四开关三相逆变器驱动的无刷直流电机电流波动抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种四开关三相逆变器驱动的无刷直流电机电流波动抑制方法，步骤是：根据霍尔信号将无刷直流电机的每个电周期分为六个工作状态，其中两个工作状态与母线电容中点连接的相在换相区作为关断相参与换相，在正常导通区为非导通相；其他四个工作状态与母线电容中点连接的相为导通相；为了抑制与母线电容中点连接的相为关断相时换相区的电流波动，对非换相相开关管进行PWM调制，通过计算确定调制占空比；为了抑制与母线电容中点连接的相为非导通相时的正常导通区的电流波动，在传统双极性调制的基础上插入两个调节矢量，计算得到占空比，达到抑制电流波动的效果。本发明专利技术方法控制简单，无需根据电机工况调节控制器参数，无需增加硬件成本。

【技术实现步骤摘要】
四开关三相逆变器驱动的无刷直流电机电流波动抑制方法
本专利技术属于电机控制领域，尤其涉及一种四开关三相逆变器驱动的无刷直流电机电流波动抑制方法。
技术介绍
无刷直流电机以其结构简单、功率密度高和输出转矩大等优点得到广泛的应用。传统三相无刷直流电机使用六开关三相逆变器驱动。四开关三相逆变器用两只串联的电容代替了六开关三相逆变器的一相桥臂，减少了开关管数量，具有开关及导通损耗小，驱动电路简单等优点，越来越多地应用在无刷直流电机驱动领域。无刷直流电机运行在三相六状态导通模式下时，传统方法一般采用导通两相的两个开关管同步调制的双极性调制方法。采用这种方法时，与母线电容中点连接的相为非导通相时，该相绕组通过电容与其他两相形成回路，在相反电动势的影响下，非导通相电流不能为零，导致三相电流波动。近年来，为解决四开关三相逆变器驱动下的无刷直流电机中，与母线电容中点连接的那一相为非导通相时，实际非导通相电流不为零的问题，直接电流控制方法是常用方法之一。直接电流控制方法对导通两相电流开关管进行滞环控制，分别控制导通两相电流值等于参考值，间接使非导通相电流为零。借鉴直接电流控制的原理，直接转矩控制对导通两相转矩分别进行滞环控制来间接控制非导通相电流为零。另外还存在方法通过研究四种不同的电压矢量对非导通相电流的影响，判断非导通相电流幅值决定哪种电压矢量作用，从而控制非导通相电流幅值在零附近。以上方法均采用开关频率不固定的滞环控制，每个控制周期中只有一种矢量作用，对开关频率要求较高。PWM控制方法通过采用固定开关频率进行PWM调制，能达到更好的控制效果。现有PWM调制方法是指在双极性调制的一个控制周期中加入调节矢量控制非导通相电流平均值为零，其调节矢量占空比由以非导通相电流幅值为输入的P控制器得到。该方法开关频率固定，但用到的调节矢量占空比难以确定，且需根据工况及转速进行调整。
技术实现思路
本专利技术改进了传统的双极性PWM调制方式，对与母线电容中点相连的相为关断相时的换相区和为非导通相时的正常导通区均提出了行之有效的电流控制方法来抑制电流波动，提高了四开关三相逆变器驱动的无刷直流电机的运行性能。本专利技术适合于四开关三相逆变器驱动下的无刷直流电机进行平稳的电流控制。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种四开关三相逆变器驱动的无刷直流电机电流波动抑制方法，包括无刷直流电机、四开关三相逆变器和控制单元；当无刷直流电机与母线电容中点连接的相在换相区作为关断相时，对非换相相开关管进行调制抑制换相电流波动；当无刷直流电机与母线电容中点连接的相在正常导通区作为非导通相时，在导通两相桥臂开关管同步调制的基础上在每个控制周期内加入两个调节矢量抑制正常导通区的电流波动，具体步骤如下：步骤一、根据霍尔信号将无刷直流电机的每个电周期分为六个工作状态；将每个工作状态分为换相区和正常导通区；在换相区，将无刷直流电机三相分为开通相、关断相和非换相相；通过霍尔信号改变判断换相区开始，通过关断相电流减小为