一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的是一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置及方法。所述的换相转矩抑制装置由两个功率开关(S1和S2)、两个电容(C1和C2)、三个二极管(D1、D2和D3)和1个反激变压器(T1)组成，电源(Us)正极与第一二极管(D1)的阳极、第三二极管(D3)的阴极和第一功率开关(S1)的漏极连接，电源(Us)阴极与第一功率开关(S1)的源极和第二功率开关(S2)的漏极相连。本发明专利技术在非换相阶段对电容充电，达到期望电压值时，停止充电；当换相开始时，变压器将充电过程中储存的能量回馈至电源，提高能量利用率。本发明专利技术在电机运行中始终使用相同的调制策略，简化控制器的设计，无需各种拓扑结构开关变换器的调试过程，具有良好的工程应用价值。

Commutation torque ripple suppression device and method with energy feedback function

The present invention provides a commutation torque ripple suppression device and method with energy feedback function. Phase change of the torque control device is composed of two power switches (S1 and S2), two capacitors (C1 and C2) and three diodes (D1, D2 and D3) and 1 flyback transformer (T1), power (Us) and the first diode cathode anode (D1), third the diode (D3) cathode and a first power switch (S1) drain connected, power supply (Us) cathode and the first power switch (S1) of the source and the second power switch (S2) connected to the drain electrode. When the capacitor is charged in the non commutation phase, the charging is stopped when the desired voltage value is reached; when the commutation starts, the transformer supplies the stored energy in the charging process to the power supply, so as to improve the energy utilization rate. The present invention always uses the same modulation strategy in the operation of the motor, simplifies the design of the controller, does not need the debugging process of various topological structure switching converters, and has good engineering application value.

