抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动的电路及控制方法与流程

本发明涉及无刷直流电机控制技术领域，特别是涉及一种抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动的新型电路拓扑结构和控制方法。

背景技术

无刷电机诞生于20世纪60年代后期，是伴随着永磁材料技术、微电子及电力电子技术、控制技术等迅速发展而出现的一种新型电机。

直流无刷电机既具有直流电机很好的调速性能、运行稳定、控制方法简单，又具有交流伺服系统无电刷、体积小、可以在较为恶劣的环境下稳定运行等优点。因此在航天、电动车、家电等领域有着广泛的应用。直流无刷电机控制系统必须要检测出转子的位置并进行准确的换相，在这个过程中位置传感器是必要的，常见的直流无刷电动机是依靠霍尔式位置传感器来检测转子位置的，但是这样的磁敏式元件及其容易受到外界环境的干扰，这就限制直流无刷电机控制系统的应用范围。在这样的背景下，无位置传感器控制系统的理论被提出了。并且直流无刷电机因其特有的电机结构和非连续的换相控制策略，存在转矩脉动较大的问题。转矩脉动导致驱动系统产生噪声、振动等问题，影响系统可靠性、缩短使用寿命，制约其在高精度高稳定场合的应用。在无刷直流电机各种转矩脉动中，换相转矩脉动影响较大，为了有效抑制换相转矩脉动，国内外学者做了大量研究。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种通过合理调整直流母线电压的输入电压的抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动的电路及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明一种抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动的电路，包括直流电源、基于单端初级电感变换器的电压切换电路、三相全控桥逆变电路；

直流电源与基于单端初级电感变换器的电压切换电路连接，用以提供稳定的电压；

基于单端初级电感变换器的电压切换电路与三相全控桥逆变电路连接，实现对逆变电路输入电压的调整；

三相全控逆变电路与无刷直流电机相连，三相全控桥逆变电路驱动无刷直流电机工作。

作为本发明的进一步改进，基于单端初级电感变换器的电压切换电路包括电感l1、电感l2、电容c1、电容c2、二极管d1、二极管d2、mosfet管q和igbt管k；直流电源的正极与电感l1的一端和二极管d2的阳极连接；电感l1的另一端同时与电容c1的一端和mosfet管q的源极连接；电容c1的另一端同时与电感的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的一端和igbt管k的集电极连接；igbt管k的发射极与二极管d2的阴极一端相连接；直流电源ui的负极同时与mosfet管q的漏极、电感l2的另一端、电容c2的另一端相连接。

本发明一种抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动的电路的控制方法，包括以下步骤：

(1)fpga数据处理单元根据无刷直流电机的端电压信号判断电机的换相时刻，产生换相信号；

(2)在无刷直流电机非换相时控制igbt管k关断，则直流电源为电机的直流母线电压；

(3)在无刷直流电机换相时刻控制igbt管k导通，则基于单端初级电感变换器的电压切换电路的输出电压uo为电机的直流母线电压；

fpga数据处理单元根据获得的无刷直流电机的端电压计算得到电机转速ω，调整mosfet管q的占空比d，令基于单端初级电感变换器的电压切换电路的输出电压uo和无刷直流电机反电动势em之间满足uo＝4em，其中ke为反电动势系数，ui为直流电源的电压，ω为无刷直流电机转速。

本发明有益效果：本发明采用基于端电压的无位置传感器控制方法，通过合理调整直流母线电压的输入电压减小直流无刷电机换相转矩的问题。

(1)该方法能够根据实时检测到的端电压信号通过计算进而来判断igbt管k开通与关断，并且改变基于单端初级电感变换器的电压切换电路的输出电压，使换相期间的直流母线电压udc与反电动势em之间的关系保持为udc＝4em，不依靠霍尔传感器，免去了磁敏式元件容易受到的外界环境的干扰的问题。