零判断换相区结束；在正常导通区，根据三相绕组导通状态将所述三相绕组分为正常导通相和非导通相；步骤二、所述六个工作状态中，其中两个工作状态分别记为工作状态A和工作状态B，工作状态A和工作状态B具有以下两个特性：一是与母线电容中点连接的相在换相区作为关断相参与换相；二是与母线电容中点连接的相在正常导通区为非导通相，此时导通两相开关管采用双极性调制；所述六个工作状态中，其他四个工作状态均分别是与母线电容中点连接的相为导通相，另一相开关管采用单极性调制；步骤三、在工作状态A的换相区及工作状态B的换相区，对非换相相开关管进行PWM调制，通过计算确定调制占空比；确定调制占空比的步骤是：为抑制换相电流波动，对非换相相开关管进行PWM调制，开通相开关管开通；工作状态A是与母线电容中点连接的相由正相导通转为关断，工作状态B是与母线电容中点连接的相由负相导通转为关断；当所述无刷直流电机运行在工作状态A时，非换相相开关管的占空比为Dcm-A式中，udc为电源电压；uc1为四开关三相逆变器中与电源正极相连的母线电容C1两端的电压，ea、eb、ec分别是无刷直流电机三相对应的相反电动势；其中，非换相相开关管为无刷直流电机的b相，无刷直流电机与母线电容中点连接的相为c相；当所述无刷直流电机运行在工作状态B时，非换相相开关管的占空比为Dcm-B步骤四、为抑制相反电动势对电流波动的影响，在工作状态A和工作状态B的正常导通区，控制非导通相电流变化率为零；在双极性同步调制的基础上，选择能使非导通相电流迅速增加和能使非导通相电流迅速减小的两个矢量作为调节矢量，在每个控制周期插入这两个调节矢量，在无刷直流电机的c相电流变化率为零的基础上得到调节矢量占空比Dc在工作状态A的正常导通区及工作状态B的正常导通区，定义导通两相的两个开关管都开通的电压矢量为主矢量，主矢量占空比D是控制单元中的PI控制器输出的1/2；两个调节矢量中使无刷直流电机的c相电流迅速减小的电压矢量占空比为Dc，使无刷直流电机的c相电流迅速增加的电压矢量占空比为1-D-Dc。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)为抑制与母线电容中点连接的相为非导通相时相反电动势造成的电流波动，与普通的PWM占空比调制相比，加入调节矢量，并且调节矢量占空比通过建立数学模型根据电机参数计算得到，不需要通过PI控制器进行调节，无需根据工况及转速调节PI控制器参数。(2)本专利技术提出的方法通过对非换相相开关管进行调制，可以解决与母线电容中点连接的相关断时的换相电流波动。附图说明图1为四开关三相逆变器驱动的无刷直流电机控制系统框图；图2为四开关三相逆变器驱动的无刷直流电机等效电路；图3四开关三相逆变器驱动的无刷直流电机相反电动势、相电流及传统调制方法开关管脉冲示意图；图4-1为在H5状态下正常导通区一个周期内开关管调制波形图；图4-2为在H2状态下正常导通区一个周期内开关管调制波形图；图5为提出的电流控制方法开关管调制波形图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本专利技术进行解释说明，并不用以限制本专利技术。本专利技术的设计思路是：同时抑制与母线电容中点连接的相为关断相时的换相区和为非导通相时的正常导通区的电流波动。在传统双极性调制的基础上，提出改进的PWM调制方法，通过建立数学模型得到占空比的计算公式，从而达到抑制电流波动的效果。本专利技术方法控制简单，实现容易，无需根据电机工况调节控制器参数，无需增加硬件系统成本。本专利技术提出的一种四开关三相逆变器驱动的无刷直流电机电流波动抑制方法，包括无刷直流电机、四开关三相逆变器和控制单元三部分，图1示出了整个无刷直流电机的控制原理，图中，n*为转速参考值，i*为转速PI控制器输出的参考电流，电机实际转速n根据霍尔信号得到，相电流ia、ib通过电流传感器测得，非换相相电流i根据霍尔信号判断得到，uc1及udc通过电压传感器测得，相反电动势值ea、eb和ec通过离线拟合得到。