本發(fā)明屬于電機(jī)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種四開關(guān)三相逆變器驅(qū)動的無刷直流電機(jī)電流波動抑制方法。

背景技術(shù)：

無刷直流電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高和輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)三相無刷直流電機(jī)使用六開關(guān)三相逆變器驅(qū)動。四開關(guān)三相逆變器用兩只串聯(lián)的電容代替了六開關(guān)三相逆變器的一相橋臂，減少了開關(guān)管數(shù)量，具有開關(guān)及導(dǎo)通損耗小，驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用在無刷直流電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域。無刷直流電機(jī)運(yùn)行在三相六狀態(tài)導(dǎo)通模式下時，傳統(tǒng)方法一般采用導(dǎo)通兩相的兩個開關(guān)管同步調(diào)制的雙極性調(diào)制方法。采用這種方法時，與母線電容中點(diǎn)連接的相為非導(dǎo)通相時，該相繞組通過電容與其他兩相形成回路，在相反電動勢的影響下，非導(dǎo)通相電流不能為零，導(dǎo)致三相電流波動。

近年來，為解決四開關(guān)三相逆變器驅(qū)動下的無刷直流電機(jī)中，與母線電容中點(diǎn)連接的那一相為非導(dǎo)通相時，實際非導(dǎo)通相電流不為零的問題，直接電流控制方法是常用方法之一。直接電流控制方法對導(dǎo)通兩相電流開關(guān)管進(jìn)行滯環(huán)控制，分別控制導(dǎo)通兩相電流值等于參考值，間接使非導(dǎo)通相電流為零。借鑒直接電流控制的原理，直接轉(zhuǎn)矩控制對導(dǎo)通兩相轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行滯環(huán)控制來間接控制非導(dǎo)通相電流為零。另外還存在方法通過研究四種不同的電壓矢量對非導(dǎo)通相電流的影響，判斷非導(dǎo)通相電流幅值決定哪種電壓矢量作用，從而控制非導(dǎo)通相電流幅值在零附近。

以上方法均采用開關(guān)頻率不固定的滯環(huán)控制，每個控制周期中只有一種矢量作用，對開關(guān)頻率要求較高。PWM控制方法通過采用固定開關(guān)頻率進(jìn)行PWM調(diào)制，能達(dá)到更好的控制效果?，F(xiàn)有PWM調(diào)制方法是指在雙極性調(diào)制的一個控制周期中加入調(diào)節(jié)矢量控制非導(dǎo)通相電流平均值為零，其調(diào)節(jié)矢量占空比由以非導(dǎo)通相電流幅值為輸入的P控制器得到。該方法開關(guān)頻率固定，但用到的調(diào)節(jié)矢量占空比難以確定，且需根據(jù)工況及轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明改進(jìn)了傳統(tǒng)的雙極性PWM調(diào)制方式，對與母線電容中點(diǎn)相連的相為關(guān)斷相時的換相區(qū)和為非導(dǎo)通相時的正常導(dǎo)通區(qū)均提出了行之有效的電流控制方法來抑制電流波動，提高了四開關(guān)三相逆變器驅(qū)動的無刷直流電機(jī)的運(yùn)行性能。本發(fā)明適合于四開關(guān)三相逆變器驅(qū)動下的無刷直流電機(jī)進(jìn)行平穩(wěn)的電流控制。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種四開關(guān)三相逆變器驅(qū)動的無刷直流電機(jī)電流波動抑制方法，包括無刷直流電機(jī)、四開關(guān)三相逆變器和控制單元；當(dāng)無刷直流電機(jī)與母線電容中點(diǎn)連接的相在換相區(qū)作為關(guān)斷相時，對非換相相開關(guān)管進(jìn)行調(diào)制抑制換相電流波動；當(dāng)無刷直流電機(jī)與母線電容中點(diǎn)連接的相在正常導(dǎo)通區(qū)作為非導(dǎo)通相時，在導(dǎo)通兩相橋臂開關(guān)管同步調(diào)制的基礎(chǔ)上在每個控制周期內(nèi)加入兩個調(diào)節(jié)矢量抑制正常導(dǎo)通區(qū)的電流波動，具體步驟如下：

