無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩脈動的抑制新方法
沈艷霞,李發(fā)啟,紀志成
(江南大學(xué),江蘇無錫214122)
摘要:無刷直流電動機固有的轉(zhuǎn)矩脈動限制了其應(yīng)用范圍。通過分析無刷直流電動機的換相過程.采用非換相相電流不變法。該方法保汪換相過程中非換相的電流恒定,從而有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動。基于Simulin和PLECS對系統(tǒng)的仿真,驗證了該方法的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞:無刷直流電動機;轉(zhuǎn)矩脈動;PLECS
中圖分類號:TM33 文獻標識碼:A 文章編號:1004一7018(2008)09—0001—03
O引 言
永磁無刷電動機是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機,它具有響應(yīng)快速、效率高、功率密度火,調(diào)速性能好等一系列優(yōu)點,現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速場合[1]。固有的轉(zhuǎn)矩脈動缺點,限制了它在高精度速度、位置控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
引起無刷電動機轉(zhuǎn)矩脈動的原因有三種[2-4]:齒槽轉(zhuǎn)矩脈動,因非理想反電勢引起的轉(zhuǎn)矩脈動以及換相轉(zhuǎn)矩脈動。其中前兩種轉(zhuǎn)矩脈動主要是與電機的制造工藝和轉(zhuǎn)子磁鋼充磁不理想有關(guān),可以通過對電機本體改造加以抑制。換相轉(zhuǎn)矩脈動主要是在換相過程中由于逆變器是120。導(dǎo)通方式,電流是方波,開通相電流的增加和關(guān)斷相電流的下降不同步,所以母線電流不是恒定值,這就引起轉(zhuǎn)矩的不等,即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。對于換相轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)在國內(nèi)外已有許多研究方法一,例如文獻[5]中提到的電流滯環(huán)控制,通過控制開通相電流的上升速度,使其和關(guān)斷相的電流下降速度一致,從而抑制轉(zhuǎn)矩脈動,這種方式主要適用在電機低速運行階段。文獻[6]中采用電流預(yù)測法,根據(jù)各個速度段的電機換相的情況,分別對不同的速度段進行不同的控制。文獻[7]中給出了電機在高速區(qū)域減小換相轉(zhuǎn)矩脈動的控制規(guī)則,采用無差拍控制方法取得了較好的控制效果,但其采用的方法本質(zhì)上為開環(huán)補償,補償措施適應(yīng)性差,在實際應(yīng)用中并不一定能取得較好的效果。
為削弱無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩脈動問題,本文提出采用非換相電流恒定法,根據(jù)保持非換相的電流恒定,汁算出換相過程中開通相的控制函數(shù),使在換相過程中保持開通相電流上升和關(guān)斷相電流下降速度相同,即換相電流之和等于非換相電流,保證非換相電流恒等。不管在高速還是低速階段,只要控制函數(shù)計算正確,便能夠保證非換相電流恒定,有效抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動。
1無刷直流電動機換相轉(zhuǎn)矩脈動分析
假設(shè):(1)三相繞組完全對稱,氣隙磁場為方波,定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱;(2)忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)等影響;(3)電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布;(4)磁路不飽和,不計渦流和磁滯損耗。則無刷直流電動機的數(shù)學(xué)模型如下[8]:
式中:ua、ub、uc分別為A、B、C三相端電壓;Ia、Ib、Ic、為三相繞組電流;ea、eb,ec三相反電勢;r為電機繞組電阻;L為電機相繞組電感;M為電機相間互感;p為微分算子。
對于轉(zhuǎn)子磁場接近方波的無刷電動機,電機繞組中的反電勢為梯形波。
根據(jù)無刷直流電動機的電壓方程,可得電機的等效電路,如圖l所示。
圖1無刷電動機等效電路圖
三相無刷直流電動機的瞬時轉(zhuǎn)矩表達式為:
式中:ω是電機角速度。
由式(2)可以看出,如果三相無刷電動機輸入為方波電流,就能保證電機輸出轉(zhuǎn)矩恒定。但是由于無刷直流電動機繞組電感的存在,電流變化慢,不可能有理想的方波電流,故會產(chǎn)生換相轉(zhuǎn)矩脈動。
下面以上橋換相為例分析換相過程轉(zhuǎn)矩脈動,當導(dǎo)通相有AC換為BC時,電機換相前運行穩(wěn)定狀態(tài),即AC相電流恒定,B相電流為零,換相前方程為:
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