專利名稱：無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制方法和裝置，特別是涉及一種低
成本在全速度范圍內抑制無刷直流電機電磁轉矩脈動的方法和裝置。
背景技術：
無刷直流電機具有高效率、高電磁轉矩、高功率密度和調速性能好等一系列優(yōu)點， 在工業(yè)、交通、軍工以及家電領域得到廣泛應用，但由于無刷直流電機電感的存在，使得無 刷直流電機在換相時電機繞組的電流上升和下降的速率不相等，因而導致較大的電磁轉矩 脈動，這極大地限制了其在電動汽車、伺服控制、數控機床、機器人、航天航空、精密電子儀 器等對電機性能、控制精度要求較高的場合和領域的應用。近二十年來，抑制無刷直流電機 電磁轉矩脈動的問題一直是國內外研究的課題，主要有重疊換相法、滯環(huán)電流法、P麗斬 波法、電流預測控制法和智能控制法。這些方法都是試圖通過控制無刷直流電機在換相時 電機繞組的電流上升和下降的速率相等來減小電磁轉矩脈動，但共有的缺陷是檢測方法 和控制算法復雜、成本較高，不能在全速范圍內抑制電機的電磁轉矩脈動，從而在實際應用 中難以推廣。
發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于針對現有技術的不足，提出一種在全速度范圍內低成本實用化的 抑制無刷直流電機電磁轉矩脈動方法和裝置。為達到上述目的，本發(fā)明的構思是通過控制 無刷直流電機的導通相線電流跟蹤給定電流來抑制電機的電磁轉矩脈動，而無刷直流電機 的導通相線電流是利用逆變器下橋臂三個開關器件的電流與相應開關器件驅動信號相乘 后疊加獲得。 下面說明本發(fā)明所涉及的無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制的原理。
無刷直流電機調速系統(tǒng)的結構如圖1所示，由直流電源、三相橋式逆變器、永磁無 刷電機、換相信號譯碼器和脈寬調制發(fā)生器組成。圖1中永磁無刷電機的三相繞組采用星 形連接，三相全橋逆變器的六個開關器件Tl、 T2、 T3、 T4、 T5、 T6采用最常用的上管脈寬調 制、下管恒通的調制策略。無刷直流電機三相繞組反電動勢ean(t) 、 ebn(t) 、 em(t)，三相相 電流ia (t) 、 ib (t) 、 ic (t)，三相六拍120 °導通換相信號S丄(t) 、 S2 (t) 、 S3 (t) 、 S4 (t) 、 S5 (t)、 S6 (t)，逆變器六個開關器件驅動信號S1G (t) 、 S2G (t) 、 S3G (t) 、 S4G (t) 、 S5G (t) 、 S6G (t)，以及導通 相線反電動勢ed(t)和導通相線電流id(t)的波形如圖2所示。 無刷直流電機在任何時刻只有兩相導通，根據圖2，無刷直流電機的導通相線反電 動勢e^(t)和導通相線電流id(t)分別為 ecla) = [Si(t)-s2a)]eana)+[s3a)-s4a)]ebna)+[s5(t)-s6a)]ecna) (1) ,d (,)=會(,) — & (,) + (0 — & (,)]/b W + (,) — & (,)》c (,)} ( 2 )
將(1)式與(2)式相乘后得到:
3
ecl (t) icl (t) = em(t) ia(t) +ebn(t) ib(t) +ecn(t) ic(t) = Te coe (3)
式中Te表示電機的電磁轉矩，"e表示電機轉動的電角速度。 進一步觀察圖2，導通相線反電動勢ed(t)恒等于反電動勢幅值的兩倍，而反電動 勢幅值又是無刷直流電機每極轉子磁鏈小和電角速度"e的乘積，則ecl(t) = 2小"6，代 入(3)式得到電磁轉矩的表達式為 Te = 24 icl(t) (4)
由于無刷直流電機的轉子是永磁體，磁鏈小保持不變，由(4)式可知，無刷直流電 機的電磁轉矩只與導通相線電流成正比，而與電機的轉速無關。因此，只要控制導通相線電 流跟蹤給定電流，就可以保證電機在整個速度范圍內無任何電磁轉矩脈動。
通過對無刷直流電機的工作過程進一步深入分析，得到全橋逆變器的六個開關器 件電流信號isl (t) 、 iS2 (t) 、 iS3 (t) 、 is4 (t) 、 iS5 (t) 、 iS6 (t)的波形，如圖3所示，從圖3中得到 無刷直流電機的導通相線電流id(t)表達式可以表示為 icl (t) = S2G (t) iS2 (t) +S4G (t) is4 (t) +S6G (t) iS6 (t) (5) 由(5)式可以看到，無刷直流電機導通相線電流id(t)可以利用逆變器下橋臂三
