本發(fā)明屬于電機(jī)控制領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是涉及一種縮短換相時(shí)間抑制無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的PWM調(diào)制方法，適合于無(wú)刷直流電機(jī)高精度伺服驅(qū)動(dòng)控制。

背景技術(shù)：

無(wú)刷直流電機(jī)以其體積小、功率密度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域。但是由于電機(jī)定子繞組存在電感，換相過(guò)程中產(chǎn)生較大的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，并帶來(lái)振動(dòng)、噪聲等問(wèn)題，限制了其在高精度伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。

換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)可以達(dá)到平均轉(zhuǎn)矩的50％，通過(guò)控制開通相與關(guān)斷相電流變化率相等來(lái)維持非換相相電流平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制。PWM調(diào)制(脈沖寬度調(diào)制)方法是實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制的常用方法之一，現(xiàn)有PWM調(diào)制方法包括如下：(1)低速區(qū)間將PWM調(diào)制作用于非換相相，高速區(qū)間將PWM調(diào)制作用于關(guān)斷相。(2)低速區(qū)間將PWM調(diào)制作用于非換相相與開通相，高速區(qū)間將PWM調(diào)制作用于關(guān)斷相。(3)全速范圍內(nèi)的換相階段將PWM調(diào)制作用于關(guān)斷相。(4)全速范圍內(nèi)的換相階段以相同的占空比將PWM調(diào)制作用于關(guān)斷相與非換相相。(5)區(qū)別于(4)，雖然(5)在全速范圍內(nèi)的換相階段將PWM調(diào)制作用于非換相相和關(guān)斷相，但是作用于非換相相的占空比大于作用于關(guān)斷相的占空比。

PWM調(diào)制方法雖然均可通過(guò)維持非換相相電流的平穩(wěn)來(lái)實(shí)現(xiàn)換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制，然而對(duì)于不同的PWM調(diào)制方法其換相時(shí)間不同。較長(zhǎng)的換相時(shí)間不僅使無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法失效，限制電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍，同時(shí)對(duì)電機(jī)的平滑運(yùn)行性能不利，為提高無(wú)刷直流電機(jī)的平滑運(yùn)行性能，應(yīng)盡量縮短換相時(shí)間。

除PWM調(diào)制方法外，通過(guò)添加前級(jí)DC-DC變換器(直流-直流變流電路)調(diào)節(jié)換相階段三相逆變橋輸入電壓是另一種較為常見的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制方法，通過(guò)正常導(dǎo)通階段調(diào)節(jié)DC-DC變換器的輸出電壓，換相階段接入DC-DC變換器來(lái)抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。但此方法換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制效果受限于DC-DC變換器的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)引入較多的電容，電感與功率器件，增加了硬件系統(tǒng)的成本與控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

現(xiàn)有的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制方法并未對(duì)換相時(shí)間做出清晰地闡述，也未指出具體縮短換相時(shí)間的策略。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種抑制無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的PWM調(diào)制方法，由于換相時(shí)間對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法有很大改善，同時(shí)可提高無(wú)刷直流電機(jī)的平滑運(yùn)行性能。本發(fā)明在PWM調(diào)制方式的基礎(chǔ)上，通過(guò)在換相階段選擇最佳的PWM調(diào)制方式，有效抑制無(wú)刷直流電機(jī)全速范圍的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，同時(shí)縮短換相時(shí)間，控制簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，提高了無(wú)刷直流電機(jī)的平滑運(yùn)行性能。所提出的方法無(wú)需改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅需對(duì)軟件部分稍加改動(dòng)即可使用，無(wú)需增加硬件系統(tǒng)成本。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種抑制無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的PWM調(diào)制方法，涉及直流電源、無(wú)刷直流電機(jī)、三相逆變橋和控制器，通過(guò)判定無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍換相階段采取相應(yīng)的PWM調(diào)制措施來(lái)抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)換相時(shí)間的縮短，包括以下步驟：

(1)將無(wú)刷直流電機(jī)的每個(gè)電周期分為六個(gè)霍爾周期，將每個(gè)霍爾周期分為換相階段與非換相階段，通過(guò)霍爾位置信號(hào)與相電流判定所述無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行在換相階段還是非換相階段；

(2)由于定子存在繞組電感，換相階段三相無(wú)刷直流電機(jī)的三相定子繞組均存在電流，三相定子繞組分別為開通相、關(guān)斷相與非換相相；

(3)根據(jù)四倍相反電勢(shì)及三倍相電阻壓降的和與電源電壓的大小關(guān)系確定所述無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍，判定無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行在高速區(qū)間還是低速區(qū)間；

(4)當(dāng)所述無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行在低速區(qū)間，為獲得最短的換相時(shí)間，換相階段通過(guò)關(guān)斷相關(guān)斷，開通相恒通，PWM調(diào)制作用于非換相相來(lái)維持非換相相電流的穩(wěn)定；

