無(wú)刷直流電機(jī)在脈寬調(diào)制下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制
孟光偉，李槐樹(shù)， 熊浩
(海軍工程大學(xué)電氣工程系，湖北武漢430033)
摘要：分析無(wú)刷直流電機(jī)(BLDcM)穩(wěn)態(tài)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，確定換相叫問(wèn)與電樞電流及反電勢(shì)之間的關(guān)系。分析脈寬捅制(PwM)方式對(duì)i相六狀態(tài)二二導(dǎo)通Bl肌cM控制系統(tǒng)的影響，提出了在PwM ON—PwM(前30。和后30。進(jìn)行PwM控制，中間60。保持恒通)方式下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)補(bǔ)償控制。該控制不仍能夠完全消除非換相期削由于關(guān)斷桶出現(xiàn)電流l缸引起的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，還能夠完全補(bǔ)償由于換相而引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在低速和高速時(shí)的無(wú)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；脈寬調(diào)制中圖分類(lèi)號(hào)：TM 33文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)
0 引言
無(wú)刷直流電機(jī)(Bmshless Dc M0tor，BLDcM)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、功率密度高、低噪聲、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。具有梯形波反電動(dòng)勢(shì)(平頂寬度≥120。)BLDcM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制及控制性能的改善一直是研究的熱點(diǎn)。
BLDcM可以工作在各種脈寬調(diào)制(Pulsewidth M0dulaLion，PwM)模式下，不同的PwM模式，不但影響功率開(kāi)關(guān)管的動(dòng)態(tài)損耗與散熱均勻性，而且對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響也很大。通過(guò)改變直流母線(xiàn)斬波控制”，保持非換相相電流的恒定，能有效抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但會(huì)使其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。低速時(shí)可通過(guò)控制非換相相電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[4]。文獻(xiàn)[5]僅針對(duì)PwM ON方式對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[6—8]對(duì)電機(jī)不同速度區(qū)采用不同的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法，但未考慮PwM對(duì)系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[9一12]引入預(yù)測(cè)電流控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自抗擾控制等來(lái)抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，控制算法復(fù)雜，不便于實(shí)現(xiàn)。
針對(duì)BLDCM的換相過(guò)程，以及PwM對(duì)控制系統(tǒng)的影響，本文在保持PwM一0N中PwM優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，在電機(jī)低速、高速時(shí)，通過(guò)對(duì)換相期間PwM調(diào)制比的求取，提出，在不同速度時(shí)的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)補(bǔ)償控制，在原有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，大大提高了系統(tǒng)的控制性能，電利于實(shí)現(xiàn)。
1換相過(guò)程分析
設(shè)BLDcM三相對(duì)稱(chēng)，星型連接，忽略電樞反應(yīng)，不計(jì)渦流和磁滯損耗，則其等效電路及其驅(qū)動(dòng)主電路如圖1所示。圖中：R、L分別定子繞組電阻和電感，eA、eB、eC分別為三相繞組上的反電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電機(jī)工作在三相六狀態(tài)120。導(dǎo)通方式時(shí)，由于電樞繞組電感的影響，電流換相不是瞬時(shí)完成的，功率開(kāi)炎管由T1、T2導(dǎo)通變?yōu)門(mén)2、T3導(dǎo)通，即電路狀態(tài)由A、c兩相繞組導(dǎo)通切換為B、c兩相繞組導(dǎo)通為例來(lái)分析換相過(guò)程。在換相過(guò)程中，A相電流由D4續(xù)流，逐漸減小為0，B相電流逐漸增大達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，換相過(guò)程的電路方程為
考慮電機(jī)各相繞組的反電動(dòng)勢(shì)為平頂寬度≥120。電角度的梯形波，幅值為Em,則換相過(guò)程中：eA=eB=一eC=Em。與BLDcM的繞組時(shí)間常數(shù)L／R相比，可以認(rèn)為PwM的周期足夠小，則：|Rix|=|LdiX／dit|，X=A，B，c，可忽略電樞繞組電阻的影響[6]，并考慮各相電流的初值和終值為換柏前后各電流的穩(wěn)態(tài)值I0，由式(1)可得換相期間的各相電流：
由式(2)可得，換相期間A相繞組的關(guān)斷時(shí)間t1和B相繞組的開(kāi)通時(shí)間t2分別為
設(shè)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度為ω，則換相期間的電磁轉(zhuǎn)矩為
由式(2)～(5)可知：
當(dāng)Ud>4Em時(shí)，即電機(jī)轉(zhuǎn)速小于一定值時(shí)，兩相電流換相不能同時(shí)完成，在iA降為0之前，iB已達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，如圖2中換相情形I，且換相引起轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為
當(dāng)Ud=4Em時(shí)，即電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，兩相繞組的換相可以同時(shí)完成，在iA降為O的同時(shí)iB達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，如圖2中換相情形Ⅱ，且換相過(guò)程中轉(zhuǎn)矩保持恒定，其值等于非換相期問(wèn)的電磁轉(zhuǎn)矩： 當(dāng)Ud<4Em時(shí)，即電機(jī)轉(zhuǎn)速大于一定值時(shí)，兩相電流換相不能同時(shí)完成，在iA已降為0時(shí)，iB還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，如圖2中換相情形Ⅲ |
