基于雙向buck—boost的無刷直流電動機轉矩脈動抑制

  闞志忠，張海存

(燕山大學，河北秦皇島066004)

    摘要：為提高無刷直流電動機的控制性能，減小電機換相區間轉矩脈動，提出基于雙向buck—boost供電的無刷直流電動機換相轉矩脈動的抑制方法。分析了雙同buck boost控制模式和該電路的輸出電壓控制算法，仿真結果驗證了電壓控制算法及抑制電磁轉矩脈沖的有效性。

    關鍵詞：無刷直流電動機；雙向升降壓電路；轉矩脈動；占空比

    中圖分類號：tm33  文獻標識碼：a  文章編號：1004—7018(2010)01—0040—05

0引言

    無刷直流電動機的轉子采用永磁材料，在氣隙中產生近似矩形分布的磁場，轉子上沒有繞組，因而無刷直流電動機轉子無銅損耗，電機具有效率高、節能、控制簡單、成本低等多項優點。隨著永磁材料、大功率電力電子技術、計算機技術、控制技術的發展，無刷直流電動機廣泛應用于航空航天、軍事、工業、計算機硬盤、民用空調、冰箱、電動汽車等諸多領域。一般無刷直流電動機繞組采用兩兩導通每相導通120。三相六階梯波供電方式，這種控制方式簡單，電機能夠獲得****電磁轉矩。因為電機定子齒槽對磁場分布影響、繞組存在電感導致電流換相時繞組電流不能突變，電機電磁轉矩存在脈動等。在低速情況下，速度波動嚴重，以致不能滿足速度或位置控制精度指標的要求。電機繞組電流換相時所產生的電磁轉矩脈動會隨電機轉速的變化而變化，脈動幅度****達到50％。有文獻提出，因為元刷直流電動機電磁轉矩脈動問題，它的應用場合限制在對精度要求不高的場合。

    無刷直流電動機的轉矩脈動與抑制問題一直是國內外在這一領域的研究方向之一。其中文獻[1]提出，由于pwm的控制方式不同，無刷直流電動機非導通相產生了電流，并引起電機的電磁轉矩脈動；文獻[2]提出通過改變輸入電壓減小轉矩脈動的方法；文獻[3]提出采用電流控制算法減少轉矩脈動。

    本文提出采用雙向升降壓斬波電路(bidirectionbuck boost circuit)改變直流母線電壓減小轉矩脈動的方法。實時跟隨無刷直流電動機轉速變化，調節其逆變器直流母線電壓，可抑制電機換相時非換相相電流脈動，進而抑制電磁轉矩脈動。改變升降壓斬波電路開關管的占空比可以調節其輸出電壓，使輸出電壓或大于電源電壓或小于等于電源電壓，但是單向的升降壓斬波電路的能量只能由輸入到輸出單方向傳遞，當電機工作在再生發電狀態時，電機處于發電狀態所產生的電能不能回饋到電源側，不利于節能。我們采用雙向升降壓斬波電路實現逆變器的直流母線電壓、電機反電勢、電機定子繞組電壓在數值上保持線性關系，不僅可以緩解無刷直流電動機轉矩脈動問題，還可提高電機轉速，降低作為電源的電池額定電壓。元刷直流電動機主電路如圖1所示。

1換相電磁轉矩脈動分析

    無刷電動機由梯形波永磁電動機本體、逆變器及位置傳感器組成，電機采用典型的星形接線。荊毆設：

(1)電動機的氣隙磁感應強度在空間呈梯形(近似為方波)分布；

    (2)忽略定子齒槽的影響；

    (3)忽略電樞反應對氣隙磁通的影響；

    (4)忽略電機中的磁滯和渦流損耗；

    (5)三相繞組完全對稱。

    無刷直流電動機定子電壓方程和電磁轉矩方程如下:

式中：m。、u。、分別為a、b、c三相繞組電壓；分別為定子a、b、c繞組相電動勢瞬時值；分別為a、口、c三相繞組電流；r。、r。為定子繞組相電阻，凹為每兩相繞組互感；為轉子的機械角速度；t為電機的電磁轉矩，l。=l—m，無刷直流電動機的等效電路如圖2所示。

無刷電動機轉動時，根據位置檢測器輸出信號，通過邏輯電路控制開關管sl～s6的導通和截止。為使電磁轉矩脈動盡量小，選擇開關管的控制方式即每個開關導通時間電角度，年亨形圖如圖3所示。

 由于各個開關管輪流導通，換相時等效電路結構相同，分析某一相的換相時