[发明专利]一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置，本发明也涉及一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制方法，具体属于无刷直流电机控制领域。

背景技术

最近几十年来，无刷直流电动机由于其高功率密度、高转矩、高功率因数、控制简单、维护成本低特点，已经被广泛应用于各种工业领域。但由于电机存在转矩脉动产生的振动和噪声限制了无刷直流电机在高精度领域的应用。

造成转矩脉动的主要原因有：一、加工制造过程存在误差，会导致周期性的转矩脉动；二、PWM调制方法会造成小幅度的高频转矩脉动；三、换相转矩脉动，约占总脉动量的50％，是对直流无刷电机影响最严重的因素。所以，抑制直流无刷电机换相转矩脉动一直是近几十年来的研究热点。

目前，研究的主要方法很多，如果按照使用控制量进行分类，可以分为使用转矩作为控制量和使用电流作为控制量两类；如果按照具体实现方法分类，则可以分为直接转矩、智能控制算法、开关调制法和开关变换器法等。其中，开关变换器法是在电源与逆变器之间串联各种拓扑结构的开关变换器，在电机换相阶段开关变换器提高母线电压，使母线电压等于4倍反电动势幅值，从而有效地抑制换相转矩脉动。开关变换器法的优点是换相转矩脉动抑制效果好，但是成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置。本发明的目的还在于提供一种既可以抑制浪涌电流又可以提升能量利用率的换相转矩脉动抑制方法。

本发明的一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置包括电源(Us)、换相转矩抑制装置、逆变器和无刷直流电机，所述的换相转矩抑制装置由两个功率开关(S1和S2)、两个电容(C1和C2)、三个二极管(D1、D2和D3)和1个反激变压器(T1)组成，所述电源(Us)正极与第一二极管(D1)的阳极、第三二极管(D3)的阴极和第一功率开关(S1)的漏极连接，电源(Us)阴极与第一功率开关(S1)的源极和第二功率开关(S2)的漏极相连。

所述一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置，第二电容(C2)阳极分别与第三二极管(D3)的阳极和第二二极管(D2)的阴极连接，第二电容(C2)阴极与参考点连接。

所述一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置，所述反激变压器(T1)原边的一端与第二二极管(D2)的阳极相连，反激变压器(T1)另一端与参考点相连；反激变压器(T1)副边的一端与第二功率开关(S2)的源极连接，反激变压器(T1)另一端与参考点相连。

本发明的一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制方法，具体包括如下步骤：

(1)在非换相期间，第一功率开关(S1)截止，第二功率开关(S2)导通，电源(Us)通过第一二极管(D1)、第二功率开关(S2)和反激变压器(T1)的原边向第一电容(C1)充电，反激变压器(T1)抑制第一电容(C1)充电过程中的浪涌电流并将多余的能量以磁能的方式储存起来；

(2)当第一电容(C1)电压幅值U_C1＝4E-U_S，E为反电动势，Us为电源电压时，第二功率开关(S2)截止，停止对第一电容(C1)充电；储存在反激变压器(T1)原边的能量通过副边回馈至电源被重新使用；

(3)换相开始时，第一功率开关(S1)导通，第二功率开关(S2)截止，第一二极管(D1)截止，直流母线电压(U_dc)由电源电压(Us)与电容(C1)电压(Uc₁)串联构成；

(4)直至换相结束，整个换相期间，直流母线电压U_dc＝4E，从而有效抑制换相转矩脉动。

本发明提供一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置及方法。在非换相阶段对电容充电，达到期望电压值时，停止充电；当换相开始时，将充电电容串联入直流母线，使整个换相阶段直流母线电压(电容电压幅值与电源电压幅值之和)维持在4倍反电动势幅值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、在传统方法中，在电机正常导通阶段和换相阶段对逆变器使用不同的调制策略，使控制器的设计复杂；本发明在电机运行中始终使用相同的调制策略，极大简化了控制器的设计；

2、抑制充电过程中的浪涌电流，并且将充电过程中多余的能量回馈至电源重新使用，提高能量的利用率；

3、本发明装置结构简单，控制方法易于实现。

附图说明

图1是一种带有能量回馈功能的换相转矩脉动抑制装置结构图。