無刷直流電動機換相轉矩脈動控制

    師蔚¹，蔚蘭¹，張舟云²，應紅亮²

(1上海工程技術大學，上海201620；2上海安乃達驅動技術有限公司，上海200240)

    摘要：針對應用于輕型電動輪的無刷直流電動機的低轉矩脈動的要求，提出了一種低成本、高可靠、簡單易實現的換相轉矩脈動控制方法。該方法依照不同電機轉速控制換相過程PWM占空比，進而控制關斷相電流和開通相電流在換相過程中的變化率，保持非換相相電流在換相過程中基本恒定，通過減小無刷直流電動機換相電流脈動來減小或消除換相轉矩脈動。理論分析和實驗驗證了該方法的可行性，并已廣泛應用于輕型電動車輛領域。

    關鍵詞：無刷直流電動機；換相；轉矩脈動；輕型電動車輛

    中圖分類號：TM33  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)05—0025—05

0引言

    無刷直流電動機突出特點是電機本體空間小，功率密度高，過載能力強，控制方式簡單可靠，在輕型電動車輛中得到了廣泛的應用，但是其固有的轉矩脈動缺點，限制了它在高精度速度、位置控制系統中的應用^[1]。無刷直流電動機的轉矩脈動主要來源于電磁轉矩脈動、齒槽轉矩脈動和磁阻轉矩脈動等幾個方面。而齒槽轉矩脈動和磁阻轉矩脈動從電機本體設計人手，通過氣隙磁場、定轉子結構、繞組形式等的合理設計，可以得到很好的消除^[2-4]；換相轉矩脈動是造成電磁轉矩脈動的主要原因之一，而換相過程中開通相和關斷相電流變化率的不同使得非換相相電流出現脈動是導致換相轉矩脈動的根本原因^[1,5]。消除換相轉矩脈動往往從控制策略人手，通過調整加在電機繞組上的電壓或電流來彌補電機本體和逆變器與理想特性的偏差，從而抑制換相轉矩脈動^[6-10]。電動自行車、電動摩托車、微型電動轎車等輕型電動車輛輪轂(或輪邊帶減速器) 用無刷直流電動機要求具有低轉矩脈動，特別是在車輛起動和低速工況。

    本文針對車用工況對無刷直流電動機的低轉矩脈動要求，提出一種低成本、高可靠、簡單易實現的無刷直流電動機換相轉矩脈動消除方法，該方法已廣泛應用于電動車輛領域。

1無刷直流電動機電路模型與數學模型

1．1逆變器一無刷直流電動機電路模型

    三相兩電平電壓型逆變器供電的逆變器一無刷直流電動機系統如圖1所示。圖中，U_d為直流電源；C_d為中間直流回路支撐(濾波)電容；T1～T6為功率功率管，Dl～D6為續流二極管。對T1～T6分別在各自導通時間內根據不同的調制方式進行PwM控制。

當采用方波電流控制無刷直流電動機時,通常選用1200兩兩導通的調制方式,這種控制能夠在一定轉速和電流范圍內很好地保持三相定子電流的峰值恒定，從而得到較為穩定的電磁轉矩^[1]。

1.2逆變器-無刷直流電動機數學模型

    無刷直流電動機定子電流為理想的方波，反電動勢為理想的梯形波，并作如下假設：(1)不計磁路飽和、渦流損耗和磁滯損耗；(2)忽略定子電流的電樞反應；(3)定子繞組采用無中線Y形接法，三相定子繞組的自感、互感均為常數。根據實際運用情況分析，電機定子繞組中點通常不引出，電機三相相電壓通常不容易測到。無刷直流電動機的端電壓表示為：

式中：u_AN、u_BN、u_CN分別為電機三相定子繞組端電壓，端電壓定義為電機的三相定子繞組的輸入端A、B、c相對于直流母線負端之間的電壓差；R為定子繞組電阻；p為微分算子；L為定子繞組等效自感，M為定子繞組等效互感；i_A、i_B、i_C為三相定子電流(相電流等于線電流)；e_A、e_B、e_C為三相定子繞組反電動勢；u_ON為電機三相繞組中點對直流母線負端電壓差，且u_ON、表示為：

式中：ω_r為元刷直流電動機電角速度；P為極對數；ω_m為機械角速度。

2無刷直流電動機換相轉矩脈動分析

2.1換相電流脈動分析

    對應于圖l逆變器一無刷直流電