(2)从新型电路拓扑结构来说，在换相时间段，基于单端初级电感变换器的电压切换电路的输出电压会高于电源电压，电流有可能会流向电源，所以加入二极管可以防止换相期间电流流向电源，从而减少开关管的使用数量。另一方面，开关k内部反向并联的二极管给电机回馈的能量提供一个通道给c2电容，提高了系统能量的利用率。

附图说明

图1为本发明抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动的新型电路拓扑结构。

图2为本发明所使用的三相全控桥逆变电路直流无刷电机电路图。

图3为本发明抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动的控制方法框图。

图4为本发明使用前直流母线电压波形图。

图5为本发明使用后直流母线电压波形图。

图6为本发明使用后的开通相电流ia和关断相电流ib的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

一种抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动的新型电路拓扑结构，如图1所示，其包括直流电源ui、基于单端初级电感变换器(singleendedprimaryinductorconverter,sepic)的新型电压切换电路、三相全控桥逆变电路、直流无刷电机。直流电源与基于sepic变换器的新型电压切换电路连接，用以提供稳定的电压；基于sepic变换器的新型电压切换电路与三相全控桥逆变电路连接，实现对逆变电路输入电压的调整；三相全控桥逆变电路与直流无刷电机相连，三相全控桥逆变电路驱动直流无刷电机工作。包括如下步骤：

(1)在直流无刷电机非换相时段管k关断，直流输入电源为电机直流母线电压。

(2)在直流无刷电机换相时段管k开通，基于sepic变换器的新型电压切换电路输出电压作为电机的直流母线电压。mosfet管q的占空比d决定了基于sepic变换器新型电压切换电路输出电压的大小，基于sepic的新型电压切换电路输出电压uo与占空d的关系：

由于反电动势与转速成正比，即：

em＝keω(2)

为满足使输出电压uo与反电动势em之间的关系为uo＝4em，从而有效抑制换相转矩脉动，可由此得到换相期间mosfet管d应满足：

由此可知，可以通过实时测量转速，改变sepic变换器中mosfet管q的占空比，从而得到期望的直流母线电压满足udc＝4em，实现转矩恒定。二极管d2和电容c2使输出电压稳定。

(3)在换相时间段，直流母线电压满足udc＝4em会高于电源电压，电流有可能会流向电源，所以加入二极管d2可以防止换相期间电流流向电源。

直流无刷电机三相绕组采用星型连接结构，三相全控桥式逆变电路采用两两导通的方式，每个功率管导通120°，每60°电角度换相一次。所用的直流无刷电机采用的是反电动势为120°平顶的梯形波。根据图2所示的三相全控桥逆变电路直流无刷电机电路图可得：

其中，ua,ub,uc是三相定子绕组的端电压，ia,ib,ic是三相定子绕组相电流，ea,eb,ec是三相反电动势，r，l，m是相电阻、等效电感和等效互感，un是中性点电位，可得：

以a、b相导通为例，电流的关系：

ia＝-ib，ic＝0(6)

反电动势关系：

ea＝-eb(7)

结合(4)、(5)、(6)、(7)可得：

则同理可得：

所以可以通过检测无刷直流电机端电压信号经过计算后得到反电势过零点信号，经过移相π/6可以为电机的正常运行提供换相信息。

根据图3所示的抑制直流无刷电机换相转矩脉动的新型电路拓扑结构的控制方法原理图，采用运算速度快与数据处理能力强的fpga芯片作为核心的数据处理单元，包括如下步骤：

(1)为了保证无刷直流电机能够正常运转，通过检测无刷直流电机的端电压信号，然后把端电压信号送到fpga处理芯片，产生换相信号，用来控制电机进行正确换相。

(2)fpga处理芯片根据计算出的换相信息，在直流无刷电机非换相时段给开关管k信号使开关管关断，此时直流输入电源为电机直流母线电压。

(3)为了在换相时刻能够快速的得到期望电压，mosfet管q以一定的占空比d通断，调整q的占空比d。fpga处理芯片根据换相时刻信息，可以计算出电机的实时转速ω，根据电机转速可以计算出mosfet管q所需要调节的占空比d，从而改变基于sepic变换器的新型电压切换电路的输出电压uo，使输出电压uo与反电动势em之间的关系为uo＝4em。

