一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统及其转矩脉动抑制方法与流程

本发明属于电机控制技术领域。

背景技术：

无刷直流电机的输出转矩大、动态响应快、惯量小、可靠性高、控制简单,因此其应用越来越广泛。但是无刷直流电动机普遍存在的转矩脉动问题却一直限制着其在高精度系统中的应用。对于高精度系统,转矩脉动是衡量无刷直流电动机性能的一项重要指标。因此,研究抑制或消除转矩脉动的方法具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有是无刷直流电动机普遍存在的转矩脉动问题，本发明提供了一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统及其转矩脉动抑制方法。

一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统，包括直流电源U_s、Sepic变换器、电压型逆变器、直流电压采样模块和电机控制器；

直流电源U_s的正极连接Sepic变换器的正极输入端，直流电源U_s的负极连接Sepic变换器的负极输入端；

Sepic变换器的输出端连接电压型逆变器的输入端，电压型逆变器的输出端连接被控无刷直流电动机的三相绕组；

直流电压采样模块用于采集Sepic变换器输出的直流电压，并将采集直流电压信号送至电机控制器；

采集被控无刷直流电动机的霍尔信号并发送给电机控制器，电机控制器根据采集的电压信号和霍尔信号对Sepic变换器和电压型逆变器的工作状态进行控制。

所述的Sepic变换器包括电感L₁、电感L₂、电容C₁、电容C₂、二极管D₁和MOSFET管VT₀；

电感L₁的一端与直流电源U_s的正极连接，

电感L₁的另一端同时与电容C₁的一端和MOSFET管VT₀的源极连接，

电容C₁的另一端同时与电感L₂的一端和二极管D₁的阳极连接，

二极管D₁的阴极与电容C₂的一端连接，二极管D₁的阴极作为Sepic变换器的一个输出端；

直流电源U_s的负极同时与MOSFET管VT₀的漏极、电感L₂的另一端和电容C₂的另一端连接，电容C₂的另一端作为Sepic变换器的另一个输出端。

所述的电压型逆变器为三相电压型桥式逆变器，三相电压型桥式逆变器包括6个开关管VT₁至VT₆，并且6个开关管VT₁至VT₆均为MOSFET管，

其中，三相电压型桥式逆变器的上桥臂为开关管VT₁、VT₃、VT₅，下桥臂为开关管VT₄、VT₆、VT₂；

每个MOSFET管的漏极和源极之间反向并联一个二极管，

开关管VT₁至VT₆的栅极均用于接收电机控制器输出的控制信号。

所述的电机控制器包括前馈控制模块、PID控制模块、减法器和加法器；

前馈控制模块，用于根据Sepic变换器的多组的当前占空比α′和其输出的直流电压U_dc的历史数据拟合出当前占空比α′和直流电压U_dc之间的关系α′＝f(U_dc)，令U_dc＝4E_m，从而获得α′＝f(4E_m)，Sepic变换器根据该关系式α′＝f(4E_m)及输入的参考电压4E_m输出当前占空比α′；

其中，E_m为电机的反电动势；

减法器的被减数输入端接收的参考电压4E_m与其减数输入端接收的直流电压U_dc作差，并将获得的偏差E(k)作为PID控制模块的输入；

PID控制模块，用于根据接收的偏差E(k)采用下述公式一和二获得占空比增量α″，其中，

其中，U(k)是第k次采样电压输出值，k_p为调节比例系数；k_I为调节积分系数；k_D为调节微分系数；E(k)为第k次采样时的偏差；E(k-1)为第k-1次采样时的偏差；k为采样序号，k为大于或等于1的整数，j为变量，

加法器用于对当前占空比α′和占空比增量α″进行叠加，使用叠加后的值α作为控制Sepic变换器下一次占空比的控制指令，且α＝α′+α″。

所述的

采用一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统实现的电机转矩脉动抑制方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、电机控制器采集被控无刷直流电动机的霍尔信号和Sepic变换器输出的直流电压U_dc；

步骤二、电机控制器根据被控无刷直流电动机的霍尔信号进行识别出被控无刷直流电动机处在换相状态时，被控无刷直流电动机产生脉动转矩△T_e；

其中，

E_m＝C_eφn (公式四)，

L为电机的每相的等价电感，Ω为电机的角速度，E_m为电机的反电动势，t表示时间，

C_e为电机的电动势系数，φ是为电机的转子磁通，n是为电机的转速；

步骤三、当被控无刷直流电动机处在换相状态时，对电机控制器采用前馈控制算法及PID控制算法对Sepic变换器进行控制，并将通过前馈控制算法获得的输出值与通过PID控制算法获得的输出值进行叠加，作为控制Sepic变换器的控制指令，使U_dc＝4E_m，最终使脉动转矩△T_e＝0，从而实现对电机换相时产生的转矩脉动的抑制。

