扭矩點的速度和結果，因此無法實現(xiàn)。

發(fā)明內容
為了克服以上的缺點，本發(fā)明提供了一種無傳感器磁場定向控制車輪方法，包括 以下的步驟
⑴測量三相定子電流ia、ib>ic;
⑵采用Clarke變換，將三相電流ia、ib、i。變換為二軸坐標系電流i α、i0 ； ⑶采用Park變換，將二軸坐標系電流ia、ie變換為旋轉坐標系電流id、iq ； ⑷使用滑動模式控制器估算電機轉子位置角度θ和角速度ω ；
(5)針對電流和電機速度，經(jīng)PI控制器迭代后，得到旋轉坐標系電壓VtnVq；
(6)采用Park逆變換將旋轉坐標系電壓VtnVq轉換為靜止坐標系電SVa、V0； ⑵采用Clarke逆變換，將靜止坐標系電壓Va、V0變換為三軸坐標系電壓Va、Vb、V。； ⑶利用前述的三相電壓值Va、\、Vc計算新的脈沖調制占空比，以驅動電機PMSM。其中，所述使用滑動模式控制器估算電機位置和速度，其步驟是 ⑴估算電機電流；
⑵對滑動模式控制器的輸出濾波，估算反電動勢； ⑶對反電動勢進行濾波；
⑷根據(jù)反電動勢的正/余切值估算電機轉子位置角度θ ；
(5)判斷累加θ值是否等于m;
(6)若不等于m，則返回第(5)步；等于m，估算電機轉子位置角度θ，計算轉子角速度ω；
(7)對估算角速度ω進行濾波；
⑶根據(jù)角速度ω計算值來補償電機轉子位置角度θ值。本發(fā)明還提供了一種無傳感器磁場定向控制車輪裝置，該裝置設一單片機，分別 與三相單獨驅動模塊、位置檢測模塊、電流檢測模塊、轉把輸入、剎把輸入以及助力傳感器 連接，三相單獨驅動模塊和三相橋式功率開關連接，三相橋式功率開關與驅動電機PMSM連 接，并且還與電流取樣模塊以及位置檢測模塊連接。所述助力傳感器是在車輛的踏腳板內安裝一霍號傳感器，隨著踏腳轉動，單片機 輸出控制信號使驅動電機PMSM啟動。所述電流取樣模塊，是在三相驅動功率開關管電路串接一取樣電阻，獲得取樣電 壓后送到電流檢測模塊，計算出三相取樣電流ia、ib、i。。所述位置檢測模塊是將驅動電機PMSM的三相連接線上電壓直接送至三個比較器 電路，每個比較器的比較電壓是按三相輸出電平所反映電機的不同位置設定的。
本發(fā)明的優(yōu)越功效在于本發(fā)明的電機控制器比傳統(tǒng)控制效率更高，是理想的節(jié)
能控制方法，在電機運行過程中通過電機繞組的電流是正弦波形式，大大減少了電機在運
行過程中的轉矩振蕩，降低了電機的噪聲，從而延長電機的使用壽命，是環(huán)保節(jié)能的綠色三
相無刷直流電機控制器。


圖1為常用的Clarke變換示意圖； 圖2為常用的Park變換示意圖； 圖3為常用的Park逆變換示意圖； 圖4為常用的Clarke逆變換示意圖； 圖5為本發(fā)明的矢量控制邏輯圖6為驅動電機PMSM模型原理圖； 圖7為電流觀測圖； 圖8為反電動勢估算原理圖； 圖9為電機角速度ω估算原理圖； 圖10為本發(fā)明的硬件框圖； 圖11為驅動部分的原理框圖； 圖12為驅動部分A相原理電路圖； 圖13為電流檢測原理圖； 圖14為位置檢測模塊原理圖； 圖15為本發(fā)明的方法流程圖； 圖16為本發(fā)明電機位置角度和角速度估算流程圖； 圖17為電機啟動后隨速度增加變化的示意圖。
具體實施例方式請參閱附圖所示，對本發(fā)明作進一步的描述。如圖15所示，本發(fā)明提供了一種無傳感器磁場定向控制車輪方法，包括以下的步
