[发明专利]无刷直流电动机转矩波动抑制方法

权利要求书

1.无刷直流电动机转矩波动抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

一、建立无刷直流电动机的数学模型；

二、在换相期间，通过改变脉宽调制PWM的调制方式来将两相调制转变为三相同步调制；结合电机数学模型和应用电流平均变化率，确定了PWM调制波的最佳占空比；

三、补偿占空比；

引入换相时非换相相电流不变作为参考轨迹，测量实际输出与参考轨迹的偏差，并利用该偏差对占空比进行在线优化补偿，实现电流轨迹的闭环预测控制。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电动机转矩波动抑制方法，其特征在于：步骤一中，利用相端对地电压建立微分方程，则可得电机数学模型的微分方程如下式所示：

其中u_aO、u_bO、u_cO为三相绕组端子对地电压；u_NO为电机中性点对地电压；i_a、i_b、i_c为三相电流；e_a、e_b、e_c为三相反电动势；R为定子绕组的等效电阻；L_s为定子绕组的等效电感。

3.根据权利要求2所述的无刷直流电动机转矩波动抑制方法，其特征在于：步骤二中，在非换相期间，上桥臂进行PWM调制，下桥臂保持在导通状态；在换相期间，导通相保持在导通状态，而关断相和非换相相则以一定的占空比同步进行PWM调制；

占空比d₁和d₂可以分别定义为：

T_s代表PWM控制周期，t_n代表非换相期间上桥臂的占空比时间，t_c1代表非换相相在上桥臂时的占空比时间，t_c2代表非换相相在下桥臂时的占空比时间，T_c代表换相时间；

对于工作状态下的三相直流无刷电机，可以分为6个扇区，从当前扇区切换到下一个扇区，需要进行换相操作；

用x、y和z分别代替非换相相、关断相和导通相，在换相期间，x的上管和y的下管以d₁的占空比同步调制，而z的下管则保持导通状态；因此，可以得到T₁和T₆在ON状态和OFF状态下的等效电路图；

从ON状态下的等效电路图中可以得到三相绕组端电压如下：u_aO＝U_dc,u_bO＝0,u_cO＝0；将上述数值代入数学模型，那么数学模型可以转化为：

u_NO可以表示为：

将上式代入数学模型，可以得到ON状态下的三相绕组电流变化率为：

从OFF状态下的等效电路图中可以得到三相绕组端电压如下：u_aO＝0，u_bO＝_Udc，u_cO＝0；将上述数值代入数学模型，那么数学模型可以转化为：

u_NO则可以表示为

将上式代入数学模型，可以得到关断状态下的三相绕组电流变化率为：

然后，根据占空比的值，在一个PWM周期内三相电流的平均变化率为：

为了保持导通相电流变化率的幅值与关断相电流变化率的幅值相等，可以得出以下公式：

当在扇区2时，三相反电动势为：e_x＝E，e_y＝-E，e_z＝-E；将上述数值代入上式并进行简化后，可以得到d₁的表达式为：

同样地，当从扇区2切换到扇区3时，非换相相在下桥臂；根据上述相同的步骤，可以得到占空比d₂的表达式为：

当处于扇区3时，三相反电动势为：e_x＝-E，e_y＝E，e_z＝E；将上述数值代入上式并简化后，可以得到d₂的表达式为：

通过离散化，得：

在换相期间，当非换相相处于上桥臂时，关断相和非换相相之间在时刻k施加占空比为d₁(k)的直流电压U_dc，将迫使非换相绕组的电流在时刻(k+1)达到期望电流；当非换相相处于下桥臂时，关断相和非换相相之间在时刻k施加占空比为d₂(k)的直流电压U_dc，将迫使非换相绕组的电流在时刻(k+1)达到期望电流。

4.根据权利要求3所述的无刷直流电动机转矩波动抑制方法，其特征在于：步骤三中，设电流采样频率、电流控制环频率和PWM控制频率均为f_s，则相应的控制周期为T_s＝1/f_s，那么单片机上的控制效果可表示为以周期为T_s的离散时间序列控制；设时间K_s是换相起始时刻，那么K_s时刻对应的非换相相电流为i_x(K_s)；设在换相期间进行了n次PWM输出控制，则换相的持续时间为[K_s,K_s+n]。综上所述，非换相相电流的参考轨迹i_x^*(k)可以推导为：

i_x^*(k)≡i_x(K_s),k∈[K_s,(K_s+1),...,(K_s+n)]；

从上式可以看出，参考轨迹的电流值是换相开始时刻K_s的非换相相电流的采样值；因此，可以引入参考轨迹和实际输出之间的误差来补偿占空比；占空比d₁和d₂的表达式为：

其中，G是闭环预测控制增益。