一种抑制无刷直流电机转矩脉动的pwm控制方法
阅读说明：本技术 一种抑制无刷直流电机转矩脉动的pwm控制方法 (PWM control method for inhibiting torque ripple of brushless direct current motor ) 是由 朱义潜 于 2021-03-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种抑制无刷直流电机转矩脉动的PWM控制方法,当无刷直流电机工作在120度二相导通方式时,通过对无刷直流电机控制系统中非导通相逆变桥开关管与导通相逆变桥开关管进行互补的PWM控制,使非导通相续流的平均电流大幅度变小；优点是在开关损耗小、电流波动小、不需要检测反电势过零点、成本较低以及控制简单的同时,能够显著降低非导通相续流的平均电流,大幅度改善由于非导通相续流引起的无刷直流电机转矩脉动,较大程度提高无刷直流电机的控制性能。(The invention discloses a PWM control method for inhibiting torque pulsation of a brushless direct current motor, which is characterized in that when the brushless direct current motor works in a 120-degree two-phase conduction mode, the average current of non-conduction phase follow current is greatly reduced by performing complementary PWM control on a non-conduction phase inverter bridge switching tube and a conduction phase inverter bridge switching tube in a brushless direct current motor control system; the method has the advantages that the average current of non-conducting phase follow current can be obviously reduced, the torque pulsation of the brushless direct current motor caused by the non-conducting phase follow current is greatly improved, and the control performance of the brushless direct current motor is greatly improved while the switching loss is small, the current fluctuation is small, the back emf zero crossing point does not need to be detected, the cost is low, the control is simple.)
技术领域
本发明涉及一种PWM控制方法，尤其是涉及一种抑制无刷直流电机转矩脉动的PWM控制方法。
背景技术
无刷直流电机及其控制系统由于调速性能好、效率高、控制简单、成本低等优点，被广泛的应用于各种领域。无刷直流电机控制系统通常采用三相全桥逆变器结构实现，转矩脉动的存在使得无刷直流电机控制性能受到很大的影响，特别低速运行时，由于转矩脉动引起设备噪声和振动，因此转矩脉动抑制技术一直以来都是无刷直流电机研究的热点问题。
无刷直流电机转矩脉动分为换相引起的转矩脉动和非导通相续流引起的转矩脉动。换相引起的转矩脉动可以通过电流环控制方式改善，非导通相续流引起的转矩脉动与PWM调制方式有关。无刷直流电机工作于120度二相导通方式时，常见的PWM调制方式有以下6种：⑴PWM_ON；⑵ON_PWM；⑶H_PWM_L_ON；⑷H_ON_L_PWM；⑸H_PWM_L_PWM；⑹PWM_ON_PWM。这6种PWM调制方式都为单极式控制(同桥臂上下开关管只有一个开关管进行PWM控制，另外一个开关管常关)，这6种PWM调制方式都有对应的双极式PWM调制方式(即同桥臂上下开关管同时进行PWM互补控制)，每种双极式PWM调制方式非导通相续流引起的转矩脉动与其对应的单极式PWM调制方式类同。