(5)當(dāng)所述無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行在高速區(qū)間，為獲得最短的換相時(shí)間，換相階段通過(guò)PWM調(diào)制作用于關(guān)斷相，開通相與非換相相恒通來(lái)維持非換相相電流的穩(wěn)定

所述無(wú)刷直流電機(jī)采用兩相導(dǎo)通的三相六步驅(qū)動(dòng)方式，在每一步驅(qū)動(dòng)中，只有兩相繞組導(dǎo)通，第三相繞組處于懸空狀態(tài)。

步驟(4)中分別作用于三相定子繞組的占空比計(jì)算如下：

當(dāng)所述無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行在低速區(qū)間時(shí)，為獲得最短換相時(shí)間，此時(shí)換相階段PWM調(diào)制方式為關(guān)斷相關(guān)斷，關(guān)斷相電流通過(guò)續(xù)流二極管續(xù)流，開通相恒通，PWM調(diào)制作用于非換相相；忽略續(xù)流二極管壓降，各相MOS管的占空比分別為：

采取上述PWM調(diào)制方式下，低速區(qū)間最短換相時(shí)間為

式中U_dc為電源電壓，I為非換相相電流，E為梯形波反電勢(shì)幅值，R為電機(jī)相電阻，L為電機(jī)相電感，d₁,d₂,d₃分別為PWM調(diào)制作用于關(guān)斷相，開通相，非換相相MOS管的占空比；t_{low_min}為低速區(qū)間的最短換相時(shí)間。

步驟(5)中分別作用于三相定子繞組的占空比計(jì)算如下：

當(dāng)所述無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行于高速區(qū)間時(shí)，為獲得最短換相時(shí)間，此時(shí)換相階段PWM調(diào)制方式為PWM調(diào)制作用于關(guān)斷相，開通相與非換相相恒通；忽略續(xù)流二極管壓降，各相MOS管的占空比分別為

采取上述PWM調(diào)制方式下，高速區(qū)間最短換相時(shí)間為

式中U_dc為電源電壓，I為非換相相電流，E為梯形波反電勢(shì)幅值，R為電機(jī)相電阻，L為電機(jī)相電感，d₁,d₂,d₃分別為PWM調(diào)制作用于關(guān)斷相，開通相，非換相相MOS管的占空比；T_{high_min}為低速區(qū)間的最短換相時(shí)間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果是：

(1)在普遍使用的三相逆變橋基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制，同時(shí)縮短換相時(shí)間，提高無(wú)刷直流電機(jī)的平滑運(yùn)行性能。

(2)本發(fā)明方法全速范圍均可抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。

(3)本發(fā)明方法無(wú)需改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅需對(duì)軟件部分稍加改動(dòng)即可使用，無(wú)需增加硬件成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法具體實(shí)施例的控制原理圖。

圖2(a)和圖2(b)為分別低速區(qū)間與高速區(qū)間的端電壓方程約束范圍。

圖3(a)和圖3(b)為本發(fā)明方法分別在低速區(qū)間與高速區(qū)間的調(diào)制示意圖與反電勢(shì)波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

本發(fā)明中整個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)的控制原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)由直流電源、無(wú)刷直流電機(jī)、三相逆變橋、控制器這四部分組成。其中直流電源、無(wú)刷直流電機(jī)和三相逆變橋與常見的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用的模塊相同。控制器包括正常導(dǎo)通階段與換相階段控制策略，其中換相階段控制策略又分為高速區(qū)間與低速區(qū)間不同的控制方式。

無(wú)刷直流電機(jī)三相定子繞組對(duì)稱，每相繞組可以等效為電阻、電感和反電動(dòng)勢(shì)串聯(lián)。無(wú)刷直流電機(jī)端電壓方程可表示為

式中，u_ao、u_bo、u_co分別為三相繞組端電壓；i_a、i_b、i_c分別為三相繞組相電流；e_a、e_b、e_c分別為三相繞組相反電勢(shì)；R、L分別為繞組相電阻和相電感；u_No為電機(jī)中性點(diǎn)。

將式(1)中的三式相加可知，換相階段電機(jī)中性點(diǎn)電壓平均值為

式中，U_ao、U_bo、U_co分別為三相繞組端電壓平均值；E為梯形波反電勢(shì)幅值；U_No為電機(jī)中性點(diǎn)電壓平均值。

由式(1)第三式與式(2)可知

令式(3)為零，維持非換相相電流i_c的平穩(wěn)，即i_c＝-I，I為非換相階段穩(wěn)態(tài)電流，可得

U_ao+U_bo-2U_co＝4E+3IR (4)

因此，為維持非換相相電流的平穩(wěn)，端電壓方程需滿足等式(4)。

將式(4)代入式(1)的第一式，且已知初始條件i_a(0)＝I，關(guān)斷相相電流為

換相結(jié)束時(shí)刻關(guān)斷相電流為零，因此換相時(shí)間可通過(guò)關(guān)斷相電流為零時(shí)刻計(jì)算，即i_a(t_c)＝0，由式(5)知換相時(shí)間t_c為

