CN113098334A - 一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法 - Google Patents

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王兆天
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Abstract

本发明公开了一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，属于电机控制***的技术领域。本发明解决了现有的无刷直流电机控制***换相转矩脉动较大的问题。本发明首先利用了一种结构简单的升压拓扑，用于驱动无刷直流电机，再结合升压拓扑的输出方式与无刷直流电机的运行方式构建了四种开关矢量，在保证驱动***正常工作的情况下，进一步提出一种基于升压拓扑的无刷直流电机电流控制方法。在无刷直流电机的换相区及非换相区，通过选择合适的矢量实现电流的平稳控制，从而有效抑制无刷直流电机换相转矩脉动，使其能够更稳定的运行。

Description

一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法
技术领域
本发明电机驱动控制***的技术领域，特别是涉及一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法。
背景技术
无刷直流电机因具有功率密度高、效率高、控制简单等优点而得到了广泛应用。但因为绕组感性元件的存在导致无刷直流电机存在转矩脉动大的问题，较大的转矩脉动会影响电机性能，产生振动噪声，损坏电机轴承，减小电机寿命。
针对有高精度、高稳定性要求的应用场合，无刷直流电机的转矩脉动问题显得尤为突出，电磁转矩是衡量电机***性能的重要指标，转矩脉动很大程度会降低电机使用寿命，影响***可靠性。转矩脉动主要包括齿槽(由定子齿槽造成)和换相(由换相期间电流突变造成)两类。所以，分析形成转矩脉动的原因，探究抑制转矩脉动的控制方法具有重大的研究意义。现阶段对无刷直流电机转矩脉动的研究相对完善，诸多学者已经研究出大量抑制转矩脉动的策略，主要分为以下三个方面:1.电磁因素引起的转矩脉动的抑制方法；2.定子齿槽引起的转矩脉动的抑制方法；3.电流换相引起的转矩脉动的抑制方法。不同的应用环境下需要采取不同的策略才能达到最佳的转矩脉动抑制效果，目前，通过探究无刷直流电机驱动方法、电路拓扑、控制算法等不同侧重点提出了一系列抑制转矩脉动的策略。而本发明是基于升压拓扑对无刷直流电机的转矩脉动进行抑制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明根据升压拓扑的输出方式与无刷直流电机的运行方式构建了保证驱动***正常工作的四种开关矢量，提供了一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法。
一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：
根据无刷直流电机的数学模型确定反电动势幅值与转速的关系，及反电动势与端电压之间的关系，得到无刷直流电机控制***直流侧的电压与其反电动势幅值之间的关系；
确定无刷直流电机换相转矩脉动产生的原因，推导换相阶段无刷直流电机控制***直流侧供给电压与反电动势之间的关系；
推导无刷直流电机转矩和恒导通相相电流之间的关系，通过控制电流的平稳抑制转矩的脉动；
结合无刷直流电机控制***直流侧的升压拓扑及相应的运行方式构建开关矢量，用于无刷直流电机换相阶段和非换相阶段的电流控制；
建立换相区及非换相区的控制策略，通过选择合适的矢量实现电流的平稳控制，进而实现转矩的平稳控制，有效抑制无刷直流电机的转矩脉动。
