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基于PWM控制的無刷直流電動機設(shè)計分析(zxj)
 
 

摘要:針對常規(guī)無刷直流電動機設(shè)計方法存在的不足,通過對工作在PwM控制模式時無刷直流電動機電流的分析計算,區(qū)分了母線電流和電樞相電流的不同,指出無刷直流電動機的設(shè)計應(yīng)主要依據(jù)電樞相電流,并提出一種PwM控制方式下無刷直流電動機設(shè)計的方法。樣機實驗結(jié)果表明,該方法顯著提高了無刷直流電動機沒訓(xùn)的準(zhǔn)確性,驗證了該方法的有效性和可行性。
    關(guān)鍵詞:PwM;無刷直流電動機;設(shè)計

    O引  言無刷直流電動機以其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、功率密度高及轉(zhuǎn)矩控制特性良好等諸多優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用在工業(yè)制造、航奪航天、船舶推進(jìn)等領(lǐng)域。然而,目前無刷直流電動機的設(shè)計方法并不完善,改進(jìn)兀刷直流電動機的沒計方法,對于提高系統(tǒng)的性能,進(jìn)一步擴大無刷自:流電動機的應(yīng)用領(lǐng)域具有葦要的意義。目前在無刷直流電動機設(shè)計的過程中通常以計算得到的固定的電機定轉(zhuǎn)子、槽形、轉(zhuǎn)子磁鋼尺寸及繞組參數(shù),采用cAD電機設(shè)計程序進(jìn)行無刷直流電動機的設(shè)計,未將無刷直流電動機實際工作運行狀態(tài)考慮存內(nèi)。無刷直流電動機作為一種典型的控制電機,工作過程巾多采用PwM控制模式,不同的控制模式下電機的運行狀態(tài)差別較大,電機設(shè)計過程中不考慮控制模式,勢必會造成電機設(shè)計的偏差。為解決這一問題,本文提出了在無刷直流電動機設(shè)計的過程巾考慮電機實際運行狀態(tài)——PwM控制模式的電機設(shè)汁方法,樣機實驗結(jié)果表明,該方法簡單可行,便丁工程應(yīng)用,顯著提高了無刷直流電動機設(shè)計的準(zhǔn)確性。
    1無刷直流電動機電流分析無刷直流電動機系統(tǒng)主要由直流電源、電動機本體、功率驅(qū)動電路及控制器等部分組成,具體連接關(guān)系如圖l所示。控制器通過檢測電動機轉(zhuǎn)子位置信號,產(chǎn)生驅(qū)動控制信號,通過功率驅(qū)動電路控制電動機進(jìn)行轉(zhuǎn)動。
    圖2、圖3和圖4分別為無刷直流電動機工作在PwM全控橋和半控橋下的運行狀態(tài)。通過分析可以得到,母線電流只在開關(guān)管上、下同時導(dǎo)通時才等于電樞相電流,在PwM調(diào)制時,開關(guān)管關(guān)斷產(chǎn)生的短暫續(xù)流過程,回路電流不流經(jīng)母線,引起母線電流與電樞相電流的不同。針對圖2、圖3和圖4所示的無刷直流電動機運行狀態(tài),有:式中:i1和i2,分別為圖2、圖3和圖4所示無刷直流電動機運行狀態(tài)回路的電流;R為相繞組電阻μ為直流電源;△μ“為管壓降;L為相電感;E為相反電動勢。
    通過對PwM調(diào)制下無刷直流電動機母線電流和電樞相電流的區(qū)分計算:半控橋型PwM調(diào)制和全控橋型PwM調(diào)制下的平均電樞相電流均大于平均母線電流,且全控橋型PwM調(diào)制下兩者的差值更大;比較式(7)、式(8)和式(13)、式(14),全控橋型PwM調(diào)制下的平均電樞相電流和母線電流較全控橋型PwM調(diào)制下的平均電樞相電流和母線電流都要小。
    為驗證上述分析計算的正確性,對一臺額定功率P=150 w、額定轉(zhuǎn)速n=175r/min、額定轉(zhuǎn)矩T=8.2 N·m,額定電流I=5 A,額定電壓μ=36 v的外轉(zhuǎn)子尢刷直流電動機進(jìn)行了實算。實驗中無刷直流電動機采用半控橋PwM控制方式,在占空比線性變化的條件下,對電機的母線電流進(jìn)行實際測算,并與推導(dǎo)出的平均母線電流、電樞相電流的計算公式計算得到的曲線進(jìn)行比較,實驗結(jié)果如圖5所示:
    圖中,粗的點線即為實際測得的無刷直流電動機平均母線電流曲線;PwM占空比的變化曲線;n為電機轉(zhuǎn)速的變化曲線。
    從圖5中可以看出,考慮PwM控制方式時的無刷直流電動機母線電流計算結(jié)果與實際測得的母線電流基本吻合;電樞相電流始終大于母線電流,尤其是在小轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩,占空比較小的情況下,兩者相差較大,與理論分析相一致。
    2考慮PwM控制的電機設(shè)計考慮PwM控制的無刷直流電動機設(shè)計方法,一方面是區(qū)分電樞相電流和母線電流的不同,電樞相電流始終大于母線電流,且電樞相電流與電磁轉(zhuǎn)矩成正比,母線電流與輸入功率大小有關(guān),電機設(shè)計應(yīng)主要依據(jù)電樞相電流。另一方而是考慮電機工作過程中PwM調(diào)制占空比變化對電樞相電流的影響,電樞相電流隨占空比的變化而變化。
    對于半控橋型逆變電路,不考慮PwM控制及考慮PwM控制的情況下,無刷直流電動機設(shè)計時的平均電樞相電流分別:
    比較以上兩式可得,只有在占空比接近于1的情況下,Ia和Ib才近似相等,隨著占空比的減小,兩者相差變大,考慮PwM控制的電樞相電流更能反映無刷直流電動機的工作狀態(tài),電機設(shè)計具有更高的準(zhǔn)確性。
    3實驗及結(jié)果分析為驗證方法的有效性,實驗過程中對同一臺無刷直流電動機,采用半控橋PwM控制方式,進(jìn)行了電機設(shè)計與樣機對比實驗,結(jié)果如圖6所示。
    由圖6可知,在小轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速、占空比較火的情況下,考慮PwM控制與否對電機的沒計結(jié)果沒有顯著影響,設(shè)計結(jié)果與實驗結(jié)果相近;在大轉(zhuǎn)矩、小轉(zhuǎn)速的情況下,未考慮PwM控制的設(shè)計結(jié)果和實驗結(jié)果的誤差較大,而考慮PwM控制的設(shè)計結(jié)果和實驗結(jié)果基本吻合。
    4結(jié)語本文在討論無刷直流電動機PwM控制時的驅(qū)動電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,區(qū)分了母線電流和電樞相電流的不同,得出了考慮PwM控制時,電樞相電流始終大于母線電流的結(jié)論,提出了依據(jù)電樞相電流并結(jié)合PwM控制模式的無刷直流電動機沒汁方法。實驗結(jié)果表明,該方法能夠有效地提高無刷直流電動機的設(shè)計準(zhǔn)確性,對于無刷直流電動機的設(shè)計及工作特性分析、測量方法的改進(jìn)有積極意義。

 
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