上述6种PWM调制方式中，H_PWM_L_PWM和PWM_ON_PWM均不存在非导通相续流，但H_PWM_L_PWM存在开关损耗大、电流波动大的缺点，PWM_ON_PWM需要检测反电势过零点，成本相对较高，控制复杂，故此这两种调制方式很少被采用，也不适合推广应用。PWM_ON、ON_PWM、H_PWM_L_ON、H_ON_L_PWM具有开关损耗小、电流波动小、不需要检测反电势过零点、成本相对较低和控制简单的优点，是当前主要使用的几种PWM调制方式。但是如表1所示，PWM_ON、ON_PWM、H_PWM_L_ON、H_ON_L_PWM这四种调制方式都存在非导通相续流，无刷直流电机的控制性能还有较大的提升空间。
表1四种PWM调制方式下非导通相续流区间
表1中，(+)表示非导通相绕组中流过正向续流电流，(-)表示非导通相绕组中流过负向续流电流，×表示没有续流电流。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种抑制无刷直流电机转矩脉动的PWM控制方法，该PWM控制方法在开关损耗小、电流波动小、不需要检测反电势过零点、成本较低以及控制简单的同时，能够显著降低非导通相续流的平均电流，大幅度改善由于非导通相续流引起的无刷直流电机转矩脉动，较大程度提高无刷直流电机的控制性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种抑制无刷直流电机转矩脉动的PWM控制方法，当无刷直流电机工作在120度二相导通方式时，通过对无刷直流电机控制系统中非导通相逆变桥开关管与导通相逆变桥开关管进行互补的PWM控制，使非导通相续流的平均电流大幅度变小。
在无刷直流电机控制系统其中两相导通期间，对于电流流入相逆变桥上桥臂开关管开通、电流流出相逆变桥下桥臂开关管进行PWM控制情况下，对非导通相逆变桥上桥臂开关管进行与电流流出相逆变桥下桥臂开关管互补的PWM控制，并设置死区时间；在无刷直流电机控制系统其中两相导通期间，对于电流流入相逆变桥上桥臂开关管进行PWM控制、电流流出相逆变桥下桥臂开关管开通情况下，对非导通相逆变桥下桥臂开关管进行与电流流入相逆变桥上桥臂开关管互补的PWM控制，并设置死区时间。
与现有技术相比，本发明的优点在于当无刷直流电机工作在120度二相导通方式时，通过对无刷直流电机控制系统中非导通相逆变桥开关管与导通相逆变桥开关管进行互补的PWM控制，使非导通相续流的平均电流大幅度变小，从而改善由于非导通相续流引起的无刷直流电机转矩脉动，由此本发明在具有开关损耗小、电流波动小、不需要检测反电势过零点、成本较低以及控制简单的优点同时，还能够显著降低非导通相续流的平均电流，大幅度改善由于非导通相续流引起的无刷直流电机转矩脉动，较大程度提高无刷直流电机的控制性能。
附图说明
图1为本发明的抑制无刷直流电机转矩脉动的PWM控制方法的无刷直流电机控制系统的电路图；
图2为本发明的抑制无刷直流电机转矩脉动的PWM控制方法的波形图一；
图3为本发明的抑制无刷直流电机转矩脉动的PWM控制方法的波形图二；
图4为采用H_PWM_L_ON调制方式现有方法的PWM波形；
图5为采用H_PWM_L_ON调制方式结合本发明PWM控制方法的PWM波形；
图6为采用H_PWM_L_ON调制方式现有方法的无刷直流电机的相电流波形图；
图7为采用H_PWM_L_ON调制方式结合本发明PWM控制方法的无刷直流电机的相电流波形图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：一种抑制无刷直流电机转矩脉动的PWM控制方法，当无刷直流电机工作在120度二相导通方式时，通过对无刷直流电机控制系统中非导通相逆变桥开关管与导通相逆变桥开关管进行互补的PWM控制，使非导通相续流的平均电流大幅度变小，从而改善由于非导通相续流引起的无刷直流电机转矩脉动，较大程度提高无刷直流电机的控制性能。
本实施例中，在无刷直流电机控制系统其中两相导通期间，对于电流流入相逆变桥上桥臂开关管开通、电流流出相逆变桥下桥臂开关管进行PWM控制情况下，对非导通相逆变桥上桥臂开关管进行与电流流出相逆变桥下桥臂开关管互补的PWM控制，并设置死区时间；在无刷直流电机控制系统其中两相导通期间，对于电流流入相逆变桥上桥臂开关管进行PWM控制、电流流出相逆变桥下桥臂开关管开通情况下，对非导通相逆变桥下桥臂开关管进行与电流流入相逆变桥上桥臂开关管互补的PWM控制，并设置死区时间。
