本發(fā)明屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無刷直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、慣量小、可靠性高、控制簡(jiǎn)單,因此其應(yīng)用越來越廣泛。但是無刷直流電動(dòng)機(jī)普遍存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題卻一直限制著其在高精度系統(tǒng)中的應(yīng)用。對(duì)于高精度系統(tǒng),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是衡量無刷直流電動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此,研究抑制或消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有是無刷直流電動(dòng)機(jī)普遍存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，本發(fā)明提供了一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法。

一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)，包括直流電源U_s、Sepic變換器、電壓型逆變器、直流電壓采樣模塊和電機(jī)控制器；

直流電源U_s的正極連接Sepic變換器的正極輸入端，直流電源U_s的負(fù)極連接Sepic變換器的負(fù)極輸入端；

Sepic變換器的輸出端連接電壓型逆變器的輸入端，電壓型逆變器的輸出端連接被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)的三相繞組；

直流電壓采樣模塊用于采集Sepic變換器輸出的直流電壓，并將采集直流電壓信號(hào)送至電機(jī)控制器；

采集被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)的霍爾信號(hào)并發(fā)送給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)采集的電壓信號(hào)和霍爾信號(hào)對(duì)Sepic變換器和電壓型逆變器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。

所述的Sepic變換器包括電感L₁、電感L₂、電容C₁、電容C₂、二極管D₁和MOSFET管VT₀；

電感L₁的一端與直流電源U_s的正極連接，

電感L₁的另一端同時(shí)與電容C₁的一端和MOSFET管VT₀的源極連接，

電容C₁的另一端同時(shí)與電感L₂的一端和二極管D₁的陽極連接，

二極管D₁的陰極與電容C₂的一端連接，二極管D₁的陰極作為Sepic變換器的一個(gè)輸出端；

直流電源U_s的負(fù)極同時(shí)與MOSFET管VT₀的漏極、電感L₂的另一端和電容C₂的另一端連接，電容C₂的另一端作為Sepic變換器的另一個(gè)輸出端。

所述的電壓型逆變器為三相電壓型橋式逆變器，三相電壓型橋式逆變器包括6個(gè)開關(guān)管VT₁至VT₆，并且6個(gè)開關(guān)管VT₁至VT₆均為MOSFET管，

其中，三相電壓型橋式逆變器的上橋臂為開關(guān)管VT₁、VT₃、VT₅，下橋臂為開關(guān)管VT₄、VT₆、VT₂；

每個(gè)MOSFET管的漏極和源極之間反向并聯(lián)一個(gè)二極管，

開關(guān)管VT₁至VT₆的柵極均用于接收電機(jī)控制器輸出的控制信號(hào)。

所述的電機(jī)控制器包括前饋控制模塊、PID控制模塊、減法器和加法器；

前饋控制模塊，用于根據(jù)Sepic變換器的多組的當(dāng)前占空比α′和其輸出的直流電壓U_dc的歷史數(shù)據(jù)擬合出當(dāng)前占空比α′和直流電壓U_dc之間的關(guān)系α′＝f(U_dc)，令U_dc＝4E_m，從而獲得α′＝f(4E_m)，Sepic變換器根據(jù)該關(guān)系式α′＝f(4E_m)及輸入的參考電壓4E_m輸出當(dāng)前占空比α′；

其中，E_m為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)；

減法器的被減數(shù)輸入端接收的參考電壓4E_m與其減數(shù)輸入端接收的直流電壓U_dc作差，并將獲得的偏差E(k)作為PID控制模塊的輸入；

PID控制模塊，用于根據(jù)接收的偏差E(k)采用下述公式一和二獲得占空比增量α″，其中，

其中，U(k)是第k次采樣電壓輸出值，k_p為調(diào)節(jié)比例系數(shù)；k_I為調(diào)節(jié)積分系數(shù)；k_D為調(diào)節(jié)微分系數(shù)；E(k)為第k次采樣時(shí)的偏差；E(k-1)為第k-1次采樣時(shí)的偏差；k為采樣序號(hào)，k為大于或等于1的整數(shù)，j為變量，

