CN107528506A - 无刷直流电机换相转矩脉动抑制的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无刷直流电机换相转矩脉动抑制装置包括：主电路单元101、功率开关单元102、逆变器单元103、无刷直流电机单元104及控制单元105；其中，功率开关单元102分别电连接主电路单元101和逆变器单元103；逆变器单元103分别电连接主电路单元101和无刷直流电机单元104；控制单元105分别通信连接主电路单元101、功率开关单元102、逆变器单元103及无刷直流电机单元104。本发明通过对第一功率开关S1和第二功率开关S2开启、关断的控制，在换相期和导通期对无刷直流电机的输入电压进行切换，从而达到无刷直流电机换相转矩脉动抑制的效果；本发明提供的装置对转速及负载变化的适应范围宽，提高了电机的输出功率。

Description

无刷直流电机换相转矩脉动抑制的装置及方法

技术领域

本发明属于无刷直流电机控制技术领域，具体涉及一种无刷直流电机换相转矩脉动抑制的装置以及一种无刷直流电机换相转矩脉动抑制的方法。

背景技术

无刷直流电机因为其运行可靠、功率密度大、结构稳定、噪声小、运行速度宽、控制简单等特点被广泛的应用在各种工业领域以及日常生活中。然而在永磁无刷直流电机的应用中，转矩脉动是非常突出的问题。转矩脉动影响系统的控制性能，使电机运转过程中出现转速波动。如果转矩脉动严重的话，或将产生很大的机械振动和噪声，影响系统寿命，降低系统可靠性，造成能量损失，解决这一问题成为了许多学者研究的重点和难点。

无刷直流电机转矩脉动主要由三部分组成：1.谐波转矩脉动；2.齿槽转矩脉动；3.换相转矩脉动。其中换相转矩脉动是因为电机在换相过程中开通相和关断相电流的变化率不同造成的，目前的大部分研究都是从这一点入手去消除无刷直流电机的换相转矩脉动。针对无刷直流电机换相转矩脉动抑制的方法主要有：1.PWM调制法；2.重叠换相法；3.电流预测控制法；4.滞环控制法；5.直接转矩控制法；6.先进控制策略等。但是现有消除无刷直流电机的换相转矩脉动方法存在控制复杂或适用范围小等问题。

因此提供一种简单有效、提高电机输出功率、适用范围广的无刷直流电机换相转矩脉动抑制装置及方法变的尤为重要。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种无刷直流电机换相转矩脉动抑制的装置及方法。

一方面，本发明的一个实施例提供了一种无刷直流电机换相转矩脉动抑制的装置，包括：主电路单元101、功率开关单元102、逆变器单元103、无刷直流电机单元104及控制单元105；其中，

所述功率开关单元102电连接所述主电路单元101；所述逆变器单元103分别电连接所述主电路单元101和所述功率开关单元102；所述无刷直流电机单元104电连接所述逆变器单元103；所述控制单元105分别电连接所述主电路单元101、所述功率开关单元102、所述逆变器单元103及所述无刷直流电机单元104。

在本发明的一个实施例中，所述主电路单元101包括：电源V_dc和DC-DC变换器，其中，所述电源V_dc电连接所述DC-DC变换器的输入端；所述DC-DC变换器的输出端电连接所述功率开关单元102。

在本发明的一个实施例中，所述功率开关单元102包括第一功率开关S1和第二功率开关S2；其中，所述第一功率开关S1的源极电连接所述主电路单元101的第一路输出端；所述第一功率开关S1的漏极电连接所述逆变器单元103；所述第二功率开关S2的源极电连接所述主电路单元101的第二路输出端；所述第二功率开关S2的漏极电连接所述逆变器单元103。

在本发明的一个实施例中，所述逆变器单元103为三相逆变器；包括：第一功率管T1、第二功率管T2、第三功率管T3、第四功率管T4、第五功率管T5、第六功率管T6、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5及第六二极管D6；

其中，所述第一功率管T1与所述第二功率管T2串接于所述逆变器单元103的输入端与接地端；所述第三功率管T3与所述第四功率管T4串接于所述逆变器单元103的输入端与接地端；所述第五功率管T5与所述第六功率管T6串接于所述逆变器单元103的输入端与接地端；所述逆变器单元103的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别电连接无刷直流电机单元104。

