本發(fā)明涉及一種無刷直流電機。特別是涉及一種無感升壓拓撲驅(qū)動的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩波動抑制方法。
背景技術(shù)：
：無刷直流電機以其結(jié)構(gòu)簡單，功率密度高和運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，在工業(yè)控制、航空航天和電動汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于電機電感和有限的逆變器電壓阻礙了換相過程中相電流的快速變化，因而電機在換相過程產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩波動，最大換相轉(zhuǎn)矩波動可達平均轉(zhuǎn)矩的50％。換相轉(zhuǎn)矩波動會導致電機系統(tǒng)的振動和噪聲，并降低電機的帶載能力，是限制無刷直流電機高性能運行的主要問題之一。近年來，學者們對換相轉(zhuǎn)矩波動抑制進行了深入研究。抑制無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩波動的常用方法主要包括兩類：(1)脈寬調(diào)制方法(pwm方法)，該方法的根本思想是維持非換相相電流的平穩(wěn)，從而實現(xiàn)換相轉(zhuǎn)矩波動的抑制。(2)添加前級dc-dc變換器，該方法的根本思想是通過改變電壓源逆變器的直流輸入電壓來有效抑制換相轉(zhuǎn)矩波動。然而，現(xiàn)有的換相轉(zhuǎn)矩波動抑制方法依然存在一些問題：對于pwm方法，當電機運行于額定轉(zhuǎn)速以下的較高轉(zhuǎn)速時，在有限的逆變器直流側(cè)電壓限制下，該類方法均是通過延長關(guān)斷相電流下降時間的方法抑制換相轉(zhuǎn)矩波動，這樣會延長不希望的換相過程時間。對于已有的前級dc-dc變換器方法，添加的前級dc-dc變換器的功率開關(guān)較多，且需要添加額外的電感，這增加了驅(qū)動系統(tǒng)的體積和成本。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于無刷直流電機的高精度伺服驅(qū)動控制的無感升壓拓撲驅(qū)動的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩波動抑制方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種無感升壓拓撲驅(qū)動的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩波動抑制方法，包括如下步驟：1)設(shè)計一種無感dc-dc變換器添加在三相電壓源逆變器前級，整體構(gòu)成無感升壓拓撲的三相電壓源逆變器驅(qū)動電路；2)分析不同開關(guān)矢量對電機輸入電壓和無感dc-dc變換器輸出電壓的作用；3)當所述無刷直流電機運行在非換相階段，根據(jù)開關(guān)矢量的作用設(shè)計正常模式、升壓模式和降壓模式三種工作模式；通過選擇三種工作模式，在保證無刷直流電機正常調(diào)速的前提下調(diào)節(jié)dc-dc變換器的輸出電壓；4)當所述無刷直流電機運行在換相階段，采用固定的兩個開關(guān)矢量抑制無刷直流電機的換相轉(zhuǎn)矩波動。所述的無感dc-dc變換器電路包括：dc-dc變換器的mosfet管，直流側(cè)二極管，和dc-dc變換器電容。所述dc-dc變換器的mosfet管的源極分別連接直流側(cè)二極管的負極和三相電壓源逆變器的正極輸入端，所述dc-dc變換器的mosfet管的漏極通過dc-dc變換器電容分別連接輸入直流電源負極和三相電壓源逆變器的負極輸入端，所述直流側(cè)二極管的正極連接輸入直流電源正極。