步驟一、根據(jù)霍爾信號將無刷直流電機(jī)的每個電周期分為六個工作狀態(tài)；將每個工作狀態(tài)分為換相區(qū)和正常導(dǎo)通區(qū)；在換相區(qū)，將無刷直流電機(jī)三相分為開通相、關(guān)斷相和非換相相；通過霍爾信號改變判斷換相區(qū)開始，通過關(guān)斷相電流減小為零判斷換相區(qū)結(jié)束；在正常導(dǎo)通區(qū)，根據(jù)三相繞組導(dǎo)通狀態(tài)將所述三相繞組分為正常導(dǎo)通相和非導(dǎo)通相；

步驟二、所述六個工作狀態(tài)中，其中兩個工作狀態(tài)分別記為工作狀態(tài)A和工作狀態(tài)B，工作狀態(tài)A和工作狀態(tài)B具有以下兩個特性：一是與母線電容中點(diǎn)連接的相在換相區(qū)作為關(guān)斷相參與換相；二是與母線電容中點(diǎn)連接的相在正常導(dǎo)通區(qū)為非導(dǎo)通相，此時導(dǎo)通兩相開關(guān)管采用雙極性調(diào)制；所述六個工作狀態(tài)中，其他四個工作狀態(tài)均分別是與母線電容中點(diǎn)連接的相為導(dǎo)通相，另一相開關(guān)管采用單極性調(diào)制；

步驟三、在工作狀態(tài)A的換相區(qū)及工作狀態(tài)B的換相區(qū)，對非換相相開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制，通過計算確定調(diào)制占空比；確定調(diào)制占空比的步驟是：為抑制換相電流波動，對非換相相開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制，開通相開關(guān)管開通；工作狀態(tài)A是與母線電容中點(diǎn)連接的相由正相導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，工作狀態(tài)B是與母線電容中點(diǎn)連接的相由負(fù)相導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷；當(dāng)所述無刷直流電機(jī)運(yùn)行在工作狀態(tài)A時，非換相相開關(guān)管的占空比為D_cm-A

式中，u_dc為電源電壓；u_c1為四開關(guān)三相逆變器中與電源正極相連的母線電容C₁兩端的電壓，e_a、e_b、e_c分別是無刷直流電機(jī)三相對應(yīng)的相反電動勢；其中，非換相相開關(guān)管為無刷直流電機(jī)的b相，無刷直流電機(jī)與母線電容中點(diǎn)連接的相為c相；

當(dāng)所述無刷直流電機(jī)運(yùn)行在工作狀態(tài)B時，非換相相開關(guān)管的占空比為D_cm-B

步驟四、為抑制相反電動勢對電流波動的影響，在工作狀態(tài)A和工作狀態(tài)B的正常導(dǎo)通區(qū)，控制非導(dǎo)通相電流變化率為零；在雙極性同步調(diào)制的基礎(chǔ)上，選擇能使非導(dǎo)通相電流迅速增加和能使非導(dǎo)通相電流迅速減小的兩個矢量作為調(diào)節(jié)矢量，在每個控制周期插入這兩個調(diào)節(jié)矢量，在無刷直流電機(jī)的c相電流變化率為零的基礎(chǔ)上得到調(diào)節(jié)矢量占空比D_c

在工作狀態(tài)A的正常導(dǎo)通區(qū)及工作狀態(tài)B的正常導(dǎo)通區(qū)，定義導(dǎo)通兩相的兩個開關(guān)管都開通的電壓矢量為主矢量，主矢量占空比D是控制單元中的PI控制器輸出的1/2；兩個調(diào)節(jié)矢量中使無刷直流電機(jī)的c相電流迅速減小的電壓矢量占空比為D_c，使無刷直流電機(jī)的c相電流迅速增加的電壓矢量占空比為1-D-D_c。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)為抑制與母線電容中點(diǎn)連接的相為非導(dǎo)通相時相反電動勢造成的電流波動，與普通的PWM占空比調(diào)制相比，加入調(diào)節(jié)矢量，并且調(diào)節(jié)矢量占空比通過建立數(shù)學(xué)模型根據(jù)電機(jī)參數(shù)計算得到，不需要通過PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，無需根據(jù)工況及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)PI控制器參數(shù)。

(2)本發(fā)明提出的方法通過對非換相相開關(guān)管進(jìn)行調(diào)制，可以解決與母線電容中點(diǎn)連接的相關(guān)斷時的換相電流波動。