所述的前馈控制算法采用关系式α′＝f(4E_m)实现，

PID控制模块采用公式一和公式二实现，其中，

其中，α′为通过前馈控制算法得到的当前占空比，4E_m为参考电压，α″为PID控制算法得到的占空比增量，其中，U(k)是第k次采样电压输出值，k_p为调节比例系数；k_I为调节积分系数；k_D为调节微分系数；E(k)为第k次采样时的偏差；E(k-1)为第k-1次采样时的偏差；k为采样序号，k为大于或等于1的整数，j为变量。

所述的关系式α′＝f(4E_m)的获得过程为：

步骤A1、利用电机控制器改变给MOSFET管VT₀的控制指令，即控制指令为当前占空比α′的给定数值，利用当前占空比α′控制时，采集反激电路输出的直流电压U_dc，

反复执行步骤A1来获取多组当前占空比α′与直流电压U_dc之间关系的历史数据，然后执行步骤A2；

步骤A2、利用获取的多组当前占空比α′与直流电压U_dc之间关系的历史数据进行拟合，得到关系式α′＝f(U_dc)；

步骤A3、为了抑制转矩脉动，令U_dc＝4E_m，进而获得关系式α′＝f(4E_m)作为前馈控制算法的算法模型。

本发明带来的有益效果是，由于无刷直流电机运行中，反电动势E_m会随转速变化而变化，采用PID控制可以消除稳态误差，采用前馈控制可以加快响应速度，结合以上两种控制方式，能够有效抑制无刷直流电机在换相时产生的转矩脉动。

附图说明

图1为本发明所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统的原理示意图；

图2为电机控制器内生成控制Sepic变换器指令的控制原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统，包括直流电源U_s、Sepic变换器1、电压型逆变器2、直流电压采样模块3和电机控制器4；

直流电源U_s的正极连接Sepic变换器1的正极输入端，直流电源U_s的负极连接Sepic变换器1的负极输入端；

Sepic变换器1的输出端连接电压型逆变器2的输入端，电压型逆变器2的输出端连接被控无刷直流电动机5的三相绕组；

直流电压采样模块3用于采集Sepic变换器1输出的直流电压，并将采集直流电压信号送至电机控制器4；

采集被控无刷直流电动机5的霍尔信号并发送给电机控制器4，电机控制器4根据采集的电压信号和霍尔信号对Sepic变换器1和电压型逆变器2的工作状态进行控制。

本实施方式中，Sepic变换器1，用于将直流电源U_s输出的电压转换为幅值可变的直流电压，电压型逆变器2，用于将Sepic变换器1输出的幅值可变的直流电压转化为交流电，并对被控无刷直流电动机5进行驱动。霍尔信号的采集可采用霍尔传感器实现。

具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统的区别在于，所述的Sepic变换器1包括电感L₁、电感L₂、电容C₁、电容C₂、二极管D₁和MOSFET管VT₀；

电感L₁的一端与直流电源U_s的正极连接，

电感L₁的另一端同时与电容C₁的一端和MOSFET管VT₀的源极连接，

电容C₁的另一端同时与电感L₂的一端和二极管D₁的阳极连接，

二极管D₁的阴极与电容C₂的一端连接，二极管D₁的阴极作为Sepic变换器1的一个输出端；

直流电源U_s的负极同时与MOSFET管VT₀的漏极、电感L₂的另一端和电容C₂的另一端连接，电容C₂的另一端作为Sepic变换器1的另一个输出端。

具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统的区别在于，所述的电压型逆变器2为三相电压型桥式逆变器，三相电压型桥式逆变器包括6个开关管VT₁至VT₆，并且6个开关管VT₁至VT₆均为MOSFET管，

其中，三相电压型桥式逆变器的上桥臂为开关管VT₁、VT₃、VT₅，下桥臂为开关管VT₄、VT₆、VT₂；

每个MOSFET管的漏极和源极之间反向并联一个二极管，

开关管VT₁至VT₆的栅极均用于接收电机控制器4输出的控制信号。

具体实施方式四：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统的区别在于，所述的电机控制器4包括前馈控制模块4-1、PID控制模块4-2、减法器4-3和加法器4-4；

前馈控制模块4-1，用于根据Sepic变换器1的多组的当前占空比α′和其输出的直流电压U_dc的历史数据拟合出当前占空比α′和直流电压U_dc之间的关系α′＝f(U_dc)，令U_dc＝4E_m，从而获得α′＝f(4E_m)，Sepic变换器1根据该关系式α′＝f(4E_m)及输入的参考电压4E_m输出当前占空比α′；

