一种无刷直流电机的电流控制方法技术

本发明专利技术公开了一种无刷直流电机的电流控制方法，包括：在二极管整流桥输出电压能够维持无刷直流电机电流连续与平稳的区域，由二极管整流桥向无刷直流电机供电；当整流桥输出的电压等于电机运行所需的电压时，切入直流侧的小电容；小电容切入后，当电容电压大于电机额定电压时，根据二极管整流桥的输出电压和电容电压，计算出直流侧平均电压维持在电机额定电压时的直流侧开关管占空比；当电容电压小于电机的额定电压时，直流侧开关管的占空比为1，以尽可能维持直流侧输入电压为电机的额定电压；小电容的切出时刻根据切入时刻和该区域持续的时间得到；直流侧电容量的大小从能量的角度进行计算。本发明专利技术减小直流侧的电容量，提高系统的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无刷直流电机控制
，尤其涉及一种直流侧带有小电容的无刷直流电机系统的电流控制策略。
技术介绍
无刷直流电机由于具有结构简单、运行可靠、维护成本低等优点在工业中得到广泛应用。直流侧并联一个大电解电容以维持直流侧电压的恒定在无刷直流电机系统中是非常常见的。但大电解电容的存在不仅增大了无刷直流电机系统的体积和重量，而且限制了其在极端温度环境下的应用，降低了无刷直流电机系统的可靠性。因此研究直流侧带有小电容或无电容的无刷直流电机系统是非常必要的。新西兰的H.K.SamithaRansara和U.K.Madawal在2011年提出了直流侧无电容的无刷直流电机系统，与直流侧带有大电容的无刷直流电机系统相比，其体积和重量有所减少。但二极管整流桥的输出电压无法一直满足无刷直流电机正常运行所需的电压，从而会引起电机电流的波动和不连续。为了避免无刷直流电机的电流出现波动和不连续，H.K.SamithaRansara和U.K.Madawal在2015年提出了直流侧带有小电容的无刷直流电机系统，该系统在直流侧并联小电容与IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的串联支路。在二极管整流桥的输出电压无法满足无刷直流电机正常运行所需的电压时，直流侧带有小电容与IGBT串联支路的无刷直流电机系统开通直流侧的IGBT，由小电容向电机供电，来维持电机电流的连续与平稳。该系统的电容只在二极管整流桥的输出电压无法维持电机电流连续与平稳的区域供电，故所需的电容容量小。然而该系统在小电容供电区域只利用了储存在电容中的能量，为了维持无刷直流电机电流的连续与平稳，直流侧电容的电压应一直大于电机运行所需的电压，故直流侧的电容量不能太小。若能够利用交流电源的能量，直流侧电容储存的能量可减小，直流侧电容量还有进一步减小的可能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种无刷直流电机的电流控制方法，本专利技术在保证无刷直流电机电流连续平稳的基础上，进一步减小直流侧的电容量，从而可以减小系统的体积和重量，提高系统的可靠性，详见下文描述：一种无刷直流电机的电流控制方法，所述电流控制方法包括以下步骤：在二极管整流桥输出电压能够维持无刷直流电机电流连续与平稳的区域，由二极管整流桥向无刷直流电机供电；当整流桥输出的电压等于电机运行所需的E+RI时，切入直流侧的小电容；其中，E为导通两相的线反电势幅值；I为无刷直流电机电流稳态值；R为线电阻；小电容切入后，当电容电压大于电机额定电压时，根据二极管整流桥的输出电压和电容电压，计算出直流侧平均电压维持在电机额定电压时的直流侧开关管占空比dT；当电容电压小于电机的额定电压时，直流侧开关管的占空比dT为1，以尽可能维持直流侧输入电压为电机的额定电压；小电容的切出时刻根据切入时刻和该区域持续的时间得到；直流侧电容量的大小从能量的角度进行计算。其中，所述计算出直流侧平均电压维持在电机额定电压时的占空比dT的步骤具体为：当电容电压uc大于电机额定电压UN时，按下式进行计算：dTuc(t)+(1-dT)|us(t)|＝UN式中，dT为直流侧开关管T的占空比，|us|为二极管整流桥输出电压。当电容电压uc小于电机额定电压UN时，直流侧的开关管T需恒通，dT＝1。其中，所述小电容的切出时刻根据切入时刻和该区域持续的时间得到具体为：式中，Um代表交流电源电压us的峰值，f为交流电源的频率。其中，所述直流侧电容量的大小从能量的角度进行计算具体为：式中，Ts为控制周期；N1为电容电压uc从Um下降到UN所经历的控制周期数量；dT(n)为第n个控制周期的直流侧开关管占空比，us(n)为第n个控制周期的二极管整流桥输出电压。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：(1)本专利技术通过直流侧开关管的斩波，充分利用了交流电源的能量，由直流侧电容向电机提供的能量将减小，直流侧的电容量也可相应的减小。在保证无刷直流电机电流平稳连续的基础上，进一步减小了系统的体积和重量，提高了系统的可靠性。(2)本专利技术提出的策略在直流侧的电容量大于本专利技术所设计的最小电容量的情况下，仍具有良好的电流调节能力。(3)本专利技术所提的电流控制策略，无论电机工作的工况，都在固定点切入直流侧的小电容，无需随工况不同而改变切入点。