附圖說明

圖1為四開關(guān)三相逆變器驅(qū)動的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖；

圖2為四開關(guān)三相逆變器驅(qū)動的無刷直流電機(jī)等效電路；

圖3四開關(guān)三相逆變器驅(qū)動的無刷直流電機(jī)相反電動勢、相電流及傳統(tǒng)調(diào)制方法開關(guān)管脈沖示意圖；

圖4-1為在H₅狀態(tài)下正常導(dǎo)通區(qū)一個周期內(nèi)開關(guān)管調(diào)制波形圖；

圖4-2為在H₂狀態(tài)下正常導(dǎo)通區(qū)一個周期內(nèi)開關(guān)管調(diào)制波形圖；

圖5為提出的電流控制方法開關(guān)管調(diào)制波形圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實施例僅對本發(fā)明進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明的設(shè)計思路是：同時抑制與母線電容中點(diǎn)連接的相為關(guān)斷相時的換相區(qū)和為非導(dǎo)通相時的正常導(dǎo)通區(qū)的電流波動。在傳統(tǒng)雙極性調(diào)制的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)的PWM調(diào)制方法，通過建立數(shù)學(xué)模型得到占空比的計算公式，從而達(dá)到抑制電流波動的效果。本發(fā)明方法控制簡單，實現(xiàn)容易，無需根據(jù)電機(jī)工況調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，無需增加硬件系統(tǒng)成本。

本發(fā)明提出的一種四開關(guān)三相逆變器驅(qū)動的無刷直流電機(jī)電流波動抑制方法，包括無刷直流電機(jī)、四開關(guān)三相逆變器和控制單元三部分，圖1示出了整個無刷直流電機(jī)的控制原理，圖中，n^*為轉(zhuǎn)速參考值，i^*為轉(zhuǎn)速PI控制器輸出的參考電流，電機(jī)實際轉(zhuǎn)速n根據(jù)霍爾信號得到，相電流i_a、i_b通過電流傳感器測得，非換相相電流i根據(jù)霍爾信號判斷得到，u_c1及u_dc通過電壓傳感器測得，相反電動勢值e_a、e_b和e_c通過離線擬合得到。

當(dāng)無刷直流電機(jī)與母線電容中點(diǎn)連接的相在換相區(qū)作為關(guān)斷相時，對非換相相開關(guān)管進(jìn)行調(diào)制抑制換相電流波動；當(dāng)無刷直流電機(jī)與母線電容中點(diǎn)連接的相在正常導(dǎo)通區(qū)作為非導(dǎo)通相時，在導(dǎo)通兩相橋臂開關(guān)管同步調(diào)制的基礎(chǔ)上在每個控制周期內(nèi)加入兩個調(diào)節(jié)矢量抑制正常導(dǎo)通區(qū)的電流波動，具體過程如下：

圖2是四開關(guān)三相逆變器驅(qū)動下的無刷直流電機(jī)等效電路圖，其中C₁、C₂是母線電容；u_dc是直流母線電壓；u_c1和u_c2分別為四開關(guān)三相逆變器中與電源正極相連的母線電容C₁和C₂兩端的電壓；e_a、e_b、e_c分別是無刷直流電機(jī)三相對應(yīng)的相反電動勢；R_s、L_s分別是繞組相電阻和相電感。

根據(jù)圖2可以列出端電壓方程為

其中u_no表示電機(jī)三相繞組中點(diǎn)對電容中點(diǎn)電壓；u_ao、u_bo、u_co表示電機(jī)三相繞組端點(diǎn)對電容中點(diǎn)電壓，在本發(fā)明中定義為端電壓。定義電壓矢量V_i(S_a,S_b)，i∈{1,2,3,4}，其中S_a和S_b分別表示a相和b相繞組端電壓的狀態(tài)變量。S_a，S_b∈{0,1,X}，其中“1”代表該相與電源正極相連，“0”代表該相與電源負(fù)極相連，“X”代表關(guān)斷。

