抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器及控制方法技术

本发明专利技术公开了抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器及控制方法，涉及无刷直流电机控制技术领域。抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器包括提供大小可调且能高于电源电压的回馈升压逆变器拓扑，所述回馈升压逆变器拓扑包括一个电解电容、七个二极管和七个绝缘栅双极型晶体管，相较于传统逆变器仅额外需要一个绝缘栅双极型晶体管、一个二极管、一个电解电容，具有结构简单、方便控制的优点，且该拓扑中用于抬升母线电压的电解电容的能量全部来自于电机回馈的能量，提升了电机的能量利用率，基于此回馈升压逆变器，提出了用于抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器控制方法，且此控制方法在宽转速范围内能起到良好的转矩脉动抑制效果。好的转矩脉动抑制效果。好的转矩脉动抑制效果。

【技术实现步骤摘要】
抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器及控制方法


[0001]本专利技术涉及无刷直流电机控制
，特别是抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器及控制方法。

技术介绍

[0002]无刷直流电机(Brushless DC Motor，BLDCM)因具有高功率密度、结构简单、体积小、高效率等优点，广泛应用于航空航天、电动汽车、医疗器械以及家用电器等领域。然而BLDCM的转矩脉动问题是其应用于高精度、高稳定场合的桎梏，其中由电流换相引起的转矩脉动最高可达平均转矩的50％，因此抑制BLDCM换相转矩脉动是研究转矩脉动抑制的热点。
[0003]现有BLDCM换相转矩脉动抑制方法，大抵可概括为三类：(1)改变调制方式：通过改变调制方式来抑制换相期间非换相相电流的脉动，进而抑制换相转矩脉动；(2)直接转矩控制：忽略中间环节直接针对电机的电磁转矩进行控制，对于运行过程中电机参数变化的影响有很好的鲁棒性；(3)提升换相期间的母线电压：换相期间抬升母线电压，减小非换相相电流的跌落幅度，进而抑制转矩脉动，此类方法大都通过增加前级变换器来抬升母线电压。
[0004]现有应用于BLDCM的升压拓扑大多为Cuk、SEPIC、Buck
‑
Boost等电路，需要大量的开关器件与附加电感，不可避免地大幅增加了系统的体积与成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术需要解决的技术问题是提供抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器及控制方法，逆变器相较于传统逆变器仅额外需要一个绝缘栅双极型晶体管、一个二极管、一个电解电容，结构简单、方便控制。基于此回馈升压逆变器，本专利技术提出了用于抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器控制方法，其能实现BLDCM在宽速度范围内都有良好的转矩脉动抑制效果。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器，包括提供大小可调且能高于电源电压的回馈升压逆变器拓扑，所述回馈升压逆变器拓扑包括一个电解电容C0、零号二极管VD0～六号二极管VD6、零号绝缘栅双极型晶体管VT0、构成A相桥臂的一号绝缘栅双极型晶体管VT1和二号绝缘栅双极型晶体管VT2、构成B相桥臂的三号绝缘栅双极型晶体管VT3和四号绝缘栅双极型晶体管VT4、构成C相桥臂的五号绝缘栅双极型晶体管VT5和六号绝缘栅双极型晶体管VT6，所述一号绝缘栅双极型晶体管VT1、三号绝缘栅双极型晶体管VT3和五号绝缘栅双极型晶体管VT5的发射极分别与二号绝缘栅双极型晶体管VT2、四号绝缘栅双极型晶体管VT4和六号绝缘栅双极型晶体管VT6的集电极相连，所述二号绝缘栅双极型晶体管VT2、四号绝缘栅双极型晶体管VT4和六号绝缘栅双极型晶体管VT6的发射极分别与电源U
dc
负极直接相连且分别反并联二号二极管VD2、四号二极管VD4和六号二极管VD6，所述一号绝缘栅双极型晶体管VT1、三号绝缘栅双极型晶体管VT3和五号绝缘栅双极型晶体管VT5的集电极与零号二极管VD0的阴极相连，所述零号二极管VD0的阳极与电源U
dc
正极相连，所述电解电容C0的正极分别与零号绝缘栅双极型晶体管VT0的
集电极、一号二极管VD1、三号二极管VD3和五号二极管VD5的阴极相连，所述电解电容C0的负极与电源U
dc
正极相连，所述零号绝缘栅双极型晶体管VT0的发射极与零号二极管VD0的阴极相连，所述一号二极管VD1、三号二极管VD3和五号二极管VD5的阳极分别与一号绝缘栅双极型晶体管VT1、三号绝缘栅双极型晶体管VT3和五号绝缘栅双极型晶体管VT5的发射极相连。
[0007]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述电解电容C0的容值C
*
满足：
[0008][0009]式中，I
N
为无刷直流电机的额定电流，T
c
为开关周期；U
TH
为滞环控制的环宽；L为相绕组的等效电感，V
dc
为电源电压，J为转动惯量，K
e
为相反电势系数。
