基于Z源逆变器的无刷直流电动机转矩脉动抑制方法研究

This project proposed a new control circuit topology for driving the brushless DC motor focus on minimizing the commutation torque ripple. The new topology combined the Z-Source electric network with the traditional buck inverter. In order to minimize the torque ripple, an accessorial convertor was applied and the DC input voltage was regulated properly while commutating. The satisfied minimization result will be achieved in both the fast and slow rotating speed. The average output torque will be increased relatively. This project will discuss the key problems on how to use the Z-Source electric network to construct the driving system for the brushless DC motor such as designing the circuit topology, acquiring the short state for the Z-Source electric network, modeling and optimizing the selection of the element parameters, realizing the control strategy, calculating the switches stress, analyzing the stability of the system and so on. As a new method to minimize the torque ripple, the relative study has not been mentioned in the literature at home and abroad up to now. The research work on the project will help to expand the application of the brushless DC motor and energy saving. It is the continue study of the hot spots of the science. Also it will activate the brush motor becoming brushless and the better service of the brushless motor in its application for the national economy.

本项目以无刷直流电机的换相转矩脉动抑制问题为研究对象，提出了一种无刷直流电机控制驱动电路的新拓扑。该结构将Z源网络与传统降压型逆变器控制电路相结合，在电机换相时，通过增加前级变换器、合理控制调整直流母线电压达到抑制转矩脉动的目的，在电机高速以及低速运行区间均获得较理想的抑制效果，并适当提高电机平均输出转矩。本项目将深入探索使用Z源网络构建无刷直流电机控制驱动系统的若干关键性问题，包括电路拓扑设计、Z源网络短路状态的获取、器件参数选取的建模和优化、控制算法实现、开关应力计算、系统稳定性分析等内容。作为一种抑制转矩脉动的新方法，相关研究内容在现有国内外文献中尚未见诸报道。本项目的研究工作有助于拓展无刷直流电机的应用领域、促进节能，既是对热点科学问题的持续研究，也有利于有刷电机的无刷化进程的持续发展，使无刷直流电机更好地为其应用的国民经济各领域的不断进步服务。

本项目深入研究了基于Z源逆变器的直流母线调压方式无刷直流电机转矩脉动抑制方法，重点研究了电路拓扑、系统建模、器件参数选取、控制算法有效实现、降低开关应力、系统稳定性分析等若干基本问题。构建了升压时间和幅值的数学模型，搭建了基于准Z源网络的具体的实验平台并实现了相关控制算法，获得了较好的转矩脉动抑制效果。. 主要工作进展和取得的研究成果可以分为以下几个部分：1）对国内外主要的抑制无刷直流电机转矩脉动的控制方法及其相关文献进行了详细调研，深入学习了这些方法各自的优势与局限性。2）建立了Z源网络抑制转矩脉动的升压范围、时长控制的数学模型，包括不计绕组电阻的线性近似模型和考虑绕组电阻的非线性模型。3）在理论研究和系统仿真的基础上，对于不同规格的具体样机，分别选择不同的器件参数完成了一系列实验。4）对于如何降低主电路拓扑的开关应力，提高系统的稳定性进行了仿真研究。5）为了解决准确动态测定转矩脉动的问题，设计制造了用于转矩脉动测定的相关科研仪器设备，基于高精度应变式转矩传感器的转矩波动测试台和基于声场信息检测的转矩波动动态观测实验台，对通过声场信息观测转矩脉动的理论及实验方法进行了初步论证。6）探索了本项目提出的增加前级准Z源网络的拓扑，用于三相四开关永磁无刷直流电机的控制过程中的有益效果。. 课题按原研究计划进展良好，较为全面的完成了基于Z源网络的直流母线调压方式无刷直流电机转矩脉动抑制方法的研究工作，相关理论基础与实验方法具有指导实践工作的实际意义。