进一步的，所述电磁转矩脉动是衡量电机***性能的重要指标，而无刷直流电机的电磁转矩脉动包括齿槽转矩脉动(由定子齿槽造成)、换相转矩脉动等；齿槽转矩脉动与电机的本体设计有关，当电机本体设计的足够好时，可近似忽略齿槽转矩脉动；而换相转矩脉动来源于无刷直流电机的方波控制方式，约占据电磁转矩脉动的50％，故抑制无刷直流电机换相转矩脉动对提升电机的性能有着重要的作用。
进一步的，所述一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法主要是抑制无刷直流电机的换相转矩脉动，在实际的无刷直流电机驱动控制***中，通常采用二二导通的方式，因电机绕组存在的感性属性，使无刷直流电机关断相和开通相相电流的变化率不一致；
其中，无刷直流电机的电磁转矩与三相相电流及角速度之间的关系是：
Figure BDA0003012626000000021
取某一换相阶段，因换相时间极短可默认为：
-ex＝ey＝-ez＝E；
ix+iy+iz＝0；
其中，ex、ey、ez为三相相反电动势，E为三相相反电动势幅值，综上可得：
Figure BDA0003012626000000022
从上述公式可以看出，由于三相相电流之间固有的关系，导致恒通相相电流的脉动，引起无刷直流电机电磁转矩的脉动。
进一步的，根据无刷直流电机控制***直流侧的电压与其反电动势之间的关系，可分析出二者之间的大小关系会影响开通相和关断相相电流的变化率，进而影响恒通相相电流大小，引起电磁转矩的脉动；
当Udc＝4E时，转矩脉动ΔTe＝0，换相前后电磁转矩幅值基本保持恒定；
当Udc<4E时，即电机高速运行时，转矩脉动ΔTe<0，换相期间电磁转矩将减小；
当Udc>4E时，即电机低速运行时，转矩脉动ΔTe>0，换相期间电磁转矩将增加。
进一步的，当无刷直流电机驱动控制***利用该升压拓扑，提高换相阶段无刷直流电机控制***的直流侧电压至四倍的反电动势幅值，达到对恒导通相相电流的控制，降低换相阶段的转矩脉动。
进一步的，所述一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，通过控制升压拓扑的功率开关管、逆变器导通相上桥臂开关管和关断相下桥臂开关管的通断实现对电机相电流的控制；
根据逆变器的两个功率开关管以及升压拓扑上的功率开关管的开关状态，构建四种开关矢量实现电流的控制，使换相阶段无刷直流电机控制***的直流侧电压至四倍的反电动势幅值，抑制无刷直流电机换相转矩脉动。
进一步的，所述的四种开关矢量在无刷直流电机非换相阶段和换相阶段均参与到控制策略当中，在换相区的矢量选取机制时，需要考虑开通相相电流变化率和关断相相电流变化率的关系。在设计非换相区的矢量选取机制时，除了考虑电流变化率，还应兼顾电容电压的控制。
进一步的，所述基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法包括基于该方法设计的无刷直流电机控制***框图，能够更加清晰的理解本发明的实现思路。
如上所述，本发明提供的一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，具有如下效果：
1、本发明实现了无刷直流电机电磁转矩脉动的抑制，尤其是换相转矩脉动的抑制，解决了传统的无刷直流电机控制***会带来较大电磁转矩脉动的问题，为解决无刷直流电机换相转矩脉动提供了新的解决思路。
2、本发明中利用升压拓扑构建控制矢量，抑制了换相阶段恒通相相电流的脉动。
3、本发明使无刷直流电机能够更稳定运行，适用于更高精度要求的场合，使无刷直流电机适用性更广且硬件电路易实现。
附图说明
图1为本发明具体的基于升压拓扑驱动的无刷直流电机控制***；
图2为本发明具体的基于升压拓扑的无刷直流电机控制框图；
图3为本发明具体构建的四种矢量作用下的等效电路；
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在无刷直流电机的运行过程中，为了提高无刷直流电机控制***的可靠性并且在不过多增加整个控制***体积的要求下，利用升压拓扑实现了转矩脉动的抑制；
本实施例的一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，所述实现该控制方法的无刷直流电机控制***框图；具体如图1所示，包括以下步骤：