為維持非換相相電流的平穩(wěn)進(jìn)而抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，端電壓方程需滿足式(4)。由于a，b，c相端電壓值均可通過(guò)PWM調(diào)制作用于相應(yīng)的MOS管改變，即

由式(7)知，滿足式(4)的端電壓組合(U_ao、U_bo、U_co的不同取值)有多種情況，而對(duì)于不同的式(4)端電壓組合，換相時(shí)間t_c也不相同，為在滿足式(4)的基礎(chǔ)上取得最短換相時(shí)間。將式(4)代入式(6)消去U_co得換相時(shí)間

為實(shí)現(xiàn)換相時(shí)間t_c最短，由式(8)知,只需U_bo-U_ao-IR取得最大值。由于換相時(shí)間是在保證非換相相電流穩(wěn)定的前提下計(jì)算的，因此必須滿足如下所示的約束條件

現(xiàn)有方法在忽略電機(jī)繞組電阻的情況下將U_dc≥4E定義為電機(jī)的低速區(qū)間，而U_dc<4E定義為電機(jī)的高速區(qū)間。本文考慮電機(jī)繞組電阻，定以如下的電機(jī)高低速區(qū)間

式中U_dc為電源電壓，將式(9)的第四式代入式(9)的第三式，則低速區(qū)間端電壓方程約束范圍如圖2(a)陰影部分所示。根據(jù)線性規(guī)劃求解知當(dāng)端電壓方程滿足

即位于圖2(a)的A點(diǎn)時(shí)，U_bo-U_ao-IR取得最大值，將(11)代入式(8)可知，低速區(qū)間下最短換相時(shí)間為

當(dāng)?shù)退賲^(qū)間取得式(12)的最短換相時(shí)間時(shí)，由式(11)可知此時(shí)換相階段PWM調(diào)制方式為關(guān)斷相關(guān)斷，關(guān)斷相電流通過(guò)續(xù)流二極管續(xù)流，開通相恒通，PWM調(diào)制作用于非換相相，忽略續(xù)流二極管壓降，各相MOS管的占空比分別為

式中d₁,d₂,d₃分別為PWM調(diào)制作用于關(guān)斷相，開通相，非換相相MOS管的占空比。所提出方法低速區(qū)間調(diào)制示意圖如圖3(a)所示。

然而式(11)成立的前提是電機(jī)運(yùn)行在低速區(qū)間，即電源電壓U_dc≥4E+3IR(四倍相反電勢(shì)及三倍相電阻壓降的和)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高速區(qū)間(U_dc<4E+3IR)時(shí)上述條件是不能實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高速區(qū)間時(shí)，將式(9)的第四式代入式(9)的第三式，則高速區(qū)間端電壓方程約束范圍如圖2(b)陰影部分所示。

根據(jù)線性規(guī)劃求解知當(dāng)端電壓方程滿足

即位于圖2(b)的B點(diǎn)時(shí)，U_bo-U_ao-IR取得最大值，將式(14)代入式(8)可知，此時(shí)高速區(qū)間最短換相時(shí)間為

當(dāng)高速區(qū)間取得式(15)的最短換相時(shí)間時(shí)，由式(14)可知此時(shí)換相階段PWM調(diào)制方式為PWM調(diào)制作用于關(guān)斷相，開通相與非換相相恒通。忽略續(xù)流二極管壓降，各相MOS管的占空比分別為

所提出方法高速區(qū)間調(diào)制示意圖如圖3(b)所示。

綜上所述，電機(jī)運(yùn)行在低速區(qū)間需將開通相恒通，關(guān)斷相關(guān)斷，PWM調(diào)制作用于非換相相，電機(jī)運(yùn)行在高速區(qū)間需將開通相與非換相相恒通，PWM調(diào)制作用于關(guān)斷相。所提出的方法控制策略如表1所示，表1為本發(fā)明方法PWM調(diào)制方式與換相時(shí)間計(jì)算。

表1

具體控制方法如下：PI速度環(huán)的給定n*由上位機(jī)給定，轉(zhuǎn)速由霍爾位置信號(hào)計(jì)算，作為速度環(huán)的反饋。PI速度環(huán)的輸出作為PI電流環(huán)的給定，采樣非換相相電流i_n作為電流環(huán)的反饋。PI電流環(huán)輸出有效占空比d_c作用于三相逆變橋相應(yīng)的MOS管，用于電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

為了抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，當(dāng)采樣到霍爾信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，產(chǎn)生換相開始信號(hào),通過(guò)比較U_dc與4E+3IR的大小判定電機(jī)的轉(zhuǎn)速高低，采取相應(yīng)的換相控制策略，換相時(shí)間到達(dá)后重新接入正常導(dǎo)通模式，電路進(jìn)入非換相階段。通過(guò)上述步驟實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制，同時(shí)縮短了無(wú)刷直流電機(jī)換相時(shí)間。

本發(fā)明并不限于上文描述的實(shí)施方式。以上對(duì)具體實(shí)施方式的描述旨在描述和說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。