個開關器件的電流與相應開關器件驅動信號相乘后疊加獲得。 根據上述的發(fā)明構思，本發(fā)明采用下述技術方案 本發(fā)明的無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制方法，其特征在于通過控制無刷直流 電機的導通相線電流跟蹤給定電流實現對無刷直流電機的電磁轉矩脈動抑制，所述的無刷 直流電機導通相線電流是利用逆變器下橋臂三個開關器件的電流與相應開關器件驅動信 號相乘后疊加獲得。 應用本發(fā)明的無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制方法構成的無刷直流電機電磁轉 矩脈動抑制裝置，包括直流電源、三相全橋逆變器、永磁無刷電機、單片微控制器、三相全橋 逆變器開關器件驅動電路和導通相線電流檢測器電路，其特征在于直流電源經三相全橋 逆變器和導通相線電流檢測電路與永磁無刷直流電機連接，永磁無刷直流電機中霍爾傳感 器輸出的轉子位置信號連接至單片微控制器霍爾輸入引腳，單片微控制器的輸出信號經三 相逆變器開關器件驅動電路連接三相全橋逆變器和導通相線電流檢測電路，導通相線電流 檢測電路的輸出信號連接至單片微控制器的模數轉換引腳。所述的三相全橋逆變器包括六個開關器件T1、T2、T3、T4、T5、T6，三相全橋逆變器 上橋臂的三個開關器件T1、T3、T5的D極匯接與直流電源正端連接，三相全橋逆變器下橋臂 的三個開關器件T2、 T4、 T6的S極經三個取樣電阻RS匯接與直流電源負端連接接地。
所述的永磁無刷電機霍爾傳感器輸出的轉子位置信號與單片微控制器的CCPOSO、 CCP0S 1和CCP0S2引腳連接。 所述的單片微控制器采用XC866，其CC60、 CC61、 CC62、 C0UT60、 C0UT61和C0UT62 引腳分別與三相全橋逆變器開關器件驅動電路的HIN1、 HIN2、 HIN3、 LIN1、 LIN2和LIN3引 腳連接。 所述的三相全橋逆變器開關器件驅動電路采用IR2130，其H01、H02和H03連接三 相全橋逆變器上橋臂三個開關器件Tl、 T3、 T5的G極，LOl、 L02、 L03引腳分別連接到三相 全橋逆變器下橋臂三個開關器件T2、 T4、 T6的G極和導通相線電流檢測電路三個引流開關 管的Q1、Q2、Q3的基極。
4
所述的導通相線電流檢測電路包括三個引流開關管Q1、Q2、Q3，三個取樣電阻RS， 分壓電阻R1、R2和濾波電容C，三個引流開關管Q1、Q2、Q3的集電極分別與三相全橋逆變器 下橋臂的三個開關器件T2、T4、T6的S極連接，三個引流開關管Q1、Q2、Q3的發(fā)射極匯接與 分壓電阻Rl的一端連接，R1的另一端與分壓電阻R2的一端匯接與單片微控制器的AN3引 腳連接，分壓電阻R2的另一端接地，濾波電容C與分壓電阻R2并接。
本發(fā)明與現有技術相比較，具有下列優(yōu)點 1 、通過控制無刷直流電機導通相線電流跟蹤給定電流進行無刷直流電機電磁轉 矩控制，在全速度范圍內實現了無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制，所用控制方法類似于有 刷直流電機的電磁轉矩控制，使得控制非常簡單，相應的控制器可以應用現有的無刷直流 電機低成本簡單控制器，無需使用電路復雜、價格昂貴的DSP控制器，大大降低了控制成 本。 2、對無刷直流電機導通相線電流檢測是通過利用三個受控于逆變器下橋臂三個 開關器件驅動信號的小功率開關管將逆變器下橋臂三個開關器件的電流引出后合成，無需 直接檢測無刷直流電機的相電流，無需電氣隔離，避免了使用成本昂貴的霍爾電流傳感器 或集成芯片電流傳感器，進一步降低了控制成本。
圖1是無刷直流電機調速系統(tǒng)結構框圖。 圖2是無刷直流電機三相繞組反電動勢、三相相電流、三相六拍120°導通換相信
號以及三相全橋逆變器六個開關器件驅動信號的波形圖。 圖3是無刷直流電機三相全橋逆變器的六個開關器件電流波形圖。 圖4是本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)結構圖。 圖4中1、直流電源，2、三相全橋逆變器，3、永磁無刷電機，4、單片微控制器，5、三 相全橋逆變器開關器件驅動電路，6、導通相線電流檢測電路。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。 本發(fā)明的無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制方法，通過控制無刷直流電機的導通相 線電流跟蹤給定電流實現對無刷直流電機的電磁轉矩脈動抑制，而無刷直流電機導通相線 電流利用逆變器下橋臂三個開關器件的電流與相應的開關器件驅動信號的相乘后疊加獲 得。 