[0010]本专利技术技术方案的进一步改进在于：抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器的控制方法，包括如下步骤：
[0011]步骤S1、通过位置传感器获得无刷直流电机的转子位置θ，转子位置θ经过转速计算单元得到无刷直流电机的实际机械角速度ω
m
；
[0012]步骤S2、给定机械角速度与实际机械角速度ω
m
作差并通过速度PI控制器ASR得到非换相相电流参考值；
[0013]步骤S3、将转子位置θ输入到扇区判断单元得到扇区信息S；
[0014]步骤S4、将扇区信息S及三相电流i
A
、i
B
、i
C
输入到相电流选择单元得到实际非换相相电流i
n_com
和关断相相电流i
out
；
[0015]步骤S5、将非换相相电流参考值与实际非换相相电流i
n_com
作差并通过电流PI控制器ACR得到与电流相关占空比D1，其与反电势相关占空比D2相加后得到非换相期间占空比D；
[0016]步骤S6、将实际机械角速度ω
m
输入到转速高低状态判断单元得到转速高低状态S
ω
，S
ω
为1代表电机运行于高速区间，S
ω
为0代表电机运行于低速区间；
[0017]步骤S7、将由电压传感器得到的电解电容电压U
C0
和转速高低状态S
ω
输入到电解电容充放电状态判断单元得到电解电容充放电状态S
C
，S
C
为1代表电解电容需要充电，S
C
为0代表电解电容无需充电；
[0018]步骤S8、将关断相相电流i
out
输入到换相信号判断单元得到换相信号S
com
，当关断相相电流i
out
接近0时，S
com
为0，表明无刷直流电机处于非换相期间，反之，S
com
为1，表明无刷直流电机处于换相期间；
[0019]步骤S9、将非换相期间占空比D、转速高低状态S
ω
、换相信号S
com
、电解电容充放电状态S
C
输入到占空比换算单元得到绝缘栅双极型晶体管状态查询表所需实际占空比D
*
；
[0020]步骤S10、将实际占空比D
*
、电解电容充放电状态S
C
、转速高低状态S
ω
、扇区信息S、换相信号S
com
输入到绝缘栅双极型晶体管状态查询表得到零号绝缘栅双极型晶体管VT0～六号绝缘栅双极型晶体管VT6的实际开关信号，以此控制回馈升压逆变器驱动无刷直流电
机运行。
[0021]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器，其特征在于：包括提供大小可调且能高于电源电压的回馈升压逆变器拓扑，所述回馈升压逆变器拓扑包括一个电解电容C0、零号二极管VD0～六号二极管VD6、零号绝缘栅双极型晶体管VT0、构成A相桥臂的一号绝缘栅双极型晶体管VT1和二号绝缘栅双极型晶体管VT2、构成B相桥臂的三号绝缘栅双极型晶体管VT3和四号绝缘栅双极型晶体管VT4、构成C相桥臂的五号绝缘栅双极型晶体管VT5和六号绝缘栅双极型晶体管VT6，所述一号绝缘栅双极型晶体管VT1、三号绝缘栅双极型晶体管VT3和五号绝缘栅双极型晶体管VT5的发射极分别与二号绝缘栅双极型晶体管VT2、四号绝缘栅双极型晶体管VT4和六号绝缘栅双极型晶体管VT6的集电极相连，所述二号绝缘栅双极型晶体管VT2、四号绝缘栅双极型晶体管VT4和六号绝缘栅双极型晶体管VT6的发射极分别与电源U
dc
负极直接相连且分别反并联二号二极管VD2、四号二极管VD4和六号二极管VD6，所述一号绝缘栅双极型晶体管VT1、三号绝缘栅双极型晶体管VT3和五号绝缘栅双极型晶体管VT5的集电极与零号二极管VD0的阴极相连，所述零号二极管VD0的阳极与电源U
dc
正极相连，所述电解电容C0的正极分别与零号绝缘栅双极型晶体管VT0的集电极、一号二极管VD1、三号二极管VD3和五号二极管VD5的阴极相连，所述电解电容C0的负极与电源U
dc
正极相连，所述零号绝缘栅双极型晶体管VT0的发射极与零号二极管VD0的阴极相连，所述一号二极管VD1、三号二极管VD3和五号二极管VD5的阳极分别与一号绝缘栅双极型晶体管VT1、三号绝缘栅双极型晶体管VT3和五号绝缘栅双极型晶体管VT5的发射极相连。2.根据权利要求1所述的抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器，其特征在于：所述电解电容C0的容值C
*
满足：式中，I
N
为无刷直流电机的额定电流，T
c
为开关周期；U
TH
为滞环控制的环宽；L为相绕组的等效电感，V
dc
为电源电压，J为转动惯量，K
e
为相反电势系数。3.抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S1、通过位置传感器获得无刷直流电机的转子位置θ，转子位置θ经过转速计算单元得到无刷直流电机的实际机械角速度ω
m
；步骤S2、给定机械角速度与实际机械角速度ω
m
作差并通过速度PI控制器ASR得到非换相相电流参考值步骤S3、将转子位置θ输入到扇区判断单元得到扇区信息S；步骤S4、将扇区信息S及三相电流i
A
、i
B
、i
C
输入到相电流选择单元得到实际非换相相电流i
n_com
和关断相相电流i
out
；步骤S5、将非换相相电流参考值与实际非换相相电流i
n_com
作差并通过电流PI控制器ACR得到与电流相关占空比D1，其与反电势相关占空比D2相加后得到非换相期间占空比D；
步骤S6、将实际机械角速度ω
m
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李珍国，韩启萌，贾益丞，常梦婷，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：