抑制无刷直流电机转矩脉动的直通升压逆变器及控制方法

本发明涉及无刷直流电机控制，特别是抑制无刷直流电机转矩脉动的直通升压逆变器及控制方法。

背景技术：

1、无刷直流电机(brushless dc motor，bldcm)因其功率密度高、效率高、控制简单、易维护等优点在汽车、家电、工业等领域得到广泛的应用。但bldcm的转矩脉动问题严重阻碍了其在高性能领域的发展。引起bldcm转矩脉动的因素较多，如：电机设计、调制方式、电机换相等，其中换相引起的转矩脉动最为严重，最大可以达到平均转矩的约50％。所以，抑制bldcm换相转矩脉动是研究转矩脉动抑制的热点。

2、无刷直流电机在高速运行时，由于直流母线电压与反电动势幅值满足udc<4e的关系，导致在换相期间关断相相电流的电流下降率大于导通相相电流的电流上升率，所以非换相相电流减小，此时，由于换相时间较短，无刷直流电机相反电动势的变化不大，因此电磁转矩减小，由此产生较大的换相转矩脉动。通过分析换相期间的电流变化率可知，在无刷直流电机高速运行时，适当抬升母线电压，使得直流母线电压与相反电动势幅值满足udc＝4e可抑制转矩脉动。

3、现有应用于bldcm的升压拓扑分为传统和新型拓扑。采用传统的dc-dc升压拓扑，这使得无刷直流电机的控制拓扑结构复杂，且由于使用较多功率器件，增大了系统的成本；使用新型的一种回馈升压拓扑，如发明人在先申请cn115800829-抑制无刷直流电机转矩脉动的回馈升压逆变器及控制方法，因为受限于电机相电流大小，导致电容的充电电流有限，pwm方式下，在截止期间才会存在回馈，越是高速截止时间越小，在一个扇区期间回馈电能可能不足以提供换相所需电容充电量，所以在更高速度时不能起到良好的转矩脉动抑制效果。

技术实现思路

1、针对上述不足，本发明提出了抑制无刷直流电机转矩脉动的直通升压逆变器及控制方法，与传统三相桥式逆变器相比，该逆变器仅额外需要两个二极管、一个功率开关器件、一个电容和一个电感，结构简单、控制方便。基于此直通升压逆变器，本发明提出了用于抑制无刷直流电机转矩脉动的直通升压逆变器控制方法，可在电机高速运行时，抬升母线电压保持非换相相电流的恒定，进而实现电机平滑换相，其能实现在更宽速度范围内都有良好的转矩脉动抑制效果。

2、为解决上述技术问题，本发明所使用的技术方案是：

3、一种抑制无刷直流电机转矩脉动的直通升压逆变器，所述直通升压逆变器拓扑包括：

4、二极管vd、第一功率单元、电容c0、电感l0、a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂；每相桥臂包括第二功率单元和第三功率单元；每个功率单元包括：功率开关器件和所述功率开关器件反并联的二极管；

5、所述第一功率单元中功率开关器件的集电极与所述电容c0的正极相连，所述电容c0的负极与所述电感l0的一端相连，所述电感l0的另一端与所述电源us的负极相连，所述电源us的正极与所述二极管vd的阳极相连，所述二极管vd的阴极与所述第一功率单元中功率开关器件的发射极相连；

6、每相桥臂中，所述第二功率单元中功率开关器件的发射极与所述第三功率单元中功率开关器件的集电极连接；所述第二功率单元中功率开关器件的集电极与所述第一功率单元中功率开关器件的发射极相连；所述第三功率单元中功率开关器件的发射极与所述电容c0的负极相连；

7、所述直通升压逆变器具备直通状态和非直通状态；在非直通状态下，所述电源us给所述电感l0充磁到电感l0电流与电机的相电流相等为止，在直通状态下，所述电源us给所述电感l0充磁使电感l0电流从电机的相电流上升到电感l0最大电流。

8、进一步地，所述电容c0和电感l0满足：

9、

10、式中，l为无刷直流电机相绕组的等效电感，in为无刷直流电机的额定电流，us为直流电源电压，δuth为电容电压滞环控制器的阈值，j为转动惯量，ke为相反电动势系数，p为极对数，fs为开关频率，ωm-eq为非直通状态下、非换相期间经过单个扇区后电容c0的抬升电压与换相期间电容c0的下降电压相等时，电机的机械角速度。

