一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统及方法技术方案

一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统及方法，属于电机控制技术领域。解决了现有是无刷直流电动机普遍存在的转矩脉动问题。反激电路，用于将幅值恒定的直流电源Us电压转换为幅值可变的直流电压，电压型逆变器，用于将反激电路输出的幅值可变的直流电压转化为交流电，并对被控无刷直流电动机进行驱动。直流电压采样模块用于采集反激电路输出的直流电压，并将采集的直流电压信号送至电机控制器；采集被控无刷直流电动机的霍尔信号并发送给电机控制器，电机控制器根据采集的电压信号和霍尔信号对反激电路和电压型逆变器的工作状态进行控制。主要用于控制电机转矩的脉动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电机控制

技术介绍
无刷直流电机的输出转矩大、动态响应快、惯量小、可靠性高、控制简单,因此其应用越来越广泛。但是无刷直流电动机普遍存在的转矩脉动问题却一直限制着其在高精度系统中的应用。对于高精度系统,转矩脉动是衡量无刷直流电动机性能的一项重要指标。因此,研究抑制或消除转矩脉动的方法具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有是无刷直流电动机普遍存在的转矩脉动问题，本专利技术提供了一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统及其转矩脉动抑制方法。一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统，包括直流电源Us、反激电路、电压型逆变器、直流电压采样模块和电机控制器；直流电源Us的正极连接反激电路的正极输入端，直流电源Us的负极连接反激电路的负极输入端；反激电路的电压输出端连接电压型逆变器的电压输入端，电压型逆变器的电压输出端连接被控无刷直流电动机的三相绕组；反激电路，用于将幅值恒定的直流电转化为幅值可变的直流电；直流电压采样模块用于采集反激电路输出的直流电压，并将采集直流电压信号送至电机控制器；采集被控无刷直流电动机的霍尔信号并发送给电机控制器，电机控制器根据采集的电压信号和霍尔信号对反激电路和电压型逆变器的工作状态进行控制。所述的反激电路包括电容C1、电容C2、二极管D1、MOSFET管VT0和变压器T；电容C1的一端同时与直流电源Us的正极和变压器T原边的同名端连接，直流电源Us的负极同时与MOSFET管VT0的漏极和电容C1的另一端连接，变压器T原边的异名端与MOSFET管VT0的源极连接，变压器T副边的异名端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与变压器T副边的同名端连接，二极管D1的阴极作为反激电路的正极电压输出端，电容C2的另一端作为反激电路的负极电压输出端，MOSFET管VT0的栅极用于接收电机控制器发出的控制指令。所述的电压型逆变器为三相电压型桥式逆变器，三相电压型桥式逆变器包括6个开关管VT1至VT6，并且6个开关管VT1至VT6均为MOSFET管，其中，三相电压型桥式逆变器的上桥臂为开关管VT1、VT3、VT5，下桥臂为开关管VT4、VT6、VT2；每个MOSFET管的漏极和源极之间反向并联一个二极管，开关管VT1至VT6的栅极均用于接收电机控制器输出的控制信号。所述的电机控制器包括前馈控制模块、PID控制模块、减法器和加法器；前馈控制模块，用于根据反激电路的多组的当前占空比α′和其输出的直流电压Udc的历史数据拟合出当前占空比α′和直流电压Udc之间的关系α′＝f(Udc)，令Udc＝4Em，从而获得α′＝f(4Em)，反激电路根据该关系式α′＝f(4Em)及输入的参考电压4Em输出当前占空比α′；其中，Em为电机的反电动势；减法器的被减数输入端接收的参考电压4Em与其减数输入端接收的直流电压Udc作差，并将获得的偏差E(k)作为PID控制模块的输入；PID控制模块，用于根据接收的偏差E(k)采用下述公式一和二获得占空比增量α″，其中，其中，U(k)是第k次采样电压输出值，kp为调节比例系数；kI为调节积分系数；kD为调节微分系数；E(k)为第k次采样时的偏差；E(k-1)为第k-1次采样时的偏差；k为采样序号，k为大于或等于1的整数，j为变量，加法器用于对当前占空比α′和占空比增量α″进行叠加，使用叠加后的值α作为控制反激电路下一次占空比的控制指令，且α＝α′+α″。