大功率无刷直流电机转矩波动控制装置及控制方法与流程

本发明涉及无刷直流电机控制技术领域，更具体地说，本发明涉及一种大功率无刷直流电机转矩波动控制装置及控制方法。

背景技术：

无刷直流电机作为一种新型的机电一体化产品，因其效率高、功率密度大、调速性能好、控制简单等一系列优点，已广泛应用于工业控制、航空航天、数控机床、微特加工等领域。由于电机绕组呈现感性，换相期间绕组电流无法在瞬间发生改变，而是有一个变化的过程，因而电流波形并非是理想的矩形波形，而近似为梯形波，从而造成电机内的电流波动，引起换相转矩波动。对于一台制造质量良好的无刷电机来说，其齿槽转矩脉动和谐波转矩脉动均较小，而换相转矩波动就成为其主要存在的问题，因此改善无刷直流电机换相转矩波动及控制性能成为研究的热点和难点。目前，工业领域大多从控制的角度通过对相电流的控制来抑制转矩波动，但是，对于大功率无刷直流电机来说，其相电流幅值过大，由电网波动引起的母线大电压波动也较大，对其控制本身存在一定的困难，加上生产实际运行中受到电机转速等因素的影响，对转矩波动进行有效控制显得更为困难。

综上所述，提出一种大功率无刷直流电机转矩波动控制装置显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种大功率无刷直流电机转矩波动控制装置，针对大功率无刷直流电机转矩波动明显的问题，本案从电流控制和电压控制两方面共同着手来有效控制大功率无刷直流电机的转矩波动，将电网电压波动对电机转矩波动的影响考虑在其中，通过对母线电压及时调整以及对线电流和相电流的控制，既可有效防止无刷直流电机非换相期间由于电网电压波动导致的转矩波动，同时可以防止换相期间相电流变化率不一致导致的换相转矩波动。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种大功率无刷直流电机转矩波动控制装置，包括:

逆变模块，其输入端与电源连接，所述逆变模块的输出端连接直流电机的电流输入端；

储能模块，其包括电池储能单元、第一支路以及第二支路，所述电池储能单元输出正极分别连接所述第一支路和第二支路，所述第一支路由依次连接的第一常开继电器、第一常闭继电器以及降压斩波电路组成，所述第二支路由依次连接的第二常开继电器、第二常闭继电器以及升压斩波电路组成，两路并联后输出连接在所述逆变模块的直流端上，所述第一常开继电器和第二常开继电器的输入端分别连接在所述电池储能单元输出正极端上，所述储能模块和逆变模块间并联一端电容，所述储能模块和逆变模块间的直流正极上串联一开关管；

母线电流检测模块，其连接在所述逆变模块的直流端上；

母线电压检测模块，其连接在所述端电容两侧；

相电流检测模块，其连接在所述直流电机的电源输入端上；以及

单片机，其输入端分别连接所述母线电流检测模块、母线电压检测模块以及相电流检测模块的输出端，所述单片机的输出端分别连接所述逆变模块、储能模块和开关管的控制端；

其中，所述直流电机上设置有用于确定直流电机开通相和关断相的霍尔传感器，所述霍尔传感器输出端与所述单片机输入端连接，所述第一常开继电器、第一常闭继电器、第二常开继电器、第二常闭继电器构成互锁装置。

优选的，所述降压斩波电路包括依次连接的第一igbt和第一电感以及阴极端连接在所述第一igbt和第一电感之间的第一二极管，所述第一二极管的阳极端连接在所述端电容负极端，所述第一igbt连接所述第一常闭继电器，所述第一电感连接所述端电容正极端。

优选的，所述升压斩波电路包括依次连接的第二电感和第二二极管以及第一端连接在所述第二电感和第二二极管之间的第二igbt，所述第二igbt第二端连接所述端电容负极端，所述第二电感连接所述第二常闭继电器，所述第二二极管阴极连接所述端电容正极端。

优选的，所述逆变模块依次由第三igbt至第八igbt组成的三对igbt桥臂连接而成，所述端电容两侧通过一整流单元连接电网；所述开关管为第九igbt，其连接所述端电容的正极端与所述逆变模块的直流输入端，所述单片机输出端连接各个所述igbt的驱动端。

优选的，所述端电容两端还连接有一次稳压电路，其包括依次连接的第三常开继电器、可调电感、第三二极管、由四个三极管构成的双臂电桥和连接在所述双臂电桥之间的缓充电容，所述第三常开继电器与所述端电容的正极端连接，所述双臂电桥的第一端连接所述第三二极管的阴极端，所述双臂电桥的第二端连接所述端电容的负极端，各个所述三极管控制端与所述单片机连接。