(4)fpga处理芯片根据获得的换相信息，在直流无刷电机换相时段给开关管k信号使开关开通，此时直流输入电源为经过基于sepic的新型电压切换电路调节后的电压满足udc＝4em，从而有效抑制换相转矩脉动。

如图4、图5所示，分别为采用本方法前后的无位置传感器无刷直流电机控制系统的直流母线电压波形，可以看出采用本方法前直流母线电压在换相期间是不变的，采用本方法后在换相期间直流母线电压得到调节。图6为采用本发明后开通相电流和关断相电流的波形图，可以看出开通相电流上升的速率和关断相电流下降的速率相同，从而可以减小换相期间产生的转矩脉动。

综上可知，采用一种抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动的方法，在减少开关管数量和简化控制系统难度的前提下，该方法可有效抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动，系统响应快，方法简单，易于实现。

本发明具体实施方式还包括：

一种抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动的电路拓扑结构，包括直流电源ui、基于sepic变换器的新型电压切换电路、三相全控桥逆变电路、直流无刷电机；

直流电源与基于sepic变换器的新型电压切换电路连接，用以提供稳定的电压；

基于sepic变换器的新型电压切换电路与三相全控桥逆变电路连接，实现对逆变电路输入电压的调整；

三相全控桥逆变电路与直流无刷电机相连，三相全控桥逆变电路驱动直流无刷电机工作。

基于sepic变换器的新型电压切换电路包括电感l1、电感l2、电容c1、电容c2、二极管d1、二极管d2、mosfet管q和igbt管k；

直流电源ui的正极与电感l1的一端和二极管d2的阳极连接；

电感l1的另一端同时与电容c1的一端和mosfet管q的源极连接；

电容c1的另一端同时与电感的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的一端和igbt管k的集电极连接；

igbt管k的发射极与二极管d2的阴极一端相连接；

直流电源ui的负极同时与mosfet管q的漏极、电感l2的另一端、电容c2的另一端相连接。

一种抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动的电路的控制方法，具体包括以下步骤：

(1)fpga为核心的数据处理单元根据获得的端电压信号判断电机的换相时刻，在直流无刷电机非换相时控制管k关断，直流输入电源为电机直流母线电压。

(2)为了在换相时刻能够快速的得到期望的直流母线电压，mosfet管q以一定的占空比d通断，通过fpga为核心的数据处理单元根据获得的端电压信息计算出电机转速，进一步计算出占空比d的值，调整q的占空比改变基于sepic变换器的新型电压切换电路的输出电压uo，使输出电压uo与反电动势em之间的关系为uo＝4em。

(3)在直流无刷电机换相时控制管k开通，基于sepic变换器的新型电路输出电压作为电机的直流母线电压udc＝4em，从而减小了无位置传感器无刷直流电机的换相转矩脉动。

本发明提供了一种抑制无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动的电路及控制方法。由于直流无刷电机三相绕组可视为感性负载，换相时电流以一定的速率上升或下降，当关断相电流下降速率和开通相电流上升速率不相等时，造成非换相相电流的波动，导致电机换相转矩脉动。本发明中，采用基于sepic变换器的新型电压切换电路，将无刷直流电机端电压输入给以fpga为核心的数据处理单元；以fpga为核心的数据处理单元根据接收到的端电压信号判断电机换相时刻，调整基于sepic变换器的新型电压切换电路的输出电压使直流母线电压为期望值。这种方法通过调节换相期间的直流母线电压大小，从而抑制了换相期间引起的转矩脉动问题。