所述的采用一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统实现的电机转矩脉动抑制方法，该方法包括如下步骤：步骤一、电机控制器采集被控无刷直流电动机的霍尔信号和反激电路输出的直流电压Udc；步骤二、电机控制器根据被控无刷直流电动机的霍尔信号进行识别出被控无刷直流电动机处在换相状态时，被控无刷直流电动机产生脉动转矩△Te；其中，Em＝Ceφn(公式四)，L为电机的每相的等价电感，Ω为电机的角速度，Em为电机的反电动势，t表示时间，Ce为电机的电动势系数，φ是为电机的转子磁通，n是为电机的转速；步骤三、当被控无刷直流电动机处在换相状态时，对电机控制器采用前馈控制算法及PID控制算法对反激电路进行控制，并将通过前馈控制算法获得的输出值与通过PID控制算法获得的输出值进行叠加，作为控制反激电路的控制指令，使Udc＝4Em，最终使脉动转矩△Te＝0，从而实现对电机换相时产生的转矩脉动的抑制。所述的前馈控制算法采用关系式α′＝f(4Em)实现，PID控制模块采用公式一和公式二实现，其中，其中，α′为通过前馈控制算法得到的当前占空比，4Em为参考电压，α″为PID控制算法得到的占空比增量，其中，U(k)是第k次采样电压输出值，kp为调节比例系数；kI为调节积分系数；kD为调节微分系数；E(k)为第k次采样时的偏差；E(k-1)为第k-1次采样时的偏差；k为采样序号，k为大于或等于1的整数，j为变量。所述的关系式α′＝f(4Em)的获得过程为：步骤A1、利用电机控制器改变给MOSFET管VT0的控制指令，即控制指令为当前占空比α′的给定数值，利用当前占空比α′控制时，采集反激电路输出的直流电压Udc，反复执行步骤A1来获取多组当前占空比α′与直流电压Udc之间关系的历史数据，然后执行步骤A2；步骤A2、利用获取的多组当前占空比α′与直流电压Udc之间关系的历史数据进行拟合，得到关系式α′＝f(Udc)；步骤A3、为了抑制转矩脉动，令Udc＝4Em，进而获得关系式α′＝f(4Em)作为前馈控制算法的算法模型。本专利技术带来的有益效果是，由于无刷直流电机运行中，反电动势Em会随转速变化而变化，采用PID控制可以消除稳态误差，采用前馈控制可以加快响应速度，结合以上两种控制方式，能够有效抑制无刷直流电机在换相时产生的转矩脉动。附图说明图1为本专利技术所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统的原理示意图；图2为电机控制器内生成控制反激电路指令的控制原理图。具体实施方式具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统，包括直流电源Us、反激电路1、电压型逆变器2、直流电压采样模块3和电机控制器4；直流电源Us的正极连接反激电路1的正极输入端，直流电源Us的负极连接反激电路1的负极输入端；反激电路1的电压输出端连接电压型逆变器2的电压输入端，电压型逆变器2的电压输出端连接被控无刷直流电动机5的三相绕组；反激电路1，用于将幅值恒定的直流电转化为幅值可变的直流电；直流电压采样模块3用于采集反激电路1输出的直流电压，并将采集直流电压信号送至电机控制器4；采集被控无刷直流电动机5的霍尔信号并发送给电机控制器4，电机控制器4根据采集的电压信号和霍尔信号对反激电路1和电压型逆变器2的工作状态进行控制。本实施方式中，反激电路1，用于将幅值恒定的直流电转化为幅值可变的直流电，电压型逆变器2，用于将反激电路1输出的幅值可变的直流电压转化为交流电，并对被控无刷直流电动机5进行驱动。反激电路1接收控制器传输过来的占空比，从而调整反激电路1的输出电压。霍尔信号的采集可采用霍尔传感器实现。