11、进一步地，抑制无刷直流电机转矩脉动的直通升压逆变器的控制方法，包括如下步骤：

12、步骤s1、将霍尔信号传入扇区判断模块得到所在扇区信号s；

13、步骤s2、将扇区信号s输入到m法测速模块得到无刷直流电机的实际机械角速度ωm；

14、步骤s3、给定机械角速度与实际机械角速度ωm作差，将差值输入速度pi控制器asr得到非换相相电流参考值

15、步骤s4、相电流选择单元根据扇区信息s从三相检测电流中确定关断相相电流ioff和非换相相电流in_com；

16、步骤s5、将非换相相电流参考值与实际非换相相电流in_com作差，并差值输入电流pi控制器acr得到占空比d1，其与补偿占空比d2相加后得到非换相期间参考占空比d*；

17、步骤s6、由给定的参考电容电压与实际电容电压uc0作差，并将差值输入到电容状态滞环判断模块得到高速、非换相期间的电容充放电状态sc，sc为0代表正常充电状态，sc为1代表快速充电状态，sc为-1代表快速放电状态；

18、步骤s7、将实际机械角速度ωm输入到高低转速判断模块得到转速高低状态sω，sω为0代表电机当前运行于低速，sω为1代表电机当前运行于高速；

19、步骤s8、将扇区信号s及关断相相电流ioff输入到换相判断模块得到换相信号scom；其中，换相信号scom为1表示处于换相期间，换相信号scom为0表示处于非换相期间；

20、步骤s9、将非换相期间参考占空比d*、电容充放电状态sc、转速高低状态sω、换相信号scom输入到占空比换算模块得到功率开关器件状态查询表所需实际占空比d；

21、步骤s10、将实际占空比d、电容充放电状态sc、转速高低状态sω、换相信号scom、所在扇区信号s输入到功率开关器件状态查询表得到零号功率开关器件vt0～六号功率开关器件vt6的实际开关信号，使直通升压逆变器控制无刷直流电机运行。

22、进一步地，所述步骤s5中补偿占空比d2的计算公式如下：

23、

24、进一步地，所述步骤s6中参考电容电压的计算公式如下：

25、

26、进一步地，所述步骤s6中电容状态滞环判断模块为：

27、

28、式中，sc(k-1)和sc(k)表示前一时刻和当前时刻的输出电容状态滞环输出值。

29、进一步地，所述步骤s7中所述高低转速判断模块为：

30、

31、式中，δutl为高低速切换用电容电压阈值式中，sω(k-1)和sω(k)表示前一时刻和当前时刻的输出高低转速状态滞环输出值。

32、进一步地，所述步骤s9中实际占空比d的计算公式为：

33、

34、进一步地，所述步骤s10中功率开关器件状态查询表包括电机运行于换相期间或非换相期间、高速或低速、电容不同充放电状态、不同扇区下的零号功率开关器件vt0～六号功率开关器件vt6的开关状态。

35、所述开关管状态查询表包括：

36、非换相期间功率开关器件状态查询表：

37、

38、换相期间功率开关器件状态查询表：

39、

40、其中，ⅰ表示扇区ⅰ，ⅵ→ⅰ表示扇区ⅵ换相到扇区ⅰ；每个扇区中的七位依次表示零号功率开关器件至六号功率开关器件的开关状态，1表示导通，0表示关断，d表示以实际占空比d进行斩波，0*表示在pwm信号由导通到截止的切换瞬间短暂插入恒通开关管所在桥臂的直通状态，所插入直通状态的持续时间为直通时间td，所插入直通状态的持续时间td选取电感l0从电机的额定电流上升到设定的电感l0最大电流所需的时间；转速高低状态sω为0表示当前时刻为低速运行，sω为1表示当前时刻为高速运行；sc为0代表正常充电状态，sc为1代表快速充电状态，sc为-1代表快速放电状态；/表示不影响功率开关器件状态查询表的选择。

41、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

42、1、本发明提出的直通升压逆变器拓扑与传统应用于bldcm的升压拓扑相比，具有结构简单、功率器件少的优点，本拓扑采用单电源供电，无需额外添加新电源。

43、2、本发明提出了基于直通升压逆变器的无刷直流电机宽速范围内转矩脉动抑制方法，当电机低速运行时，三相桥式逆变器以电机额定电压运行，仅在换相期间对占空比进行改变；而在高速运行时，为了快速换相同时保持换相时非换相相电流的恒定，可在非换相期间借助电感l0从电源充得的磁能，给电容c0充电，以此抬升母线电压。因此，本控制方法在宽速度范围内都能起到良好的转矩脉动抑制效果。同时由于直通状态是本逆变器的特殊工作状态，所以在逆变器的开关管或电机的绕组短路时，可避免短路故障带来更大的损失。