加法器用于對(duì)當(dāng)前占空比α′和占空比增量α″進(jìn)行疊加，使用疊加后的值α作為控制Sepic變換器下一次占空比的控制指令，且α＝α′+α″。

所述的

采用一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法，該方法包括如下步驟：

步驟一、電機(jī)控制器采集被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)的霍爾信號(hào)和Sepic變換器輸出的直流電壓U_dc；

步驟二、電機(jī)控制器根據(jù)被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)的霍爾信號(hào)進(jìn)行識(shí)別出被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)處在換相狀態(tài)時(shí)，被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩△T_e；

其中，

E_m＝C_eφn (公式四)，

L為電機(jī)的每相的等價(jià)電感，Ω為電機(jī)的角速度，E_m為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，t表示時(shí)間，

C_e為電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，φ是為電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁通，n是為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

步驟三、當(dāng)被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)處在換相狀態(tài)時(shí)，對(duì)電機(jī)控制器采用前饋控制算法及PID控制算法對(duì)Sepic變換器進(jìn)行控制，并將通過前饋控制算法獲得的輸出值與通過PID控制算法獲得的輸出值進(jìn)行疊加，作為控制Sepic變換器的控制指令，使U_dc＝4E_m，最終使脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩△T_e＝0，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)換相時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制。

所述的前饋控制算法采用關(guān)系式α′＝f(4E_m)實(shí)現(xiàn)，

PID控制模塊采用公式一和公式二實(shí)現(xiàn)，其中，

其中，α′為通過前饋控制算法得到的當(dāng)前占空比，4E_m為參考電壓，α″為PID控制算法得到的占空比增量，其中，U(k)是第k次采樣電壓輸出值，k_p為調(diào)節(jié)比例系數(shù)；k_I為調(diào)節(jié)積分系數(shù)；k_D為調(diào)節(jié)微分系數(shù)；E(k)為第k次采樣時(shí)的偏差；E(k-1)為第k-1次采樣時(shí)的偏差；k為采樣序號(hào)，k為大于或等于1的整數(shù)，j為變量。

所述的關(guān)系式α′＝f(4E_m)的獲得過程為：

步驟A1、利用電機(jī)控制器改變給MOSFET管VT₀的控制指令，即控制指令為當(dāng)前占空比α′的給定數(shù)值，利用當(dāng)前占空比α′控制時(shí)，采集反激電路輸出的直流電壓U_dc，

反復(fù)執(zhí)行步驟A1來獲取多組當(dāng)前占空比α′與直流電壓U_dc之間關(guān)系的歷史數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行步驟A2；

步驟A2、利用獲取的多組當(dāng)前占空比α′與直流電壓U_dc之間關(guān)系的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到關(guān)系式α′＝f(U_dc)；

步驟A3、為了抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，令U_dc＝4E_m，進(jìn)而獲得關(guān)系式α′＝f(4E_m)作為前饋控制算法的算法模型。

本發(fā)明帶來的有益效果是，由于無刷直流電機(jī)運(yùn)行中，反電動(dòng)勢(shì)E_m會(huì)隨轉(zhuǎn)速變化而變化，采用PID控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，采用前饋控制可以加快響應(yīng)速度，結(jié)合以上兩種控制方式，能夠有效抑制無刷直流電機(jī)在換相時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)的原理示意圖；

圖2為電機(jī)控制器內(nèi)生成控制Sepic變換器指令的控制原理圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：參見圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)，包括直流電源U_s、Sepic變換器1、電壓型逆變器2、直流電壓采樣模塊3和電機(jī)控制器4；

直流電源U_s的正極連接Sepic變換器1的正極輸入端，直流電源U_s的負(fù)極連接Sepic變換器1的負(fù)極輸入端；

Sepic變換器1的輸出端連接電壓型逆變器2的輸入端，電壓型逆變器2的輸出端連接被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)5的三相繞組；

直流電壓采樣模塊3用于采集Sepic變換器1輸出的直流電壓，并將采集直流電壓信號(hào)送至電機(jī)控制器4；

采集被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)5的霍爾信號(hào)并發(fā)送給電機(jī)控制器4，電機(jī)控制器4根據(jù)采集的電壓信號(hào)和霍爾信號(hào)對(duì)Sepic變換器1和電壓型逆變器2的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。

