一種無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動抑制電路及一種儀器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機電一體化領(lǐng)域，尤其涉及一種無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動抑制電路及一 種儀器。
【背景技術(shù)】
[0002] 無刷直流電機是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，它是由電動機本體，位置檢測器，逆 變器和控制器組成的自同步電動機系統(tǒng)或自控式變頻同步電動機。隨著電力電子技術(shù)和高 性能永磁材料的迅速發(fā)展，它的應(yīng)用從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、信息、家電、醫(yī)療等 領(lǐng)域迅速發(fā)展。在醫(yī)療行業(yè)使用以無刷直流電機為本體的渦輪供氣，不僅可以大幅度縮小 氣源的體積，節(jié)省能源，降低成本，還可以對渦輪進行準(zhǔn)確可靠的控制，從而獲得穩(wěn)定的氣 流與壓力。
[0003] 無刷直流電機是基于PWM控制信號來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。圖1為無刷直 流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制器的原理圖，如圖1所示，系統(tǒng)通過軟、硬件的協(xié)調(diào)配合實現(xiàn) 電流環(huán)和速度環(huán)的全數(shù)字雙閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精 度。電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)距控制，同時又能實現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng) 的動態(tài)性能。電流環(huán)采用比例控制算法進行相電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力；速 度環(huán)采用常用的PI算法對電機轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制。給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速 度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，電流參考量與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成PWM占空比 的控制量，實現(xiàn)電機的速度控制。電流的反饋是通過檢測電阻R上的壓降來實現(xiàn)的；速度反 饋則是通過位置檢測電路輸出的位置量，經(jīng)過計算得到的。位置檢測電路的輸出位置量還 用于保證電機的正確換相。
[0004] 在現(xiàn)有技術(shù)中，無刷直流電機的定子繞組電流波形為梯形波，可以近似的認(rèn)為是 方波，并且轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一定的電角度，電流就換相一次。在這個過程中，隨著轉(zhuǎn)子位置的變 化，定子電流和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用必然發(fā)生轉(zhuǎn)矩波動，這種轉(zhuǎn)矩波動是非常復(fù)雜的。在換 相過程中，由于三相全橋驅(qū)動電路中的PWM波的占空比是階躍性的調(diào)制，使得電流在工作 時所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍式的，由此產(chǎn)生的電機轉(zhuǎn)矩波動較大，這樣會引起一定的振動 噪聲。轉(zhuǎn)矩波動直接造成電機輸出氣流的流速不平穩(wěn)，造成氣路調(diào)節(jié)時間過長。因此對換 相時刻的繞組電流進行控制，使之變化的幅度降低，就可以達(dá)到降低轉(zhuǎn)矩波動的目的，使無 刷電機的輸出氣流的流速變化降低，供氣平穩(wěn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動抑制電路及一種儀器，用于降 低電流換相時的轉(zhuǎn)矩波動，使得無刷直流電機的輸出氣流平穩(wěn)。
[0006] -方面，本發(fā)明提供一種無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動抑制電路，包括主控CPU、數(shù)模轉(zhuǎn) 換器、第一運放信號調(diào)理電路、第二運放信號調(diào)理電路和控制模塊：
[0007] 所述主控CPU的第一輸出端與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，所述主控CPU用于 向所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入調(diào)速電壓數(shù)字控制信號和鋸齒波生成數(shù)字控制號；
[0008] 所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于將所述鋸齒波生成數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為第一模擬電壓信號， 以及將所述調(diào)速電壓數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為第二模擬電壓信號；