在本发明的一个实施例中，所述控制单元105包括控制芯片、DC-DC控制电路、DC-DC驱动电路、功率开关驱动电路及逆变器驱动电路；其中，所述控制芯片分别电连接所述DC-DC控制电路、所述功率开关驱动电路、所述逆变器驱动电路、所述无刷直流电机单元104、以及所述逆变器单元103和所述无刷直流电机单元104串接形成的节点；所述DC-DC驱动电路与所述主电路单元101电连接，所述DC-DC控制电路分别电连接所述DC-DC驱动电路、所述主电路单元101和所述功率开关单元102；所述功率开关驱动电路电连接所述功率开关单元102；所述逆变器驱动电路电连接所述逆变器单元103。

其中，所述控制单元105用于控制功率开关单元102的切换信号、主电路单元101的工作信号及所述逆变器单元103的换相信号。

在本发明的一个实施例中，所述控制单元105用于控制功率开关单元102的切换信号；其中，在非换相期时，所述控制单元105向所述第一功率开关S1的栅源极和所述第二功率开关S2的栅源极输出控制信号，控制所述第一功率开关S1导通，所述第二功率开关S2关断，由所述主电路单元101的第一路输出向所述无刷直流电机单元104供电；在换相开始时，所述控制单元105向所述第一功率开关S1的栅源极和所述第二功率开关S2的栅源极输出控制信号，控制所述第一功率开关S1关断，所述第二功率开关S2导通。

再一方面，本发明的另一个实施例提供了一种无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法，包括：

步骤1：在非换相期时，所述第一功率开关S1导通，所述第二功率开关S2关断，由所述DC-DC变换器的第一路输出向所述无刷直流电机单元供电。

步骤2：在换相开始时，所述第一功率开关S1关断，所述第二功率开关S2导通，由所述DC-DC变换器的第二路输出向所述无刷直流电机单元供电。

在本发明的一个实施例中，在步骤1中，所述DC-DC变换器的第一路输出的输出电压为U₁＝2e_m+2i_mR；其中，U₁为所述DC-DC变换器的第一路的输出电压，e_m为反电动势幅值，R为电机相电阻，i_m为相电流幅值。

在本发明的一个实施例中，在步骤2中，所述DC-DC变换器的第二路的输出电压为U₂＝4e_m；其中，U₂为所述DC-DC变换器的第二路的输出电压，e_m为反电动势幅值。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过对第一功率开关S1和第二功率开关S2开启、关断的控制，在换相期和导通期对无刷直流电机的输入电压进行切换，从而达到无刷直流电机换相转矩脉动抑制的效果；

2、本发明提供的装置对转速及负载变化的适应范围宽，提高了电机的输出功率；

3、本发明提供的装置控制方式简单，不需要对逆变器单元进行脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)斩波控制；

4、本发明提供的装置减少了逆变器单元的开关损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种无刷直流电机换相转矩脉动抑制装置结构图；

图2为本发明一实施例提供的一种主电路单元结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种控制单元结构示意图；

图4为本发明另一实施例提供的理想情况下无刷直流电机反电动势和相电流波形图；

图5a-图5c为本发明另一实施例提供的无刷直流电机AC相到BC相的换相过程示意图；

图6为本发明另一实施例提供的功率开关S1闭合，功率开关S2断开的电路图；

图7为本发明另一实施例提供的功率开关S1断开，功率开关S2闭合的电路图；

图8为本发明再一实施例提供的无刷直流电机的输入电压与各开关时序图；

图9为本发明再一实施例提供的现有技术中的三相电流、转矩和逆变器输入电压图；

图10为本发明再一实施例提供的采用本发明抑制方法的三相电流、转矩和逆变器输入电压图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例一

请参见图1，图1为本发明一实施例提供的一种无刷直流电机换相转矩脉动抑制装置结构图，包括：

主电路单元101、功率开关单元102、逆变器单元103、无刷直流电机单元104及控制单元105；

其中，功率开关单元102电连接主电路单元101；逆变器单元103分别电连接主电路单元101和功率开关单元102；无刷直流电机单元104电连接逆变器单元103；控制单元105分别通信连接主电路单元101、功率开关单元102、逆变器单元103及无刷直流电机单元104。

优选地，请参见图2，图2为本发明一实施例提供的一种主电路单元结构示意图，主电路单元101包括：电源V_dc和DC-DC变换器，其中，电源V_dc电连接DC-DC变换器输入端；DC-DC变换器的输出端电连接功率开关单元102。