附图说明图1为直流侧带有小电容的无刷直流电机系统等效电路图；图2为电流控制策略的原理图；图3为直流侧输入电压波形的示意图；图4为脉冲对应关系的示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1本专利技术实施例中，在二极管整流桥的输出电压无法满足无刷直流电机正常运行所需电压的区域，通过直流侧开关管的斩波，由小电容和二极管整流桥交替向无刷直流电机供电，以此来维持无刷直流电机电流的连续与平稳，该控制策略的设计步骤如下：101：在二极管整流桥输出电压能够维持无刷直流电机电流连续与平稳的区域，三相逆变桥导通两相的开关管的占空比由PI电流控制器的输出决定；102：当整流桥输出的电压等于电机运行所需的E+RI时，切入直流侧的小电容；其中，E为导通两相的线反电势幅值；I为无刷直流电机电流稳态值；R为线电阻。103：小电容切入后，根据二极管整流桥输出电压和小电容电压，计算出直流侧平均电压维持在电机额定电压时的占空比dT，当电容电压uc大于电机额定电压UN时，其可按下式进行计算：dTuc(t)+(1-dT)|us(t)|＝UN式中，dT为直流侧开关管T的占空比，|us|为二极管整流桥输出电压。当电容电压uc小于电机额定电压UN时，直流侧的开关管T需恒通，dT＝1。PWM信号发生器根据此占空比输出PWM脉冲，用于驱动直流侧的开关管；PWM信号发生器根据PI电流控制器输出的占空比输出PWM脉冲，用于驱动三相逆变桥导通两相的开关管。104：小电容的切出时刻根据切入时刻和该区域持续的时间得到，其持续时间可按下式得到：式中，Um代表交流电源电压us的峰值，f为交流电源的频率。105：直流侧电容量的大小可以从能量的角度进行计算，直流侧小电容向电机提供的能量可由下式得到：Wc＝0.5C[Um2-(E+RI)2]其中，C为电容量。交流电源在前N1个控制周期向无刷直流电机提供能量，能量可根据下式进行计算：式中，Ts为控制周期，dT(n)为第n个控制周期的直流侧开关管占空比，us(n)为第n个控制周期的二极管整流桥输出电压。直流侧所需的最小电容量可根据能量守恒定律得到，其表达式为：综上所述，本专利技术实施例在保证无刷直流电机电流连续平稳的基础上，进一步减小直流侧的电容量，从而可以减小系统的体积和重量，提高系统的可靠性。实施例2下面结合具体的附图、计算公式对实施例1中的方案进行详细说明，详见下文描述：本专利技术实施例针对的无刷直流电机系统如图1所示，图1中用小电容与IGBT的串联结构代替了直流侧的大电容。无刷直流电机在正常运行时，导通两相所需的线电压平均值为E+RI。E为导通两相的线反电势幅值，即E＝ea-eb；I为无刷直流电机稳态电流值；R为线电阻，即R＝2Rs。本专利技术实施例提出的电流控制策略的原理图如图2所示。该控制策略主要包括：速度控制器、电流控制器、小电容切入切出控制单元、直流侧开关管占空比计算。其中，霍尔传感器反馈的位置信号将决定三相逆变桥的换相时刻，并被本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无刷直流电机的电流控制方法，其特征在于，所述电流控制方法包括以下步骤：在二极管整流桥输出电压能够维持无刷直流电机电流连续与平稳的区域，由二极管整流桥向无刷直流电机供电。当整流桥输出的电压等于电机运行所需的E+RI时，切入直流侧的小电容；其中，E为导通两相的线反电势幅值；I为无刷直流电机电流稳态值；R为线电阻；小电容切入后，当电容电压大于电机额定电压时，根据二极管整流桥的输出电压和电容电压，计算出直流侧平均电压尽可能维持在电机额定电压时的直流侧开关管占空比dT；当电容电压小于电机的额定电压时，直流侧开关管的占空比dT为1，以尽可能维持直流侧输入电压为电机的额定电压；小电容的切出时刻根据切入时刻和该区域持续的时间得到；直流侧电容量的大小从能量的角度进行计算。

【技术特征摘要】
1.一种无刷直流电机的电流控制方法，其特征在于，所述电流控制方法包括以下步骤：在二极管整流桥输出电压能够维持无刷直流电机电流连续与平稳的区域，由二极管整流桥向无刷直流电机供电。当整流桥输出的电压等于电机运行所需的E+RI时，切入直流侧的小电容；其中，E为导通两相的线反电势幅值；I为无刷直流电机电流稳态值；R为线电阻；小电容切入后，当电容电压大于电机额定电压时，根据二极管整流桥的输出电压和电容电压，计算出直流侧平均电压尽可能维持在电机额定电压时的直流侧开关管占空比dT；当电容电压小于电机的额定电压时，直流侧开关管的占空比dT为1，以尽可能维持直流侧输入电压为电机的额定电压；小电容的切出时刻根据切入时刻和该区域持续的时间得到；直流侧电容量的大小从能量的角度进行计算。2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机的电流控制方法，其特征在于，所述计算出直流侧平均电压尽可能维持在电机额定电压时的直流侧开关管占空比dT的步骤具体为：当电容电压uc大于电机额定电压UN时，按下式进行计算：...

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