一种提升直流无刷电机驱动系统效率的组合调制方法与流程

本发明涉及无刷电机控制方法，尤其涉及一种提升直流无刷电机驱动系统效率的组合调制方法。

背景技术：

1、目前，基于无刷电机的伺服系统在航空航天、工业、医疗等相关领域得到了较好的发展。由于电池或其他直流电源直接供电的条件下，电压源具有一定的软特性且高功率密度伺服系统的直流电容相对较小，在负载突变过程中将造成直流电压跌落或超调，导致伺服系统控制精度降低、效率低。面对该问题，行业内现阶段主要解决方法为：

2、(1)外驱同步整流：外驱动方式是指通过外加逻辑控制和驱动电路，产生出随时序变化的驱动信号，该驱动信号在开关管和反并二极管之间通过加入死区，使两个驱动不出现交叠的部分。

3、(2)自驱同步整流方式：通过模拟电路部分检测对应开关管源漏电压，判断系统所处状态，产生有效的数字信号去传输给数字电路部分，数字部分根据模拟电路传输的不同状态结果，输出不同的数字信号给驱动电路，反过来作用到开关管栅极，使开关管在其反并二极管导通时打开，反并二极管关断时关掉。

4、(3)无需额外电路的快速衰减方式，101状态下的如图1所示：根据开关状态，当变换器处于续流状态时电流不再经过反并二极管进行不控整流，而是经过开关管通过可控整流状态直接流入直流母线，此时一个桥臂打开上开关管、一个桥臂打开下开关管，整个周期内储能原件存储的能量小部分被开关管消耗，大部分转移到直流母线电容。

5、(4)无需额外电路的慢速衰减方式，101状态下的如图2所示：根据电流的流向，保留工作中两个桥臂中的一个桥臂的上开关管或另一个桥臂的下开关管，进入续流状态时保持两个桥臂上开关管或下开关管同时导通，此时电流不再经过直流电容，无法突变的电流在电路内部循环，整个周期内储能原件存储的能量只被开关管消耗转化为热能。

6、然而上述四种同步整流方法，各有优缺点：

7、(1)第一种外驱动，外驱动方式可实现精确的时序控制，驱动信号不受输入、输出影响。但其线路复杂，需要独立驱动器实现驱动控制，成本高。

8、(2)第二种自驱动，引入专用芯片可以直接检测到开关管源漏电压，进而控制开关管关断，是同步整流最直接的实现方法，但芯片的使用不仅增加了设计复杂度、额外损耗和系统成本，也无法实现预测需要导通的开关管。

9、(3)第三种快速衰减方式，电机存储的能量能够快速释放到直流电容，同步整流所需时间较短，在进入下一工作开关状态时上一同步整流状态基本已完成。但电机存储的能量在同步整流状态不断对直流电容充电，导致引起电流快速变化而造成较大的噪声，而下一状态开始工作时电流有需要较长时间才能恢复到上一状态初始值。

10、(4)第四种慢速衰减方式，电机存储的能量仅在开关管中损耗，因此电机存储能量的损失较小且电流变化率较小，在下一工作状态开始时相电流仅需较短时间就可以恢复上一工作状态的电流。但是大电流应用中，当占空较小时将存在较大的电流在变换器内部循环，造成的开关管发热严重。

11、通过对比分析，上述四种方法均无法在不同电流大小下自主选择合适的同步整流模式，也无法根据下一工作状态匹配快速衰减和慢速衰减的工作时长。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提升直流无刷电机驱动系统效率的组合调制方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明的第一方面，提供一种提升直流无刷电机驱动系统效率的组合调制方法，所述直流无刷电机驱动系统包括直流无刷电机和三相逆变整流器，三相逆变整流器的直流侧通过并联的直流电容cdc接入直流侧正负电压，所述三相逆变整流器包括并联于直流侧正负电压之间的第一开关桥臂、第二开关桥臂和第三开关桥臂，各开关桥臂的上桥臂和下桥臂均分别包括并联的开关管和反并二极管，各开关桥臂的上桥臂和下桥臂的中点分别与直流无刷电机的三相绕组一一连接；

