一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統及其轉矩脈動抑制方法與流程

本發明屬于電機控制技術領域。

背景技術：

無刷直流電機的輸出轉矩大、動態響應快、慣量小、可靠性高、控制簡單,因此其應用越來越廣泛。但是無刷直流電動機普遍存在的轉矩脈動問題卻一直限制著其在高精度系統中的應用。對于高精度系統,轉矩脈動是衡量無刷直流電動機性能的一項重要指標。因此,研究抑制或消除轉矩脈動的方法具有十分重要的意義。

技術實現要素：

本發明是為了解決現有是無刷直流電動機普遍存在的轉矩脈動問題，本發明提供了一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統及其轉矩脈動抑制方法。

一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統，包括直流電源U_s、Sepic變換器、電壓型逆變器、直流電壓采樣模塊和電機控制器；

直流電源U_s的正極連接Sepic變換器的正極輸入端，直流電源U_s的負極連接Sepic變換器的負極輸入端；

Sepic變換器的輸出端連接電壓型逆變器的輸入端，電壓型逆變器的輸出端連接被控無刷直流電動機的三相繞組；

直流電壓采樣模塊用于采集Sepic變換器輸出的直流電壓，并將采集直流電壓信號送至電機控制器；

采集被控無刷直流電動機的霍爾信號并發送給電機控制器，電機控制器根據采集的電壓信號和霍爾信號對Sepic變換器和電壓型逆變器的工作狀態進行控制。

所述的Sepic變換器包括電感L₁、電感L₂、電容C₁、電容C₂、二極管D₁和MOSFET管VT₀；

電感L₁的一端與直流電源U_s的正極連接，

電感L₁的另一端同時與電容C₁的一端和MOSFET管VT₀的源極連接，

電容C₁的另一端同時與電感L₂的一端和二極管D₁的陽極連接，

二極管D₁的陰極與電容C₂的一端連接，二極管D₁的陰極作為Sepic變換器的一個輸出端；

直流電源U_s的負極同時與MOSFET管VT₀的漏極、電感L₂的另一端和電容C₂的另一端連接，電容C₂的另一端作為Sepic變換器的另一個輸出端。

所述的電壓型逆變器為三相電壓型橋式逆變器，三相電壓型橋式逆變器包括6個開關管VT₁至VT₆，并且6個開關管VT₁至VT₆均為MOSFET管，

其中，三相電壓型橋式逆變器的上橋臂為開關管VT₁、VT₃、VT₅，下橋臂為開關管VT₄、VT₆、VT₂；

每個MOSFET管的漏極和源極之間反向并聯一個二極管，

開關管VT₁至VT₆的柵極均用于接收電機控制器輸出的控制信號。

所述的電機控制器包括前饋控制模塊、PID控制模塊、減法器和加法器；

前饋控制模塊，用于根據Sepic變換器的多組的當前占空比α′和其輸出的直流電壓U_dc的歷史數據擬合出當前占空比α′和直流電壓U_dc之間的關系α′＝f(U_dc)，令U_dc＝4E_m，從而獲得α′＝f(4E_m)，Sepic變換器根據該關系式α′＝f(4E_m)及輸入的參考電壓4E_m輸出當前占空比α′；

其中，E_m為電機的反電動勢；

減法器的被減數輸入端接收的參考電壓4E_m與其減數輸入端接收的直流電壓U_dc作差，并將獲得的偏差E(k)作為PID控制模塊的輸入；

PID控制模塊，用于根據接收的偏差E(k)采用下述公式一和二獲得占空比增量α″，其中，

其中，U(k)是第k次采樣電壓輸出值，k_p為調節比例系數；k_I為調節積分系數；k_D為調節微分系數；E(k)為第k次采樣時的偏差；E(k-1)為第k-1次采樣時的偏差；k為采樣序號，k為大于或等于1的整數，j為變量，

加法器用于對當前占空比α′和占空比增量α″進行疊加，使用疊加后的值α作為控制Sepic變換器下一次占空比的控制指令，且α＝α′+α″。

所述的

采用一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統實現的電機轉矩脈動抑制方法，該方法包括如下步驟：

步驟一、電機控制器采集被控無刷直流電動機的霍爾信號和Sepic變換器輸出的直流電壓U_dc；

步驟二、電機控制器根據被控無刷直流電動機的霍爾信號進行識別出被控無刷直流電動機處在換相狀態時，被控無刷直流電動機產生脈動轉矩△T_e；

其中，

E_m＝C_eφn (公式四)，

L為電機的每相的等價電感，Ω為電機的角速度，E_m為電機的反電動勢，t表示時間，

C_e為電機的電動勢系數，φ是為電機的轉子磁通，n是為電機的轉速；

步驟三、當被控無刷直流電動機處在換相狀態時，對電機控制器采用前饋控制算法及PID控制算法對Sepic變換器進行控制，并將通過前饋控制算法獲得的輸出值與通過PID控制算法獲得的輸出值進行疊加，作為控制Sepic變換器的控制指令，使U_dc＝4E_m，最終使脈動轉矩△T_e＝0，從而實現對電機換相時產生的轉矩脈動的抑制。