步驟2)包括：在步驟1)構(gòu)成的無感升壓拓撲的三相電壓源逆變器驅(qū)動電路中，選擇4種開關(guān)矢量來實現(xiàn)無刷直流電機的正常調(diào)速和無感dc-dc變換器的調(diào)壓功能，所述的4種開關(guān)矢量分別表示為vm0，vm1，va0和va1，其中vm0和vm1為主矢量，va0和va1為輔助矢量；主矢量向無刷直流電機提供大于零的電壓，增加無刷直流電機正向電流；輔助矢量向無刷直流電機提供小于或等于零的電壓，減少無刷直流電機正向電流；vm1能夠減小無感dc-dc變換器輸出電壓，va1能夠增加無感dc-dc變換器輸出電壓，vm0和va0對無感dc-dc變換器輸出電壓均沒有影響。所述的開關(guān)矢量vm0下電流所通過的電路是：輸入直流電源正極依次通過直流側(cè)二極管和電機正向?qū)ㄏ嗟纳蠘虮踡osfet管連接無刷直流電機的正向?qū)ㄏ?，無刷直流電機的負向?qū)ㄏ嗤ㄟ^電機負向?qū)ㄏ嗟南聵虮踡osfet管連接輸入直流電源負極。所述的開關(guān)矢量vm1下電流所通過的電路是：dc-dc變換器電容的正極依次通過dc-dc變換器的mosfet管和電機正向?qū)ㄏ嗟纳蠘虮踡osfet管連接無刷直流電機的正向?qū)ㄏ?，無刷直流電機的負向?qū)ㄏ嗤ㄟ^電機負向?qū)ㄏ嗟南聵虮踡osfet管連接dc-dc變換器電容的負極。所述的開關(guān)矢量va0下電流所通過的電路是：電機正向?qū)ㄏ嗟南聵虮踡osfet管的反并聯(lián)二極管的負極連接無刷直流電機的正向?qū)ㄏ?，無刷直流電機的負向?qū)ㄏ嗤ㄟ^電機負向?qū)ㄏ嗟南聵虮踡osfet管連接電機正向?qū)ㄏ嗟南聵虮踡osfet管的反并聯(lián)二極管的正極。所述的開關(guān)矢量va1下電流所通過的電路是：dc-dc變換器電容的負極通過電機正向?qū)ㄏ嗟南聵虮踡osfet管的反并聯(lián)二極管連接無刷直流電機的正向?qū)ㄏ?，dc-dc變換器電容的正極依次通過dc-dc變換器mosfet管的反并聯(lián)二極管和電機負向?qū)ㄏ嗟纳蠘虮踡osfet管連接的反并聯(lián)二極管連接無刷直流電機的負向?qū)ㄏ?。步驟3)中所述的：正常模式，選擇主矢量為vm0，輔助矢量為va0且dc-dc變換器中的mosfet關(guān)斷，該模式對dc-dc變換器的輸出電壓沒有影響；升壓模式，選擇主矢量為vm0，輔助矢量為va1，該模式能夠升高dc-dc變換器的輸出電壓；降壓模式，選擇主矢量為vm1，輔助矢量為va0且dc-dc變換器中的mosfet導通，該模式能夠減小dc-dc變換器的輸出電壓；令正常模式的占空比為d1，在保證電機輸入電壓相同時，升壓模式的占空比d2和降壓模式的占空比d3分別為式中，udc為直流電源電壓，uo為dc-dc變換器的輸出電壓。步驟4)中，在換相區(qū)選擇占空比為dcmt的主矢量vm1，占空比為1-dcmt的輔助矢量va0，其中，換相區(qū)占空比dcmt為式中，e為相反電勢幅值。本發(fā)明的無感升壓拓撲驅(qū)動的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩波動抑制方法，與采用延長關(guān)斷相電流的pwm調(diào)制方法相比較，通過利用升高的逆變器電壓與所選開關(guān)矢量，能夠在抑制換相轉(zhuǎn)矩波動的同時有效縮短換相過程時間，從而提高了電機運行的可靠性。本發(fā)明的無感升壓拓撲驅(qū)動的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩波動抑制方法，與添加dc-dc變換器的現(xiàn)有方法相比較，本發(fā)明的dc-dc升壓拓撲結(jié)構(gòu)簡單，所需功率器件較少，大大節(jié)省了驅(qū)動系統(tǒng)的體積和成本。尤其是本發(fā)明的方法通過將拓撲與電機控制相融合，不需要添加額外電感，利用電機繞組自身的電感特性實現(xiàn)拓撲的升壓能力。