本發(fā)明涉及的是一種無刷直流電機控制裝置，本發(fā)明也涉及一種無刷直流電機控制方法。具體地說是一種抑制無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動的裝置及方法。

背景技術(shù)：

無刷直流電機由于其高功率密度、高轉(zhuǎn)矩、高功率因數(shù)、控制簡單、維護成本低等特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。但由于電機存在轉(zhuǎn)矩脈動，限制了其在高精度領(lǐng)域的應(yīng)用。

造成轉(zhuǎn)矩脈動的主要原因如下：

1、加工制造過程存在誤差，會導(dǎo)致周期性的轉(zhuǎn)矩脈動。

2、PWM調(diào)制方法會造成小幅值的高頻轉(zhuǎn)矩脈動。

3、換相轉(zhuǎn)矩脈動，約占總脈動量的50％，是對直流無刷電機影響最嚴重的因素。

無刷直流電機可以工作在兩兩導(dǎo)通或者三三導(dǎo)通方式下，其中兩兩導(dǎo)通方式下，電機每60°電角度換相一次。由于電機繞組為感性器件，電流不能突變，所以換相電流以一定速率上升和下降，不是理想的方波，而是梯形波。如果關(guān)斷相電流的下降速率和開通相電流的上升速率不相等，則會造成非換相電流的波動，從而產(chǎn)生換相轉(zhuǎn)矩脈動。

申請?zhí)枮镃N201310487478.7的專利文件中公開的“無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法及系統(tǒng)”；申請?zhí)枮镃N201410113711.X的專利文件中公開的“一種無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置”；申請?zhí)枮镃N201510130896.X的專利文件中公開的“一種減小高性能無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動的方法”；申請?zhí)枮閁S 20050218849 A1的專利文件中公開的“Method and apparatus for driving a brushless direct current motor”等公開文獻中都公開了與抑制無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動相關(guān)的技術(shù)方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種構(gòu)成簡單、容錯性高的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種控制簡單、成本低的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法。

本發(fā)明的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置包括兩個功率開關(guān)(S1和S2)，一個功率二極管(VD)和一個電容(C)，第二功率開關(guān)(S2)的集電極與電容(C)陰極串聯(lián)，電容(C)陽極與功率二極管(VD)陰極連接，第二功率開關(guān)(S2)的發(fā)射極與電源負極連接，第一功率開關(guān)(S1)的集電極、功率二極管(VD)的陽極均與電源正極連接，第一功率開關(guān)(S1)的發(fā)射極與電容(C)的陰極連接。

本發(fā)明的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法為：

步驟1：在非換相期間，第二功率開關(guān)開關(guān)S2導(dǎo)通，第一功率開關(guān)S1關(guān)斷，電源向電容C充電至補償電壓；

步驟2：電容C充電結(jié)束后，第二功率開關(guān)S2關(guān)斷，電容沒有放電回路，電壓懸浮，第一功率開關(guān)S1保持關(guān)斷；

步驟3：換相開始時，第一功率開關(guān)S1導(dǎo)通，功率二極管VD陰極電位高于陽極電位，功率二極管VD關(guān)斷，電源與電容C串聯(lián)向電機供電，根據(jù)公式控制輸入相開關(guān)管的占空比，其中U_bus＝U_dc+U_c，U_bus為母線電壓，U_dc為電源電壓，U_c為電容C電壓，E為反電動勢幅值。

本發(fā)明提供的抑制無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動的裝置及方法。非換相期間對電容充電，換相期間將充電電容與電源串聯(lián)，提高母線電壓，根據(jù)公式控制輸入相開關(guān)管的占空比，使換相電流上升速率和下降速率一致，抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1、所需元器件少，控制方法簡單，成本低，易于實現(xiàn)。

2、如果裝置出現(xiàn)故障，不影響電機正常工作，容錯性高。

3、裝置與母線并聯(lián)，易于對現(xiàn)有設(shè)備進行改造升級。

附圖說明

圖1為無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖2(a)-圖2(c)為本發(fā)明工作原理圖，其中圖2(a)至圖2(b)為預(yù)充電原理圖，圖2(c)為電壓補償原理圖。

