具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面通过具体实施例，进行详细的说明。

为便于理解，本文首先介绍无刷直流电机系统的结构和工作方式，然后进行理论分析，推导出相关的原理公式，作为本发明的理论依据，最后在理论依据的指导下提出和描述本发明技术方案的具体内容。

(一)无刷直流电机系统介绍

图1为一个实际的无刷直流电机驱动电路组成原理图。从原理图中可以看出整个无刷直流电机由五部分组成：控制器部分，驱动电路(驱动器)部分，逆变电路部分，电机本体部分以及电机转动位置检测(传感器)部分。

从直流电机的系统组成可以看出，直流电机是一种同步电机。转子的磁场旋转与定子的激励磁场是同步的。由于定子的磁场旋转频率由励磁的电源的频率决定，因而转子的旋转频率也由定子的电源频率决定。

电机的工作过程就是由定子产生可控制的旋转磁场，从而带动载有负荷的转子旋转。在无刷直流电机中，定子采用激励绕组，基本上采用星型接法；转子上则贴有永磁材料，转子的磁极对数对电机的转速有影响，一般假定这个磁极对数为P。

图2为定子线圈在驱动电路控制下产生旋转磁场的状态原理图，A、B、C为定子上的绕组线圈，N-S表示转子上的永磁体。A、B、C分别与驱动电路的场效应管开关控制的输出端口A、B、C相连。这三个线圈受驱动电路的控制，产生旋转磁场。一个旋转过程基本由六个基本控制状态组成，通常称为六拍工作方式。图2中(1)至(6)所示的六个步骤就展示了由驱动电路控制定子线圈的这六拍工作过程，如下所述。

步骤(1)：驱动电路控制A接电源，B悬空，C接地，此时对应图中的①，电机带有永磁体N-S的转轴被固定在①的位置。

步骤(2)：在步骤(1)的基础上，驱动电路控制A接电源、B接地，C悬空，此时对应图中的②，电机带有永磁体N-S的转轴就在(1)基础上旋转一个角度，达到②的位置。

步骤(3)：在步骤(2)的基础上，驱动电路控制C接电源、B接地，A悬空，此时对应图中的③，电机带有永磁体N-S的转轴就在(2)基础上旋转一个角度，达到③的位置。

步骤(4)：在步骤(3)的基础上，驱动电路控制C接电源、A接地，B悬空，此时对应图中的④，电机带有永磁体N-S的转轴就在(3)基础上旋转一个角度，达到④的位置。

步骤(5)：在步骤(4)的基础上，驱动电路控制B接电源、A接地，C悬空，此时对应图中⑤，电机带有永磁体N-S的转轴就在(4)基础上旋转一个角度，达到⑤的位置。

步骤(6)：在步骤(5)的基础上，驱动电路控制B接电源、C接地，A悬空，此时对应图中⑥，电机带有永磁体N-S的转轴就在(5)基础上旋转一个角度，达到⑥的位置。

步骤(1)-(6)中，驱动电路通过控制A、B、C三个线圈的接电源、接地、悬空，产生了一个基本的旋转磁场；后面又回到(1)，继续循环，电机也继续旋转。

在步骤(1)-(6)的六拍相序控制过程中，驱动电路需要随时知道当时电机转子处于哪一个状态位置，才能决定由驱动电路切换到接下来的工作状态。转子的位置检查，一般通过位置传感器例如霍尔传感器检测转子的磁极位置来完成，或者通过检测定子线圈的反电动势来实现。

无刷直流电机对运动系统的速度控制、功率控制以及无刷直流电机的各种动态性能性能，除了电机制造工艺本身的原因外，主要还是由控制器控制驱动器输出PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)波控制定子的旋转磁场来实现。

从上面所述的无刷直流电机的组成结构和工作原理可以看出，无刷直流电机的总的转速由PWM波的频率决定。但PWM波的功率又直接影响电机的瞬时速度。这样总的速度与瞬时速度在不一致的情况下，电机就必然产生急速加速和急速减速的情况，这就是无刷直流电机存在的脉动现象。由于脉动现象的存在，使得无刷直流电机的控制精度变差，也导致无谓的能耗损耗。

(二)驱动电机转动的功率计算分析

不失一般性，设驱动电路的直流供电电源电压为U_s，输出PWM波的占空比为ratio，频率为f。则有f＝1/T，T为PWM波的信号周期。

令T＝T_H+T_L，T_H和T_L分别为PWM波一个周期内高电平时间和低电平时间，显然有高电平u_H＝U_s，低电平u_L＝0。

于是有：T_H＝ratio*T (1)

