一种无电容直流变换器无刷直流电机驱动系统技术方案

本发明专利技术公布了一种无电容变换器无刷直流电机驱动系统,其中，变换器由传统的Buck变换器演变而来，去掉Buck母线电容，在电感两端并联一个开关管为电感在电机换相时刻提供续流回路。驱动系统为转速电流双闭环控制，内环和外环都采用PI调节器控制。本发明专利技术通过对开关管进行PWM斩波，控制电感的充放电，实现了对无刷直流电机相电流的控制。该驱动拓扑简化了传统的Buck电路无刷直流电机驱动系统的前级拓扑结构，用电流控制替代传统的电压控制，适用于理想电流波形为方波的无刷直流电机驱动。相比于Buck变换器，该变换器拓扑无需母线电容，大大减小了驱动系统的成本和体积。

【技术实现步骤摘要】
一种无电容直流变换器无刷直流电机驱动系统
本专利技术涉及一种无电容直流变换器无刷直流电机驱动系统，属于直流变换器—电机驱动的领域。
技术介绍
无刷直流电机转子采用永磁材料励磁，由于其体积小、功率密度高、动态适应性强、控制简便等特点，已经广泛应用于生产生活的各个领域。但是传统的各种PWM控制方式下的无刷直流电机，其调速范围受到逆变器开关管频率的限制，且高频PWM斩波会大大增加开关损耗。随着电力电子技术的发展，Buck电路越来越多地被应用于电机调速的场合。控制开关管占空比就可以调节Buck电路输出电压，非常适用于一些需要调压调速的场合，尤其在高速电机领域调压调速应用更加广泛。但是当Buck电容取值较小时，换相期间Buck母线电容的电压震荡会引起电机相电流的震荡。且Buck电容体积较大，无法缩减驱动系统体积。
技术实现思路
针对上述
技术介绍
的不足，为了更好地驱动无刷直流电机，本专利技术提出了一种基于Buck电路的无电容直流变换器的无刷直流电机驱动系统，使其相电流不会因为阻抗不匹配而产生强烈的谐振，且减轻了电容的容值对控制系统造成的影响。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种无电容变换器无刷直流电机驱动系统，包括直流电源Ud、无电容变换器、电机和三相逆变器；其中直流电源Ud阳极接无电容变换器的正输入端，所述无电容变换器的正电压输出端连接三相逆变器的正极，所述三相逆变器各相的中点连接在电机三相上。进一步的，所述无电容变换器包括功率开关管S1、功率开关管S2、电感L、续流二极管D1，其中，直流电源Ud阳极接功率开关管S1的漏极，功率开关管S1的源极与续流二极管D1的阴极、电感L的一端以及功率开关管S2的源极相连；所述功率开关管S2的漏极与电感L的另一端、逆变器输入端相连；直流电源Ud的阴极与续流二极管D1的阳极、逆变器输出端相连；在所述电感L两端并联开关管S2为电感L在电机换相期间提供续流回路。作为一种优选，所述电机为无刷直流电机。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、相比于传统的Buck电路无刷直流电机控制系统，本专利技术提出的无电容直流变换器具有如下优势：1)不含有电容，真正实现了无刷直流电机电流型控制，同时大幅减小控制器体积成本，提高稳定性。2)存在一个理想工作点，可以理论上完全抑制无刷直流电机换相转矩脉动。2、相比于传统的逆变器PWM斩波，本专利技术提出的无电容直流变换器具有如下优势：1)变换器前级电感可以极大抑制电流纹波，抑制了传导区间电机转矩脉动。2)电感起到了缓冲作用，有利于减小电源对相电流的冲击。此外，该变换器通过在电感两端并联一个开关管S2，在电机换相期间导通S2，为电感提供续流回路，避免了因换相瞬间逆变器母线电流瞬间跌落为0而在电感两端产生的超高压。附图说明图1为本专利技术提出的电路拓扑结构；图2为无刷直流电机驱动系统转速电流双闭环等效控制框图；图3为本专利技术提出的无电容直流变换器控制策略框图；图4为本专利技术提出的无电容直流变换器开关管驱动信号控制策略流程图；图5为传导期间开关管导通期间等效电路图；图6为传导期间开关管关断期间等效电路图；图7为换相期间等效电路图；图8电机相电流仿真波形图。