S1、确定无刷直流电机转矩脉动的各种来源，以及其中一些脉动来源的成因、相应的解决办法；
最后确定换相转矩脉动是无刷直流电机转矩脉动主要来源，解决该脉动对提升无刷直流电机的性能有重要的作用。
S2、分析无刷直流电机换相转矩脉动产生的原因，在实际的无刷直流电机控制***中，由于采用二二导通的方式及电机绕组存在的感性属性，使电机关断相和开通相相电流的变化率不一致；
其中，电机电磁转矩和三相相电流及角速度之间的关系是：
Figure BDA0003012626000000041
取某一换相阶段，因换相时间极短可认为：
-ex＝ey＝-ez＝E；
ix+iy+iz＝0；
其中，ex、ey、ez为三相相反电动势，E为三相相反电动势幅值，综上可得：
Figure BDA0003012626000000051
从上述公式可以看出，由于三相相电流之间固有的关系，导致恒通相相电流的脉动，引起无刷直流电机电磁转矩的脉动。
S3、分析无刷直流电机控制***直流侧的电压与其反电动势之间的关系，可分析出二者之间的大小关系会影响开通相和关断相相电流的变化率，影响恒通相相电流大小，引起电磁转矩的脉动；
当Udc＝4E时，转矩脉动ΔTe＝0，换相前后电磁转矩幅值基本保持恒定；
当Udc<4E时，即电机高速运行时，转矩脉动ΔTe<0，换相期间电磁转矩将减小；
当Udc>4E时，即电机低速运行时，转矩脉动ΔTe>0，换相期间电磁转矩将增加。
从上述分析可看出，当无刷直流电机驱动控制***的直流侧电压与四倍反电动势幅值保持一致即可实现转矩的脉动抑制。
S4、在无刷直流电机驱动控制***的直流侧该升压拓扑，提高换相阶段无刷直流电机控制***的直流侧电压至四倍的反电动势幅值，达到对恒导通相相电流的控制，降低换相阶段的转矩脉动。
通过控制逆变器导通相上桥臂开关管以及关断相下桥臂开关管的通断来实现对电机相电流的控制；根据逆变器的两个功率开关管以及升压拓扑上的功率开关管的开关状态，构建四种开关矢量实现电流的控制，四种矢量作用的等效电路图如图三所示。
S5、将构建的四种开关矢量用于无刷直流电机非换相阶段和换相阶段的控制策略当中。
本实例在换相阶段和非换相阶段下矢量的选择如下：
S51、设计换相区的矢量选取机制时，需要考虑开通相相电流变化率和关断相相电流变化率的关系；在换相区内，根据公式推导，在矢量Vz2的作用下，非换相相电流变化率为：
Figure BDA0003012626000000052
在矢量Vm2的作用下，非换相相电流变化率为：
Figure BDA0003012626000000061
其中，uin为母线电压，Rs、Ls分别为无刷直流电机绕组电阻和电感，iy为恒通相相电流。其中由于升压拓扑的存在，uin为：
uin＝udc+uc；
利用矢量Vz2、Vm2作用于换相区，实现直流侧电压与四倍反电动势相等，根据相电流的反馈值I与相电流期望值I*的大小关系选择合适的控制矢量，实现在换相区内对恒通相相电流大小的控制：
当I*<I时，选择矢量Vz2作用；
当I*>I时，选择矢量Vm2作用。
S52、设计非换相区的矢量选取机制时，除了考虑电流变化率，还应兼顾电容电压的控制；
在非换相区内，在矢量Vz1的作用下，两相之间的线电压upn为：
upn＝-udc-uc；
在矢量Vm1的作用下，两相之间的线电压upn为：
upn＝udc；
利用矢量Vz1、Vm1作用于换相区，目的是为了给升压拓扑中的电容充电，确保电容在换相阶段能够提供电压，根据电容电压实际值uc与电容电压期望值uc *比较选择合适的矢量：
当uc *<uc时，选择矢量Vm1作用；
当uc *>uc时，选择矢量Vz1作用。
通过上述矢量选择策略结合具体的无刷直流电机控制框图实现了对无刷直流电机换相转矩脉动的抑制，提升无刷直流电机运行稳定性能。