參見圖4，應用本發(fā)明的無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制方法構成的無刷直流電 機電磁轉矩脈動抑制裝置，包括直流電源1、三相全橋逆變器2、永磁無刷電機3、單片微控 制器4、三相全橋逆變器開關器件驅動電路5和導通相線電流檢測器電路6。直流電源1經 三相全橋逆變器2和導通相線電流檢測電路6與永磁無刷直流電機3連接，永磁無刷直流 電機3中霍爾傳感器輸出的轉子位置信號連接至單片微控制器4霍爾輸入引腳，單片微控 制器4的輸出信號經三相逆變器開關器件驅動電路5連接三相全橋逆變器2和導通相線電 流檢測電路6，導通相線電流檢測電路6的輸出信號連接至單片微控制器4的模數轉換引 腳。三相全橋逆變器2包括六個開關器件Tl、 T2、 T3、 T4、 T5、 T6，三相全橋逆變器2上橋臂
5的三個開關器件T1、T3、T5的D極匯接與直流電源1正端連接，三相全橋逆變器2下橋臂的 三個開關器件T2、T4、T6的S極經三個取樣電阻RS匯接與直流電源負端連接接地；永磁無 刷電機3霍爾傳感器輸出的轉子位置信號與單片微控制器4的CCP0S0、 CCP0S1和CCP0S2 引腳連接；單片微控制器4采用XC866，其CC60、 CC61、 CC62、 C0UT60、 COUT61和COUT62引 腳分別與三相開關器件驅動電路5的HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2和LIN3引腳連接；三相 全橋逆變器開關器件驅動電路5采用IR2130，其H01、H02和H03連接三相全橋逆變器2上 橋臂三個開關器件Tl、 T3、 T5的G極，LOl、 L02、 L03引腳分別連接到三相全橋逆變器2下 橋臂三個開關器件T2、T4、T6的G極和導通相線電流檢測電路6三個引流開關管的Q1、Q2、 Q3的基極；導通相線電流檢測電路6包括三個引流開關管Ql、 Q2、 Q3，三個取樣電阻RS，分 壓電阻Rl、 R2和濾波電容C，三個引流開關管Ql、 Q2、 Q3的集電極分別與三相全橋逆變器2 下橋臂的三個開關器件T2、T4、T6的S極連接，三個引流開關管Q1、Q2、Q3的發(fā)射極匯接與 分壓電阻R1的一端連接，Rl的另一端與分壓電阻R2的一端匯接與單片微控制器4的AN3 引腳連接，分壓電阻R2的另一端接地，濾波電容C與分壓電阻R2并接。
本發(fā)明的工作過程是參見圖4，系統(tǒng)啟動后，單片微處理器XC866采集無刷直流 電機霍爾位置傳感器輸出的三個O 5V的電平信號，經過內部換相譯碼處理后輸出三相六 拍120°導通換相控制信號，與此同時，XC866讀取給定電流信號與導通相線電流檢測電路 反饋來的導通相線電流信號，求出兩個電流信號的偏差并進行PI調節(jié)計算；接著將PI調節(jié) 計算的信號與三角波信號比較計算產生脈寬調制信號，再分別與三相六拍120°導通換相 控制信號進行運算，得到控制三相逆變器上下橋臂開關器件0 5V的P麗控制信號；P麗控 制信號經過逆變器驅動電路放大為0 15V的電平信號，驅動逆變橋開關動作，從而啟動電 機開始旋轉；電機旋轉后，在三相逆變器下橋臂的三個開關器件上流過無刷直流電機相電 流，經過三個采樣電阻上產生電壓，應用控制三相逆變器下橋臂三個開關器件的驅動信號 去控制三個引流開關管，將這些電壓引出合成并經分壓濾波后得到無刷直流電機的導通相 線電流信號，送入單片微處理器XC866的模數轉換引腳繼續(xù)與給定電流求偏差，重復以上 過程，得以實現無刷直流電機低電磁轉矩脈動的持續(xù)運行。
權利要求
一種無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制方法，其特征在于通過控制無刷直流電機的導通相線電流跟蹤給定電流實現對無刷直流電機的電磁轉矩脈動抑制。
2. 根據權利要求1所述的無刷直流電機電磁轉矩脈動方抑制方法，其特征在于無刷 直流電機導通相線電流利用三相全橋逆變器下橋臂三個開關器件的電流與相應開關器件 驅動信號相乘后疊加獲得。
3. —種無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制裝置，其特征在于包括直流電源(1)、三相全 橋逆變器(2)、永磁無刷電機(3)、單片微控制器(4)、三相全橋逆變器功率開關驅動電路(5)和導通相線電流檢測電路(6);直流電源(1)經三相全橋逆變器(2)和導通相線電流檢 測電路(6)與永磁無刷直流電機(3)連接；永磁無刷直流電機(3)霍爾傳感器輸出的轉子 位置信號連接至單片微控制器(4)霍爾輸入引腳；單片微控制器(4)的輸出信號經三相全 橋逆變器開關器件驅動電路(5)連接三相全橋逆變器(2)和導通相線電流檢測電路(6); 導通相線電流檢測電路(6)的輸出信號連接至單片微控制器(4)的模數轉換引腳。