附圖說明圖1是本發(fā)明無感升壓拓撲驅(qū)動的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩波動抑制方法的控制框圖；圖中1：電流控制器2：正常模式3：升壓模式4：降壓模式5：模式選擇6：反電勢擬合7：換相判斷8：霍爾傳感器9：無刷直流電機10：三相電壓源逆變器11：無感升壓拓撲圖2是本發(fā)明中無感dc-dc升壓拓撲驅(qū)動的永磁無刷直流電機系統(tǒng)等效電路；圖3a是當電機運行在非換相階段，開關(guān)矢量vm0下電流所通過的電路；圖3b是當電機運行在非換相階段，開關(guān)矢量vm1下電流所通過的電路；圖3c是當電機運行在非換相階段，開關(guān)矢量va0下電流所通過的電路；圖3d是當電機運行在非換相階段，開關(guān)矢量va1下電流所通過的電路；圖4a是在換相階段電流由a+b-→a+c-時開關(guān)矢量vm1下電流所通過的電路；圖4b是在換相階段電流由a+b-→a+c-時開關(guān)矢量va0下電流所通過的電路。具體實施方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的無感升壓拓撲驅(qū)動的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩波動抑制方法做出詳細說明。如圖1所示。本發(fā)明的無感升壓拓撲驅(qū)動的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩波動抑制方法，是通過工作區(qū)間判斷選擇非換相區(qū)或換相區(qū)的控制方法。在非換相區(qū)，通過合理選擇工作模式，在保證電機正常調(diào)速的前提下調(diào)節(jié)無感dc-dc升壓拓撲的輸出電壓。在換相區(qū)，利用無感dc-dc升壓拓撲的輸出電壓，采用統(tǒng)一的開關(guān)矢量抑制換相轉(zhuǎn)矩波動，并縮短換相時間。本發(fā)明的無感升壓拓撲驅(qū)動的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩波動抑制方法，包括如下步驟：1)設(shè)計一種無感dc-dc變換器添加在三相電壓源逆變器前級，整體構(gòu)成如圖2所示的無感升壓拓撲的三相電壓源逆變器驅(qū)動電路；圖2中，c為dc-dc變換器電容；si和di，分別為驅(qū)動電路中的mosfet管及其反并聯(lián)二極管，其中的i∈{1，2，…，7}；d8為直流側(cè)二極管；n為電機三相繞組中性點。所述的無感dc-dc變換器電路包括：dc-dc變換器的mosfet管s7，直流側(cè)二極管d8，和dc-dc變換器電容c。所述dc-dc變換器的mosfet管s7的源極分別連接直流側(cè)二極管d8的負極和三相電壓源逆變器的正極輸入端，所述dc-dc變換器的mosfet管s7的漏極通過dc-dc變換器電容c分別連接輸入直流電源負極和三相電壓源逆變器的負極輸入端，所述直流側(cè)二極管d8的正極連接輸入直流電源正極。2)分析不同開關(guān)矢量對電機輸入電壓和無感dc-dc變換器輸出電壓的作用；本發(fā)明中無刷直流電機采用兩兩導通控制方式，即任意時刻只有兩相繞組導通。根據(jù)相電流方向令p和n分別表示正向電流導通相和負向電流導通相，不同霍爾扇區(qū)的p和n如表1所示。表1不同霍爾扇區(qū)的正向電流導通相和負向電流導通相hahbhc101100110010011001霍爾扇區(qū)⑤④⑥②③①(p,n)(a,b)(a,c)(b,c)(b,a)(c,a)(c,b)注：ha，hb和hc分別為a，b和c三相的霍爾信號。電機由左向右按表中霍爾順序運行。令sph和snl分別表示p相上橋臂開關(guān)管和n相下橋臂開關(guān)管。