驟
⑴測量三相定子電流ia、ib>ic;
⑵如圖1所示，采用Clarke變換，將三相電流ia、ib、ic變換為二軸坐標系電流“、％ ；
⑶如圖2所示，采用Park變換，將二軸坐標系電流ia、i0變換為旋轉坐標系電流id、
iq ；
⑷如圖16所示，使用滑動模式控制器估算電機轉子位置角度θ和角速度ω ；
(5)針對電流和電機速度，經(jīng)PI控制器迭代后，得到旋轉坐標系電壓VtnVq；
(6)如圖3所示，采用Park逆變換將旋轉坐標系電壓Vd、Vq轉換為靜止坐標系電壓Va、
Ve ；
(7)如圖4所示，采用Clarke逆變換，將靜止坐標系電壓Va、Ve變換為三軸坐標系電壓
⑶利用前述的三相電壓值Va、\、Vc計算新的脈沖調制占空比，以驅動電機PMSM。
如圖16所示，所述使用滑動模式控制器估算電機位置和速度，其步驟是 ⑴估算電機電流；
⑵對滑動模式控制器的輸出濾波，估算反電動勢； ⑶對反電動勢進行濾波；
⑷根據(jù)反電動勢的正/余切值估算電機轉子位置θ ；
(5)判斷累加θ值是否等于m;
(6)若不等于m，則返回第(5)步；等于m，估算電機轉子位置角度θ，計算轉子角速度ω；
(7)對估算角速度ω進行濾波；
⑶根據(jù)角速度ω計算值來補償電機轉子位置角度θ值。如圖10所示，本發(fā)明還提供了一種無傳感器磁場定向控制車輪裝置，該裝置設一 單片機，分別與三相單獨驅動模塊、位置檢測模塊、電流檢測模塊、轉把輸入、剎把輸入以及 助力傳感器連接，三相單獨驅動模塊和三相橋式功率開關連接，三相橋式功率開關與驅動 電機PMSM連接，并且還與電流取樣模塊以及位置檢測模塊連接，如圖11和圖12所示。所述助力傳感器是在車輛的踏腳板內安裝一霍號傳感器，隨著踏腳轉動，單片機 輸出控制信號使驅動電機PMSM啟動。如圖13所示，所述電流取樣模塊，是在三相驅動功率開關管電路串接一取樣電 阻，獲得取樣電壓后送到電流檢測模塊，計算出三相取樣電流ia、ib、i。。如圖14所示，所述位置檢測模塊是將驅動電機PMSM的三相連接線上電壓直接送 至三個比較器電路，每個比較器的比較電壓是按三相輸出電平所反映電機的不同位置設定 的。該方法通過使用Park和Clarke變換，將物理電流變換為大小不隨時間變化的轉 矩和磁通分量，使得可以與直流電機一樣，使用如PI (比例積分)控制器之類的傳統(tǒng)技術來 進行控制。定子磁通和轉子磁通之間的角度保持為90°，從而使電機產(chǎn)生可能的最大轉矩。 通過使用無傳感器磁場定向控制方法，使電機電流變換為2軸矢量，如直流電機中的電流。 此過程的第一步是測量三相電機電流。在實際測量中，由于3個電流值的瞬時和為0，所以 只需測量其中兩個電流，就可以確定第三個電流的值。如圖1所示，采用Clarke變換，將以定子作為參照物的3軸坐標轉換成2軸坐標， 并保持相同的參照物，電流ia (a相電流)，ib (b相電流)，i。(c相電流)為
ia=iaia+ib+ic=0 ；
= J_ _2_
lb" 忑 la+ φ lb 。如圖2所示，采用Park變換，將2軸坐標系(α、β坐標系)轉換到旋轉坐標系(d, q 坐標系)下，用三角關系找出對應變量之間的關系為經(jīng)過PI (比例積分)迭代后，可獲得旋轉d-q坐標系的電壓矢量的兩個分量(％、\)。如圖3所示，采用Park逆變換，將旋轉坐標系(d，q坐標系)下電壓(Vd、Vq)轉為 α、β坐標系下