假设整个PWM波的有效电压为u，则有：

由式(1)和(2)可得：u＝ratio*u_H (3)

不失一般性，设无刷直流电机的三个绕组线圈，即A、B、C线圈电感均为L，流过线圈的有效电流为i，则有：

式(4)中，角频率ω＝2πf，f为PWM波的频率。(4)式分母中的电感包括线圈A、B、C中的任意两个线圈，因而总电感为2L。R为线圈电阻。j为复数的虚部标志参数。

由于线圈的电阻远小于电感的阻抗值，即R＜＜jωL，所以，由式(4)可以简化得到：

进一步由(5)式可以简化得到：

上面式(5)和(6)中，k是一个常数值，f为PWM波的频率，L为定子线圈绕组的电感值。

由式(3)和(6)式，可以计算得到驱动电源输出给电机的功率值为：

由(7)式可以看出，驱动电路给电机输出的功率与电源电压值Us的平方以及PWM波的占空比ratio的平方的乘积成正比，与线圈的电感L和PWM波的频率f的乘积成反比。(7)式的结果非常重要，对于我们设计驱动电路，对于我们设计电机的控制参数，调整电机的工作状态有非常重要的指导意义。

(三)驱动电路给电机输出的功率与电机转动状态的关系

假设电机的转速为每分钟转的圈数为N。考虑到线圈的电阻很小，在实际应用中可以忽略。设电机从驱动电路获得的转矩为TM，则有：

P＝TM*Ω＝0.105*TM*N (8)

在式(8)中，P为驱动电路输出的功率，Ω为电机的角速度，N为电机每分钟转的圈数(转速)，有Ω＝2*π*N/60＝0.105N。

由(7)(8)两式可以得到：

其中，c为常数。

假设电机在一定负载(也可以是空载)情况下，可以保持每分钟转N0圈匀速转动需要的转矩为TM0，则有：

TM＝TM0+(1/2)*J*β (10)

其中J为电机的惯性量，J＝mr²，m为电机转动系统的质量，r为电机转动系统转动半径，β为电机旋转的加速度。

另外，通过对无刷直流电机原理即无刷直流电机定子磁场驱动转子的特性分析可以知道，电机总的转速由PWM波的频率f决定，有关系式：

N＝60*f/P (11)

在(11)中，N为电机每分钟转的圈数，P为电机转子上的磁极对数。

由(9)(11)可以得到：

在(12)中，C为常数，

如上，式(10)、(11)和(12)是约束电机工作的基本公式。以式(10)、(11)(12)为基础，可以分析得出各种电机工作状态特性情况以及如何对电机的各种工作状态进行PWM参数调整，使得电机保持高质量运行。

(四)抑制无刷直流电机脉动的参数设置及控制原理及方法

根据以上两部分分析可知，无刷直流电机的脉动现象与其功率有极大关系。

(1)当功率足够大时

电机能正常转动，此时TM≥TM0。由(11)式知道，电机的转速由电源PWM波的频率f决定。

假如根据生产实际情况需要设定电机转速为每分钟旋转的圈数为N0，由于N0＝60*f₀/P，此时需要PWM设置电源频率为f₀，所需要的转矩为TM0。假如此时当TM口TM0，电机转动过程将出现剧烈脉动。

当TM□TM0时，电机旋转的角速度的加速度β＞0，角速度将增速。但电机总的转速N0由f₀决定，则电机在转动过程中将出反复加速和减速的情况。当转子位置与定子磁场方向一致时(见图2的电机转子位置状态①-⑥)，电机旋转剧烈加速；在转子继续转动与偏离定子磁场方向时(图2中，电机转子位置偏离状态①-⑥，进入相邻两个位置的间隙)，电机旋转剧烈减速。电机在整个转动过程中就这样不断出现脉动。但整个过程转速N0还是由f₀决定不变。

电机工作出现剧烈脉动，运转不平稳，工作质量特性变差。为了减少电机工作过程中的脉动，可以增大电机的工作负载，即提升TM0，使得TM＝TM0；若不改变负载又想保持转速N0不变，此时可以根据(12)式来调整。由(12)式知道，由于N0设定，因而f也就设定；Us为电源电压，系统设计好后，其值也是设定的；C为常数，因而想让TM降下来，可以进行调整操作的就是电源信号的PWM波的占空比，即逐渐减少ratio的值，直至使得TM＝TM0。