所述的前饋控制算法采用關系式α′＝f(4E_m)實現，

PID控制模塊采用公式一和公式二實現，其中，

其中，α′為通過前饋控制算法得到的當前占空比，4E_m為參考電壓，α″為PID控制算法得到的占空比增量，其中，U(k)是第k次采樣電壓輸出值，k_p為調節比例系數；k_I為調節積分系數；k_D為調節微分系數；E(k)為第k次采樣時的偏差；E(k-1)為第k-1次采樣時的偏差；k為采樣序號，k為大于或等于1的整數，j為變量。

所述的關系式α′＝f(4E_m)的獲得過程為：

步驟A1、利用電機控制器改變給MOSFET管VT₀的控制指令，即控制指令為當前占空比α′的給定數值，利用當前占空比α′控制時，采集反激電路輸出的直流電壓U_dc，

反復執行步驟A1來獲取多組當前占空比α′與直流電壓U_dc之間關系的歷史數據，然后執行步驟A2；

步驟A2、利用獲取的多組當前占空比α′與直流電壓U_dc之間關系的歷史數據進行擬合，得到關系式α′＝f(U_dc)；

步驟A3、為了抑制轉矩脈動，令U_dc＝4E_m，進而獲得關系式α′＝f(4E_m)作為前饋控制算法的算法模型。

本發明帶來的有益效果是，由于無刷直流電機運行中，反電動勢E_m會隨轉速變化而變化，采用PID控制可以消除穩態誤差，采用前饋控制可以加快響應速度，結合以上兩種控制方式，能夠有效抑制無刷直流電機在換相時產生的轉矩脈動。

附圖說明

圖1為本發明所述的一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統的原理示意圖；

圖2為電機控制器內生成控制Sepic變換器指令的控制原理圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參見圖1說明本實施方式，本實施方式所述的一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統，包括直流電源U_s、Sepic變換器1、電壓型逆變器2、直流電壓采樣模塊3和電機控制器4；

直流電源U_s的正極連接Sepic變換器1的正極輸入端，直流電源U_s的負極連接Sepic變換器1的負極輸入端；

Sepic變換器1的輸出端連接電壓型逆變器2的輸入端，電壓型逆變器2的輸出端連接被控無刷直流電動機5的三相繞組；

直流電壓采樣模塊3用于采集Sepic變換器1輸出的直流電壓，并將采集直流電壓信號送至電機控制器4；

采集被控無刷直流電動機5的霍爾信號并發送給電機控制器4，電機控制器4根據采集的電壓信號和霍爾信號對Sepic變換器1和電壓型逆變器2的工作狀態進行控制。

本實施方式中，Sepic變換器1，用于將直流電源U_s輸出的電壓轉換為幅值可變的直流電壓，電壓型逆變器2，用于將Sepic變換器1輸出的幅值可變的直流電壓轉化為交流電，并對被控無刷直流電動機5進行驅動。霍爾信號的采集可采用霍爾傳感器實現。

具體實施方式二：參見圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統的區別在于，所述的Sepic變換器1包括電感L₁、電感L₂、電容C₁、電容C₂、二極管D₁和MOSFET管VT₀；

電感L₁的一端與直流電源U_s的正極連接，

電感L₁的另一端同時與電容C₁的一端和MOSFET管VT₀的源極連接，

電容C₁的另一端同時與電感L₂的一端和二極管D₁的陽極連接，

二極管D₁的陰極與電容C₂的一端連接，二極管D₁的陰極作為Sepic變換器1的一個輸出端；

直流電源U_s的負極同時與MOSFET管VT₀的漏極、電感L₂的另一端和電容C₂的另一端連接，電容C₂的另一端作為Sepic變換器1的另一個輸出端。

具體實施方式三：參見圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一或二所述的一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統的區別在于，所述的電壓型逆變器2為三相電壓型橋式逆變器，三相電壓型橋式逆變器包括6個開關管VT₁至VT₆，并且6個開關管VT₁至VT₆均為MOSFET管，

其中，三相電壓型橋式逆變器的上橋臂為開關管VT₁、VT₃、VT₅，下橋臂為開關管VT₄、VT₆、VT₂；

每個MOSFET管的漏極和源極之間反向并聯一個二極管，

開關管VT₁至VT₆的柵極均用于接收電機控制器4輸出的控制信號。

具體實施方式四：參見圖1和2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一或二所述的一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統的區別在于，所述的電機控制器4包括前饋控制模塊4-1、PID控制模塊4-2、減法器4-3和加法器4-4；

前饋控制模塊4-1，用于根據Sepic變換器1的多組的當前占空比α′和其輸出的直流電壓U_dc的歷史數據擬合出當前占空比α′和直流電壓U_dc之間的關系α′＝f(U_dc)，令U_dc＝4E_m，從而獲得α′＝f(4E_m)，Sepic變換器1根據該關系式α′＝f(4E_m)及輸入的參考電壓4E_m輸出當前占空比α′；