其中，电源V_dc正极端电压为V_dc，负极端为接地端；

优选地，功率开关单元102包括第一功率开关S1和第二功率开关S2；其中，第一功率开关S1的源极电连接主电路单元101的第一路输出端；第一功率开关S1的漏极电连接逆变器单元103；第二功率开关S2的源极电连接主电路单元101的第二路输出端；第二功率开关S2的漏极电连接逆变器单元103。

具体地，逆变器单元103为三相逆变器；包括：第一功率管T1、第二功率管T2、第三功率管T3、第四功率管T4、第五功率管T5、第六功率管T6、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5及第六二极管D6；

其中，第一功率管T1与第二功率管T2串接于逆变器单元103的输入端与接地端；第三功率管T3与第四功率管T4串接于逆变器单元103的输入端与接地端；第五功率管T5与第六功率管T6串接于逆变器单元103的输入端与接地端；逆变器单元103的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别电连接无刷直流电机单元104的A相、B相和C相。

优选地，请参见图3，图3为本发明一实施例提供的一种控制单元结构示意图，控制单元105包括控制芯片、DC-DC控制电路、DC-DC驱动电路、功率开关驱动电路及逆变器驱动电路；其中，所述控制芯片分别电连接所述DC-DC控制电路、所述功率开关驱动电路、所述逆变器驱动电路、所述无刷直流电机单元104、以及所述逆变器单元103和所述无刷直流电机单元104串接形成的节点；所述DC-DC驱动电路与所述主电路单元101电连接，所述DC-DC控制电路分别电连接所述DC-DC驱动电路、所述主电路单元101和所述功率开关单元102；所述功率开关驱动电路电连接所述功率开关单元102；所述逆变器驱动电路电连接所述逆变器单元103。。

其中，控制单元105可以用于采样无刷直流电机单元104的输出霍尔信号和电流过零信号，并控制功率开关单元102的切换信号、主电路单元101的工作信号及逆变器单元103的换相信号。

优选地，控制单元105用于控制功率开关单元102的切换信号包括：在非换相期时，控制单元105向第一功率开关S1的栅源极和第二功率开关S2的栅源极输出控制信号，控制第一功率开关S1导通，第二功率开关S2关断，由主电路单元101的第一路输出向无刷直流电机单元104供电；在换相开始时，控制单元105向第一功率开关S1的栅源极和第二功率开关S2的栅源极输出控制信号，控制第一功率开关S1关断，第二功率开关S2导通。

本发明采用控制单元通过对第一功率开关S1和第二功率开关S2开启、关断的控制，在换相期和导通期对无刷直流电机的输入电压进行切换，从而达到无刷直流电机换相转矩脉动抑制的效果。

实施例二

为了便于理解本发明的工作原理，本实施例在上述实施例的基础上对无刷直流电机换相转矩脉动抑制装置及方法进行详细说明。

请再次参见图1，其中，主电路单元101包括一个单路输入两路输出的DC-DC变换器，用于输出两个幅值不同的电压；逆变器单元103包括功率管T1、功率管T2、功率管T3、功率管T4、功率管T5、功率管T6以及二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6，功率管T1-功率管T6采用两两导通的工作方式；无刷直流电机单元104包括三相绕组的反电动势和绕组，其中，La、Lb和Lc分别代表无刷直流电机的每一相绕组的电感值，Ra、Rb和Rc分别代表每一相绕组的电阻值。

优选地，请参见图4，图4为本发明另一实施例提供的理想情况下无刷直流电机反电动势和相电流波形图；其中，e_a，e_b，e_c分别代表三相绕组的反电动势，i_a，i_b，i_c分别代表无刷直流电机的每一相的相电流，e_m表示反电动势幅值，i_m表示相电流幅值。

优选地，请参见图5a-图5c，图5a-图5c为本发明另一实施例提供的无刷直流电机AC相到BC相的换相过程示意图；请参见图6，图6为本发明另一实施例提供的功率开关S1闭合，功率开关S2断开的电路图；以A相C相→B相C相的换相方式为例，在A相与C相导通期间，第一功率开关管S1开启，第二功率开关管S2关断，主电路单元101的第一路输出向电机供电，U_in＝2e_m+2i_mR；A相电流i_a、C相电流i_c经功率管T1、电机、功率管T6形成回路，向电机供电。

