一种无刷直流电机转矩波动抑制电路及一种仪器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机电一体化领域，尤其涉及一种无刷直流电机转矩波动抑制电路及一 种仪器。
【背景技术】
[0002] 无刷直流电机是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体，位置检测器，逆 变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机。随着电力电子技术和高 性能永磁材料的迅速发展，它的应用从最初的军事工业，向航空航天、信息、家电、医疗等 领域迅速发展。在医疗行业使用以无刷直流电机为本体的涡轮供气，不仅可以大幅度缩小 气源的体积，节省能源，降低成本，还可以对涡轮进行准确可靠的控制，从而获得稳定的气 流与压力。
[0003] 无刷直流电机是基于PWM控制信号来实现转速、电流双闭环控制。图1为无刷直 流电机转速、电流双闭环控制器的原理图，如图1所示，系统通过软、硬件的协调配合实现 电流环和速度环的全数字双闭环控制。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精 度。电流负反馈环为内环，其作用是实现电机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统 的动态性能。电流环采用比例控制算法进行相电流的闭环调节，以提高系统的响应能力；速 度环采用常用的PI算法对电机转速进行闭环控制。给定转速与速度反馈量形成偏差，经速 度调节后产生电流参考量，电流参考量与电流反馈量的偏差经电流调节后形成PWM占空比 的控制量，实现电机的速度控制。电流的反馈是通过检测电阻R上的压降来实现的；速度反 馈则是通过位置检测电路输出的位置量，经过计算得到的。位置检测电路的输出位置量还 用于保证电机的正确换相。
[0004] 在现有技术中，无刷直流电机的定子绕组电流波形为梯形波，可以近似的认为是 方波，并且转子每转过一定的电角度，电流就换相一次。在这个过程中，随着转子位置的变 化，定子电流和转子磁场的相互作用必然发生转矩波动，这种转矩波动是非常复杂的。在换 相过程中，由于三相全桥驱动电路中的PWM波的占空比是阶跃性的调制，使得电流在工作 时所形成的旋转磁场是跳跃式的，由此产生的电机转矩波动较大，这样会引起一定的振动 噪声。转矩波动直接造成电机输出气流的流速不平稳，造成气路调节时间过长。因此对换 相时刻的绕组电流进行控制，使之变化的幅度降低，就可以达到降低转矩波动的目的，使无 刷电机的输出气流的流速变化降低，供气平稳。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供一种无刷直流电机转矩波动抑制电路及一种仪器，用于降 低电流换相时的转矩波动，使得无刷直流电机的输出气流平稳。
[0006] -方面，本发明提供一种无刷直流电机转矩波动抑制电路，包括主控CPU、数模转 换器、第一运放信号调理电路、第二运放信号调理电路和控制模块：
[0007] 所述主控CPU的第一输出端与所述数模转换器的输入端连接，所述主控CPU用于 向所述数模转换器输入调速电压数字控制信号和锯齿波生成数字控制号；
[0008] 所述数模转换器用于将所述锯齿波生成数字控制信号转换为第一模拟电压信号， 以及将所述调速电压数字控制信号转换为第二模拟电压信号；
[0009] 所述第一运放信号调理电路的输入端与所述数模转换器的第一模拟电压输出端 连接，用于根据所述第一模拟电压信号生成锯齿波；
[0010] 所述第二信号调理电路包含积分环节电路和比较器，所述积分环节电路的输入端 与所述数模转换器的第二模拟电压输出端连接，所述积分环节电路用于根据所述第二模拟 电压信号生成连续可变的电压；
