[發明專利]無刷直流電動機轉矩波動抑制方法

在審

• 申請號: 202110653520.2
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113541539A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 康麗;陸鵬超
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: H02P6/10
• 分類號: H02P6/10;H02P6/34
• 代理公司: 成都東恒知盛知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 51304
• 代理人: 何健雄

1.無刷直流電動機轉矩波動抑制方法，其特征在于：包括以下步驟：

一、建立無刷直流電動機的數學模型；

二、在換相期間，通過改變脈寬調制PWM的調制方式來將兩相調制轉變為三相同步調制；結合電機數學模型和應用電流平均變化率，確定了PWM調制波的最佳占空比；

三、補償占空比；

引入換相時非換相相電流不變作為參考軌跡，測量實際輸出與參考軌跡的偏差，并利用該偏差對占空比進行在線優化補償，實現電流軌跡的閉環預測控制。

2.根據權利要求1所述的無刷直流電動機轉矩波動抑制方法，其特征在于：步驟一中，利用相端對地電壓建立微分方程，則可得電機數學模型的微分方程如下式所示：

其中u_aO、u_bO、u_cO為三相繞組端子對地電壓；u_NO為電機中性點對地電壓；i_a、i_b、i_c為三相電流；e_a、e_b、e_c為三相反電動勢；R為定子繞組的等效電阻；L_s為定子繞組的等效電感。

3.根據權利要求2所述的無刷直流電動機轉矩波動抑制方法，其特征在于：步驟二中，在非換相期間，上橋臂進行PWM調制，下橋臂保持在導通狀態；在換相期間，導通相保持在導通狀態，而關斷相和非換相相則以一定的占空比同步進行PWM調制；

占空比d₁和d₂可以分別定義為：

T_s代表PWM控制周期，t_n代表非換相期間上橋臂的占空比時間，t_c1代表非換相相在上橋臂時的占空比時間，t_c2代表非換相相在下橋臂時的占空比時間，T_c代表換相時間；

對于工作狀態下的三相直流無刷電機，可以分為6個扇區，從當前扇區切換到下一個扇區，需要進行換相操作；

用x、y和z分別代替非換相相、關斷相和導通相，在換相期間，x的上管和y的下管以d₁的占空比同步調制，而z的下管則保持導通狀態；因此，可以得到T₁和T₆在ON狀態和OFF狀態下的等效電路圖；

從ON狀態下的等效電路圖中可以得到三相繞組端電壓如下：u_aO＝U_dc,u_bO＝0,u_cO＝0；將上述數值代入數學模型，那么數學模型可以轉化為：

u_NO可以表示為：

將上式代入數學模型，可以得到ON狀態下的三相繞組電流變化率為：

從OFF狀態下的等效電路圖中可以得到三相繞組端電壓如下：u_aO＝0，u_bO＝_Udc，u_cO＝0；將上述數值代入數學模型，那么數學模型可以轉化為：

u_NO則可以表示為

將上式代入數學模型，可以得到關斷狀態下的三相繞組電流變化率為：

然后，根據占空比的值，在一個PWM周期內三相電流的平均變化率為：

為了保持導通相電流變化率的幅值與關斷相電流變化率的幅值相等，可以得出以下公式：

當在扇區2時，三相反電動勢為：e_x＝E，e_y＝-E，e_z＝-E；將上述數值代入上式并進行簡化后，可以得到d₁的表達式為：

同樣地，當從扇區2切換到扇區3時，非換相相在下橋臂；根據上述相同的步驟，可以得到占空比d₂的表達式為：

當處于扇區3時，三相反電動勢為：e_x＝-E，e_y＝E，e_z＝E；將上述數值代入上式并簡化后，可以得到d₂的表達式為：

通過離散化，得：

在換相期間，當非換相相處于上橋臂時，關斷相和非換相相之間在時刻k施加占空比為d₁(k)的直流電壓U_dc，將迫使非換相繞組的電流在時刻(k+1)達到期望電流；當非換相相處于下橋臂時，關斷相和非換相相之間在時刻k施加占空比為d₂(k)的直流電壓U_dc，將迫使非換相繞組的電流在時刻(k+1)達到期望電流。

4.根據權利要求3所述的無刷直流電動機轉矩波動抑制方法，其特征在于：步驟三中，設電流采樣頻率、電流控制環頻率和PWM控制頻率均為f_s，則相應的控制周期為T_s＝1/f_s，那么單片機上的控制效果可表示為以周期為T_s的離散時間序列控制；設時間K_s是換相起始時刻，那么K_s時刻對應的非換相相電流為i_x(K_s)；設在換相期間進行了n次PWM輸出控制，則換相的持續時間為[K_s,K_s+n]。綜上所述，非換相相電流的參考軌跡i_x^*(k)可以推導為：

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

從上式可以看出，參考軌跡的電流值是換相開始時刻K_s的非換相相電流的采樣值；因此，可以引入參考軌跡和實際輸出之間的誤差來補償占空比；占空比d₁和d₂的表達式為：

其中，G是閉環預測控制增益。