無刷直流電機的轉矩波動抑制方法和控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電機控制技術領域，特別涉及一種無刷直流電機的轉矩波動抑制方法 以及一種無刷直流電機的控制系統。
【背景技術】
[0002] 梯形波無刷直流電機具有功率密度大、效率高以及控制簡單等優點，已在航空航 天、機器人、汽車電子、家用電器等領域得到了廣泛應用。其中，轉矩波動的大小是衡量電機 系統控制性能的重要指標，而無刷直流電機換相過程引起的轉矩波動最大可達到平均轉矩 的50%，從而會引起電機系統轉速波動、電機出現震動及噪音，惡化電機的控制性能。
[0003] 為抑制無刷直流電機換相過程中出現的轉矩波動，現有技術對換相過程的控制有 采用開環控制，但是控制精度較差，抑制效果不明顯。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的旨在至少解決上述的技術缺陷。
[0005] 為此，本發明的一個目的在于提出一種無刷直流電機的轉矩波動抑制方法，采用 一個PI控制器實現對無刷直流電機的非換相運行過程、低速換相運行過程和高速換相運 行過程分別進行閉環控制，有效地抑制無刷直流電機的轉矩波動，同時簡化了 PI控制器的 設計和調試過程，降低了成本。
[0006] 本發明的另一個目的在于提出一種無刷直流電機的控制系統。
[0007] 為達到上述目的，本發明一方面實施例提出的一種無刷直流電機的轉矩波動抑制 方法，包括以下步驟：S1，判斷所述無刷直流電機的運行過程，其中，所述無刷直流電機的運 行過程包括非換相運行過程、低速換相運行過程和高速換相運行過程；S2,當所述無刷直流 電機處于所述非換相運行過程中時，采用單極調制方式對所述無刷直流電機進行控制，并 根據所述單極調制方式建立所述無刷直流電機的三相繞組中導通繞組的電壓方程數學模 型；S3,當所述無刷直流電機處于所述低速換相運行過程中時，采用低速換相調制方式對所 述無刷直流電機進行控制，并根據所述低速換相調制方式建立所述三相繞組中非換相繞組 的電壓方程數學模型；S4,當所述無刷直流電機處于所述高速換相運行過程中時，采用高速 換相調制方式對所述無刷直流電機進行控制，并根據所述高速換相調制方式建立所述三相 繞組中非換相繞組的電壓方程數學模型；以及S5,根據內模控制原理獲得一個比例積分PI 控制器，并分別根據步驟S2、S3和S4中建立的電壓方程數學模型，通過所述一個PI控制器 對所述無刷直流電機的電流進行閉環控制以抑制所述無刷直流電機的轉矩波動。
[0008] 根據本發明實施例的無刷直流電機的轉矩波動抑制方法，通過設計一個PI控制 器，就能夠實現對無刷直流電機的非換相運行過程、低速換相運行過程和高速換相運行過 程分別進行閉環控制，有效地抑制無刷直流電機在低速區、高速區換相引起的轉動波動，減 小電機的轉速波動、電機震動和噪聲，提高了無刷直流電機的控制系統的控制性能。同時， 由于無需分別針對無刷直流電機的不同運行過程設計不同的PI控制器，簡化了 PI控制器 的設計和調試過程，大大降低了成本。
[0009] 根據本發明的一個實施例，所述單極調制方式具體為：對逆變器中上橋臂的開關 管進行脈寬調制PWM控制，并根據所述無刷直流電機的轉子位置控制所述逆變器中對應下 橋臂的開關管保持導通或關斷狀態。
[0010] 并且，根據所述單極調制方式建立的所述三相繞組中導通繞組的電壓方程數學模 型為：
[0011] dWdc=2Ri + 2L^- + en,
[0012] 其中，R和L分別為所述無刷直流電機的定子電阻和定子電感，dl為控制所述上橋 臂的開關管的PWM信號的占空比，i為流過所述導通繞組的電流，e xy為導通的兩相繞組的 線反電動勢，Vd。為直流母線的電壓。
[0013] 根據本發明的一個實施例，所述低速換相調制方式具體為：對所述三相繞組中非 換相繞組對應的逆變器中相應開關管進行PWM控制，并控制所述三相繞組中即將換相后的 繞組對應的逆變器中相應開關管保持導通狀態。
[0014] 并且，根據所述低速換相調制方式建立的所述三相繞組中非換相繞組的電壓方程 數學模型為：
[0015]
[0016] 其中，d2為控制所述非換相繞組對應的逆變器中相應開關管的PWM信號的占空 比，X相繞組為所述非換相繞組，所述無刷直流電機的電流由y相繞組向z相繞組換流。
[0017] 根據本發明的一個實施例，所述高速換相調制方式具體為：對所述三相繞組中關 斷相繞組對應的逆變器中相應開關管進行PWM控制，并控制所述三相繞組中剩余兩相繞組 對應的逆變器中相應開關管保持導通狀態。