傳統(tǒng)雙極性調(diào)制下，導(dǎo)通兩相開關(guān)管同步進(jìn)行調(diào)制，具體工作狀態(tài)及開關(guān)管調(diào)制波形如圖3所示。根據(jù)霍爾信號將無刷直流電機(jī)的每個電周期分為六個工作狀態(tài)H₁、H₂、H₃、H₄、H₅和H₆。將每個工作狀態(tài)分為換相區(qū)和正常導(dǎo)通區(qū)；在換相區(qū)，將無刷直流電機(jī)三相分為開通相、關(guān)斷相和非換相相；通過霍爾信號改變判斷換相區(qū)開始，通過關(guān)斷相電流減小為零判斷換相區(qū)結(jié)束；在正常導(dǎo)通區(qū)，根據(jù)三相繞組導(dǎo)通狀態(tài)將所述三相繞組分為正常導(dǎo)通相和非導(dǎo)通相。

所述六個工作狀態(tài)中，其中兩個工作狀態(tài)分別記為工作狀態(tài)A和工作狀態(tài)B，工作狀態(tài)A(即圖3中H₅)和工作狀態(tài)B(即圖3中H₂)具有以下兩個特性：一是與母線電容中點(diǎn)連接的相在換相區(qū)作為關(guān)斷相參與換相；二是與母線電容中點(diǎn)連接的相在正常導(dǎo)通區(qū)為非導(dǎo)通相，此時導(dǎo)通兩相開關(guān)管采用雙極性調(diào)制；其他四個工作狀態(tài)均分別是與母線電容中點(diǎn)連接的相為導(dǎo)通相，另一相開關(guān)管采用單極性調(diào)制；在其他四個工作狀態(tài)(圖3中H₁、H₃、H₄和H₆。)的正常導(dǎo)通區(qū)，c相為導(dǎo)通相，由于此時導(dǎo)通兩相之間線電壓幅值近似為母線電壓的1/2。所以四開關(guān)三相逆變器驅(qū)動下的永磁無刷直流電機(jī)運(yùn)行時須滿足條件2E<u_dc/2，E為相反電動勢峰值。

在工作狀態(tài)A的換相區(qū)及工作狀態(tài)B的換相區(qū)，對非換相相開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制，通過計算確定調(diào)制占空比。

以工作狀態(tài)A的換相區(qū)為例，此時與母線電容中點(diǎn)連接的相由正相導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，由c+b-換相至a+b-。若不對開關(guān)管進(jìn)行調(diào)制，在換相區(qū)，a相與電源正極相連，b相與電源負(fù)極相連。假設(shè)換相時間很短，e_a＝E、e_b＝-E、e_c＝E，將端電壓代入式(1)計算開通相及關(guān)斷相的電流變化率。當(dāng)E<3u_dc/8時，有

所以此時開通相電流變化速率大于關(guān)斷相電流變化速率。為減緩開通相電流變化速率，對非換相相開關(guān)管(b相)進(jìn)行PWM調(diào)制，開通相(a相)開關(guān)管(S₁)恒通，關(guān)斷相電流通過續(xù)流二極管續(xù)流。此時作用的電壓矢量為V₁(1,0)和V₂(1,1)。將電壓矢量作用下的端電壓代入式(1)，得到非換相相電流方程分別為

當(dāng)所述無刷直流電機(jī)運(yùn)行在工作狀態(tài)A時，非換相相開關(guān)管的占空比為D_cm-A。令矢量V₃(0,1)的占空比為D_cm-A，V₄(0,0)的占空比為1-D_cm-A，當(dāng)i_b平均變化率為0時，有

將式(3)和式(4)代入上式可得

由于電機(jī)運(yùn)行條件為2E<u_dc/2，所以占空比滿足0<D_cm-A<1。

當(dāng)所述無刷直流電機(jī)運(yùn)行在工作狀態(tài)B時，與母線電容中點(diǎn)連接的相由負(fù)相導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，非換相相開關(guān)管的占空比為D_cm-B，同理可得B狀態(tài)下?lián)Q相區(qū)的調(diào)制占空比。

為抑制相反電動勢對電流波動的影響，在工作狀態(tài)A和工作狀態(tài)B的正常導(dǎo)通區(qū)，控制非導(dǎo)通相電流變化率為零；以工作狀態(tài)A的正常導(dǎo)通區(qū)為例進(jìn)行分析。在工作狀態(tài)A期望換相結(jié)束后，c相電流為零，所以需控制正常導(dǎo)通區(qū)內(nèi)每個控制周期中c相電流平均變化率為零。雙極性調(diào)制方法下，在工作狀態(tài)A下的正常導(dǎo)通區(qū)，若允許S₁、S₄進(jìn)行不同步調(diào)制，共有V₁(1,0)、V₂(1,1)、V₃(0,1)和V₄(0,0)四種電壓矢量可使導(dǎo)通相為a+b-。

