無刷直流電動機電流滯環跟蹤控制方法的研究
王興貴，黃志勇，孫宗宇
（蘭州理工大學，蘭州730050）
摘要：通過無刷直流電動機數學模型，分析了無刷直流電動機產生電磁轉矩波動的原因，在此基礎上，提出采用電流滯環跟蹤pwm控制方式來減小電磁轉矩的波動。最后分別從理論推導和實驗證明了采用電流滯環跟蹤pwm控制方式時輸出電流波形更接近理想的方波電流，減小了無刷直流電動機電磁轉矩的波動。
關鍵詞：無刷直流電動機；電流滯環跟蹤控制；電磁轉矩波動
中圖分類號：tm36+l 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848( 2010) 02-0051-03
0引l 言
無刷直流電動機( bldcm)不僅具有傳統直流電動機良好的動、靜態調速性能，并且具有結構簡單、運行可靠、易于控制，無換相火花等優點，因而在現代工業領域中礙到了廣泛的應用。然而，目前應用pwm控制技術的bldcm控制器多是電壓源型的。由于這類控制囂輸出的電流并不是理想方波電流，存在電磁轉矩波動不可克服的缺點。本文中提出采用電流滯環跟蹤pwm控制方法，通過直接控制檀電流以減小電動機電磁轉矩的波動。該控制方法具有轉矩波動小，電路簡單易實現，適用于高性能的伺服控制系統。
1 無刷直流電動機的數學模型
無刷直流電動機及其驅動電路拓撲結構如圖1所示。
假設三相繞組完全對稱，氣隙磁場為理想的方波；忽略齒槽、換相過程和電樞反應的影響；磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗等因素。則可以建立理想狀態下bldcm數學模型如式(1)：
式中，ua、ub、uc為三相繞組端電壓；ia、ib、ic為三相繞組電流；ea、eb、ec為三相繞組反電動勢；un為中性點對地電壓；r、l為繞組等效電阻值和電感值；則可以建立電磁轉矩方程為：
2 電磁轉矩波動產生的原因
對于兩相導通三相六狀態無刷直流電動機，任一時刻總是兩相導通，如圖2所示。此時的電磁轉矩為：
電動機轉速方程為：
將式(4)、式(5)代入式(3)得：
由式(6)可知，電磁轉矩正比于相電流，因此假設電流為理想的方波電流，則電磁轉矩波動為零。然而實際情況下，由于電感的存在，使得相電流不能突變；而普通pwm調制方式，是通過調節輸出pwm波的占空比來調節輸出電壓的大小，而達到電動機調速的目的；這樣電流也就不一定為理想的方波電流，圖3為其輸出的a相相電流實驗波形。
由圖3可見，電動機a相導通期間，電流波形出現兩個較大尖峰。由式(6)可知，電流出現尖峰將導致電動機的電磁轉矩出現波動。為使輸出電流波形接近理想的方波電流，采用了電流滯環pwm控制策略，直接對bldcm相電流進行控制。
3 電流滯環pwm控制方案的確定
電流滯環pwm控制是基于反饋控制的思想，使實際輸出電流圍繞著給定的電流信號做鋸齒形變化，與此同時，驅動電路輸出的電壓波形為不規則的pwm波。圖4所示為電流滯環跟蹤pwm輸出電流波形。
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