一种可减小换相转矩脉动的无刷直流电机控制方法技术

本申请公开了一种可减小换相转矩脉动的无刷直流电机控制方法，涉及无刷直流电机领域，该方法对无刷直流电机的三个相绕组同时采用不同的占空比进行调制，且针对关断相的反电势随换相时间的变化规律，将换相时间过长引起的换相转矩脉动与无刷直流电机的本体结构和工作原理引起的换相转矩脉动综合考虑，并量化成一个综合优化指标来确定三个相绕组调制的占空比，可以减小电机换相时开通相和关断相的电流变化率之间的差值，进而抑制换相转矩脉动。动。动。

【技术实现步骤摘要】
一种可减小换相转矩脉动的无刷直流电机控制方法


[0001]本申请涉及无刷直流电机领域，尤其是一种可减小换相转矩脉动的无刷直流电机控制方法。

技术介绍

[0002]无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）具有结构简单、控制简单、噪声小等优点，因此被广泛应用于交通工具、医疗器械、家用电器等领域。通常BLDCM采用方波驱动，正常工作时两相导通，但由于其系统的特殊性，BLDCM在换相过程中，因电流换相，会产生电机电磁转矩的脉动，使得电机转速波动并产生振动和噪音。BLDCM在换相过程中的转矩脉动导致BLDCM无法应用在高精度场合，限制了BLDCM的应用，因此如何抑制转矩脉动是BLDCM的重要研究课题。