其中，E_m为电机的反电动势；

减法器4-3的被减数输入端接收的参考电压4E_m与其减数输入端接收的直流电压U_dc作差，并将获得的偏差E(k)作为PID控制模块4-2的输入；

PID控制模块4-2，用于根据接收的偏差E(k)采用下述公式一和二获得占空比增量α″，其中，

其中，U(k)是第k次采样电压输出值，k_p为调节比例系数；k_I为调节积分系数；k_D为调节微分系数；E(k)为第k次采样时的偏差；E(k-1)为第k-1次采样时的偏差；k为采样序号，k为大于或等于1的整数，j为变量，E(0)＝0，

加法器4-4用于对当前占空比α′和占空比增量α″进行叠加，使用叠加后的值α作为控制Sepic变换器1下一次占空比的控制指令，且α＝α′+α″。

本实施方式中，根据无刷直流电机的运行状态，特别是换相时刻，可以通过电机控制器4来控制Sepic变换器1的MOSFET的关断时间，来达到抑制转矩脉动的功能。

具体实施方式五：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统的区别在于，所述的

具体实施方式六：参见图1和图2说明本实施方式，采用具体实施方式一所述的一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统实现的电机转矩脉动抑制方法的区别在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、电机控制器4采集被控无刷直流电动机5的霍尔信号和Sepic变换器1输出的直流电压U_dc；

步骤二、电机控制器4根据被控无刷直流电动机5的霍尔信号进行识别出被控无刷直流电动机5处在换相状态时，被控无刷直流电动机5产生脉动转矩△T_e；

其中，

E_m＝C_eφn (公式四)，

L为电机的每相的等价电感，Ω为电机的角速度，E_m为电机的反电动势，t表示时间，

C_e为电机的电动势系数，φ是为电机的转子磁通，n是为电机的转速；

步骤三、当被控无刷直流电动机5处在换相状态时，对电机控制器4采用前馈控制算法及PID控制算法对Sepic变换器1进行控制，并将通过前馈控制算法获得的输出值与通过PID控制算法获得的输出值进行叠加，作为控制Sepic变换器1的控制指令，使U_dc＝4E_m，最终使脉动转矩△T_e＝0，从而实现对电机换相时产生的转矩脉动的抑制。

本实施方式中，在某一换相期间E_m、L、Ω是不变的，脉动转矩△T_e只与(U_dc-4E_m)有关；而α是占空比，U_s是直流电压源，因为U_s是恒定不变的，所以U_dc仅与占空比α有关，亦即在某一换相期间，脉动转矩△T_e仅于占空比α有关，其中α为前馈控制算法获得的输出值与通过PID控制算法获得的输出值的叠加，即：α＝α′+α″。

综上，本发明根据无刷直流电机的运行状态，特别是换相时刻，可以通过电机控制模块来控制Sepic变换器1的MOSFET的关断时间，来达到抑制转矩脉动的功能。

具体实施方式七：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六所述的采用一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统实现的电机转矩脉动抑制方法的区别在于，所述的前馈控制算法采用关系式α′＝f(4E_m)实现，

PID控制模块4-2采用公式一和公式二实现，其中，

其中，α′为通过前馈控制算法得到的当前占空比，4E_m为参考电压，α″为PID控制算法得到的占空比增量，其中，U(k)是第k次采样电压输出值，k_p为调节比例系数；k_I为调节积分系数；k_D为调节微分系数；E(k)为第k次采样时的偏差；E(k-1)为第k-1次采样时的偏差；k为采样序号，k为大于或等于1的整数，j为变量。

具体实施方式八：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七所述的采用一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统实现的电机转矩脉动抑制方法的区别在于，所述的关系式α′＝f(4E_m)的获得过程为：

步骤A1、利用电机控制器改变给MOSFET管VT₀的控制指令，即控制指令为当前占空比α′的给定数值，利用当前占空比α′控制时，采集反激电路输出的直流电压U_dc，

反复执行步骤A1来获取多组当前占空比α′与直流电压U_dc之间关系的历史数据，然后执行步骤A2；

步骤A2、利用获取的多组当前占空比α′与直流电压U_dc之间关系的历史数据进行拟合，得到关系式α′＝f(U_dc)；

步骤A3、为了抑制转矩脉动，令U_dc＝4E_m，进而获得关系式α′＝f(4E_m)作为前馈控制算法的算法模型。

本实施方式，前馈计算公式α′＝f(4E_m)是稳定状态下，得到占空比α′和Sepic变换器1输出电压之间的关系，从而拟合出占空比α′和参考电压值4E_m之间的关系，以参考电压值4E_m为自变量，占空比α′为因变量。

综上，本发明提供了一种抑制无刷直流电机转矩脉动控制系统及其转矩脉动抑制方法，根据无刷直流电机的运行状态，特别是换相时刻，可以通过电机控制器4来控制Sepic变换器1的MOSFET管的关断时间，来达到抑制转矩脉动的功能。