当无刷直流电机与母线电容中点连接的相在换相区作为关断相时，对非换相相开关管进行调制抑制换相电流波动；当无刷直流电机与母线电容中点连接的相在正常导通区作为非导通相时，在导通两相桥臂开关管同步调制的基础上在每个控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四开关三相逆变器驱动的无刷直流电机电流波动抑制方法，包括无刷直流电机、四开关三相逆变器和控制单元；其特征在于，当无刷直流电机与母线电容中点连接的相在换相区作为关断相时，对非换相相开关管进行调制抑制换相电流波动；当无刷直流电机与母线电容中点连接的相在正常导通区作为非导通相时，在导通两相桥臂开关管同步调制的基础上在每个控制周期内加入两个调节矢量抑制正常导通区的电流波动，具体步骤如下：步骤一、根据霍尔信号将无刷直流电机的每个电周期分为六个工作状态；将每个工作状态分为换相区和正常导通区；在换相区，将无刷直流电机三相分为开通相、关断相和非换相相；通过霍尔信号改变判断换相区开始，通过关断相电流减小为零判断换相区结束；在正常导通区，根据三相绕组导通状态将所述三相绕组分为正常导通相和非导通相；步骤二、所述六个工作状态中，其中两个工作状态分别记为工作状态A和工作状态B，工作状态A和工作状态B具有以下两个特性：一是与母线电容中点连接的相在换相区作为关断相参与换相；二是与母线电容中点连接的相在正常导通区为非导通相，此时导通两相开关管采用双极性调制；所述六个工作状态中，其他四个工作状态均分别是与母线电容中点连接的相为导通相，另一相开关管采用单极性调制；步骤三、在工作状态A的换相区及工作状态B的换相区，对非换相相开关管进行PWM调制，通过计算确定调制占空比；确定调制占空比的步骤是：为抑制换相电流波动，对非换相相开关管进行PWM调制，开通相开通；工作状态A是与母线电容中点连接的相由正相导通转为关断，工作状态B是与母线电容中点连接的相由负相导通转为关断；当所述无刷直流电机运行在工作状态A时，非换相相开关管的占空比为D...

【技术特征摘要】
1.一种四开关三相逆变器驱动的无刷直流电机电流波动抑制方法，包括无刷直流电机、四开关三相逆变器和控制单元；其特征在于，当无刷直流电机与母线电容中点连接的相在换相区作为关断相时，对非换相相开关管进行调制抑制换相电流波动；当无刷直流电机与母线电容中点连接的相在正常导通区作为非导通相时，在导通两相桥臂开关管同步调制的基础上在每个控制周期内加入两个调节矢量抑制正常导通区的电流波动，具体步骤如下：步骤一、根据霍尔信号将无刷直流电机的每个电周期分为六个工作状态；将每个工作状态分为换相区和正常导通区；在换相区，将无刷直流电机三相分为开通相、关断相和非换相相；通过霍尔信号改变判断换相区开始，通过关断相电流减小为零判断换相区结束；在正常导通区，根据三相绕组导通状态将所述三相绕组分为正常导通相和非导通相；步骤二、所述六个工作状态中，其中两个工作状态分别记为工作状态A和工作状态B，工作状态A和工作状态B具有以下两个特性：一是与母线电容中点连接的相在换相区作为关断相参与换相；二是与母线电容中点连接的相在正常导通区为非导通相，此时导通两相开关管采用双极性调制；所述六个工作状态中，其他四个工作状态均分别是与母线电容中点连接的相为导通相，另一相开关管采用单极性调制；步骤三、在工作状态A的换相区及工作状态B的换相区，对非换相相开关管进行PWM调制，通过计算确定调制占空比；确定调制占空比的步骤是：为抑制换相电流波动，对非换相相开关管进行PWM调制，开通相开通；工作状态A是与母线电容中点连接的...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏长亮，武丹，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