本實(shí)施方式中，Sepic變換器1，用于將直流電源U_s輸出的電壓轉(zhuǎn)換為幅值可變的直流電壓，電壓型逆變器2，用于將Sepic變換器1輸出的幅值可變的直流電壓轉(zhuǎn)化為交流電，并對(duì)被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)5進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。霍爾信號(hào)的采集可采用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)。

具體實(shí)施方式二：參見圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一所述的一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的Sepic變換器1包括電感L₁、電感L₂、電容C₁、電容C₂、二極管D₁和MOSFET管VT₀；

電感L₁的一端與直流電源U_s的正極連接，

電感L₁的另一端同時(shí)與電容C₁的一端和MOSFET管VT₀的源極連接，

電容C₁的另一端同時(shí)與電感L₂的一端和二極管D₁的陽極連接，

二極管D₁的陰極與電容C₂的一端連接，二極管D₁的陰極作為Sepic變換器1的一個(gè)輸出端；

直流電源U_s的負(fù)極同時(shí)與MOSFET管VT₀的漏極、電感L₂的另一端和電容C₂的另一端連接，電容C₂的另一端作為Sepic變換器1的另一個(gè)輸出端。

具體實(shí)施方式三：參見圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二所述的一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的電壓型逆變器2為三相電壓型橋式逆變器，三相電壓型橋式逆變器包括6個(gè)開關(guān)管VT₁至VT₆，并且6個(gè)開關(guān)管VT₁至VT₆均為MOSFET管，

其中，三相電壓型橋式逆變器的上橋臂為開關(guān)管VT₁、VT₃、VT₅，下橋臂為開關(guān)管VT₄、VT₆、VT₂；

每個(gè)MOSFET管的漏極和源極之間反向并聯(lián)一個(gè)二極管，

開關(guān)管VT₁至VT₆的柵極均用于接收電機(jī)控制器4輸出的控制信號(hào)。

具體實(shí)施方式四：參見圖1和2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二所述的一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的電機(jī)控制器4包括前饋控制模塊4-1、PID控制模塊4-2、減法器4-3和加法器4-4；

前饋控制模塊4-1，用于根據(jù)Sepic變換器1的多組的當(dāng)前占空比α′和其輸出的直流電壓U_dc的歷史數(shù)據(jù)擬合出當(dāng)前占空比α′和直流電壓U_dc之間的關(guān)系α′＝f(U_dc)，令U_dc＝4E_m，從而獲得α′＝f(4E_m)，Sepic變換器1根據(jù)該關(guān)系式α′＝f(4E_m)及輸入的參考電壓4E_m輸出當(dāng)前占空比α′；

其中，E_m為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)；

減法器4-3的被減數(shù)輸入端接收的參考電壓4E_m與其減數(shù)輸入端接收的直流電壓U_dc作差，并將獲得的偏差E(k)作為PID控制模塊4-2的輸入；

PID控制模塊4-2，用于根據(jù)接收的偏差E(k)采用下述公式一和二獲得占空比增量α″，其中，

其中，U(k)是第k次采樣電壓輸出值，k_p為調(diào)節(jié)比例系數(shù)；k_I為調(diào)節(jié)積分系數(shù)；k_D為調(diào)節(jié)微分系數(shù)；E(k)為第k次采樣時(shí)的偏差；E(k-1)為第k-1次采樣時(shí)的偏差；k為采樣序號(hào)，k為大于或等于1的整數(shù)，j為變量，E(0)＝0，

加法器4-4用于對(duì)當(dāng)前占空比α′和占空比增量α″進(jìn)行疊加，使用疊加后的值α作為控制Sepic變換器1下一次占空比的控制指令，且α＝α′+α″。

本實(shí)施方式中，根據(jù)無刷直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，特別是換相時(shí)刻，可以通過電機(jī)控制器4來控制Sepic變換器1的MOSFET的關(guān)斷時(shí)間，來達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的功能。

具體實(shí)施方式五：參見圖1和2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四所述的一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的

具體實(shí)施方式六：參見圖1和圖2說明本實(shí)施方式，采用具體實(shí)施方式一所述的一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法的區(qū)別在于，該方法包括如下步驟：