(2)当功率可能不足时

显然，此时TM＜TM0，因而β＜0，电机的角速度断减小。但是根据式(9)当N逐渐减小的过程中，TM将迅速变大，此时将有β＞0，电机转速又会增大。但是由于电机功率不足于带动负载转动，因而电机一旦有转速，速度又迅速减小。所以，在此种情况下，电机的表现是振动状态，想动而动不了，并不断发出振动噪声，出现卡死情形。

若想电机带动负载正常工作，就必须增大电机功率，也即增大TM。

在增大TM的调试过程中，由(12)式知道，若想增大TM，可以增大电源PWM波的占空比ratio，也可以降低PWM波的频率f。考虑到(11)式N＝60*f/P，电机的转速设定的情况下，f也就确定了。所以如果想让电机在希望设定的速度下运行，剩下的办法只有提高电源PWM波的占空比ratio，最后使得TM≥TM0，保证电机在设定的速度下正常运转。

但是，因为PWM波的占空比恒小于，即ratio≤1，如果最大限度提高占空比仍不能保证TM≥TM0，电机也无法正常工作的情况下，由(12)式知，那就必须考虑降低设定的电机的转速N0，也即降低电机PWM波的频率f，最后使得电机能够带动负载正常转动，此时满足TM≥TM0。

以上，阐述了本发明实施例中抑制无刷直流电机脉动的参数设置及控制原理及方法的具体内容，其理论基础是通过理论分析和计算所得到的公式(10)、(11)和(12)，尤其是公式(12)。

(五)抑制无刷直流电机脉动的方法的实现流程

根据以上第(三)部分的推理可知，为了能够非常好的抑制脉动现象，应根据电机的转矩，对电源信号PWM波的占空比或者频率进行调整。为此，首先要做解决的是如何获取电机的转矩。而根据式(10)可知，电机的转矩，是根电机旋转的加速度正相关的。所以，我们可以根据电机旋转的加速度来对功率进行调节。基于上述思想，本发明实施例提供的一种通过抑制无刷直流电机脉动，控制无刷直流电机平稳工作的方法。

请参考图3，本发明实施例的一种控制无刷直流电机平稳工作的方法，包括：

S1、检测电机的实际转速V，并计算与设定转速V0的速度偏差VD，VD＝V-V0；

S2、在V＝0时，增大所述占空比ratio，在所述占空比ratio无法继续增加时，则转为降低所述频率f。

S3、在V>0时，计算转速的加速度B，B＝(V-V1)*f；其中，f是用于驱动电机的PWM波的频率，V1为比V早一个PWM周期的转速；根据所述速度偏差VD和所述加速度B，调整所述PWM波的占空比ratio。

请参考图4，在一个具体应用场景实施例中，本发明实施例方法的具体实施过程包括下述步骤：

(0)设置希望的电机转速即设定转速为V0；设置允许电机的转速的偏差数值即允许偏差值VE；设置驱动电机的PWM波占空比初值ratio，占空比调整步长Δration；为使电机的转速为V0，设置PWM波的频率为f0，并设置PWM波的频率调整步长Δf；

(1)检测电机的实际转速(瞬时转速)，记为V，并计算速度偏差为VD＝V-V0；

其中，检测电机瞬时转速V的方法可依据现有技术实现。示例性的，可通过霍尔传感器来获取瞬时转速。无刷直流电机驱动方案中，常常会用霍尔传感器进行转子位置检测，电机的三相对应三个霍尔传感器，每个周期每个霍尔传感器有两个状态输出，则一个完整的周期可被分为例如六个扇区，容易计算得到每个扇区的平均转速。在一些实施例中，如果对瞬时转速的要求不是非常高，则可以用所在扇区的平均速度作为当前的实际转速(瞬时转速)。

(2)判断电机是否卡死，即V＝0？如果V＝0，进入步骤(3)；如果V>0，则进入步骤(4)；

(3)如果V＝0，则增大占空比，令ratio＝ratio+Δration；判断是否有ratio>1？如果否，则按增大后的占空比ratio调整PWM波；如果是，说明占空比ratio无法继续增加，则转为调整频率，令f＝f-Δf，按减小后的频率f调整PWM波；

