适用于无刷直流电机的平稳电磁制动方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于无刷直流电机控制技术领域，为实现保持电磁转矩换相无波动，又能使制动转矩大小可控的制动方法，提升电机在制动状态下的转矩控制性能，此过程中无换相转矩波动，控制性能不受电机转速的影响。本发明专利技术采用的技术方案是，适用于无刷直流电机的平稳电磁制动方法，包括调制策略切换和换相电流控制两部分；调制策略切换：根据特定电机参数以及设计者要求将电机转速进行合理分区，分为高速区和低速区；高速区使用回馈制动即调制策略1，低速区使用反接制动即调制策略2；换相电流控制是设计换相占空比补偿控制器，使其与主控制器相互配合构成电流控制器，最终计算出合适的换相占空比。本发明专利技术主要应用于无刷直流电机的设计制造场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无刷直流电机控制
，涉及一种无刷直流电机的电磁制动转矩平稳控制方法。
技术介绍
无刷直流电机以其体积小、可靠性高、输出转矩大等特点被广泛应用在航空航天、工业生产和家用电器上。但是较大的转矩波动会影响无刷直流电机在某些领域的高品质运行，例如在电动汽车和电动自行车上，转矩波动会降低乘坐者的舒适性和车辆的安全性，在伺服控制的数控机床上，转矩波动会影响零件加工精度，降低产品的合格率。无刷直流电机的转矩波动主要来自于换相转矩波动。目前，对于电动运行区的转矩波动抑制方法主要有：PWM斩波法、直接转矩控制法、添加前级DC-DC变换器的方法等。然而对于电机制动状态下全速范围内的换相转矩波动抑制问题以及转矩的可控性问题研究甚少。制动状态是无刷直流电机运行的重要阶段，通过提高制动状态下的转矩控制性能，可以拓展无刷直流电机转矩平稳运行区间，提高电机的可靠性和使用寿命，尤其在某些特殊场合，例如电动汽车和电动自行车的制动过程，抑制转矩波动可以提高乘坐者的舒适性和电动交通工具的安全性。因此设计一种无刷直流电机电磁制动转矩平稳控制方法是十分必要的。另外，平稳的电磁制动方法也可以降低由机械制动带来的机械损耗，减小机械制动装置体积，提高制动灵活性。电机的电磁制动方式分为三种：回馈制动、能耗制动和反接制动。回馈制动是将电机动能首先转化成电能，再通过外围电路(如DC-DC电路)存储在储能装置中。能耗制动是将电机动能转化成电能，再通过电阻性负载转换成热能耗散掉。二者共同点是都必须依靠一定的电机动能来产生充足的制动电磁转矩，所以以上两种方法更适合用于电机转速较高的区间。反接制动利用改变电源电压极性或电机绕组导通顺序，使电机产生反向电磁转矩。由于其不依赖于电机转速，所以更适合用于弥补回馈制动和能耗制动在低速下不能提供充足制动转矩的缺点。在实际的生产和生活中，回馈制动可以满足节能减排、能量循环利用的要求，随着电动汽车行业的发展，回馈制动也越来越多的受到人们的青睐。但是由于早期所使用的回馈制动方法，大多需要借助DC-DC、超级电容等外围电路来实现电能从电机到储能设备的流动，使得其与能耗制动相比，在小功率电机上并不具有明显优势。有学者利用桥式逆变器斩波的方法和无刷直流电机本身的电感实现了回馈制动，减少了电机回馈制动时所需的外围电路，降低了回馈制动的复杂性。但是单独依靠回馈制动在转速较低时不能提供充足的制动转矩，另外以上方法中也未解决制动状态下的换相转矩波动问题。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种在无刷直流电机制动过程的全速范围内，既能保持电磁转矩换相无波动，又能使制动转矩大小可控的制动方法，提升电机在制动状态下的转矩控制性能。可以使制动转矩在一个较小值到额定值之间进行任意调节，并且理论上，此过程中无换相转矩波动。整个制动方法对电机制动转矩的控制性能不受电机转速的影响。本专利技术采用的技术方案是，适用于无刷直流电机的平稳电磁制动方法，包括调制策略切换和换相电流控制两部分；调制策略切换：根据特定电机参数以及设计者要求将电机转速进行合理分区，分为高速区和低速区；高速区使用回馈制动即调制策略1，低速区使用反接制动即调制策略2；换相电流控制是设计换相占空比补偿控制器，使其与主控制器相互配合构成电流控制器，最终计算出合适的换相占空比。