圖3為本發(fā)明母線電壓與開關(guān)時序圖，其中(a)為直流母線電壓波形圖、(b)為開關(guān)S2時序圖、(c)為開關(guān)S1時序圖。

圖4為未采用本發(fā)明方法控制下的實施例三相電流和轉(zhuǎn)矩波形圖。

圖5為采用本發(fā)明方法控制下的實施例三相電流和轉(zhuǎn)矩波形圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做進一步說明：

以兩兩導(dǎo)通方式為例，其中VT1-VT6為開關(guān)管。電機模型由反電動勢和繞組構(gòu)成，其中E_a、E_b、E_c分別代表三相繞組的反電動勢幅值，L_s代表每相繞組電感值，R代表每相繞組的電阻值，N代表電機中點。換相方式為：A相C相→B相C相。在A相C相導(dǎo)通期間，A相電流I_a、C相電流I_c經(jīng)VT1、電機、VT2形成回路，向電機供電；換相期間，VT1關(guān)斷，VT3導(dǎo)通，B相電流I_b上升。由于電機繞組為感性器件，電流不能突變，所以A相電流通過VT4的二極管與VT2續(xù)流，直至衰減到零，換相結(jié)束。本發(fā)明在換相期間，根據(jù)公式控制輸入相開關(guān)管的占空比，使換相電流上升速率和下降速率一致，抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動，其中U_bus＝U_dc+U_c，U_bus為母線電壓，U_dc為電源電壓，U_c為電容電壓。

如圖1，電壓補償裝置由2個開關(guān)S1、S2，1個二極管，1個電容組成。在非換相期間，開關(guān)S2控制電容電壓充電；在換相期間，開關(guān)S1將電容與電源串聯(lián)向電機供電。

如圖2，補償裝置工作原理圖；圖2(a)中，開關(guān)S2導(dǎo)通，S1關(guān)斷，電源向電容充電，直至電容電壓達到所需補償電壓；圖2(b)中，S2關(guān)斷，S1仍關(guān)斷，電容電壓懸??；圖2(c)中，換相開始，開關(guān)S1立即導(dǎo)通，此時二極管陰極電位高于陽極電位，二極管關(guān)斷，電源與電容串聯(lián)向電機供電，此時的直流母線電壓為電源電壓與電容電壓之和，根據(jù)公式控制輸入相開關(guān)管的占空比，其中U_bus＝U_dc+U_c，U_bus為母線電壓，U_dc為電源電壓，U_c為電容電壓，保證換相電流的上升速率和下降速率相等。

如圖3，直流母線電壓與開關(guān)時序圖。(a)中，直流母線電壓在非換相期間為電源電壓，換相時為電源電壓與電容電壓之和；(b)中，在非換相期間導(dǎo)通開關(guān)S2，對電容充電，充電至補償電壓后關(guān)斷；(c)中，換相開始時S1導(dǎo)通，換相結(jié)束S1關(guān)斷。

本發(fā)明實施例用來解釋本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。

實施例

本發(fā)明采用無刷直流電機的參數(shù)：額定功率3.7kW，額定電壓300V，額定轉(zhuǎn)速為1500rmp，電感0.188mH，反電動勢系數(shù)0.592。本例中電容兩端電壓充電至90V。

圖3的(a)中，非換相期間直流母線電壓為電源電壓300V，換相期間直流母線電壓為電源電壓與電容電壓之和共390V。圖4是未使用本發(fā)明方法下的實施例三相電流波形圖和轉(zhuǎn)矩波形圖。從圖4中可以看出，換相時，換相電流下降速率與上升速率不等，換相轉(zhuǎn)矩脈動較大。此時，轉(zhuǎn)矩為22N*m,換相時轉(zhuǎn)矩最小值為17N*m,轉(zhuǎn)矩變化率為23.6％。圖5是使用本發(fā)明方法下的實施例三相電流波形圖和轉(zhuǎn)矩波形圖。從圖5中可以看出，轉(zhuǎn)矩仍為22N*m，但最轉(zhuǎn)矩小值為20.5N*m,轉(zhuǎn)矩變化率為6.8％，加裝換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置之后轉(zhuǎn)矩變化率降低了16.8％。

本發(fā)明由2個功率開關(guān)，1個功率二極管和1個電容組成，通過控制開關(guān)時序，在電機換相時，將充電電容串聯(lián)入母線，對母線電壓進行補償，減少非換相電流幅值波動，進而有效的抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動。