其中，E_m為電機的反電動勢；

減法器4-3的被減數輸入端接收的參考電壓4E_m與其減數輸入端接收的直流電壓U_dc作差，并將獲得的偏差E(k)作為PID控制模塊4-2的輸入；

PID控制模塊4-2，用于根據接收的偏差E(k)采用下述公式一和二獲得占空比增量α″，其中，

其中，U(k)是第k次采樣電壓輸出值，k_p為調節比例系數；k_I為調節積分系數；k_D為調節微分系數；E(k)為第k次采樣時的偏差；E(k-1)為第k-1次采樣時的偏差；k為采樣序號，k為大于或等于1的整數，j為變量，E(0)＝0，

加法器4-4用于對當前占空比α′和占空比增量α″進行疊加，使用疊加后的值α作為控制Sepic變換器1下一次占空比的控制指令，且α＝α′+α″。

本實施方式中，根據無刷直流電機的運行狀態，特別是換相時刻，可以通過電機控制器4來控制Sepic變換器1的MOSFET的關斷時間，來達到抑制轉矩脈動的功能。

具體實施方式五：參見圖1和2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式四所述的一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統的區別在于，所述的

具體實施方式六：參見圖1和圖2說明本實施方式，采用具體實施方式一所述的一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統實現的電機轉矩脈動抑制方法的區別在于，該方法包括如下步驟：

步驟一、電機控制器4采集被控無刷直流電動機5的霍爾信號和Sepic變換器1輸出的直流電壓U_dc；

步驟二、電機控制器4根據被控無刷直流電動機5的霍爾信號進行識別出被控無刷直流電動機5處在換相狀態時，被控無刷直流電動機5產生脈動轉矩△T_e；

其中，

E_m＝C_eφn (公式四)，

L為電機的每相的等價電感，Ω為電機的角速度，E_m為電機的反電動勢，t表示時間，

C_e為電機的電動勢系數，φ是為電機的轉子磁通，n是為電機的轉速；

步驟三、當被控無刷直流電動機5處在換相狀態時，對電機控制器4采用前饋控制算法及PID控制算法對Sepic變換器1進行控制，并將通過前饋控制算法獲得的輸出值與通過PID控制算法獲得的輸出值進行疊加，作為控制Sepic變換器1的控制指令，使U_dc＝4E_m，最終使脈動轉矩△T_e＝0，從而實現對電機換相時產生的轉矩脈動的抑制。

本實施方式中，在某一換相期間E_m、L、Ω是不變的，脈動轉矩△T_e只與(U_dc-4E_m)有關；而α是占空比，U_s是直流電壓源，因為U_s是恒定不變的，所以U_dc僅與占空比α有關，亦即在某一換相期間，脈動轉矩△T_e僅于占空比α有關，其中α為前饋控制算法獲得的輸出值與通過PID控制算法獲得的輸出值的疊加，即：α＝α′+α″。

綜上，本發明根據無刷直流電機的運行狀態，特別是換相時刻，可以通過電機控制模塊來控制Sepic變換器1的MOSFET的關斷時間，來達到抑制轉矩脈動的功能。

具體實施方式七：參見圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式六所述的采用一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統實現的電機轉矩脈動抑制方法的區別在于，所述的前饋控制算法采用關系式α′＝f(4E_m)實現，

PID控制模塊4-2采用公式一和公式二實現，其中，

其中，α′為通過前饋控制算法得到的當前占空比，4E_m為參考電壓，α″為PID控制算法得到的占空比增量，其中，U(k)是第k次采樣電壓輸出值，k_p為調節比例系數；k_I為調節積分系數；k_D為調節微分系數；E(k)為第k次采樣時的偏差；E(k-1)為第k-1次采樣時的偏差；k為采樣序號，k為大于或等于1的整數，j為變量。

具體實施方式八：參見圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式七所述的采用一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統實現的電機轉矩脈動抑制方法的區別在于，所述的關系式α′＝f(4E_m)的獲得過程為：

步驟A1、利用電機控制器改變給MOSFET管VT₀的控制指令，即控制指令為當前占空比α′的給定數值，利用當前占空比α′控制時，采集反激電路輸出的直流電壓U_dc，

反復執行步驟A1來獲取多組當前占空比α′與直流電壓U_dc之間關系的歷史數據，然后執行步驟A2；

步驟A2、利用獲取的多組當前占空比α′與直流電壓U_dc之間關系的歷史數據進行擬合，得到關系式α′＝f(U_dc)；

步驟A3、為了抑制轉矩脈動，令U_dc＝4E_m，進而獲得關系式α′＝f(4E_m)作為前饋控制算法的算法模型。

本實施方式，前饋計算公式α′＝f(4E_m)是穩定狀態下，得到占空比α′和Sepic變換器1輸出電壓之間的關系，從而擬合出占空比α′和參考電壓值4E_m之間的關系，以參考電壓值4E_m為自變量，占空比α′為因變量。

綜上，本發明提供了一種抑制無刷直流電機轉矩脈動控制系統及其轉矩脈動抑制方法，根據無刷直流電機的運行狀態，特別是換相時刻，可以通過電機控制器4來控制Sepic變換器1的MOSFET管的關斷時間，來達到抑制轉矩脈動的功能。