4. 根據權利要求3所述的無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制裝置，其特征在于所述的三相全橋逆變器(2)包括六個開關器件T1、T2、T3、T4、T5、T6，三相全橋逆變器(2)上橋臂 的三個開關器件T1、T3、T5的D極匯接與直流電源(1)正端連接，三相全橋逆變器(2)下橋 臂的三個開關器件T2、 T4、 T6的S極經三個取樣電阻RS匯接與直流電源(1)負端連接接 地。
5. 根據權利要求3所述的無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制裝置，其特征在于所述的 永磁無刷電機(3)霍爾傳感器輸出的轉子位置信號與單片微控制器(4)的CCP0S0、CCP0S1 和CCP0S2引腳連接。
6. 根據權利要求3所述的無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制裝置，其特征在于所述的 單片微控制器(4)采用XC866，單片微控制器(4)的CC60、 CC61、 CC62、 C0UT60、 C0UT61和 C0UT62引腳分別與三相全橋逆變器開關器件驅動電路(5)的HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2 和LIN3引腳連接。
7. 根據權利要求3所述的無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制裝置，其特征在于所述的 三相全橋逆變器開關器件驅動電路(5)采用IR2130，其H01、H02和H03連接三相全橋逆變 器(2)上橋臂三個開關器件Tl、 T3、 T5的G極，L01、 L02、 L03引腳分別連接三相全橋逆變 器(2)下橋臂三個開關器件T2、T4、T6的G極和導通相線電流檢測電路(6)三個引流開關 管的Q1、Q2、Q3的基極。
8. 根據權利要求3所述的無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制裝置，其特征在于所述的 導通相線電流檢測電路(6)包括三個引流開關管Q1、Q2、Q3，三個取樣電阻RS，分壓電阻R1、 R2和濾波電容C，三個引流開關管Q1、Q2、Q3的集電極分別與三相全橋逆變器(2)下橋臂的 三個開關器件T2、T4、T6的S極連接，三個引流開關管Q1、Q2、Q3的發(fā)射極匯接與分壓電阻 Rl的一端連接，Rl的另一端與分壓電阻R2的一端匯接與單片微控制器(4)的AN3引腳連 接，分壓電阻R2的另 一端接地，濾波電容C與分壓電阻R2并接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制方法及裝置，其特征在于通過控制無刷直流電機的導通相線電流跟蹤給定電流實現對無刷直流電機的電磁轉矩脈動抑制，而無刷直流電機的導通相線電流利用逆變器下橋臂三個開關器件的電流與相應開關器件驅動信號相乘后疊加獲得。應用發(fā)明的無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制方法構成的無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制裝置，包括直流電源、三相全橋逆變器、永磁無刷直流電機、單片微控制器、三相逆變器開關器件驅動電路和導通相線電流檢測電路；直流電源經三相全橋逆變器和導通相線電流檢測電路與永磁無刷直流電機連接，永磁無刷直流電機中霍爾傳感器輸出的轉子位置信號連接至單片微控制器霍爾輸入引腳，單片微控制器的輸出信號經三相逆變器開關器件驅動電路連接三相全橋逆變器和導通相線電流檢測電路，導通相線電流檢測電路的輸出信號連接至單片微控制器的模數轉換引腳。本發(fā)明實現了在全速度范圍內低成本抑制無刷直流電機電磁轉矩脈動的目的。
文檔編號H02P6/10GK101789737SQ201010118230
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月3日 優(yōu)先權日2010年2月3日
發(fā)明者時倩, 薛曉明 申請人:薛曉明