無刷直流電動機斬波方式與電磁轉矩脈動關系

賀安超，劉衛國，郭志大

(西北工業大學，陜西西安7101291

摘要：以換相過程繞組的統一嗽態方程為基礎，統一近似解析表達了在斬波方式下的換相過程電磁轉矩，并分析了靳波方式影響轉矩脈動的根本原因，從理論k得到了****的斬波方式；同時．對各種斬波方式的換相時刻電磁轉矩分別進行了計算比較，其結果與理論分析一致；為分析目前和新的斬波方式和補償方法對轉矩脈動的影響提供了理論依據和表達式計算。最后得出對轉矩脈動****的斬波方式為PWM-ON-PWM。并在三個位置傳感器的條件運用位置預測法實現。試驗結果表明，PWM ON PWM的轉矩脈動最小，目沒有不導通相電流。

    關鍵詞：無刷直流電動機；斬波方式；轉矩脈動；PWM-ON—PWM

    中圖分類號：TM33  文獻標識碼：A  文章綿號：1004-7018(2010)05—0012—04

0引言

    具有梯形波反電動勢的無刷直流電動機具有高功率密度、控制簡單等特點，應用非常廣泛.但是因其電磁轉矩脈動問題以及由此造成的控制性能問題，限制了其在高定位精度、高穩定性等場合的應用^[1]。驅動逆變器多采用三相半橋驅動結構，繞組工作于星型連接兩相導通六狀態方式。一般采用刷PWM調制方式進行速度及電流的調節。采用的PWM調制方式不同．其對性能的影響也不同。

    無刷電動機轉矩脈動的抑制及控制性能的改善一直是研究的熱點。在文獻[11]中，對無刷直流電動機不斬波的情況下的相電流給出了解析計算。文獻[2]對幾種斬波方式的換相過程電磁轉矩分別進行了計算。文獻[3]為消除不導通相電流提出了一種PWM—ON—PwM斬波方式，但這種斬波方式需要6個霍爾傳感器。文獻[4—5]提出了一種兩倍提高極限斬波頻率的斬波方法。本文以統一的狀態方程解析計算了目前出現的各種斬波方式下的轉矩脈動表達式,并分析了斬波方式與轉矩脈動大小的根本聯系。最后，根據位置預測法給出了一種PWM-ON—PWM斬波方式的實現方法。

    目前，電機控制通常采用以下幾種調制方式：無斬波(不調制或其它調制方式占空比為1時)，H_pwm-1一L pwm，H oD—L—pwm，H—pwm—L oil，PWM—ON，ON—PWM。近年提出了 PWM—ON—PWMi。、倍頻PWM調制方法等，各種斬波方式與反電動勢波形如圖1所示。

1換相過程統一電壓平衡方程的建立和電磁轉矩的解析表達

    為了說明簡單，以AC導通換Bc導通的換相過程作為研究對象，E橋換相時為A+c一換為B+C一，下橋換相時為A—c+換為B—c+。研究假設的條件：電機三相對稱且參數相等；電機具有理想的120。梯形反電動勢；驅動電源及電機等效電路如圖2所示。換相過程的起始是A相的電流開始衰減，同時B相的電流開始增加，直到4相的電流衰減到零，換相過程結束。由此可見，在換相過程中三相繞組都有電流存在。因此，根據圖2的繞組等效電路模型可以建立在以下的電機三相端電壓平衡方程：

式中：Us為直流端電壓；x、y、Z分別每相繞組在不同斬波方式下的等效電壓系數，其值等于等效電壓除以Us；e_a、e_b、e_c屯為三相繞組反電勢；i_a、i_b,i_c為三相繞組電流；R、L分別表示每相繞組的電阻和電感(電感為每相自感與互感的差值)。根據電機統一理論，電機電磁轉矩可表示為：

式中：TM為電機轉矩；Pe為電磁功率；Ω為電機機械角頻率；ω為電機轉子電角頻率；P為極對數。

由式(3)可得，電機換相過程電磁轉矩與非換相繞組的電流成正比，其變化趨勢相同。

2由統一轉矩表達式分析斬波方式對電磁轉矩的影響

    由上述的解析表達式可以得出：在任何斬波形式下，只要計算出kil值，就可以近似解析出換相過程結束的時間；只要計算出k_i2值，就可以近似解析出電磁轉矩的大小。在不同的斬波方