[0018] 并且，根據所述高速換相調制方式建立的所述三相繞組中非換相繞組的電壓方程 數學模型為： df
[0019] d3Vdc = 3Ri + 3L-+\cXi +eJ-Fi/c at '
[0020] 其中，d3為控制所述關斷相繞組對應的逆變器中相應開關管的PWM信號的占空 比，X相繞組為所述非換相繞組，所述無刷直流電機的電流由y相繞組向z相繞組換流。
[0021] 根據本發明的一個實施例，所述一個PI控制器為PI電流控制器。
[0022] 并且，所述PI電流控制器的傳遞函數為： //)
[0023] (>,,(s)=-(R+ sZ.) s.
[0024] 其中，ω。為PI電流控制器的期望帶寬，并且所述PI電流控制器的積分系數為L =W(；R，比例系數為Κρ= ω cL。
[0025] 此外，本發明另一方面實施例提出的一種無刷直流電機的控制系統，其執行上述 的無刷直流電機的轉矩波動抑制方法。
[0026] 根據本發明實施例的無刷直流電機的控制系統，只需通過設計一個PI控制器，就 能夠實現對無刷直流電機的非換相運行過程、低速換相運行過程和高速換相運行過程分別 進行閉環控制，有效地抑制無刷直流電機在低速區、高速區換相引起的轉動波動，減小電機 的轉速波動、電機震動和噪聲，提高了無刷直流電機的控制系統的控制性能。同時，由于無 需分別針對無刷直流電機的不同運行過程設計不同的PI控制器，從而簡化了 PI控制器的 設計和調試過程，大大降低了成本。
[0027] 本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0028] 本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中：
[0029] 圖1為根據本發明實施例的無刷直流電機的轉矩波動抑制方法的流程圖；
[0030] 圖2為根據本發明一個實施例的無刷直流電機及逆變器的等效電路示意圖；
[0031] 圖3為根據本發明一個實施例的無刷直流電機換相時的轉矩波動產生機理示意 圖；
[0032] 圖4為根據本發明一個實施例的采用單極調制方式和低速換相調制方式對逆變 器中的開關管進彳丁開關調制的不意圖；
[0033] 圖5為根據本發明一個實施例的無刷直流電機處于高速換相運行過程中時直流 母線電壓對PI控制器帶寬限制的原理圖；
[0034] 圖6為根據本發明一個實施例的采用單極調制方式和高速換相調制方式對逆變 器中的開關管進彳丁開關調制的不意圖；以及
[0035] 圖7為根據本發明一個實施例的基于內模控制原理的PI電流控制器的原理框圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
[0037] 下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡 化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，并且 目的不在于限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重復參考數字和/或字母。這種重 復是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關系。此 外，本發明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到 其他工藝的可應用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之 "上"的結構可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形 成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。
[0038] 在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有規定和限定，術語"安裝"、"相連"、 "連接"應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可 以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據