上述是对本发明实现流程做简要的一些说明，主要目的在于简单介绍清楚发明的应用涵义。其次，本发明的升压拓扑模型并不是固定不变的，它的改进方法还有很多，具体情况具体讨论。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定无刷直流电机换相转矩脉动产生的原因，推导换相阶段无刷直流电机控制***直流侧供给电压与反电动势之间的关系；
推导无刷直流电机转矩和恒导通相相电流之间的关系，通过控制电流来抑制转矩的脉动；
结合无刷直流电机控制***直流侧的升压拓扑及相应的运行方式构建开关矢量，用于无刷直流电机换相阶段和非换相阶段的电流控制；
建立换相区和非换相区的控制策略，通过选择合适的矢量实现电流的平稳控制，进而实现转矩的平稳控制，有效抑制无刷直流电机的转矩脉动。
2.根据权利要求1所述一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，电磁转矩是衡量电机***性能的重要指标，而无刷直流电机的电磁转矩脉动包括齿槽转矩脉动(由定子齿槽造成)、换相转矩脉动等，齿槽转矩脉动与电机的本体设计有关，当电机本体设计的足够好时，可近似忽略齿槽转矩脉动，而换相转矩脉动来源于无刷直流电机的方波控制方式，约占据电磁转矩脉动的50％，故抑制无刷直流电机换相转矩脉动对提升电机的性能有着重要的作用。
3.根据权利要求2所述一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述无刷直流电机的电磁转矩在理想运行情况下并无脉动产生，但在实际的无刷直流电机控制***中，由于二二导通的方式及电机绕组呈现的感性，导致电机关断相和开通相电流的变化率不一致；
其中，电机电磁转矩和三相相电流及角速度之间的关系是：
Figure FDA0003012625990000011
取某一换相阶段，因换相时间极短可认为：
-ex＝ey＝-ez＝E；
ix+iy+iz＝O；
其中，ex、ey、ez为三相相反电动势，E为三相相反电动势幅值，综上可得：
Figure FDA0003012625990000012
从上述公式可以看出，由于三相相电流之间固有的关系，导致恒通相相电流的脉动，引起无刷直流电机电磁转矩的脉动。
4.根据权利要求2所述一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述无刷直流电机控制***直流侧的电压与其反电动势之间的关系会影响三相相电流的变化，引起转矩的变化；
当Udc＝4E时，转矩脉动ΔTe＝0，换相前后电磁转矩幅值基本保持恒定；
当Udc<4E时，即电机高速运行时，转矩脉动ΔTe<0，换相期间电磁转矩将减小；
当Udc>4E时，即电机低速运行时，转矩脉动ΔTe>0，换相期间电磁转矩将增加；
所以控制无刷直流电机控制***的直流侧电压与四倍反电动势幅值保持一致即可抑制换相转矩脉动。
5.根据权利要求4所述一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述无刷直流电机控制***利用升压拓扑，提高换相阶段无刷直流电机控制***的直流侧电压至四倍的反电动势幅值，达到对恒导通相相电流的控制，降低换相阶段的转矩脉动。
6.根据权利要求5所述一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，通过控制逆变器导通相上桥臂开关管以及关断相下桥臂开关管的通断，实现对电机相电流的控制，根据逆变器的两个功率开关管以及升压拓扑上的功率开关管的开关状态，构建四种开关矢量实现电流的控制，抑制无刷直流电机换相转矩脉动。
7.根据权利要求2所述一种基于升压拓扑的无刷直流电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述的四种开关矢量在无刷直流电机非换相阶段和换相阶段均参与到控制策略当中，在设计非换相区的矢量选取机制时，除了考虑电流变化率，还应兼顾电容电压的控制，而设计换相区的矢量选取机制时，需考虑开通相相电流变化率和关断相相电流变化率之间的关系，实现无刷直流电机转矩脉动的抑制。
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