4、所述方法包括以下步骤：对于每一工作开关状态的每个开关周期，进行如下计算：

5、计算下一开关周期的预期目标电流i(n+1)，并利用所述预期目标电流i(n+1)求解下一时刻的开关管导通电压von；

6、比较预期目标电流i(n+1)和当前电流i(n)：当预期目标电流i(n+1)小于当前电流i(n)时，进入当前工作开关状态对应的快速衰减模式，即电流流过直流电容cdc进行快速衰减；当预期目标电流i(n+1)小于当前电流i(n)时，进入当前工作开关状态对应的慢速衰减模式，即电流在三相逆变整流器和直流无刷电机内进行慢速衰减；

7、在比较预期目标电流i(n+1)和当前电流i(n)时，同时比较开关管导通电压von和二极管导通电压vd大小：若开关管导通电压von小于二极管导通电压vd大小，则在快速衰减模式和慢速衰减模式中开启当前工作开关状态对应所需的开关管；若开关管导通电压von大于二极管导通电压vd大小，则在快速衰减模式中关闭当前工作开关状态对应所需的开关管、并在慢速衰减模式中开启顺流的开关管。

8、进一步地，所述工作开关状态表示八种组合工作开关状态，即每一开关桥臂中的上桥臂和下桥臂择一导通；

9、八种组合工作开关状态包括100、111、010、000、101、110、011、001，其中三位数分别表示第一开关桥臂、第二开关桥臂和第三开关桥臂的桥臂导通关闭状态，其中“1”表示上桥臂导通、且下桥臂关闭，“0”分别表示上桥臂关闭、且下桥臂导通。

10、进一步地，所述计算下一开关周期的预期目标电流i(n+1)，具体包括：

11、求解驱动系统的下一时刻功率po(n+1)，得出驱动系统输出功率满足下式：

12、

13、其中，te*和n*分别为下一时刻转矩和转速参考值，9.55为转矩和转速计算功率的系数；计算下一开关周期的预期目标电流i(n+1)，得出驱动系统下一时刻输出电流满足下式：

14、

15、其中，n为输出电机相数，ua为输出电机相电压。

16、进一步地，所述利用所述预期目标电流i(n+1)求解下一时刻的开关管导通电压von，具体包括：

17、求解下一时刻的开关管导通电压von：

18、von＝i(n+1)ron (3)

19、其中，ron为开关管导通电阻。

20、进一步地，在进入当前工作开关状态对应的快速衰减模式后，当判断当前电流i(n)衰减至预期目标电流i(n+1)后，进入慢速衰减模式。

21、进一步地，所述快速衰减模式为：相电流依次经过其中一个开关桥臂的上桥臂、另外一个开关桥臂的下桥臂、直流电容cdc进行快速衰减；

22、所述慢速衰减模式为：相电流经过两个开关桥臂的上桥臂或或者两个开关桥臂的下桥进行慢速衰减；其中两个开关桥臂根据电流的流向进行选择。

23、进一步地，所述当前电流i(n)通过对应输出相外接的电流传感器采集。

24、本发明的有益效果是：

25、具体地，在本示例性实施例中，仅利用上位机下发的参考指令、当前开关状态、开关管特性以及电流大小和方向，自主产生同步整流过程中的开关管动作状态组合，自主选择同步整流模式，以及预测的下一开关周期电流大小和方向匹配快速衰减和慢速衰减的工作时长。所提调制策略不仅适用于开关管导通压降大于二极管压降的领域，也适用于二极管压降大于开关管导通压降的领域，同时也适用于开关管导通压降与二极管压降不确定的领域，因此可以设计为专用调制模块。

26、并且根据不同特性选择不同调制模式可以减少开关管的整体损耗，匹配快速慢速衰减方式作用的时间也可以减少流过开关管或反并二极管的电流，减少同步整流过程中的损耗进而提高系统效率。