具体实施方式本专利技术提供一种无电容变换器无刷直流电机驱动系统，为使本专利技术的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明：一种无电容变换器无刷直流电机驱动系统,其中，变换器由传统的Buck变换器演变而来，去掉Buck母线电容，在电感两端并联一个开关管为电感在电机换相时刻提供续流回路；如图1所示，该系统具体结构为，一种无电容直流变换器无刷直流电机驱动系统，包括直流电源Ud、功率开关管S1、功率开关管S2、电感L、续流二极管D1、电机和三相逆变器；其中直流电源Ud阳极接功率开关管S1的漏极，功率开关管S1的源极与续流二极管D1的阴极、电感L的一端、功率开关管S2的源极相连；功率开关管S2的漏极与电感L的另一端、逆变器输入端相连；电源阴极与续流二极管D1的阳极、逆变器输出端相连；所述三相逆变器各相的中点连接在电机三相上。针对本专利技术提供的这种无电容直流变换器无刷直流电机驱动系统，此处还提供对其的控制方法，系统包括如下状态：步骤1、如图5所示为传导区间开关闭合时的电路等效图，在该状态：以AB两相导通为例，在电机传导区间，开关管闭合，直流源Ud经过电感L向电机供电，此时电感经过逆变器开关管与电机相绕组串联。在此期间电感电流与电机相电流上升，电感L储存能量。续流二极管D1承受反向电压而截止导通。可列出如下等式：式中，Ud为电源电压，La为电机A相电感，ra为电机相电阻，Lb为电机B相电感，rb为电机B相电阻，ia为A相电流，ib为B相电流，ea为A相反电势，eb为B相反电势。在AB两相稳态导通时，有下式成立：式中，Ls为电机相电感，rs为电机相电阻，is为相电流，E为电机稳态反电势幅值。忽略相电阻，将式(2)带入式(1)，可得：式中，Ud为电源电压,Ls为电机相电感,E为电机稳态反电势幅值。由式(3)可知在开关管闭合时，电感电流上升率为：式中，Ud为电源电压,Ls为电机相电感,L为滤波电感Lf的值，is为相电流，E为电机稳态反电势幅值。步骤2、如图6所示为传导区间开关关断时的电路等效图，在该状态下：在此期间内，开关管S1断开，直流源Ud不再向后级传输能量。由于电感L和相电感电流都不能突变，电感L与绕组串联经过续流二极管D1续流，D1正向导通。在此阶段内，电感L向电机提供能量。有如下等式成立：式中，Ls为电机相电感,L为滤波电感Lf的值，is为相电流，E为电机稳态反电势幅值。由式(5)，可在开关管关断期间，电感电流变化率为：式中，Ls为电机相电感,L为滤波电感Lf的值，is为相电流，iL为电感电流，E为电机稳态反电势幅值；上式表明，开关管关断期间，电感电流与相电流以相同变化率下降，其下降速率由反电势幅值和电感感值决定。当电机稳态运行时，电感电流保持稳定，在一个开关周期内，其上升值和下降值相等。设开关周期为T，开关管S1占空比为D，则电感电流上升值为：式中，Ud为电源电压,Ls为电机相电感,L为滤波电感Lf的值，E为电机稳态反电势幅值，D为开关管S的占空比，T为开关管S1的开关周期；同理，电感电流下降值为:式中，Ls为电机相电感,L为滤波电感Lf的值，E为电机稳态反电势幅值，D为开关管S的占空比，T为开关管S1的开关周期；联立式(7)、(8)，可得开关管稳态占空比为：式中，E为电机稳态反电势幅值，Ud为电源电压；则在传导区间内，电感电流与相电流纹波为：式中，Ud为电源电压,Ls为电机相电感,L为滤波电感Lf的值，E为电机稳态反电势幅值，D为开关管S的占空比，T为开关管S1的开关周期。由式(10)可知，电流纹波与电感L、相电感Ls、电机反电势幅值E、直流源电压Ud、开关周期相关。电感L对相电流有良好的滤波作用，在其他条件不变的情况下，电感L越大，电机相电流纹波越小。步骤3、换相区间等效电路以AB两相导通向AC两相导通换相为例，分析该无电容直流变换器在电机换相时刻工作模态。由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无电容变换器无刷直流电机驱动系统，其特征在于：包括直流电源Ud、无电容变换器、电机和三相逆变器；其中直流电源Ud阳极接无电容变换器的正输入端，所述无电容变换器的正电压输出端连接三相逆变器的正极，所述三相逆变器各相的中点连接在电机三相上。

【技术特征摘要】
1.一种无电容变换器无刷直流电机驱动系统，其特征在于：包括直流电源Ud、无电容变换器、电机和三相逆变器；其中直流电源Ud阳极接无电容变换器的正输入端，所述无电容变换器的正电压输出端连接三相逆变器的正极，所述三相逆变器各相的中点连接在电机三相上；所述无电容变换器包括功率开关管S1、功率开关管S2、电感L、续流二极管D1，其中，直流电源Ud阳极接功率开关管S1的漏极，功...

【专利技术属性】
技术研发人员：单涛，王晓琳，倪拓成，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32