一种大功率无刷直流电机转矩波动控制装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、系统开机时，无刷直流电机未启动，母线电压检测模块在每个算法周期内检测一次端电容间的母线电压，经过100个周期检测后，单片机计算平均母线电压udcavg；

步骤二、启动无刷直流电机，在无刷直流电机非换相期间，母线电压检测模块在每个算法周期内检测一次端电容间的实时母线电压u'dc，母线电流检测模块同样在每个算法周期内检测一次母线电流，经过50个周期检测后，单片机计算平均母线电流i0avg，同时在每个算法周期内，通过单片机判断实时母线电压u'dc与步骤一中计算的平均母线电压udcavg大小，通过储能模块中相应的继电器和igbt调节非换相期间实时母线电压u'dc的大小，达到非换相期间实时母线电压u'dc与平均母线电压udcavg间的动态平衡，以平稳在非换相期间无刷直流电机的输出转矩；

步骤三、在无刷直流电机换相期间，首先使储能模块中第一常开继电器和第二常开继电器处于常开状态，母线电流检测模块在每个算法周期内检测一次母线电流，经过5个周期检测后，单片机计算平均母线电流i'0avg，通过单片机判断换相期间的平均母线电流i'0avg与步骤二计算出的非换相期间的平均母线电流i0avg的大小，从而判断无刷直流电机所处的转速段，进而在不同的转速段通过相应的pwm波控制相应的igbt通断来控制母线电流以及相电流的大小，以平稳母线电流，并最小化无刷直流电机的转矩波动。

优选的，步骤二中，在非换相期间通过储能模块相应的继电器以及igbt调节实时母线电压u'dc与平均母线电压udcavg间动态平衡的控制方法是：当单片机检测到u'dc＜udcavg时，储能模块具有的第二支路的第二常开继电器闭合，第二常闭继电器仍处在闭合状态，升压斩波电路导通，降压斩波电路关断，通过pwm波控制升压斩波电路中的igbt通断来提升输出端端电容的储能值，将实时母线电压u'dc提升至达到平均母线电压udcavg的值；当单片机检测到u'dc＞udcavg时，储能模块具有的第一支路的第一常开继电器闭合，第一常闭继电器仍处在闭合状态，降压斩波电路导通，升压斩波电路关断，通过pwm波控制降压斩波电路中的igbt通断来降低输出端端电容的储能值，将实时母线电压u'dc下降至平均母线电压udcavg的值，其中，所述pwm波来自一个闭环输出：每个算法周期内，将实时母线电压u'dc与平均母线电压udcavg作差送入一个pi控制器，pi控制器输出为控制igbt的pwm波。

优选的，步骤三中，所述换相期间无刷直流电机所处转速段的判断方法具体为：当单片机检测到|i'0avg|＞|i0avg|时，则判断无刷直流电机处于低转速段，当单片机检测到|i'0avg|＜|i0avg|时，则判断无刷直流电机处于高转速段。

优选的，步骤三中，所述换相期间在不同的转速段通过相应的pwm波控制相应的igbt通断来控制母线电流以及相电流大小的具体控制方法为：当单片机判断无刷直流电机处于低速段时，在每个算法周期内，母线电流检测模块检测一次实时母线电流i'0，将换相期间内的实时母线电流绝对值|i'0|与非换相期间的平均母线电流绝对值|i0avg|作差送入pi控制器，输出步骤三中所述pwm波控制储能模块和逆变模块间的第九igbt的通断，以达到在换相期间内的实时母线电流绝对值|i'0|与非换相期间的平均母线电流绝对值|i0avg|间的动态平衡，同时稳定在换相期间内的实时母线电流的绝对值|i'0|；当单片机判断无刷直流电机处于高速段时，首先单片机通过霍尔传感器信号确定无刷直流电机换相时的开通相x和关断相y，相电流检测模块实时检测开通相x换相过程中的电流ix和关断相y的电流iy，并且单片机记录电流ix从换相时刻开始到电流ix绝对值|ix|相等于非换相期间平均母线电流i0avg绝对值|i0avg|时的时间topen，单片机计算换相期间开通相x相电流变化率kopen＝|i0avg|/topen；单片机记录电流iy从换相时刻开始到电流iy绝对值|iy|相等于零时的时间tclose，单片机计算换相期间关断相y相电流变化率kclose＝|i0avg|/tclose，在下一个换相时刻，将开通相x相电流变化率kopen与关断相y相电流变化率kclose作差送入pi控制器，输出相应的pwm波控制关断相y相对应的igbt桥臂的通断，减缓关断相y相电流iy降低的速率，使得开通相x相电流ix变化率与关断相y相电流iy变化率间动态平衡，保证非换相相电流的平稳性。

