[发明专利]无刷直流电动机转矩波动抑制方法

说明书

本发明涉及无刷直流电动机技术领域，具体地说，涉及一种无刷直流电动机转矩波动抑制方法，其包括以下步骤：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。本发明极大地降低了转矩波动，并且在宽转速范围内均有良好的控制效果。

技术领域

本发明涉及无刷直流电动机技术领域，具体地说，涉及一种无刷直流电动 机转矩波动抑制方法，具体为一种基于电流轨迹闭环预测控制的无刷直流电动 机转矩波动抑制方法。

背景技术

无刷直流电动机因其体积小、调速性能好、结构简单而被广泛使用。然而， 由于三相绕组电感的存在，流经电感的电流只能缓慢变化，也就是说，换相期 间关断相电流不能立即变为零，而换相相电流只能缓慢增加到最大值。不同的 电流变化率将引起非换相绕组电流的波动，而这又会影响到电机的电磁转矩， 并在换相期间产生转矩波动。周期性换相转矩波动的存在使其无法应用于高精 度的伺服工业控制系统。因此，抑制换相转矩波动是无刷直流电机领域的研究 热点之一。

Pillay.P和Krishnan.R于1989年在文献中首次提到无刷直流电机控制系统中 的换相转矩波动问题，描述了由于电机绕组电感的存在，使得换相过程中关断 相和导通相电流变化率不一致而导致的换相转矩波动的原理和过程。有文献分 析了换相所需时间与参考电流之间的关系，同时考虑了换相过程中电流波动的 影响，从而提出了电流滞后环控制方法；这种方法主要是控制换相相电流的上 升率，适用于低速运行的电机，但在电机高速运行状态下对换相转矩波动的抑 制效果并不理想。有文献利用最小差拍控制原理，设计了一种电流控制器，在 换相过程中通过输出最佳占空比来控制变频器的输出电流，转矩控制效果明显； 然而，这种方法对参数敏感，容易受到负载环境的干扰。有文献应用了有限状态模型预测控制方法，得出了换相期间非换相绕组电流的预测模型，通过预先 建立的值函数预测未来下一时刻的最佳电流值，然后在有限的开关状态中选择 最合适的开关状态组合来抑制换相转矩的波动；但这种算法实现起来很复杂， 而且电机模型的建立准确精度对控制效果也有非常大的影响。有文献通过划分 PWM周期，在不同的时间段实施不同的调制策略来控制三相绕组的电流变化率， 在高速和低速时分别选择不同的占空比计算方案，可以更好地达到抑制换相转 矩波动目的；但是，低速和高速状态的区分比较模糊，要找到一个合适的边界 比较困难。有文献提出了一种基于SEPIC转换器的转矩波动抑制方法；在换相 期间，使用SEPIC转换器来调节和控制直流母线电压，使关断相的电流递减率 和导通相的电流递增率相等，这大大减少了非换相相电流的纹波，同时，也增 加了系统的成本。

针对上述方法的不足之处，需要一种基于电流轨迹闭环预测控制的无刷直 流电动机转矩波动抑制策略。

发明内容

本发明的内容是提供一种无刷直流电动机转矩波动抑制方法，其能够克服 现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的一种无刷直流电动机转矩波动抑制方法，其包括以下步骤：

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。

作为优选，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：