一种无刷直流电机抑制转矩脉动的补偿电路.pdf

本发明属于无刷直流电机控制领域，具体涉及一种无刷直流电机抑制转矩脉动的补偿电路。本发明包括直流电压源U、二极管VD、电容C、开关管S1、开关管S2、开关管S2、开关管S4、三相逆变桥和无刷直流电机，充电回路由直流电压源U正极连接开关管S1集电极，电源负极连接开关管S3发射极，电容正极连接开关管S1发射极，电容负极连接开关管S3集电极构成；电压补偿回路由开关管S4集电极连接电源U正极。由4个电力开关管，1个电力二极管，1个电容组成的电压补偿电路，能有效的抑制换相转矩脉动，控制方式简单，成本低，易于工程实现。

权利要求书1.  一种无刷直流电机抑制转矩脉动的补偿电路，包括直流电压源(U)、二极管(VD)、电容(C)、开关管(S1)、开关管(S2)、开关管(S2)、开关管(S4)、三相逆变桥和无刷直流电机，其特征在于：充电回路由直流电压源(U)正极连接开关管(S1)集电极，电源负极连接开关管(S3)发射极，电容正极连接开关管(S1)发射极，电容负极连接开关管(S3)集电极构成；电压补偿回路由开关管(S4)集电极连接电源(U)正极，发射极连接电容(C)负极，开关管(S2)集电极连接电容(C)正极，发射极连接二极管(VD)阴极构成；直流电压源(U)正极连接二极管(VD)阳极，二极管(VD)阴极连接三相逆变桥阳极，直流电压源(U)负极连接三相逆变桥阴极，三相逆变桥中三桥臂分别与无刷直流电机三相连接，驱动电机旋转；在非换相期间，控制电力开关管(S1)、开关管(S3)导通，开关管(S2)、开关管(S4)关断，直流电压源驱动电机旋转的同时向电容充电，直至电容两端电压上升至所需补偿电压；充电结束后，立即关断开关管(S1)、开关管(S3)，同时使开关管(S3)互补的开关管(S4)导通，为换相期间串入补偿电压做准备，开关管(S2)保持关断；检测换相开始信号，控制开关管(S2)导通，使a点电位低于b点电位，电力二极管截止，直流电压源与电容串联后驱动电机旋转，使得驱动电压等于4倍的反电动势幅值。