具体设计步骤如下：1)在桥式逆变器前端加入电压值为电机额定电压的电压源；2)编写调制策略1和调制策略2作为本控制方法所采用的调制策略；3)根据下式计算调制策略切换判断程序所需转速点ωcut和ωcon： ω c u t = 2 I r e f R s + v d 2 K e , ω c o n = 2 v d + 3 I r e f R s 4 K e ]]>式中，Iref＝Tref/(2Ke)，Tref为制动转矩参考值的幅值，Ke为相反电势系数，Rs为电机铭牌上相绕组的标称值，vd为桥式逆变电路中所使用MOS管反并联二极管的正向导通压降；ωcut和ωcon是两种调制策略间切换时的两个关键转速点，在ωcut进行调制策略切换用以保证制动转矩在全速范围内大小可控，在ωcon进行调制策略切换用以保证制动转矩在全速范围内无换相波动；4)根据下式计算在整个制动过程中所允许的最大转矩波动对应的电流变化量Δi：Δi＝ΔTe/(2Ke)5)设计调制策略切换判断流程为：首先判断电机瞬时转速ωm小于等于ωcut是否成立，若条件成立则进行下一步判断，否则调制策略设定为调制策略1；若上述条件成立，判断电机电流设定值与反馈值差值小于Δi且电机瞬时转速ωm大于等于ωcon是否成立，若条件成立则维持调制策略1，否则调制策略设定为调制策略2，以上判断只在电机导通区周期性进行；6)根据下式计算补偿控制器在电机换相期间输出占空比Df，该值在换相初始时刻计算，在换相全过程保持不变： D f = D x - D b * ]]>式中，为主控制器在换相开始前一时刻输出的占空比值，当调制策略为调制策略1时，Dx＝D1，其表达式如下 D 1 = 2 U d c + 4 v d - 4 K e ω 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于无刷直流电机的平稳电磁制动方法，其特征是，适用于无刷直流电机的平稳电磁制动方法，包括调制策略切换和换相电流控制两部分；调制策略切换：根据特定电机参数以及设计者要求将电机转速进行合理分区，分为高速区和低速区；高速区使用回馈制动即调制策略1，低速区使用反接制动即调制策略2；换相电流控制是设计换相占空比补偿控制器，使其与主控制器相互配合构成电流控制器，最终计算出合适的换相占空比。

【技术特征摘要】
1.一种适用于无刷直流电机的平稳电磁制动方法，其特征是，适用于无刷直流电机的平稳电磁制动方法，包括调制策略切换和换相电流控制两部分；调制策略切换：根据特定电机参数以及设计者要求将电机转速进行合理分区，分为高速区和低速区；高速区使用回馈制动即调制策略1，低速区使用反接制动即调制策略2；换相电流控制是设计换相占空比补偿控制器，使其与主控制器相互配合构成电流控制器，最终计算出合适的换相占空比。2.如权利要求1所述的适用于无刷直流电机的平稳电磁制动方法，其特征是，具体步骤如下：1)在桥式逆变器前端加入电压值为电机额定电压的电压源；2)编写调制策略1和调制策略2作为本控制方法所采用的调制策略；3)根据下式计算调制策略切换判断程序所需转速点ωcut和ωcon： ω c u t = 2 I r e f R s + v d 2 K e , ω c o n = 2 v d + 3 I r e f R s 4 K e ]]>式中，Iref＝Tref/(2Ke)，Tref为制动转矩参考值的幅值，Ke为相反电势系数，Rs为电机铭牌上相绕组的标称值，vd为桥式逆变电路中所使用MOS管反并联二极管的正向导通压降；ωcut和ωcon是两种调制策略间切换时的两个关键转速点，在ωcut进行调制策略切换用以保证制动转矩在全速范围内大小可控，在ωcon进行调制策略切换用以保证制动转矩在全速范围内无换相波动；4)根据下式计算在整个制动过程中所允许的最大转矩波动对应的电流变化量Δi：Δi＝ΔTe/(2Ke)5)设计调制策略切换判断流程为：首先判断电机瞬时转速ωm小于等于ωcut是否成立，若条件成立则进行下一步判断，否则调制策略设定为调制策略1；若上述条件成立，判断电机电流设定值与反馈值差值小于Δi且电机瞬时转速ωm大于等于ωcon是否成立，若条件成立则维持调制策略1，否则调制策略设定为调制策略2，以上判断只在电机导通区周期性进行；6)根据下式计算补偿控制器在电机换相期间输出占空比Df，该值在换相初始时刻计算，在换相全过程保持不变： D f = D x - D b * ]]>式中，为主控制器在换相开始前一时刻输出的占空比值，当调制策略为调制策略1时，Dx＝D1，其表达式如下 D 1 = 2 U d c + 4 v d - 4 K e ω m + 3 I r e f R s 2 ( U d c + v d ) ]]>当调制策略为调制策略2时，Dx＝D2，其表达式如下 D 2 = 2 v ...

【专利技术属性】
技术研发人员：史婷娜，牛兴卓，李新旻，陈炜，夏长亮，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12