根據(jù)開關(guān)矢量對電機輸入線電壓和儲能電容電壓的作用，在本發(fā)明中所提出拓撲下只需選擇4種開關(guān)矢量，即可實現(xiàn)電機調(diào)速和無感dc-dc升壓拓撲輸出電壓的調(diào)壓功能。這4種開關(guān)矢量分別表示為vm0，vm1，va0和va1，其中vm0和vm1為主矢量，va0和va1為輔助矢量，具體如表2所示。表中，upn，udc和uo分別表示單位控制周期內(nèi)電機輸入線電壓，直流電源電壓和dc-dc變換器輸出電壓的平均值。表2本文設(shè)計的4種開關(guān)矢量注：“1”表示開關(guān)管導通，“0”表示開關(guān)管關(guān)斷，“x”表示開關(guān)管導通或關(guān)斷。“—”表示沒有影響，“↑”表示增加，“↓”表示減小。表中其他未列開關(guān)管均關(guān)斷。本發(fā)明中所述的分析不同開關(guān)矢量對電機輸入電壓和無感dc-dc變換器輸出電壓的作用，包括：在步驟1)構(gòu)成的無感升壓拓撲的三相電壓源逆變器驅(qū)動電路中，選擇4種開關(guān)矢量來實現(xiàn)無刷直流電機的正常調(diào)速和無感dc-dc變換器的調(diào)壓功能，所述的4種開關(guān)矢量分別表示為vm0，vm1，va0和va1，其中vm0和vm1為主矢量，va0和va1為輔助矢量；主矢量向無刷直流電機提供大于零的電壓，增加無刷直流電機正向電流；輔助矢量向無刷直流電機提供小于或等于零的電壓，減少無刷直流電機正向電流；vm1能夠減小無感dc-dc變換器輸出電壓，va1能夠增加無感dc-dc變換器輸出電壓，vm0和va0對無感dc-dc變換器輸出電壓均沒有影響。通過合理選擇主矢量和輔助矢量中的開關(guān)矢量，能夠?qū)崿F(xiàn)dc-dc變換器的調(diào)壓功能。其中：如圖3a所示，所述的開關(guān)矢量vm0下電流所通過的電路是：輸入直流電源正極依次通過直流側(cè)二極管d8和電機正向?qū)ㄏ嗟纳蠘虮踡osfet管sph連接無刷直流電機的正向?qū)ㄏ鄍，無刷直流電機的負向?qū)ㄏ鄋通過電機負向?qū)ㄏ嗟南聵虮踡osfet管snl連接輸入直流電源負極。如圖3b所示，所述的開關(guān)矢量vm1下電流所通過的電路是：dc-dc變換器電容c的正極依次通過dc-dc變換器的mosfet管s7和電機正向?qū)ㄏ嗟纳蠘虮踡osfet管sph連接無刷直流電機的正向?qū)ㄏ鄍，無刷直流電機的負向?qū)ㄏ鄋通過電機負向?qū)ㄏ嗟南聵虮踡osfet管snl連接dc-dc變換器電容c的負極。如圖3c所示，所述的開關(guān)矢量va0下電流所通過的電路是：電機正向?qū)ㄏ嗟南聵虮踡osfet管spl的反并聯(lián)二極管dpl的負極連接無刷直流電機的正向?qū)ㄏ鄍，無刷直流電機的負向?qū)ㄏ鄋通過電機負向?qū)ㄏ嗟南聵虮踡osfet管snl連接電機正向?qū)ㄏ嗟南聵虮踡osfet管spl的反并聯(lián)二極管dpl的正極。如圖3d所示，所述的開關(guān)矢量va1下電流所通過的電路是：dc-dc變換器電容c的負極通過電機正向?qū)ㄏ嗟南聵虮踡osfet管spl的反并聯(lián)二極管dpl連接無刷直流電機的正向?qū)ㄏ鄍，dc-dc變換器電容c的正極依次通過dc-dc變換器mosfet管s7的反并聯(lián)二極管d7和電機負向?qū)ㄏ嗟纳蠘虮踡osfet管snh連接的反并聯(lián)二極管dnh連接無刷直流電機的負向?qū)ㄏ鄋。3)當所述無刷直流電機運行在非換相階段，根據(jù)開關(guān)矢量的作用合理搭配主矢量和輔助矢量，設(shè)計正常模式、升壓模式和降壓模式三種工作模式；通過選擇三種工作模式，在保證無刷直流電機正常調(diào)速的前提下調(diào)節(jié)dc-dc變換器的輸出電壓；以表2中霍爾扇區(qū)④為例，三種工作模式下單位控制周期內(nèi)電機輸入線電壓的平均值計算如下：其中，(1)正常模式，選擇主矢量為vm0，輔助矢量為va0且dc-dc變換器中的mosfet關(guān)斷，該模式對dc-dc變換器的輸出電壓沒有影響；如圖3a和圖3c所示，令vm0的占空比為d1，va0的占空比為1-d1，此時snl恒導通，s7恒關(guān)斷，sph以占空比d1斬波。