CN203251261U - 一种无刷直流电机功率变换电路 - Google Patents

Abstract

一种用于降低无刷直流电机转矩脉动的无刷直流电机功率变换电路，由ZETA变换器、逆变主电路、转换开关等组成。在逆变主电路控制的电机绕组换相前，转换开关S3闭合，S2断开，通过采集的电机实时速度值、以及ZETA变换器的开关S1控制的占空比，控制ZETA变换器的输出电压跟随并与电机反电动势值成一定比例关系，换相结束后S3断开S2闭合，相当于每到绕组快换相前都让ZETA变换器投入工作。此方法和电路的采用能分别使得换相时开、关的两相绕组的电流上升、下降斜率相等，电流及转矩脉动很小，噪音相应降低，拓宽该类电机系统的应用面。

Description

一种无刷直流电机功率变换电路

技术领域

本实用新型涉及一种无刷直流电机功率变换电路，能够抑制无刷直流电机绕组换相时产生的转矩脉动的功率变换电路。

背景技术

无刷直流电机的转矩脉动问题一直是阻碍其在某些领域应用的瓶颈，关于其转矩脉动的研究和实践近年来也一直是国内外的热点。其中在电机不同绕组间换相时产生的转矩脉动最为明显。

绕组换相时转矩脉动产生的根本原因，是关断相与开通相的两个电流下降与升高的不同步，斜率不同，从而造成了合成的电流波形在此处产生波动，影响电机的输出转矩发生脉动。

在相关理论上，如果要让关断相与开通相的电流变化同步，必需要让其功率变换器的逆变主电路供电直流电源电压与电机绕组反电动势成固定比例关系，而一般电机反电动势大小与转速成一定比例关系，也就是说供电电源大小要跟随电机速度而变化，并满足一定比例关系，则可抑制换相时的转矩脉动问题。

发明内容

基于以上的背景，本实用新型提出一种基于ZETA变换器的新型功率变换主电路形式，配合一定控制方式时可实现无刷直流电机换相转矩脉动的抑制。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

该新型功率变换电路包括ZETA变换器、逆变主电路、转换开关S2和S3，以及供电电源和无刷直流电机绕组。逆变主电路控制无刷直流电机三相绕组的换相，在换相之前，控制转换开关S2断开、同时S3闭合，恒直流电源U_s通过ZETA变换器输出的直流电压U₀作为逆变主电路即电机绕组的电源，电压U₀的大小取决于电机的速度值，根据传感器采集的速度值调节ZETA变换器的开关S1，进而调节了U₀值；当换相结束后，S2闭合同时S3断开，逆变主电路由恒流源U_s直接供电。

本实用新型的有益效果是，在换相期间，采用此电路和控制模式之后，换相期间的开通与关断相的电流将沿着相同的斜率上升与下降，合成电流的波动将大大减小，而绕组电流与转矩之间是满足一定条件下成近似正比关系的，从而也就抑制了转矩脉动。

附图说明

图1所示为无刷直流电机绕组间换相时，不同的供电电压与反电动势之间关系得到的不同的合成电流波形。

其中：i_a、i_b、i_c分别表示关断相、开通相、和合成电流；t₁和t₂分别表示关断相关断时间和开通相开通时间；E表示反电动势；U_d为供电相电压。

图2为本实用新型提出的无刷直流电机新型功率变换器主电路。

其中：VT1-VT6为六只开关管；BLDCM是无刷直流电机的简称；两个虚线框内分别为ZETA变换器与逆变主电路。

具体实施方式

图1的(a)(b)(c)三个子图，表征了在不同的供电电压与四倍反电动势关系时的合成电流情况。若U_d≠4E，当逆变主电路的开关管导通状态变化而进入换相阶段时，由于电枢绕组电感的影响，电流不能突变，关断相和开通相电流变化速率不同是引起换相转矩脉动的根本原因。

(1)当U_d＝4E时，t₁＝t₂，换相期间转矩不变；

(2)当U_d＞4E时，t₁＞t₂，换相期间转矩增大；

(3)当U_d＜4E时，t₁＜t₂，换相期间转矩减小。

电流变化率由直流侧供电电压U_d和反电动势E共同决定，而E与转速成正比，通过检测电机的实时速度值，即可较为准确的把握E值；通常情况下，直流侧电压U_d往往保持不变，而电机的速度变化促使E变化，调速时不能始终满足U_d＝4E，因此在换相时的转矩脉动就比较明显。

而图2的新型功率变换器主电路中，增加了ZETA变换器，该变换器的可以在输入直流电压不变的前提下，通过控制S1的开关占空比，改变输出直流电压U₀的大小，如果此时S3再闭合，则U₀＝U_d就是逆变电源电压。

根据ZETA斩波串路的输入输出关系

$U_0=\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}{U}_S---\left(1\right)$

式中α为ZETA斩波电路占空比，由S1控制。反电动势E与电机转速的关系为

E＝C_eΦn                (2)

式中C_e与电机的极对数和绕组并联支路数有关，为常数；由于无刷直流电机为永磁体结构，其磁通量Φ也为常数；因而E与n之间基本近似线性关系，获得n的值后即可获得E的值。

在换相期间，要使得U_d＝U₀＝4E，根据式(1)和(2)可得

$\mathrm{\α}=\frac{4C_e\mathrm{\Φn}}{U_S+4C_e\mathrm{\Φn}}---\left(3\right)$

式中若供电直流电压U_S保持恒定，则通过速度反馈传感器采集的实时速度信号，即可实时改变ZETA变换器的S1开关管的开关改变占空比，使得U_d＝U₀＝4E保持稳定，并在换相来临时切入ZETA电路，从而抑制换相转矩脉动的产生。待换相结束后，S3断开，S2闭合。

Claims (1)

1.一种无刷直流电机功率变换电路，包括ZETA变换器、逆变主电路、转换开关S2和S3。其特征是：逆变主电路控制的无刷直流电机三相绕组的换相，在换相之前，S2断开、S3闭合，恒直流电源U_s通过ZETA变换器输出的直流电压U₀作为逆变主电路即电机绕组的电源，电压U₀的大小取决于电机的速度值，根据传感器采集的速度值调节ZETA变换器的开关S1，进而调节了U₀值，并令U₀在换相期间与电机反电动势保持固定比例关系；当换相结束后，S2闭合同时S3断开，逆变主电路由恒流源U_s直接供电。

Images