[发明专利]基于虚拟相构造的单相无刷直流电机矢量控制方法

说明书

本发明公开了一种基于虚拟相构造的单相无刷直流电机的矢量控制方法，本发明的目标是通过建立单相无刷直流电机的矢量控制模型，对单相无刷直流电机实行基于磁场定向的矢量控制，实现单相无刷直流电动机宽转速范围的高效运行，提高电机运行的动态响应，降低电机的振动噪音。本发明针对单相无刷直流电机运行时只有单绕组供电的情况，通过建立虚拟相电流，建立起d‑q子平面的电机数学模型，在此基础上实现电机的转速控制和电流控制。本发明在不改变电机结构和硬件控制电路的情况下，采用矢量控制的方法，能够有效实现宽转速宽负载范围的高效运行，提高单相无刷直流电机的动态响应，降低电机的振动噪音。

技术领域

本发明涉及单相无刷直流电机的控制领域，尤其涉及一种提高单相无刷直流电机运行效率和动态响应的控制方法。

背景技术

在对机电产品提出高效节能要求的形势下，一些原来采用单相异步电机驱动的应用场合纷纷采用高功率密度和高效率的低成本永磁电机来替代。单相无刷直流电机，又名“单绕组无刷直流电机”具有结构简单、加工制造容易、所需功率管少、控制电路简单、成本低的优点，在一些低成本、低起动转矩、对电机性能要求不高的小功率设备如风机、水泵等场合得到了较广泛的应用。但随着一些应用场合对性能要求的提高，进一步提升单相无刷直流电机的运行效率、动态响应性能，降低其振动噪音，使其接近三相(三绕组)无刷直流电机的性能，是对单相无刷直流电机提出的新要求。

现有的单相无刷直流电机其控制方式主要为转速开环、转速闭环、电流闭环或外转子环内电流环的双闭环结构，对于径向充磁转子，往往根据转子位置，采用PWM或SPWM的调制方法生成与转子相对位置固定的功率管驱动信号，保证施加到单相绕组上的电压为方波或正弦波。由于电机运行过程中，转速或负载发生变化时，电流和电压间的相位也会随之改变。如果不对电流相位进行调整，无法做到在宽转速或宽负载范围内的高效运行。同时在经常存在负载扰动场合，如果不能及时对电磁转矩进行调整，很难保证其有较快的动态响应。因此如果能采用类似于三相永磁同步电机的转子磁场定向矢量控制，根据运行状态，自动调整逆变器输出电压的相位，保证单位电流产生最大转矩，则单相无刷直流电机的运行效率和动态响应性能就能得到明显的提升。

发明内容

本发明的目的在于针对现有单相无刷直流电机在宽速度宽负载范围高效运行和高动态响应性能方面的技术不足，提供一种单相无刷直流电机的矢量控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：一种单相无刷直流电机的矢量控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)构造虚拟相：获取单相无刷直流电机的绕组电流和转子转速，构造与该绕组电流具有相同变化频率、相同幅值、在时间上差90度的虚拟相电流；假定该虚拟相与实际单绕组在空间上差90度，将实际单绕组电流看作是电机α-β坐标系中的α轴电流，将虚拟相电流看成α-β坐标系中的β轴电流。

(2)完成α-β坐标系向d-q坐标系的变换：将实际相和虚拟相电流通过Park变换，转化到以转子速旋转的d-q坐标系上，将原α-β坐标系中的两相电流交流量转化为d-q坐标系中的两相电流直流量。

(3)根据步骤2得到的两相电流直流量计算得到q轴电压分量Uq和d轴电压分量Ud，实现电机的转速控制和电流控制。

进一步地，所述步骤1中构造虚拟相电流具体为：采用建表查询的方法，将实际绕组电流iα的半个周期的采样值存到数组中，根据当前的转子转速，计算出90度之前的绕组电流iα对应数组中的元素，得到当前虚拟相电流iβ的大小。