优选的，步骤一至步骤三中，所述储能模块和逆变模块间串联的所述第九igbt除在无刷直流电机处于上述换相时间段中的低速段时通过相应pwm波控制外，其余时刻均处于全通状态。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明采用的大功率无刷直流电机转矩波动控制装置，结构简单，成本低，实用性强，控制方便，降压斩波电路和升压斩波电路配合使用，使得电池储能单元处在合理的充放电状态，既可以最大限度地利用好具有波动性的电网资源，又可防止欠压、过压等对无刷直流电机控制系统的破坏；

2、本发明的大功率无刷直流电机转矩波动控制装置的控制方法，考虑大功率无刷直流电机的特殊性，非换相期间和换相期间采用不同的方法控制转矩波动，综合运用电压控制和电流控制，控制方法更加灵活。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为所述次稳压电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例一

本发明电提供了一种大功率无刷直流电机转矩波动控制装置，如图1所示，包括储能模块1、逆变模块2、母线电流检测模块3、母线电压检测模块4、相电流检测模块5以及单片机6。

逆变模块2输入端与电源连接，所述逆变模块2的输出端连接直流电机的电流输入端。

储能模块1，其包括电池储能单元、第一支路以及第二支路，所述电池储能单元输出正极分别连接所述第一支路和第二支路，所述第一支路由依次连接的第一常开继电器km11、第一常闭继电器km12以及降压斩波电路组成，所述第二支路由依次连接的第二常开继电器km21、第二常闭继电器km22以及升压斩波电路组成，两路并联后输出连接在所述逆变模块2的直流端上，所述第一常开继电器km11和第二常开继电器km21的输入端分别连接在所述电池储能单元输出正极端上，所述储能模块1和逆变模块2间并联一端电容c1，所述储能模块1和逆变模块2间的直流正极上串联一开关管。

所述降压斩波电路包括依次连接的第一igbt1和第一电感lf1以及阴极端连接在所述第一igbt1和第一电感lf1之间的第一二极管d1，所述第一二极管d1的阳极端连接在所述端电容c1负极端，所述第一igbt1连接所述第一常闭继电器km12，所述第一电感lf1连接所述端电容c1正极端；所述升压斩波电路包括依次连接的第二电感lf2和第二二极管以及第一端连接在所述第二电感lf2和第二二极管d2之间的第二igbt2，所述第二igbt2第二端连接所述端电容c1负极端，所述第二电感lf2连接所述第二常闭继电器km22，所述第二二极管d2阴极连接所述端电容c1正极端。

母线电流检测模块3连接在所述逆变模块2的直流端上；母线电压检测模块4连接在所述端电容c1两侧；相电流检测模块5连接在所述直流电机的电源输入端上。

单片机6的输入端分别连接所述母线电流检测模块、母线电压检测模块以及相电流检测模块的输出端，所述单片机6的输出端分别连接所述逆变模块2、储能模块1和开关管的控制端。

其中，所述直流电机上设置有用于确定直流电机开通相和关断相的霍尔传感器，所述霍尔传感器输出端与所述单片机6输入端连接。

所述降压斩波电路用于降低端电容电压值，降低母线电压；所述升压斩波电路用于提升端电容电压值，提升母线电压。所述单片机用于对所述母线电流检测模块、母线电压检测模块以及相电流检测模块输入数据进行算法处理，产生相应的pwm波控制对应的igbt通断。

所述逆变模块2依次由第三igbt3至第八igbt8组成的三对igbt桥臂连接而成，所述端电容c1两侧通过一整流单元连接电网；所述开关管为第九igbt9，其连接所述端电容c1的正极端与所述逆变模块2的直流输入端，所述单片机6输出端连接各个所述igbt的驱动端。

所述电池储能单元输出正极分成两支路传输，第一支路依次由第一常开继电器km11、第一常闭继电器km12以及降压斩波器组成；第二支路由第二常开继电器km21、第二常闭继电器km22以及升压斩波器组成，两路并联后输出连接逆变模块2，储能模块1和逆变模块2间并联大容量储能端电容c1，并通过串联一第九igbt9相互连接。同时电网连接整流单元输入端，整流单元输出端连接端电容c1。第一常开继电器km11、第一常闭继电器km12、第二常开继电器km21以及第二常闭继电器km22构成两路互锁装置。