无刷直流电机为三相无刷直流电机，具有A相、B相和C相，与此对应，无刷直流电机控制系统结构为三相全桥逆变器，其电路图如图1所示。图1中，开关管VT1、开关管VT4、二极管VD1和二极管VD4构成三相全桥逆变器的A相逆变桥，开关管VT3、开关管VT6、二极管VD3和二极管VD6构成三相全桥逆变器的B相逆变桥，开关管VT5、开关管VT2、二极管VD5和二极管VD2构成三相全桥逆变器的C相逆变桥，Va为A相对地电压，Vb为B相对地电压，Vc为C相对地电压，ia为A相相电流,ib为B相相电流,ic为C相相电流ea为A相反电动势，eb为B相反电动势，ec为C相反电动势，R为定子绕组电阻，L为定子绕组等效电感，Vn为无刷直流电机电枢绕组中心节点电压，Udc为直流母线电压。本发明应用于无刷直流电机控制系统的实现方法阐述如下：
在A-B相通电时，此期间C相为非导通相，C相逆变桥为非导通相逆变桥，开关管VT5为非导通相逆变桥上桥臂开关管，VT2为非导通相逆变桥下桥臂开关管，A相和B相为两个导通相，此时有两种情况，第一种情况是电流从A相流入B相流出，A相为电流流入相，B相为电流流出相，A相逆变桥为电流流入相逆变桥，B相逆变桥为电流流出相逆变桥，开关管VT1为电流流入相逆变桥上桥臂开关管，开关管VT4为电流流入相逆变桥下桥臂开关管，开关管VT3为电流流出相逆变桥上桥臂开关管，开关管VT6为电流流出相逆变桥下桥臂开关管，第二种情况是电流从B相流入A相流出,A相为电流流出相，B相为电流流入相，A相逆变桥为电流流出相逆变桥，B相逆变桥为电流流入相逆变桥，开关管VT1为电流流出相逆变桥上桥臂开关管，开关管VT4为电流流出相逆变桥下桥臂开关管，开关管VT3为电流流入相逆变桥上桥臂开关管，开关管VT6为电流流入相逆变桥下桥臂开关管。在第一种情况时，如果开关管VT1导通，开关管VT6以设定的占空比进行PWM控制，在这种PWM控制方式下，本发明的方法控制非导通相逆变桥下桥臂开关管VT2关断，以及控制非导通相逆变桥上桥臂开关管VT5进行PWM控制，并与开关管VT6形成互补PWM输出控制方式(根据实际使用情况需要设置合适的死区时间),对开关管VT5和开关管VT6进行PWM控制的波形图如图2所示；如果开关管VT1以设定的占空比进行PWM控制，开关管VT6导通，在这种PWM控制方式下，本发明的方法控制非导通相逆变桥上桥臂开关管VT5关断，控制非导通相逆变桥下桥臂开关管VT2进行PWM控制，并与开关管VT1形成互补PWM输出控制方式(根据实际使用情况需要设置合适的死区时间),对开关管VT1和开关管VT2进行PWM控制的波形图如图3所示。在第二种情况时，如果开关管VT3导通，开关管VT4以设定的占空比进行PWM控制，在这种PWM控制方式下，本发明的方法控制非导通相逆变桥下桥臂开关管VT2关断，以及控制非导通相逆变桥上桥臂开关管VT5进行PWM控制，并与开关管VT4形成互补PWM输出控制方式(根据实际使用情况需要设置合适的死区时间)；如果开关管VT3以设定的占空比进行PWM控制，开关管VT4导通，在这种PWM控制方式下，本发明的方法控制非导通相逆变桥上桥臂开关管VT5关断，控制非导通相逆变桥下桥臂开关管VT2进行PWM控制，并与开关管VT3形成互补PWM输出控制方式(根据实际使用需要情况设置合适的死区时间)。
在A-C相通电时，此期间B相为非导通相，B相逆变桥为非导通相逆变桥,开关管VT3为非导通相逆变桥上桥臂开关管，VT6为非导通相逆变桥下桥臂开关管，A相和C相为两个导通相，此时有两种情况，第一种情况是电流从A相流入C相流出,A相为电流流入相，C相为电流流出相，A相逆变桥为电流流入相逆变桥，C相逆变桥为电流流出相逆变桥，开关管VT1为电流流入相逆变桥上桥臂开关管，开关管VT4为电流流入相逆变桥下桥臂开关管，开关管VT5为电流流出相逆变桥上桥臂开关管，开关管VT2为电流流出相逆变桥下桥臂开关管，第二种情况是电流从C相流入A相流出,A相为电流流出相，C相为电流流入相，A相逆变桥为电流流出相逆变桥，C相逆变桥为电流流入相逆变桥，开关管VT1为电流流出相逆变桥上桥臂开关管，开关管VT4为电流流出相下桥臂逆变桥开关管，开关管VT5为电流流入相逆变桥上桥臂开关管，开关管VT2为电流流入相逆变桥下桥臂开关管。在第一种情况时，如果开关管VT1导通，开关管VT2以设定的占空比进行PWM控制，在这种PWM控制方式下，本发明的方法控制非导通相逆变桥下桥臂开关管VT6关断，以及控制非导通相逆变桥上桥臂开关管VT3进行PWM控制，并与开关管VT2形成互补PWM输出控制方式(根据实际使用情况需要设置合适的死区时间)；如果开关管VT1以设定的占空比进行PWM控制，开关管VT2导通，在这种PWM控制方式下，本发明的方法控制非导通相逆变桥上桥臂开关管VT3关断，控制非导通相逆变桥下桥臂开关管VT6进行PWM控制，并与开关管VT1形成互补PWM输出控制方式(根据实际使用情况需要设置合适的死区时间)。