電機的平均輸入線電壓upn為upn＝d1udc+(1-d1)0＝d1udc(1)式中，upn和udc分別表示單位控制周期電機輸入線電壓和直流電源電壓的平均值。(2)升壓模式，選擇主矢量為vm0，輔助矢量為va1，該模式能夠升高dc-dc變換器的輸出電壓；如圖3a和圖3d所示，令vm0的占空比為d2，va1的占空比為1-d2，此時s7恒關(guān)斷，sph和snl同時以占空比d2斬波。平均輸入線電壓upn為式中，uo表示單位控制周期dc-dc變換器輸出電壓的平均值。(3)降壓模式，選擇主矢量為vm1，輔助矢量為va0且dc-dc變換器中的mosfet導通，該模式能夠減小dc-dc變換器的輸出電壓；如圖3b和圖3c所示，令vm1的占空比為d3，va0的占空比為1-d3，此時s7和snl恒導通，sph以占空比d3斬波。平均輸入線電壓upn為upn＝d3uo+(1-d3)0＝d3uo(3)將式(1)分別代入式(2)和式(3)，以正常模式下有效矢量占空比d1為基準，相同電機輸入線電壓下d2和d3分別為式中，udc為直流電源電壓，uo為dc-dc變換器的輸出電壓。由式(1)～(3)可知，這三種控制模式均能夠使電機輸入線電壓滿足upn∈[0,udc]，從而保證電機的正常調(diào)速需求。此外，根據(jù)無感升壓拓撲輸出電壓uo與參考電壓uref的比較關(guān)系選擇合適的工作模式，從而調(diào)節(jié)無感升壓拓撲的輸出電壓以供換相過程使用。考慮電壓滯環(huán)比較器的環(huán)寬w0，非換相區(qū)調(diào)制策略如表3所示。表3非換相區(qū)調(diào)制策略注：“1”表示開關(guān)管導通，“0”表示開關(guān)管關(guān)斷，“d1”,“d2”和“d3”表示相應(yīng)開關(guān)管以該占空比斬波。其他未列開關(guān)管均關(guān)斷。4)當所述無刷直流電機運行在換相階段，采用固定的兩個開關(guān)矢量抑制無刷直流電機的換相轉(zhuǎn)矩波動。在換相區(qū)選擇占空比為dcmt的主矢量vm1，占空比為1-dcmt的輔助矢量va0，且s7導通。根據(jù)表2可得換相區(qū)的調(diào)制策略如表4所示。表4換相區(qū)調(diào)制策略注：“1”表示開關(guān)管導通，“dcmt”表示相應(yīng)開關(guān)管以該占空比斬波。其他未列開關(guān)管均關(guān)斷。電機由左向右按表中霍爾順序運行。以霍爾周期④中電流由a+b-→a+c-為例，開關(guān)矢量作用下的等效電路如圖4所示。根據(jù)圖4a和圖4b所示，無刷直流電機端電壓方程如下：式中，r為電機繞組相電阻。l為電機繞組相電感。ua,ub和uc為電機三相繞組端相對直流電源負極電壓。un為電機繞組中性點相對直流電源負極電壓。ia,ib和ic為電機三相繞組相電流。ea,eb和ec為電機三相繞組相反電動勢。假設(shè)換相階段反電勢不變，換相區(qū)單位控制周期內(nèi)三相繞組端電壓及相反電勢平均值分別為式中，ua，ub和uc為單位控制周期端電壓平均值；ea，eb和ec為換相時相反電勢；e為換相時相反電勢幅值。將式(6)代入式(5)并忽略電阻，非換相相電流ia的平均變化率分別為根據(jù)式(7)，為維持非換相相電流恒定來抑制換相轉(zhuǎn)矩波動，換相區(qū)占空比dcmt需滿足因為占空比dcmt∈[0,1]，由式(8)可知儲能電容電壓需滿足uo≥4e(9)類似的，其他霍爾扇區(qū)的分析過程與占空比dcmt的推導結(jié)果與霍爾扇區(qū)④相同。綜上所述，在滿足式(9)條件下，換相區(qū)選擇主矢量vm1和輔助矢量va0能夠有效抑制換相轉(zhuǎn)矩波動。當前第1頁12