具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统，其特征在于，包括直流电源Us、反激电路(1)、电压型逆变器(2)、直流电压采样模块(3)和电机控制器(4)；直流电源Us的正极连接反激电路(1)的正极输入端，直流电源Us的负极连接反激电路(1)的负极输入端；反激电路(1)的电压输出端连接电压型逆变器(2)的电压输入端，电压型逆变器(2)的电压输出端连接被控无刷直流电动机(5)的三相绕组；反激电路(1)，用于将幅值恒定的直流电转化为幅值可变的直流电；直流电压采样模块(3)用于采集反激电路(1)输出的直流电压，并将采集直流电压信号送至电机控制器(4)；采集被控无刷直流电动机(5)的霍尔信号并发送给电机控制器(4)，电机控制器(4)根据采集的电压信号和霍尔信号对反激电路(1)和电压型逆变器(2)的工作状态进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统，其特征在于，包括直流电源Us、反激电路(1)、电压型逆变器(2)、直流电压采样模块(3)和电机控制器(4)；直流电源Us的正极连接反激电路(1)的正极输入端，直流电源Us的负极连接反激电路(1)的负极输入端；反激电路(1)的电压输出端连接电压型逆变器(2)的电压输入端，电压型逆变器(2)的电压输出端连接被控无刷直流电动机(5)的三相绕组；反激电路(1)，用于将幅值恒定的直流电转化为幅值可变的直流电；直流电压采样模块(3)用于采集反激电路(1)输出的直流电压，并将采集直流电压信号送至电机控制器(4)；采集被控无刷直流电动机(5)的霍尔信号并发送给电机控制器(4)，电机控制器(4)根据采集的电压信号和霍尔信号对反激电路(1)和电压型逆变器(2)的工作状态进行控制。2.根据权利要求1所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统，其特征在于，所述的反激电路(1)包括电容C1、电容C2、二极管D1、MOSFET管VT0和变压器T；电容C1的一端同时与直流电源Us的正极和变压器T原边的同名端连接，直流电源Us的负极同时与MOSFET管VT0的漏极和电容C1的另一端连接，变压器T原边的异名端与MOSFET管VT0的源极连接，变压器T副边的异名端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与变压器T副边的同名端连接，二极管D1的阴极作为反激电路(1)的正极电压输出端，电容C2的另一端作为反激电路(1)的负极电压输出端，MOSFET管VT0的栅极用于接收电机控制器(4)发出的控制指令。3.根据权利要求1或2所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统，其特征在于，所述的电压型逆变器(2)为三相电压型桥式逆变器，三相电压型桥式逆变器包括6个开关管VT1至VT6，并且6个开关管VT1至VT6均为MOSFET管，其中，三相电压型桥式逆变器的上桥臂为开关管VT1、VT3、VT5，下桥臂为开关管VT4、VT6、VT2；每个MOSFET管的漏极和源极之间反向并联一个二极管，开关管VT1至VT6的栅极均用于接收电机控制器(4)输出的控制信号。4.根据权利要求2所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统，其特征在于，所述的电机控制器(4)包括前馈控制模块(4-1)、PID控制模块(4-2)、减法器(4-3)和加法器(4-4)；前馈控制模块(4-1)，用于根据反激电路(1)的多组的当前占空比α′和其输出的直流电压Udc的历史数据拟合出当前占空比α′和直流电压Udc之间的关系α′＝f(Udc)，令Udc＝4Em，从而获得α′＝f(4Em)，反激电路(1)根据该关系式α′＝f(4Em)及输入的参考电压4Em输出当前占空比α′；其中，Em为电机的反电动势；减法器(4-3)的被减数输入端接收的参考电压4Em与其减数输入端接收的直流电压Udc作差，并将获得的偏差E(k)作为PID控制模块(4-2)的输入；PID控制模块(4-2)，用...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓刚，李学峰，侯维祥，周美兰，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23