結(jié)合式(1)，可以列出四種電壓矢量作用下c相電流變化率為

由式(8)～式(10)可知，電壓矢量V₁(1,0)及V₃(0,1)對i_c的影響主要由反電動勢大小決定。而電壓矢量V₂(1,1)和V₄(0,0)作用下，i_c受電容電壓和反電動勢共同影響。由2E<u_dc/2可以看出，V₂(1,1)能使i_c迅速減小，而V₄(0,0)能使i_c迅速增大。

在工作狀態(tài)A的正常導(dǎo)通區(qū)及工作狀態(tài)B的正常導(dǎo)通區(qū)，定義導(dǎo)通兩相的兩個開關(guān)管都開通的電壓矢量為主矢量。在雙極性同步調(diào)制的基礎(chǔ)上，選擇能使非導(dǎo)通相電流迅速增加和能使非導(dǎo)通相電流迅速減小的兩個矢量作為調(diào)節(jié)矢量，在工作狀態(tài)A的正常導(dǎo)通區(qū)選擇V₁(1,0)為主矢量，V₂(1,1)和V₄(0,0)為調(diào)節(jié)矢量，在一個控制周期內(nèi)三種矢量共同作用控制c相電流平均變化率為零。在每個控制周期插入這兩個調(diào)節(jié)矢量，在無刷直流電機(jī)的c相電流變化率為零的基礎(chǔ)上得到調(diào)節(jié)矢量占空比D_c。

兩個調(diào)節(jié)矢量中使無刷直流電機(jī)的c相電流迅速減小的電壓矢量V₂(1,1)占空比為D_c，使無刷直流電機(jī)的c相電流迅速增加的電壓矢量V₄(0,0)占空比為1-D-D_c。當(dāng)i_c平均變化率為0時，有

將式(8)～式(10)代入上式可得

而在工作狀態(tài)B的正常導(dǎo)通區(qū)內(nèi)，同樣存在V₁(1,0)、V₂(1,1)、V₃(0,1)和V₄(0,0)四種電壓矢量，選擇V₃(0,1)為主矢量，其占空比為D，選擇V₂(1,1)和V₄(0,0)為調(diào)節(jié)矢量，其占空比分別為D_c和1-D-D_c。經(jīng)計算可得，工作狀態(tài)B的占空比D_c表達(dá)式與式(12)相同。另外由于在工作狀態(tài)A和工作狀態(tài)B下導(dǎo)通兩相之間線電壓近似為其他四種工作狀態(tài)下導(dǎo)通兩相之間線電壓的兩倍。為避免工作狀態(tài)變化時線電壓改變對電流控制器產(chǎn)生影響，在工作狀態(tài)A和工作狀態(tài)B下，本發(fā)明中，主矢量V₁(1,0)占空比D是控制單元中的PI控制器輸出D_PI的1/2。

為使開關(guān)管切換次數(shù)達(dá)到最少。在工作狀態(tài)A和工作狀態(tài)B下的正常導(dǎo)通區(qū)的每個控制周期內(nèi)電壓矢量作用順序及開關(guān)管調(diào)制波形如圖4-1和圖4-2所示。

另外在其他四種工作狀態(tài)下，由于c相為導(dǎo)通相，不存在反電動勢造成的電流波動現(xiàn)象，可以按照圖3所示傳統(tǒng)雙極性PWM調(diào)制方法進(jìn)行控制，調(diào)制占空比D等于電流PI控制器輸出D_PI。

綜上所述，不同工作狀態(tài)下的開關(guān)管調(diào)制波形圖如圖5所示，其中，陰影部分為換相區(qū)。工作狀態(tài)A和工作狀態(tài)B下正常導(dǎo)通區(qū)主矢量占空比D、調(diào)節(jié)矢量占空比D_c和換相區(qū)開關(guān)管調(diào)制占空比D_cm-A和D_cm-B根據(jù)表1計算得到。

表1、工作狀態(tài)A和工作狀態(tài)B下矢量作用表

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。