技术实现思路

[0003]本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种可减小换相转矩脉动的无刷直流电机控制方法，本申请的技术方案如下：一种可减小换相转矩脉动的无刷直流电机控制方法，直流母线电压连接逆变电路，逆变电路的每个桥臂的输出端依次通过绕组电阻和绕组电感连接无刷直流电机的一个相绕组，无刷直流电机的三个相绕组采用星型接法连接；控制器连接并控制逆变电路中的各个桥臂上的开关管，控制器执行的方法包括：当检测到进入换相区间时，按照占空比对关断相连接的下桥臂开关管进行脉冲宽度调制并延迟关断，按照占空比对非换相相连接的上桥臂开关管进行脉冲宽度调制，控制开通相连接的下桥臂开关管恒定导通，使得开通相的电流的上升速率与关断相的电流的下降速率在速率误差范围内相等；其中：，是时间且，为换相区间的时长，是霍尔扇区的周期，、、依次为非换
相相、关断相和开通相对地的反电势且、、，是非换相相的稳态电流，是反电势基础值，关断相是无刷直流电机中从开通状态切换至关断状态的相绕组，开通相是无刷直流电机中从关断状态切换至开通状态的相绕组，非换相相是无刷直流电机中状态不变的相绕组。
[0004]本申请的有益技术效果是：本申请公开了一种可减小换相转矩脉动的无刷直流电机控制方法，该方法对无刷直流电机中的三个相绕组同时进行换相调制，减小电机换相时开通相和关断相的电流变化率之间的差值，进而抑制换相转矩脉动。传统方法都假定换相可以顺利结束，没有综合考虑换相时间过长对换相转矩脉动的不利影响，而本申请针对关断相的反电势随换相时间的变化规律，将换相时间过长引起的换相转矩脉动与BLDCM本体结构和工作原理引起的换相转矩脉动综合考虑，并量化成一个综合优化指标，且可以根据优化指标选取最优的三相绕组调制的占空比，抑制换相转矩脉动的效果更优。
[0005]另外，本申请还提出了一种对绕组电感参数灵敏度低的换相区间的确定方法，可以避免传统方法对换相区间截止点的检测依赖于准确的参数所带来的问题，尤其可以解决小电感无刷直流电机因参数较小导致换相区间检测困难的问题，减小由于换相区间的换相时长检测不准确带来的附加的转矩脉动。
附图说明
[0006]图1是无刷直流电机的等效控制模型示意图。
[0007]图2是无刷直流电机的三个相绕组在不同情况下的电流变化示意图，（a）是导致上升的电流示意图，（b）是导致下降的电流示意图，（c）是调整使得保持恒定的电流示意图。
[0008]图3是本申请的控制器在对三个相绕组以不同的占空比进行调制时，在一个周期时长为的脉冲宽度调制周期内的控制波形示意图。
[0009]图4是图1所示的等效控制模型在图3中第一区间内的电流流通示意图。
[0010]图5是图1所示的等效控制模型在图3中第二区间内的电流流通示意图。
[0011]图6是图1所示的等效控制模型在图3中第三区间内的电流流通示意图。
[0012]图7是无刷直流电机在换相区间和非换相区间内三个相绕组的电流和反电势的变化示意图。
[0013]图8是无刷直流电机在换相成功和换相不成功的情况下的开通相的电流和关断相的电流的电流曲线图。
具体实施方式
[0014]下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。
[0015]本申请公开了一种可减小换相转矩脉动的无刷直流电机控制方法，请参考图1所示的等效控制模型，直流母线电压连接逆变电路，这里的逆变电路可以采用常见的三相三桥臂逆变电路，逆变电路的每个桥臂的输出端依次通过绕组电阻和绕组电感连接无刷直流电机的一个相绕组。如图1中，上桥臂开关管和下桥臂开关管构成的桥臂的中间点作为输出端连接至A相绕组，A相绕组的反电势记为，A相绕组的电流记为。上桥臂开关管和下桥臂开关管构成的桥臂的中间点作为输出端连接至B相绕组，B相绕组的反电势记为，B相绕组的电流记为。上桥臂开关管和下桥臂开关管构成的桥臂的中间点作为输出端连接至C相绕组，C相绕组的反电势记为，C相绕组的电流记为。无刷直流电机的三个相绕组采用星型接法连接，也即三个相绕组的另一端相连形成中性点，中性点电压记为。本申请针对的无刷直流电机可以是高速空心杯无刷直流电机。控制器连接并控制逆变电路中的各个桥臂上的开关管的通断以实现对无刷直流电机的控制，图1未示出控制器。
[0016]基于图1所示的控制结构，无刷直流电机的数学模型可以表示为：（1）（2）其中，、、依次为A相绕组、B相绕组、C相绕组的对地的端电压。在非换相区间，无刷直流电机通常工作在两相120
°
导通模式，也即采用传统的两相导通调制方式：上桥臂开关管调制，下桥臂开关管恒通，调制占空比为，在理想情况，三个相绕组的反电势
均是标准 120
°
电角度的平顶梯形波且取值为，是反电势基础值，实际一般是标准 120
°
电角度的平顶梯形波的最大值。在换相区间，无刷直流电机中的一个相绕组的状态不变称为非换相相，一个相绕组从开通状态切换至关断状态称为关断相，一个相绕组从关断状态切换至开通状态称为开通相。以从AB到AC的换相过程为例，A相绕组即为非换相相，B相绕组即为关断相，C相绕组即为开通相，假设换相过程中三个相绕组的反电势均保持恒定，则有、，无刷直流电机的换向转矩可表示为：（3）式（3）中，是转矩常数。是无刷直流电机的转子电角频率。是A相绕组的电流，在该例子中为非换相相的电流。从式（3）可以看出，无刷直流电机恒速运行时，在换相股从而航中的换向转矩与非换相相的电流成正比关系，因此如何使非换相相的电流恒定是抑制转矩脉动的关键。
[0017]换相时，由于绕组电感的存在，电流不能突变，开通相的电流的电流变化率与关断相的电流的电流变化率存在三种不同的关系：若，即电机运行在低速状态下，，则非换相相的电流会上升，如图2中（a）所示。若，即电机运行在高速状态下，，则非换相相的电流会下降，如图2中（b）所示。图2中的（a）和（b）两种情况均会导致换相转矩脉动产生，针对这个问题的最佳解决方法是：将关断相的电流和开通相的电流中变化率较大的减慢、且控制变化率较小的加快，令两个电流变化率趋近相等，使得非换相相的电流保持恒定，则如图2中的（c）所示，就可以有效抑制转矩脉动。
[0018]基于上述分析，本申请公本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可减小换相转矩脉动的无刷直流电机控制方法，其特征在于，直流母线电压连接逆变电路，所述逆变电路的每个桥臂的输出端依次通过绕组电阻和绕组电感连接无刷直流电机的一个相绕组，所述无刷直流电机的三个相绕组采用星型接法连接；控制器连接并控制所述逆变电路中的各个桥臂上的开关管，所述控制器执行的方法包括：当检测到进入换相区间时，按照占空比对关断相连接的下桥臂开关管进行脉冲宽度调制并延迟关断，按照占空比对非换相相连接的上桥臂开关管进行脉冲宽度调制，控制开通相连接的下桥臂开关管恒定导通，使得开通相的电流的上升速率与关断相的电流的下降速率在速率误差范围内相等；其中：，是时间且，为所述换相区间的时长，是霍尔扇区的周期，、、依次为非换相相、关断相和开通相对地的反电势且、、，是非换相相的稳态电流，是反电势基础值，关断相是所述无刷直流电机中从开通状态切换至关断状态的相绕组，开通相是所述无刷直流电机中从关断状态切换至开通状态的相绕组，非换相相是所述无刷直流电机中状态不变的相绕组。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在的约束下根据关断相的电流在极值点处的取值确定占空比和占空比，使得极值点处的且。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，脉冲宽度调制的每个周期时长为的周期依次包括时长为的第一区间、时长为的第二区间和时长为的第三区间：
在所述第一区间内，非换相相连接的上桥臂开关管关断、非换相相的电流通过下桥臂开关管续流；关断相连接的下桥臂开关管关断、关断相的电流通过上桥臂二极管续流；开通相连接的下桥臂开关管导通、开通相连接直流母线电压的负极、开通相的电流上升；在所述第二区间内，非换相相连接的上桥臂开关管导通、非换相相连接直流母线电压的正极、非换相相的电流上升；关断相连接的下桥臂开关管关断、关断相的电流通过上桥臂二极管续流；开通相连接的下桥臂开关管导通、开通相连接直流母线电压的负极、开通相的电流上升；在所述第三区间内，非换相相连接的上桥臂开关管导通、非换相相连接直流母线电压的正极、非换相相的电流上升；关断相连接的下桥臂开关管导通、关断相连接直流母线电压的负极、关断相的电流上升；开通相连接的下桥臂开关管导通、开通...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈正言，蒋建国，
申请(专利权)人：无锡凌博电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：