權利要求
一種無傳感器磁場定向控制車輪方法，包括以下步驟⑴測量三相定子電流ia、ib、ic；⑵采用Clarke變換，將三相電流ia、ib、ic變換為二軸坐標系電流iα、iβ；⑶采用Park變換，將二軸坐標系電流iα、iβ變換為旋轉坐標系電流id、iq；⑷使用滑動模式控制器估算電機轉子位置角度θ和角速度ω；⑸針對電流和電機速度，經(jīng)PI控制器迭代后，得到旋轉坐標系電壓Vd、Vq；⑹采用Park逆變換將旋轉坐標系電壓Vd、Vq轉換為靜止坐標系電壓Vα、Vβ；⑺采用Clarke逆變換，將靜止坐標系電壓Vα、Vβ變換為三軸坐標系電壓Va、Vb、Vc；⑻利用前述的三相電壓值Va、Vb、Vc計算新的脈沖調制占空比，以驅動電機PMSM。
2.根據(jù)權利要求1所述的無傳感器磁場定向控制車輪方法，所述使用滑動模式控制器 估算電機位置和速度，其步驟是⑴估算電機電流；⑵對滑動模式控制器的輸出濾波，估算反電動勢； ⑶對反電動勢進行濾波；⑷根據(jù)反電動勢的正/余切值估算電機轉子位置角度θ ；(5)判斷累加θ值是否等于m;(6)若不等于m，則返回第(5)步；等于m，估算電機轉子位置角度θ，計算轉子角速度角ω ；(7)對估算速度ω進行濾波；⑶根據(jù)角速度ω計算值來補償電機轉子位置角度θ值。
3.一種無傳感器磁場定向控制車輪裝置，其特征在于該裝置設一單片機，分別與三 相單獨驅動模塊、位置檢測模塊、電流檢測模塊、轉把輸入、剎把輸入以及助力傳感器連接， 三相單獨驅動模塊和三相橋式功率開關連接，三相橋式功率開關與驅動電機PMSM連接，并 且還與電流取樣模塊以及位置檢測模塊連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的無傳感器磁場定向控制車輪裝置，其特征在于所述助力傳 感器是在車輛的踏腳板內安裝一霍號傳感器，隨著踏腳轉動，單片機輸出控制信號使驅動 電機PMSM啟動。
5.根據(jù)權利要求3所述的無傳感器磁場定向控制車輪裝置，其特征在于所述電流取 樣模塊，是在三相驅動功率開關管電路串接一取樣電阻，獲得取樣電壓后送到電流檢測模 塊，計算出三相取樣電流ia、ib、ic。
6.根據(jù)權利要求3所述的無傳感器磁場定向控制車輪裝置，其特征在于所述位置檢 測模塊是將驅動電機PMSM的三相連接線上電壓直接送至三個比較器電路，每個比較器的 比較電壓是按三相輸出電平所反映電機的不同位置設定的。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無傳感器磁場定向控制車輪方法及裝置，通過使用Park和Clarke變換，將物理電流變換為大小不隨時間變化的轉矩和磁通分量，使得可以與直流電機一樣，使用PI控制器來進行控制。本發(fā)明的優(yōu)點是比傳統(tǒng)控制效率更高，是理想的節(jié)能控制方法，在電機運行過程中通過電機繞組的電流是正弦波形式，大大減少了電機在運行過程中的轉矩振蕩，降低了電機的噪聲，從而延長電機的使用壽命，是環(huán)保節(jié)能的綠色三相無刷直流電機控制器。
文檔編號H02P21/05GK101977012SQ20101053598
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權日2010年11月9日
發(fā)明者楊松, 許秉政, 鄭杰 申請人:上海川鄰精密配件有限公司