【技术实现步骤摘要】
一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置及方法
本专利技术涉及一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置，本专利技术也涉及一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制方法，具体属于无刷直流电机控制领域。
技术介绍
最近几十年来，无刷直流电动机由于其高功率密度、高转矩、高功率因数、控制简单、维护成本低特点，已经被广泛应用于各种工业领域。但由于电机存在转矩脉动产生的振动和噪声限制了无刷直流电机在高精度领域的应用。造成转矩脉动的主要原因有：一、加工制造过程存在误差，会导致周期性的转矩脉动；二、PWM调制方法会造成小幅度的高频转矩脉动；三、换相转矩脉动，约占总脉动量的50％，是对直流无刷电机影响最严重的因素。所以，抑制直流无刷电机换相转矩脉动一直是近几十年来的研究热点。目前，研究的主要方法很多，如果按照使用控制量进行分类，可以分为使用转矩作为控制量和使用电流作为控制量两类；如果按照具体实现方法分类，则可以分为直接转矩、智能控制算法、开关调制法和开关变换器法等。其中，开关变换器法是在电源与逆变器之间串联各种拓扑结构的开关变换器，在电机换相阶段开关变换器提高母线电压，使母线电压等于4倍反电动势幅值，从而有效地抑制换相转矩脉动。开关变换器法的优点是换相转矩脉动抑制效果好，但是成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置。本专利技术的目的还在于提供一种既可以抑制浪涌电流又可以提升能量利用率的换相转矩脉动抑制方法。本专利技术的一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置包括电源(Us)、换相转矩抑制装置、逆变器和无刷直流电机，所述的换相转矩抑制装置由两个功率开关(S1和S2)、两个电容(C1和C2)、三个二极管(D1、D2和D3)和1个反激变压器(T1)组成，所述电源(Us)正极与第一二极管(D1)的阳极、第三二极管(D3)的阴极和第一功率开关(S1)的漏极连接，电源(Us)阴极与第一功率开关(S1)的源极和第二功率开关(S2)的漏极相连。所述一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置，第二电容(C2)阳极分别与第三二极管(D3)的阳极和第二二极管(D2)的阴极连接，第二电容(C2)阴极与参考点连接。所述一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置，所述反激变压器(T1)原边的一端与第二二极管(D2)的阳极相连，反激变压器(T1)另一端与参考点相连；反激变压器(T1)副边的一端与第二功率开关(S2)的源极连接，反激变压器(T1)另一端与参考点相连。本专利技术的一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制方法，具体包括如下步骤：(1)在非换相期间，第一功率开关(S1)截止，第二功率开关(S2)导通，电源(Us)通过第一二极管(D1)、第二功率开关(S2)和反激变压器(T1)的原边向第一电容(C1)充电，反激变压器(T1)抑制第一电容(C1)充电过程中的浪涌电流并将多余的能量以磁能的方式储存起来；(2)当第一电容(C1)电压幅值UC1＝4E-US，E为反电动势，Us为电源电压时，第二功率开关(S2)截止，停止对第一电容(C1)充电；储存在反激变压器(T1)原边的能量通过副边回馈至电源被重新使用；(3)换相开始时，第一功率开关(S1)导通，第二功率开关(S2)截止，第一二极管(D1)截止，直流母线电压(Udc)由电源电压(Us)与电容(C1)电压(Uc1)串联构成；(4)直至换相结束，整个换相期间，直流母线电压Udc＝4E，从而有效抑制换相转矩脉动。本专利技术提供一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置及方法。在非换相阶段对电容充电，达到期望电压值时，停止充电；当换相开始时，将充电电容串联入直流母线，使整个换相阶段直流母线电压(电容电压幅值与电源电压幅值之和)维持在4倍反电动势幅值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、在传统方法中，在电机正常导通阶段和换相阶段对逆变器使用不同的调制策略，使控制器的设计复杂；本专利技术在电机运行中始终使用相同的调制策略，极大简化了控制器的设计；2、抑制充电过程中的浪涌电流，并且将充电过程中多余的能量回馈至电源重新使用，提高能量的利用率；3、本专利技术装置结构简单，控制方法易于实现。附图说明图1是一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置结构图。图2是本专利技术抑制过程流程图。图3是本专利技术工作原理图，其中(a)开关S1导通电路原理图，(b)开关S1关断阶段电路原理图。图4是本专利技术电机换相阶段电路原理图。图5是本专利技术功率开关S1、S2时序图、充电电流IC1和电容C1电压波形图。图6是未采用本专利技术方法控制下的电流波形图(1000r/min)。图7是采用本专利技术时方法控制下的电流波形图(1000r/min)。图8是未采用本专利技术方法控制下的电流波形图(2000r/min)。图9是采用本专利技术时方法控制下的电流波形图(2000r/min)。图10是采用本专利技术和未采用本专利技术方法控制下的转矩波形图(1000r/min)。图11是采用本专利技术和未采用本专利技术方法控制下的转矩波形图(2000r/min)。图12是本专利技术的能量回馈波形图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明：本专利技术涉及一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置及方法。在非换相阶段对电容充电，达到期望电压值时，停止充电；当换相开始时，将充电电容串联入直流母线，使整个换相阶段直流母线电压(电容电压幅值与电源电压幅值之和)维持在4倍反电动势幅值。电容充电过程会产生浪涌电流，为了抑制过大的浪涌电流，通常在充电回路中串联热敏电阻，这种方法虽然可以抑制浪涌电流，保护充电线路的绝缘性，但是热敏电阻在抑制浪涌电流过程中会消耗大量的能量，很多文献都已证明RC充电效率最大值为50％，即当充电效率最高时，50％的能量被热敏电阻消耗，这种充电方式造成了极大的能量浪费。针对这个问题，本专利技术提出一种既可以抑制浪涌电流又可以提升能量利用率的换相转矩脉动抑制装置及方法。本专利技术涉及一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置及方法。为了抑制浪涌电流，在充电回路中引入反激变压器。对电容充电时，反激变压器抑制充电浪涌电流，当电容电压幅值达到期望值时，反激变压器将充电过程中储存的能量回馈至电源被重新使用，提高能量利用率。结合图1所示，所述的换相转矩抑制装置由两个功率开关S1和S2、两个电容C1和C2、三个二极管D1、D2和D3和1个反激变压器T1组成。在非换相期间，第二功率开关S2控制电容电压充电；在换相期间，第一功率开关S1将电容与电源串联向电机供电。结合图2所示，是本专利技术抑制过程流程图。在非换相阶段，第一功率开关S1截止，第二功率开关S2导通，电源US通过第一二极管D1、第二功率开关S2和反激变压器T1的原边向第一电容C1充电。此时，反激变压器T1的原边电感可以有效抑制充电浪涌电流。当第一电容C1电压幅值UC1＝4E-US后，第二功率开关S2截止，停止对第一电容C1充电，储存在反激变压器T1原边的能量通过副边回馈至第二电容C2和电源US；在换相开始时，第一功率开关S1导通，第二功率开关S2截止，第一二极管D1截止，电源US与第一电容C1串联后向电机供电至换相结束。结合图3所示，是本专利技术工作原理图，其中(a)第一开关S1导通电路原理图，(b)第一开关S1关断阶段电路原理图。在非本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置及方法，其特征在于：包括电源(Us)、换相转矩抑制装置、逆变器和无刷直流电机，所述的换相转矩抑制装置由两个功率开关(S1和S2)、两个电容(C1和C2)、三个二极管(D1、D2和D3)和1个反激变压器(T1)组成，所述电源(Us)正极与第一二极管(D1)的阳极、第三二极管(D3)的阴极和第一功率开关(S1)的漏极连接，电源(Us)阴极与第一功率开关(S1)的源极和第二功率开关(S2)的漏极相连。

【技术特征摘要】
1.一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置及方法，其特征在于：包括电源(Us)、换相转矩抑制装置、逆变器和无刷直流电机，所述的换相转矩抑制装置由两个功率开关(S1和S2)、两个电容(C1和C2)、三个二极管(D1、D2和D3)和1个反激变压器(T1)组成，所述电源(Us)正极与第一二极管(D1)的阳极、第三二极管(D3)的阴极和第一功率开关(S1)的漏极连接，电源(Us)阴极与第一功率开关(S1)的源极和第二功率开关(S2)的漏极相连。2.根据权利要求1所述一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置及方法，其特征在于：所述第二电容(C2)阳极分别与第三二极管(D3)的阳极和第二二极管(D2)的阴极连接，第二电容(C2)阴极与参考点连接。3.根据权利要求1所述一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置及方法，其特征在于：所述反激变压器(T1)原边的一端与第二二极管(D2)的阳极相连，反激变压器(T1)另一端与参考点相连；反激变压器(T1)副边的一端与第二功率开...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚绪梁，赵继成，张敬南，江晓明，常英健，王峰，林浩，张永奇，鲁光旭，胡心达，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23