说明书一种无刷直流电机抑制转矩脉动的补偿电路
技术领域
本发明属于无刷直流电机控制领域，具体涉及一种无刷直流电机抑制转矩脉动的补偿电路。
背景技术
无刷直流电机具有结构简单，转矩大等优点，在各行各业中有着广泛应用，被认为是21世纪最有发展前途和广泛应用前景的电子控制电机。但是，电机存在转矩脉动，阻碍了其向大功率，高精度领域的发展。
无刷直流电机由电机本体，位置传感器和换相开关三部分组成。位置传感器检测电机转子位置，将位置信号转化为电信号，控制换相开关导通和关断，直流电压源驱动电机稳定旋转。
无刷直流电机运行在三相六状态120°两两导通方式下，每60°电角度换相一次，任一时刻都只有两个开关导通。在换相期间，关断相电流经二极管续流降低，导通相电流由电压源供电上升，由于关断相电流下降速率与导通相电流上升速率不一致，导致非换相电流产生波动，引起换相转矩脉动。
发明内容
本发明目的在于提供一种通过在换相期间对直流电压源进行电压补偿，使其满足驱动电压等于4倍的反电动势幅值，使得电流上升速率与电流下降速率一致，降低非换相电流波动，有效的抑制换相转矩脉动的无刷直流电机抑制转矩脉动的补偿电路。
本发明的目的是通过下列技术方案来实现：
包括直流电压源U、二极管VD、电容C、开关管S1、开关管S2、开关管S2、开关管S4、三相逆变桥和无刷直流电机，充电回路由直流电压源U正极连接开关管S1集电极，电源负极连接开关管S3发射极，电容正极连接开关管S1发射极，电容负极连接开关管S3集电极构成；电压补偿回路由开关管S4集电极连接电源U正极，发射极连接电容C负极，开关管S2集电极连接电容C正极，发射极连接二极管VD阴极构成；直流电压源U正极连接二极管VD阳极，二极管VD阴极连接三相逆变桥阳极，直流电压源U负极连接三相逆变桥阴极，三相逆变桥中三桥臂分别与无刷直流电机三相连接，驱动电机旋转；
在非换相期间，控制电力开关管S1、开关管S3导通，开关管S2、开关管S4关断，直流电压源驱动电机旋转的同时向电容充电，直至电容两端电压上升至所需补偿电压；
充电结束后，立即关断开关管S1、开关管S3，同时使开关管S3互补的开关管S4导通，为换相期间串入补偿电压做准备，开关管S2保持关断；
检测换相开始信号，控制开关管S2导通，使a点电位低于b点电位，电力二极管截止，直流电压源与电容串联后驱动电机旋转，使得驱动电压等于4倍的反电动势幅值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：由4个电力开关管，1个电力二极管，1个电容组成的电压补偿电路，能有效的抑制换相转矩脉动，控制方式简单，成本低，易于工程实现。
附图说明
图1为本发明无刷直流电机抑制转矩脉动补偿电压的原理控制框图。
图2a为开关管S1、S3导通电路图。
图2b为开关管S4导通电路图。
图2c为开关S2、S4管导通电路图。
图3为本发明驱动电压与开关控制信号状态图。
图4为未采用本发明方法控制下的实施例三相电流波形图。
图5为采用本发明方法控制下的实施例三相电流波形图。
图6为未采用本发明方法控制下的实施例电流转矩波形图。
图7为采用本发明方法控制下的实施例电流转矩波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
一种无刷直流电机抑制转矩脉动的补偿电路，包括直流电压源U、二极管VD、电容C、开关管S1、开关管S2、开关管S2、开关管S4、三相逆变桥和无刷直流电机；其特征在于：充电回路由直流电压源U正极连接开关管S1集电极，电源负极连接开关管S3发射极，电容正极连接开关管S1发射极，电容负极连接开关管S3集电极构成；电压补偿回路由开关管S4集电极连接电源U正极，发射极连接电容C负极，开关管S2集电极连接电容C正极，发射极连接二极管VD阴极构成；直流电压源U正极连接二极管VD阳极，二极管VD阴极连接三相逆变桥阳极，直流电压源U负极连接三相逆变桥阴极，三相逆变桥中三桥臂分别与无刷直流电机三相连接，驱动电机旋转。
一种无刷直流电机抑制转矩脉动补偿电路的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：结合图2(a)，在非换相期间，控制电力开关管S1、开关管S3导通，开关管S2、开关管S4关断，直流电压源驱动电机旋转的同时向电容充电，直至电容两端电压上升至所需补偿电压；
步骤2：结合图2(b)，充电结束后，立即关断开关管S1、开关管S3，同时使开关管S3互补的开关管S4导通，为换相期间串入补偿电压做准备，开关管S2保持关断；
步骤3：结合图2(c)，检测换相开始信号，控制开关管S2导通，使a点电位低于b点 电位，电力二极管截止，直流电压源与电容串联后驱动电机旋转，使得驱动电压等于4倍的反电动势幅值。
无刷直流电机运行在三相六状态120°两两导通方式下，以AC换相到BC为例。在AC导通期间，VT1、VT2导通，电流从A相流入，C相流出；在换相期间，VT1关断，关断相A相电流经二极管VD4续流，VT3导通，导通相B相电流上升；直至关断相A相电流降为0，换相结束，BC相正常导通。其中，可以推导出在换相期间非换相C相电流的表达式为抑制换相转矩脉动，而换相转矩又与非换相电流波动成正比，所以只需抑制非换相电流波动，继而只需在换相期间满足驱动电压等于4倍反电动势幅值即可，因此本发明即在换相期间加入补偿电压，使其满足电压关系，从而有效抑制换相转矩脉动。
结合图1，电压补偿电路由4个开关管S1--S4，1个电力二极管，1个电容组成；其中，开关管S3与S4为互补开关，即开关管S3导通时，S4关断，开关管S3关断时，S4导通；开关管S1与S3同步由充电信号控制导通与关断；开关管S2单独由换相开始信号控制。
结合图2，各开关导通情况下电路图；图2(a)中，开关管S1、S3导通，S2、S4关断，此时，电流电压源驱动电机旋转的同时向电容充电，直至电容两端电压达到所需补偿电压；图2(b)中，控制开关管S1、S3关断，S4导通，S2仍关断，电容两端电压保持不变，为换相做准备；图2(c)中，换相开始，开关管S2立即导通，此时a点电位比b点电位低，电力二极管截止，直流电压源与电容串联后驱动电机旋转，此时的驱动电压为直流电压与电容电压之和，等于4倍反电动势幅值。
结合图3驱动电压与开关控制信号图。图3(a)中，驱动电压在非换相时为直流电压，在换相时为直流电压与电容电压之和；图3(b)中，开关信号控制开关管S1、S3导通关断，在换相前开关导通对电容充电，充至电容电压为所需电压后关断；图3(c)中，开关信号控制开关管S2导通关断，换相开始时S2导通，换相结束S2关断。
在原有控制策略不变的基础上，加入电压补偿电路，通过控制开关导通关断，实现在换相时驱动电压等于4倍反电动势幅值，从而降低非换相电流波动，进而有效抑制换相转矩脉动。
本发明实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
实施例
本发明采用无刷直流电机额定功率3.7kW，额定电压300V，额定转速为1500rmp，测得电感为0.188425mH，反电动势幅值为92.99V，因此补偿电压即电容两端电压为71.96V。
图3(a)中，在非换相时驱动电压为直流电压300V，在换相时驱动电压为直流电压加上补偿电压共371.96V。图4和图6是未采用本发明方法控制下的实施例三相电流波形图和电流转矩波形图，电机在换相时可以看出关断相电流下降速率与导通相电流上升速率不一致，非换相电流有波动，从而引起换相转矩脉动，平均转矩为26N*m,换相时最小转矩为20N*m,转矩波动率为23.07％。图5和图7是采用本发明方法控制下的实施例三相电流波形图和电流转矩波形图。电机在换相时，驱动电压满足4倍反电动势幅值，从而非换相电流波动降低，转矩脉动也随之被抑制，平均转矩仍为26N*m，但换相时最小转矩为24N*m,转矩波动率为7.69％，比未加补偿电压装置波动率降低了15.38％。
综上可知，由4个电力开关，1个电力二极管和1个电容组成的电压补偿电路，通过合适的开关控制信号，使电机在换相时，驱动电压满足4倍的反电动势幅值，降低非换相电流波动，有效的抑制换相转矩脉动，方法简单，易于实现。