本实施例的大功率无刷直流电机转矩波动控制装置，结构简单，成本低，实用性强，控制方便，降压斩波电路和升压斩波电路配合使用，使得电池储能单元处在合理的充放电状态，既可以最大限度地利用好具有波动性的电网资源，又可防止欠压、过压等对无刷直流电机控制系统的破坏。

实施例二

在实施例一的基础上，所述端电容c1两端还连接有一次稳压电路，如图2所示，该次稳压电路包括依次连接的第三常开继电器km3、可调电感l3、第三二极管d3、由四个三极管q1-q4构成的双臂电桥和连接在所述双臂电桥之间的缓充电容c2，所述第三常开继电器km3另一端与所述端电容c1的正极端连接，所述双臂电桥的第一端连接所述第三二极管d3的阴极端，所述双臂电桥的第二端连接所述端电容c1的负极端，各个所述三极管控制端与所述单片机6连接。

本实施例中的次稳压电路，结构简单，成本低，在直流母线上的电压波动较小时，通过控制第三常开继电器和各个三极管的通断来控制缓充电容c2的充放电过程，可有效控制直流母线上电压的稳定，从而有效抑制了电机转矩波动。当直流母线上的电压波动超过一定范围时，通过储能模块来稳定直流母线电压，从而形成2种针对性的抑制直流电机转矩波动的模式。

实施例三

一种大功率无刷直流电机转矩波动控制装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、系统开机时，无刷直流电机未启动，母线电压检测模块4在每个算法周期内检测一次端电容c1间的母线电压，经过100个周期检测后，单片机6计算出平均母线电压udcavg；

步骤二、启动无刷直流电机，在无刷直流电机非换相期间，母线电压检测模块4在每个算法周期内检测一次端电容c1间的实时母线电压u'dc，母线电流检测模块同样在每个算法周期内检测一次母线电流，经过50个周期检测后，单片机6计算出平均母线电流i0avg，同时在每个算法周期内，通过单片机6判断实时母线电压u'dc与步骤一中计算的平均母线电压udcavg大小，通过储能模块1中相应的继电器和igbt调节非换相期间实时母线电压u'dc的大小，达到非换相期间实时母线电压u'dc与平均母线电压udcavg间的动态平衡，以平稳在非换相期间无刷直流电机的输出转矩；

步骤三、在无刷直流电机换相期间，首先使储能模块1中第一常开继电器km11和第二常开继电器km21处于常开状态，母线电流检测模块在每个算法周期内检测一次母线电流，经过5个周期检测后，单片机6计算平均母线电流i'0avg，通过单片机6判断换相期间的平均母线电流i'0avg与步骤二计算出的非换相期间的平均母线电流i0avg的大小，从而判断无刷直流电机所处的转速段，进而在不同的转速段通过相应的pwm波控制相应的igbt通断来控制母线电流以及相电流的大小，以平稳母线电流，并最小化无刷直流电机的转矩波动。

上述技术方案中，步骤二中，在非换相期间通过储能模块1相应的继电器以及igbt调节实时母线电压u'dc与平均母线电压udcavg间动态平衡的目的旨在防止非换相区电网波动引起母线电压的波动，从而导致无刷直流电机出现转矩波动，其具体控制方法是：当单片机6检测到u'dc＜udcavg时，储能模块1具有的第二支路的第二常开继电器km21闭合，第二常闭继电器km22仍处在闭合状态，升压斩波电路导通，降压斩波电路关断，通过pwm波控制升压斩波电路中的igbt通断来提升输出端端电容c1的储能值，将实时母线电压u'dc提升至达到平均母线电压udcavg的值，实时母线电压u'dc与平均母线电压udcavg间的动态平衡。当单片机6检测到u'dc＞udcavg时，储能模块1具有的第一支路的第一常开继电器km11闭合，第一常闭继电器km12仍处在闭合状态，降压斩波电路导通，升压斩波电路关断，通过pwm波控制降压斩波电路中的igbt通断来降低输出端端电容c1的储能值，将实时母线电压u'dc下降至平均母线电压udcavg的值，实时母线电压u'dc与平均母线电压udcavg间的动态平衡。其中，所述pwm波来自一个闭环输出：每个算法周期内，将实时母线电压u'dc与平均母线电压udcavg作差送入一个pi控制器，pi控制器输出为控制igbt1和igbt2的pwm波。