步驟一、電機(jī)控制器4采集被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)5的霍爾信號(hào)和Sepic變換器1輸出的直流電壓U_dc；

步驟二、電機(jī)控制器4根據(jù)被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)5的霍爾信號(hào)進(jìn)行識(shí)別出被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)5處在換相狀態(tài)時(shí)，被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)5產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩△T_e；

其中，

E_m＝C_eφn (公式四)，

L為電機(jī)的每相的等價(jià)電感，Ω為電機(jī)的角速度，E_m為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，t表示時(shí)間，

C_e為電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，φ是為電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁通，n是為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

步驟三、當(dāng)被控?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)5處在換相狀態(tài)時(shí)，對(duì)電機(jī)控制器4采用前饋控制算法及PID控制算法對(duì)Sepic變換器1進(jìn)行控制，并將通過前饋控制算法獲得的輸出值與通過PID控制算法獲得的輸出值進(jìn)行疊加，作為控制Sepic變換器1的控制指令，使U_dc＝4E_m，最終使脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩△T_e＝0，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)換相時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制。

本實(shí)施方式中，在某一換相期間E_m、L、Ω是不變的，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩△T_e只與(U_dc-4E_m)有關(guān)；而α是占空比，U_s是直流電壓源，因?yàn)閁_s是恒定不變的，所以U_dc僅與占空比α有關(guān)，亦即在某一換相期間，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩△T_e僅于占空比α有關(guān)，其中α為前饋控制算法獲得的輸出值與通過PID控制算法獲得的輸出值的疊加，即：α＝α′+α″。

綜上，本發(fā)明根據(jù)無刷直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，特別是換相時(shí)刻，可以通過電機(jī)控制模塊來控制Sepic變換器1的MOSFET的關(guān)斷時(shí)間，來達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的功能。

具體實(shí)施方式七：參見圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式六所述的采用一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法的區(qū)別在于，所述的前饋控制算法采用關(guān)系式α′＝f(4E_m)實(shí)現(xiàn)，

PID控制模塊4-2采用公式一和公式二實(shí)現(xiàn)，其中，

其中，α′為通過前饋控制算法得到的當(dāng)前占空比，4E_m為參考電壓，α″為PID控制算法得到的占空比增量，其中，U(k)是第k次采樣電壓輸出值，k_p為調(diào)節(jié)比例系數(shù)；k_I為調(diào)節(jié)積分系數(shù)；k_D為調(diào)節(jié)微分系數(shù)；E(k)為第k次采樣時(shí)的偏差；E(k-1)為第k-1次采樣時(shí)的偏差；k為采樣序號(hào)，k為大于或等于1的整數(shù)，j為變量。

具體實(shí)施方式八：參見圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式七所述的采用一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法的區(qū)別在于，所述的關(guān)系式α′＝f(4E_m)的獲得過程為：

步驟A1、利用電機(jī)控制器改變給MOSFET管VT₀的控制指令，即控制指令為當(dāng)前占空比α′的給定數(shù)值，利用當(dāng)前占空比α′控制時(shí)，采集反激電路輸出的直流電壓U_dc，

反復(fù)執(zhí)行步驟A1來獲取多組當(dāng)前占空比α′與直流電壓U_dc之間關(guān)系的歷史數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行步驟A2；

步驟A2、利用獲取的多組當(dāng)前占空比α′與直流電壓U_dc之間關(guān)系的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到關(guān)系式α′＝f(U_dc)；

步驟A3、為了抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，令U_dc＝4E_m，進(jìn)而獲得關(guān)系式α′＝f(4E_m)作為前饋控制算法的算法模型。

本實(shí)施方式，前饋計(jì)算公式α′＝f(4E_m)是穩(wěn)定狀態(tài)下，得到占空比α′和Sepic變換器1輸出電壓之間的關(guān)系，從而擬合出占空比α′和參考電壓值4E_m之間的關(guān)系，以參考電壓值4E_m為自變量，占空比α′為因變量。

綜上，本發(fā)明提供了一種抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法，根據(jù)無刷直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，特別是換相時(shí)刻，可以通過電機(jī)控制器4來控制Sepic變換器1的MOSFET管的關(guān)斷時(shí)間，來達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的功能。