[0011] 所述比较器的反向输入端与所述积分环节电路的输出端连接，所述比较器的正向 输入端与所述第一运放信号调理电路的输出端连接，所述比较器用于比较所述锯齿波和所 述连续可变的电压生成占空比可调的PWM波；
[0012] 所述比较器的输出端与所述控制模块的输入端连接，所述控制模块用于根据所述 占空比可调的PWM波控制所述直流无刷电机的驱动电路工作。
[0013] 进一步的，还包括位置传感器，且所述控制模块为FPGA ;
[0014] 所述主控CPU的第二输出端与FPGA的第一输入端连接，所述主控CPU的第二输出 端用于输出逻辑控制信号；
[0015] 所述位置传感器输出端与FPGA的第二输入端连接，所述传感器用于输出霍尔信 号；
[0016] 所述比较器的输出端与FPGA的第三输入端连接，用于输出所述比较器生成的占 空比可调的PWM波信号；
[0017] FPGA的输出端与驱动电路的输入端连接，所述FPGA用于根据所述占空比可调的 PWM波信号生成控制信号，并根据所述控制信号控制所述驱动电路工作。
[0018] 进一步的，所述第一信号调理电路生成的锯齿波为带直流偏置的锯齿波。
[0019] 进一步的，所述第一信号调理电路包括第二运算放大器，第一电阻，第二电阻，第 三电阻，第四电阻，第五电阻，第六电阻，第三电容器：
[0020] 所述第一电阻的第一端接信号地，第二端分别与第二运算放大器的反向输入端和 第六电阻的第一端相连，所述第六电阻的第二端分别与第五电阻的第一端、第二运算放大 器的输出端相连；所述第二电阻的第一端与数模转换器的第一模拟电压输出端相连，所述 第二电阻的第二端分别与所述第三电阻的第一端、第二运算放大器的正向输入端、第四电 阻的第一端相连，所述第三电阻的第二端与基准电压源相连，所述第四电阻的第二端接信 号地；所述第五电阻第二端输出带有直流偏置的锯齿波信号且所述第五电阻的第二端也与 第三电容器的第一端相连，所述第三电容器的第二端连接信号地。
[0021] 进一步的，所述积分环节电路包括第一运算放大器，第七电阻，第八电阻和第四电 容：
[0022] 所述数模转换器的第二模拟电压输出端通过第七电阻分别与第一运算放大器的 同向输入端和第四电容的第一端相连，所述第四电容的第二端与第一运算放大器的输出端 相连；所述第一运算放大器的反向输入端与第八电阻的第一端相连，所述第八电阻的第二 端接信号地。
[0023] 进一步的，所述积分环节电路的输出电压输入比较器的反向输入端，所述带直流 偏置的锅齿波输入比较器的正向输入端，所述放大器的输出端输出电平信号：
[0024] 所述直流偏置的锯齿波高于所述积分环节电路的输出电压，所述比较器的输出端 输出高电平信号；
[0025] 所述直流偏置的锯齿波低于所述积分环节电路的输出电压，所述比较器的输出端 输出低电平信号。
[0026] 进一步的，所述比较器和第一运算放大器的正电源接正5V电压，负电源接信号 地。
[0027] 进一步的，所述的占空比可调的PWM波为0-100%可调。
[0028] 另一方面，一种仪器，包括上述任一项所述的无刷直流电机的转矩波动抑制电路， 所述仪器为麻醉机、呼吸机、空调、洗衣机、硬盘或光盘驱动装置。
[0029] 本发明提供的无刷直流电机转矩波动抑制电路及一种仪器，把积分环节电路的 输出连续可变的电压和带直流偏置的锯齿波通过比较器进行比较，产生占空比可调的PWM 波，占空比可调的PWM波可以调节定子的电流波形幅度，而定子的电流波形可以调节转矩 波动。在本发明中，PWM波的占空比可以在0-100 %范围内调节，使得定子的电流波形的变 化幅度平稳。由于变化的电流产生磁场，那么定子的电流在换相时，所形成的旋转磁场平 稳，使得定子的电流换相时所产生的旋转磁场和转子的磁场两种磁场相互作用而产生的转 矩波动降低。无刷直流电机输出气流的流速变化降低，当使用无刷直流电机作为涡轮供气 时，供气平稳。
【附图说明】
[0030] 通过阅读参照以下附图所作的对