进一步地，请参见图7，图7为本发明另一实施例提供的功率开关S1断开，功率开关S2闭合的电路图；换相期间，第一功率开关管S1关断，第二功率开关管S2开启，主电路单元101的第二路输出向电机供电，U_in＝4e_m；功率管T1关断，功率管T3导通，B相电流i_b上升，因为电机绕组是感性器件，电流不能突变，所以A相电流通过二极管D2与功率管T6续流，直到其衰减到零，然后换相结束。

其中，逆变器单元103用于将主电路单元101输出的直流电压转化为交流电压然后输入到无刷直流电机单元104，驱动电机转动。

具体地，在导通期的时候，三相绕组的电压方程为：

其中u_a，u_b，u_c为每一相的相电压，U_N为电机绕组中性点对地电压，可得导通期无刷直流电机的电磁转矩为：

在换相期的时候，三相绕组的电压方程为：

其中V_in为逆变器单元103输入电压，可得换相期无刷直流电机的电磁转矩为：

由方程式(3)和(4)可得，换相期，无刷直流电机的换相转矩脉动为：

由方程式(5)可得，在换相期的时候，无刷直流电机的输入电压U_in＝4e_m，可以对无刷直流电机的换相转矩脉动进行很好的抑制。

其中，本实施例采用的无刷直流电机的参数为：额定电压150V，额定转速3000r/min，额定转矩5N·m，相电感为5.2mH，相电阻0.5Ω，反电动势系数0.22。

本发明实施例通过对功率开关S1和功率开关S2开启、关断的控制，在换相期和导通期对无刷直流电机的输入电压进行切换，将电机的输入电压切换为4e_m，从而达到无刷直流电机换相转矩脉动抑制的效果。

实施例三

进一步地，在上述实施例的基础上，本实施例详细介绍无刷直流电机换相转矩脉动的抑制方法。

具体地，请参见图8，图8为本发明再一实施例提供的无刷直流电机的输入电压与各开关时序图；无刷直流电机换相转矩脉动的抑制方法包括：

步骤1：在非换相期间，第一个功率开关管S1导通，第二个功率开关管S2关断，由DC-DC变换器的第一路输出向无刷直流电机供电，此时第一路的输出电压为U₁＝2e_m+2i_mR，其中U₁为DC-DC变换器的第一路的输出电压，e_m为反电动势幅值，R为电机相电阻，i_m为相电流幅值。

步骤2：换相开始时，第一个功率开关管S1关断，第二个功率开关管S2导通，由DC-DC变换器的第二路输出向无刷直流电机供电，此时第二路的输出电压为U₂＝4e_m，其中U₂为DC-DC变换器的第二路的输出电压，e_m为反电动势幅值。

其中，在换相期的时候，通过切换第一功率开关S1和第二功率开关S2将无刷直流电机的输入电压由U_in＝2e_m+2i_mR切换到U_in＝4e_m。通过控制单元对主电路单元的输出电压采样，然后经过控制单元处理，形成反馈控制，可以控制主电路单元的第一路输出电压为2e_m+2i_mR；通过对无刷直流电机的Hall信号进行处理，计算出无刷直流电机的转速，又因为反电动势的幅值与电机转速成正比关系，所以可以得出主电路单元第二路输出的参考电压，通过控制单元的控制就可以确保主电路单元的第二路的输出电压为4e_m。同时通过电机的Hall信号可以判断出电机换相期的开始，此时功率开关管S1关断，功率开关管S2开启，这时主电路单元的第二路输出向电机供电，U_in＝4e_m，换相转矩脉动会被有效的抑制。换相结束后，电机进入导通期，此时功率开关管S1开启，功率开关管S2关断，这时主电路单元的第一路输出向电机供电，U_in＝2e_m+2i_mR，保证电机正常运行，转速不变。

优选地，以转速为1000r/min，转矩为1N·m的无刷直流电机为例；如图9所示，图9为本发明再一实施例提供的现有技术中的三相电流、转矩和逆变器输入电压图；由图9可以看出现有技术中无刷直流电机转矩脉动较大；如图10所示，图10为本发明再一实施例提供的采用本发明抑制方法的三相电流、转矩和逆变器输入电压图；由图10可以看出采用了本发明提供的无刷直流电机换相转矩脉动的抑制方法可以有效抑制无刷直流电机转矩脉动。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无刷直流电机换相转矩脉动抑制装置，其特征在于，包括：主电路单元(101)、功率开关单元(102)、逆变器单元(103)、无刷直流电机单元(104)及控制单元(105)；