然后返回判断步骤(2)；

(4)计算转速的加速度B，B＝(V2-V1)*f；其中，V2为当前转速，也就是步骤(1)中检测得到的实际转速V，V1为比V2早一个PWM周期的转速，即，V1和V2的时间间隔为PWM周期T。由于频率f＝1/T，加速度公式也可写为B＝(V2-V1)/T。

本步骤中，根据速度偏差VD和加速度B，调整PWM波的占空比ratio。

若VD>VE，说明出现脉动且当前速度过高，则进一步判断加速度B是否大于0；若此时B<0，说明已经在减速，当前不需要调整，等待转速降下来即可；若B>0，说明还在继续加速，需要进行减少转矩的操作，则进行减小占空比的调整，令ratio＝ratio-Δration；若B＝0，可参照B>0进行操作；

若VD<-VE，说明出现脉动且当前速度过低，则进一步判断加速度B是否小于0；若此时B>0，说明已经在加速，当前不需要调整，等待转速提上去即可；若B<0，说明还在继续减速，需要进行增加转矩的操作，则进行增大占空比的调整，令ratio＝ratio+Δration；若B＝0，可参照B<0进行操作；

若调整后的占空比ratio在0和1之间，则按调整后的占空比调整PWM波。

(5)进一步的，由于占空比是一个介于0到1之间的数，若调整(计算)后的占空比ratio>＝1，说明占空比无法继续增加，则根据公式(12)应进行降低频率的操作，令f＝f-Δf；若调整(计算)后的占空比ratio<＝0，说明占空比无法继续减小，则根据公式(12)应进行提高频率的操作，令f＝f+Δf。

然后，返回步骤(2)。

如上，本发明实施例方法是根据转速以及转速的加速度变化，来调整占空比(脉宽)，以调整功率。而其实加速度是由转矩大小决定的。本发明方法是考虑速度变化的基础上，进一步考虑了加速度变化，提高了功率调整的精细度、精准度，与现有技术中仅仅根据速度大小调整占空比(脉宽)有实质区别。

(六)控制无刷直流电机平稳工作的系统

请参考图5，本发明实施例还提供一种控制无刷直流电机平稳工作的系统，该系统包括：

检测单元51，用于检测电机的实际转速V，并计算与设定转速V0的速度偏差VD，VD＝V-V0；

计算单元52，用于在V>0时，计算转速的加速度B，B＝(V-V1)*f；其中，f是用于驱动电机的所述PWM波的频率，V1为比V早一个PWM周期的转速；

调整单元53，用于在V>0时，根据所述速度偏差VD和所述加速度B，调整所述PWM波的占空比ratio。

可选的，所述调整单元53，还用于在V＝0时，增大所述占空比ratio，在所述占空比ratio无法继续增加时，则转为降低所述频率f。

可选的，所述调整单元53具体用于：

将所述速度偏差VD与设定的允许偏差值VE进行比较；

若VD>VE，且所述加速度B>0或者B＝0，则减小所述占空比ratio；

若VD<-VE，且所述加速度B<0或者B＝0，则增大所述占空比ratio。

可选的，所述调整单元53具体还用于：

若VD>VE，且所述加速度B<0，则不作调整；

若VD<-VE，且所述加速度B>0，则不作调整。

可选的，所述调整单元53具体还用于：

若所述占空比ratio无法继续增加，则降低所述频率f；

若所述占空比ratio无法继续减小，则提高所述频率f。

以上，对本发明实施例系统进行了说明，关于实现该系统的各个功能单元的更详细的描述，可参考前文方法实施例部分的内容。

(七)本发明的优点：

本发明根据电机的转速，并结合速度的变化量即转速的加速度变化，来调整PWM波的占空比(脉宽)，实现对PWM波的功率的调整，从而抑制电机的脉动现象。而其实加速度是由转矩大小决定的，本发明实际上达成了根据转矩大小调整功率进而抑制脉动现象的目的。

与现有技术中仅仅根据速度大小调整占空比(脉宽)抑制脉冲的技术相比，本发明方案在基于速度因素的基础上，进一步考虑了加速度变化，提升了功率调整的精细度、精准度，使电机工作更稳定，控制精度更高，更节省能耗。因此，与现有技术中仅仅根据速度大小调整占空比(脉宽)有实质区别。

总的来说，本发明方案有助于抑制电机工作过程中出现的脉动现象，有助于防止电机运行过程中出现卡死情形，能保证电机更平稳的工作，能提高电机运动的控制精度，并节省能耗。

以上，通过具体实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

应当理解，上述各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员，可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和保护范围。