上述技术方案中，步骤三中，所述换相期间无刷直流电机所处转速段的判断方法具体为：当单片机6检测到|i'0avg|＞|i0avg|时，则判断无刷直流电机处于低转速段，当单片机6检测到|i'0avg|＜|i0avg|时，则判断无刷直流电机处于高转速段。

进一步的，步骤三中，所述换相期间在不同的转速段通过相应的pwm波控制相应的igbt通断来控制母线电流以及相电流大小的具体控制方法为：当单片机6判断无刷直流电机处于低速段时，在每个算法周期内，母线电流检测模块检测一次实时母线电流i'0，将换相期间内的实时母线电流绝对值|i'0|与非换相期间的平均母线电流绝对值|i0avg|作差送入pi控制器，输出步骤三中所述pwm波控制储能模块1和逆变模块2间的串联的第九igbt9的通断，以达到在换相期间内的实时母线电流绝对值|i'0|与非换相期间的平均母线电流绝对值|i0avg|间的动态平衡，同时稳定在换相期间内的实时母线电流的绝对值|i'0|；当单片机6判断无刷直流电机处于高速段时，首先单片机6通过霍尔传感器信号确定无刷直流电机换相时的开通相x和关断相y，相电流检测模块实时检测开通相x换相过程中的电流ix和关断相y的电流iy，并且单片机6记录电流ix从换相时刻开始到电流ix绝对值|ix|相等于非换相期间平均母线电流i0avg绝对值|i0avg|时的时间topen，单片机6计算换相期间开通相x相电流变化率kopen＝|i0avg|/topen；单片机6记录电流iy从换相时刻开始到电流iy绝对值|iy|相等于零时的时间tclose，单片机6计算换相期间关断相y相电流变化率kclose＝|i0avg|/tclose，在下一个换相时刻，将开通相x相电流变化率kopen与关断相y相电流变化率kclose作差送入pi控制器，输出相应的pwm波控制关断相y相对应的igbt桥臂的通断，减缓关断相y相电流iy降低的速率，使得开通相x相电流ix变化率与关断相y相电流iy变化率间动态平衡，保证非换相相电流的平稳性。

该方法考虑大功率无刷直流电机的特殊性，非换相期间和换相期间采用不同的方法控制转矩波动，综合运用电压控制和电流控制，控制方法更加灵活。

进一步的，步骤一至步骤三中，所述储能模块1和逆变模块2间串联的所述第九igbt9除在无刷直流电机处于上述换相时间段中的低速段时通过相应pwm波控制外，其余时刻均处于全通状态。

实施例四

在实施例三的基础上，对电网电压的波动进一步细分处理，当单片机6检测到0.95udcavg＜u'dc＜udcavg时，第三常开继电器km3闭合，断开第一敞开继电器和第二敞开继电器，控制三极管q2和q4闭合，缓充电容放电，抬高母线直流电压，将实时母线电压u'dc提升至达到平均母线电压udcavg的值，实时母线电压u'dc与平均母线电压udcavg间的动态平衡。当u'dc＜0.95udcavg时，断开第三常开继电器km3，采用储能模块1中的升压斩波电路将实时母线电压u'dc提升至达到平均母线电压udcavg的值，实时母线电压u'dc与平均母线电压udcavg间的动态平衡。当单片机6检测到1.05udcavg＞u'dc＞udcavg时，第三常开继电器km3闭合，断开第一敞开继电器和第二敞开继电器，控制三极管q1和q3闭合，缓充电容充电，降低母线直流电压，将实时母线电压u'dc下降至平均母线电压udcavg的值，实时母线电压u'dc与平均母线电压udcavg间的动态平衡。当单片机6检测到u'dc＞1.05udcavg时，断开第三常开继电器km3，采用储能模块1中的降压斩波电路将实时母线电压u'dc下降至平均母线电压udcavg的值，实时母线电压u'dc与平均母线电压udcavg间的动态平衡。

由上所述，本发明采用的大功率无刷直流电机转矩波动控制装置，结构简单，成本低，实用性强，控制方便，降压斩波电路和升压斩波电路配合使用，使得电池储能单元处在合理的充放电状态，既可以最大限度地利用好具有波动性的电网资源，又可防止欠压、过压等对无刷直流电机控制系统的破坏；同时，本发明的大功率无刷直流电机转矩波动控制装置的控制方法，考虑大功率无刷直流电机的特殊性，非换相期间和换相期间采用不同的方法控制转矩波动，综合运用电压控制和电流控制，控制方法更加灵活。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。