其中，所述功率开关单元(102)电连接所述主电路单元(101)；所述逆变器单元(103)分别电连接所述主电路单元(101)和所述功率开关单元(102)；所述无刷直流电机单元(104)电连接所述逆变器单元(103)；所述控制单元(105)分别电连接所述主电路单元(101)、所述功率开关单元(102)、所述逆变器单元(103)及所述无刷直流电机单元(104)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主电路单元(101)包括：电源(V_dc)和DC-DC变换器，其中，所述电源(V_dc)电连接所述DC-DC变换器的输入端；所述DC-DC变换器的输出端电连接所述功率开关单元(102)。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率开关单元(102)包括第一功率开关(S1)和第二功率开关(S2)；其中，所述第一功率开关(S1)的源极电连接所述主电路单元(101)；所述第一功率开关(S1)的漏极电连接所述逆变器单元(103)；所述第二功率开关(S2)的源极电连接所述主电路单元(101)；所述第二功率开关(S2)的漏极电连接所述逆变器单元(103)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述逆变器单元(103)为三相逆变器；包括：第一功率管(T1)、第二功率管(T2)、第三功率管(T3)、第四功率管(T4)、第五功率管(T5)、第六功率管(T6)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)及第六二极管(D6)；

其中，所述第一功率管(T1)与所述第二功率管(T2)串接于所述逆变器单元(103)的输入端与接地端；所述第三功率管(T3)与所述第四功率管(T4)串接于所述逆变器单元(103)的输入端与接地端；所述第五功率管(T5)与所述第六功率管(T6)串接于所述逆变器单元(103)的输入端与接地端；所述逆变器单元(103)的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别电连接无刷直流电机单元(104)。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制单元(105)包括控制芯片、DC-DC控制电路、DC-DC驱动电路、功率开关驱动电路及逆变器驱动电路；其中，

所述控制芯片分别电连接所述DC-DC控制电路、所述功率开关驱动电路、所述逆变器驱动电路、所述无刷直流电机单元(104)、以及所述逆变器单元(103)和所述无刷直流电机单元(104)串接形成的节点；所述DC-DC驱动电路与所述主电路单元(101)电连接，所述DC-DC控制电路分别电连接所述DC-DC驱动电路、所述主电路单元(101)和所述功率开关单元(102)；所述功率开关驱动电路电连接所述功率开关单元(102)；所述逆变器驱动电路电连接所述逆变器单元(103)。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制单元(105)用于控制所述功率开关单元(102)的切换信号、所述主电路单元(101)的工作信号及所述逆变器单元(103)的换相信号。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制单元(105)用于控制所述功率开关单元(102)的切换信号包括：

在非换相期时，所述控制单元(105)向所述第一功率开关(S1)和所述第二功率开关(S2)输出控制信号，控制所述第一功率开关(S1)导通，所述第二功率开关(S2)关断，由所述主电路单元(101)的第一路输出向所述无刷直流电机单元(104)供电；

在换相开始时，所述控制单元(105)向所述第一功率开关(S1)和所述第二功率开关(S2)输出控制信号，控制所述第一功率开关(S1)关断，所述第二功率开关(S2)导通。

8.一种无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法，所述方法采用如权利要求1～7所述的无刷直流电机换相转矩脉动抑制装置，其特征在于，包括：

步骤1：在非换相期时，所述第一功率开关(S1)导通，所述第二功率开关(S2)关断，由所述DC-DC变换器的第一路输出向所述无刷直流电机单元供电。

步骤2：在换相开始时，所述第一功率开关(S1)关断，所述第二功率开关(S2)导通，由所述DC-DC变换器的第二路输出向所述无刷直流电机单元供电。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述DC-DC变换器的第一路输出的输出电压为U₁＝2e_m+2i_mR；其中，U₁为所述DC-DC变换器的第一路的输出电压，e_m为反电动势幅值，R为电机相电阻，i_m为相电流幅值。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述DC-DC变换器的第二路的输出电压为U₂＝4e_m；其中，U₂为所述DC-DC变换器的第二路的输出电压，e_m为反电动势幅值。