[0009] 所述第一運放信號調(diào)理電路的輸入端與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的第一模擬電壓輸出端 連接，用于根據(jù)所述第一模擬電壓信號生成鋸齒波；
[0010] 所述第二信號調(diào)理電路包含積分環(huán)節(jié)電路和比較器，所述積分環(huán)節(jié)電路的輸入端 與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的第二模擬電壓輸出端連接，所述積分環(huán)節(jié)電路用于根據(jù)所述第二模擬 電壓信號生成連續(xù)可變的電壓；
[0011] 所述比較器的反向輸入端與所述積分環(huán)節(jié)電路的輸出端連接，所述比較器的正向 輸入端與所述第一運放信號調(diào)理電路的輸出端連接，所述比較器用于比較所述鋸齒波和所 述連續(xù)可變的電壓生成占空比可調(diào)的PWM波；
[0012] 所述比較器的輸出端與所述控制模塊的輸入端連接，所述控制模塊用于根據(jù)所述 占空比可調(diào)的PWM波控制所述直流無刷電機的驅(qū)動電路工作。
[0013] 進一步的，還包括位置傳感器，且所述控制模塊為FPGA ;
[0014] 所述主控CPU的第二輸出端與FPGA的第一輸入端連接，所述主控CPU的第二輸出 端用于輸出邏輯控制信號；
[0015] 所述位置傳感器輸出端與FPGA的第二輸入端連接，所述傳感器用于輸出霍爾信 號；
[0016] 所述比較器的輸出端與FPGA的第三輸入端連接，用于輸出所述比較器生成的占 空比可調(diào)的PWM波信號；
[0017] FPGA的輸出端與驅(qū)動電路的輸入端連接，所述FPGA用于根據(jù)所述占空比可調(diào)的 PWM波信號生成控制信號，并根據(jù)所述控制信號控制所述驅(qū)動電路工作。
[0018] 進一步的，所述第一信號調(diào)理電路生成的鋸齒波為帶直流偏置的鋸齒波。
[0019] 進一步的，所述第一信號調(diào)理電路包括第二運算放大器，第一電阻，第二電阻，第 三電阻，第四電阻，第五電阻，第六電阻，第三電容器：
[0020] 所述第一電阻的第一端接信號地，第二端分別與第二運算放大器的反向輸入端和 第六電阻的第一端相連，所述第六電阻的第二端分別與第五電阻的第一端、第二運算放大 器的輸出端相連；所述第二電阻的第一端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的第一模擬電壓輸出端相連，所述 第二電阻的第二端分別與所述第三電阻的第一端、第二運算放大器的正向輸入端、第四電 阻的第一端相連，所述第三電阻的第二端與基準(zhǔn)電壓源相連，所述第四電阻的第二端接信 號地；所述第五電阻第二端輸出帶有直流偏置的鋸齒波信號且所述第五電阻的第二端也與 第三電容器的第一端相連，所述第三電容器的第二端連接信號地。
[0021] 進一步的，所述積分環(huán)節(jié)電路包括第一運算放大器，第七電阻，第八電阻和第四電 容：
[0022] 所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的第二模擬電壓輸出端通過第七電阻分別與第一運算放大器的 同向輸入端和第四電容的第一端相連，所述第四電容的第二端與第一運算放大器的輸出端 相連；所述第一運算放大器的反向輸入端與第八電阻的第一端相連，所述第八電阻的第二 端接信號地。
[0023] 進一步的，所述積分環(huán)節(jié)電路的輸出電壓輸入比較器的反向輸入端，所述帶直流 偏置的鍋齒波輸入比較器的正向輸入端，所述放大器的輸出端輸出電平信號：
[0024] 所述直流偏置的鋸齒波高于所述積分環(huán)節(jié)電路的輸出電壓，所述比較器的輸出端 輸出高電平信號；
[0025] 所述直流偏置的鋸齒波低于所述積分環(huán)節(jié)電路的輸出電壓，所述比較器的輸出端 輸出低電平信號。
[0026] 進一步的，所述比較器和第一運算放大器的正電源接正5V電壓，負(fù)電源接信號 地。
[0027] 進一步的，所述的占空比可調(diào)的PWM波為0-100%可調(diào)。
[0028] 另一方面，一種儀器，包括上述任一項所述的無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩波動抑制電路， 所述儀器為麻醉機、呼吸機、空調(diào)、洗衣機、硬盤或光盤驅(qū)動裝置。
[0029] 本發(fā)明提供的無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動抑制電路及一種儀器，把積分環(huán)節(jié)電路的 輸出連續(xù)可變的電壓和帶直流偏置的鋸齒波通過比較器進行比較，產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM 波，占空比可調(diào)的PWM波可以調(diào)節(jié)定子的電流波形幅度，而定子的電流波形可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩 波動。在本發(fā)明中，PWM波的占空比可以在0-100 %范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使得定子的電流波形的變 化幅度平穩(wěn)。由于變化的電流產(chǎn)生磁場，那么定子的電流在換相時，所形成的旋轉(zhuǎn)磁場平 穩(wěn)，使得定子的電流換相時所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子的磁場兩種磁場相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn) 矩波動降低。無刷直流電機輸出氣流的流速變化降低，當(dāng)使用無刷直流電機作為渦輪供氣 時，供氣平穩(wěn)。
【附圖說明】
[0030] 通過閱讀參照以下附圖所作的對