在第二种情况时，如果开关管VT5导通，开关管VT4以设定的占空比进行PWM控制，在这种PWM控制方式下，本发明的方法控制非导通相逆变桥下桥臂开关管VT6关断，以及控制非导通相逆变桥上桥臂开关管VT3进行PWM控制，并与开关管VT4形成互补PWM输出控制方式(根据实际使用情况需要设置合适的死区时间)；如果开关管VT5以设定的占空比进行PWM控制，开关管VT4导通，在这种PWM控制方式下，本发明的方法控制非导通相逆变桥上桥臂开关管VT3关断，控制非导通相逆变桥下桥臂开关管VT6进行PWM控制，并与开关管VT5形成互补PWM输出控制方式(根据实际使用情况需要设置合适的死区时间)。
在B-C相通电时，此期间A相为非导通相，A相逆变桥为非导通相逆变桥,开关管VT1为非导通相逆变桥上桥臂开关管，VT4为非导通相逆变桥下桥臂开关管，B相和C相为两个导通相，此时有两种情况，第一种情况是电流从B相流入C相流出,B相为电流流入相，C相为电流流出相，B相逆变桥为电流流入相逆变桥，C相逆变桥为电流流出相逆变桥，开关管VT3为电流流入相逆变桥上桥臂开关管，开关管VT6为电流流入相逆变桥下桥臂开关管，开关管VT5为电流流出相逆变桥上桥臂开关管，开关管VT2为电流流出相逆变桥下桥臂开关管，第二种情况是电流从C相流入B相流出,B相为电流流出相，C相为电流流入相，B相逆变桥为电流流出相逆变桥，C相逆变桥为电流流入相逆变桥，开关管VT3为电流流出相逆变桥上桥臂开关管，开关管VT6为电流流出相逆变桥下桥臂开关管，开关管VT5为电流流入相逆变桥上桥臂开关管，开关管VT2为电流流入相逆变桥下桥臂开关管。在第一种情况时，如果开关管VT3导通，开关管VT2以设定的占空比进行PWM控制，在这种PWM控制方式下，本发明的方法控制非导通相逆变桥下桥臂开关管VT4关断，以及控制非导通相逆变桥上桥臂开关管VT1进行PWM控制，并与开关管VT2形成互补PWM输出控制方式(根据实际使用需要情况设置合适的死区时间)；如果开关管VT3以设定的占空比进行PWM控制，开关管VT2导通，在这种PWM控制方式下，本发明的方法控制非导通相逆变桥上桥臂开关管VT1关断，控制非导通相逆变桥下桥臂开关管VT4进行PWM控制，并与开关管VT3形成互补PWM输出控制方式(根据实际使用情况需要设置合适的死区时间)。在第二种情况时，如果开关管VT5导通，开关管VT6以设定的占空比进行PWM控制，在这种PWM控制方式下，本发明的方法控制非导通相逆变桥下桥臂开关管VT4关断，以及控制非导通相逆变桥上桥臂开关管VT1进行PWM控制，并与开关管VT6形成互补PWM输出控制方式(根据实际使用情况需要设置合适的死区时间)；如果开关管VT5以设定的占空比进行PWM控制，开关管VT6导通，在这种PWM控制方式下，本发明的方法控制非导通相逆变桥上桥臂开关管VT1关断，控制非导通相逆变桥下桥臂开关管VT4进行PWM控制，并与开关管VT5形成互补PWM输出控制方式(根据实际使用情况需要设置合适的死区时间)。
以应用最广泛的H_PWM_L_ON调制方式为例，分别对采用本发明PWM控制方法的无刷直流电机和不采用本发明控制方法(现有方法)的无刷直流电机的相电流进行测试，其中，采用H_PWM_L_ON调制方式现有方法的PWM波形如图4所示，采用H_PWM_L_ON调制方式结合本发明PWM控制方法的PWM波形如图5所示，采用H_PWM_L_ON调制方式现有方法的无刷直流电机的相电流波形如图6所示，采用H_PWM_L_ON调制方式结合本发明PWM控制方法的无刷直流电机的相电流波形如图7所示，图6和图7中，横坐标表示时间，单位为s，纵坐标表示电流，单位为A。分析图6和图7可知，不采用本发明PWM控制方法(现有方法)，在非导通相反电动势电压小于0时，通过非导通相逆变桥下桥臂二极管实现续流，在非导通相反电动势电压大于0时没有续流，采用本发明PWM控制方法，在非导通相反电动势电压大于0时，由于非导通相逆变桥下桥臂开关管也在进行PWM控制，因此通过非导通相逆变桥下桥臂开关管实现续流，从而在非导通相反电动势电压大于0和小于0时都有续流，且方向相反，使续流平均电流大幅度减少。采用另外三种PWM_ON、ON_PWM、H_ON_L_PWM调制方式时，结合本发明PWM控制方法，无刷直流电机的相电流也能产生相同的效果。
综上所述，本发明PWM控制方法相对于现有方法，能够使非导通相续流的平均电流大幅度变小，大幅度改善由于非导通相续流引起的无刷直流电机转矩脉动，较大程度提高无刷直流电机的控制性能。
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