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無刷直流電動機換相轉矩脈動的分析和削弱方法

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:774

   摘要:主要對永磁無刷直流電動機換相過程進行理論分析,得到引起換相轉矩脈動的原因。針對不同的速度區間,采用相應的削弱換相轉矩脈動的方法,經過仿真分析和實驗觀測,驗證理論分析的正確性和削弱轉矩脈動法的有效性。

1引  言

   永磁無刷直流電動機由于具有調速方便、結構簡單、維護方便、易于控制、功率密度高等優點,在計算機外圍設備、儀器儀表、伺服系統、變頻空調、變頻洗衣機等電器中得到了廣泛的應用。然而,由于存在較大轉矩脈動,必然產生噪聲,造成諧波污染,使電機調速性能變差,限制了它在精密傳動系統中的應用。因此,如何抑制和削弱無刷直流電機的轉矩脈動,特別是通過簡單的控制策略來實現,從而有效地抑制轉速波動、電磁振動和噪聲,使其能夠在高精度位置、速度控制系統中得到應用,具有重要的現實意義。

2轉矩脈動產生的原因及分類

   永磁無刷直流電機根據轉矩脈動產生的根源不同,可以分為齒槽轉矩和紋波轉矩。

   (1)齒槽轉矩是永磁體產生的磁通與隨角度變化的定子磁阻相互作用而產生的,該轉矩是交變的,它與轉子磁極位置有關,是電動機自身空間和永磁體勵磁磁場分布的函數。在低速輕載運行時,將引起電機的轉速波動,從而產生振動和噪聲。

   (2)紋波轉矩是由于電流和感應電動勢波形的偏差引起的諧波轉矩。從反電勢角度看,是由于永磁體磁場的空間分布發生畸變,影響反電勢的波形,使得與平頂寬度為120°電角度的理想梯形波發生偏差,進而影響電磁轉矩的生成。另一方面,定子電流不是理想矩形波,因為定子繞組存在電感,限制了電流的變化率,定子電流換相時,上升率和下降率不同,從而引起非換相相電流產生一個缺口,引起轉矩脈動。

   本文針對120°兩兩導通方式,分析轉矩脈動產生的主要原因是在換相區域開通相和關斷相電流變化率不一致,從而導致非換相相電流在換相區域產生一個缺口,凸起(低速,Ud>4E)或凹陷(高速,Ud<4E),因此,抑制或削弱轉矩脈動的措施主要考慮在換相區域如何使開通相與關斷相的電流變化率一致,從而消除非換相相電流的缺口。  

3兩相導通運行及換相過程分析

3.1兩相導通運行

永磁無刷直流電機采用120°兩兩導通方式,從轉矩脈動程度最小的角度出發,比較幾種不同的PWM調制方式,選定pwm_on調制方式作為本文的調制方式,圖1為pwm_on調制方式,即各個功率管在導通的前60°進行PWM調制,后60°保持恒通。  

 圖1 pwm一0n調制方式

在電動運行的情況下,如圖2a、2b所示,下橋臂功率管6導通,上橋臂功率管1采用PWM調制方式,此時,電機三相端電壓平衡方程為:  (1)式中:S為開關函數,S=1為功率管VT1導通,S=0為功率管VT1關斷;Ud為直流側電壓;iA、iB、ic為三相相電流;eA、eB、eC為三相繞組反電勢;UN為中性點電壓;R為相電阻;L—M為相等效電感。

        

   (a)VT1、VT6導通                             (b)VT6、VT4導通

          

     (c)VT1、VT6導通                                (d)VT1、VT5導通

                                圖2電動運行過程

   如圖2c、2d所示,同理可以得出上橋臂功率管VT1導通,下橋臂功率管VT2采用PWM調制方式下的三相端電壓平衡方程:  (2)

3.2換相過程

如圖3所示,當電機在電動運行情況下,對功率管VT1、VT6導通過渡到VT1、VT2導通這一過程進行分析。關斷VT6,開通VT2,此時B相通過續流二極管VD3導通,電機三相端電壓平衡方程式為:

 圖3   VT1、VT6過渡到VT1、VT2換相過程

  (3)

   在換相過程中,即B相電流變為零之前,C相電壓方程中,S=1表示VT2開通,S=O表示VT2關斷,回路通過續流二極管VD5導通。

4不同速度范圍下換相轉矩脈動的分析

   低速和高速兩種情況下,對轉矩脈動的影響是不一樣的。根據文獻[1],可以分析出在低速(Ud>4E)的情況下,非換相相電流將產生一個凸起,相應的電磁轉矩也將產生一個凸起。在高速(Ud<4E)的情況下,非換相相電流則產生一個凹陷,相應的電磁轉矩也將產生一個凹陷。

4.1低速區

   對圖3功率管VT1、VT6過渡到VT1、VT2換相過程進行分析,由于在低速區開通相的電流變化率大于關斷相的電流變化率,pwm—on調制方式此時正好對VT2進行PWM調制,因此,勿需對其它管子進行調制,由式(3)三式相加可以得到相應的中性點電壓表達式: (4)式中:S=1為功率管VT2開通;S=0為功率管VT2關斷;由于換相時間比較短,這里假設eA≈E,eB≈eC≈一E,其中E為反電勢幅值。

   將式(4)代人式(3),解得關斷相B和開通相C的電流變化率: (5) (6)

根據狀態空間平均法和開關函數5,設占空比為D,則可以進一步得到關斷相B和開通相C的電流變化率: (7) (8)

由開通相和關斷相的電流變化率相等可以得到PWM占空比D為: (9)

4.2高速區

   對于速度較高的情況下,關斷相的電流變化率大于開通相的電流變化率,從而引起非換相相電流在換相區域產生一個凹陷。因此,需要對關斷相進行PWM斬波控制,即不讓關斷相在換相區全部關斷,而是逐漸關斷,從而減小關斷相的電流變化率,確保與開通相電流變化率的一致性。下面同樣針對圖3的功率管VT1、VT過渡到VT1、VT2換相過程進行分析,對VT進行。PWM調制,同理可以得到相應的中性點電壓表達式: (10)式中:S=1為功率管VT6開通;S=0為功率管VT6關斷。

   同理可以得到關斷相B和開通相C的電流變化率: (11) (12)

由開通相和關斷相的電流變化率相等可以得到PWM占空比D為: (13)

5削弱換相轉矩脈動的控制策略

   為了減小成本,永磁無刷直流電動機的電流反饋通常都是采用直流側反饋,這樣只需一個電流傳感器,相應的PWM調制方式則必須采用Hpwm_Lp_wm,即雙管調制方式。根據理論分析和推導,pwm_on方式產生的換相轉矩脈動比Hpwm_Lpwm方式小,本文采用pwm_on方式進行PWM調制,因此相應的電流反饋需采用交流側反饋,即需要兩個電流傳感器。

   本文的電流環控制把PWM調制與滯環控制有機的相結合,即對非換相相電流進行滯環控制,這樣對于低速區,即使不采用PWM調制,也能確保非換相相電流在換相區平穩,因為此時滯環控制起作用。但是在高速區,由于非換相相電流產生凹陷,滯環控制此時失去作用,這就需要按照式(13)高速區得出的占空比D對關斷相進行PWM調制,確保開通相和關斷相電流變化率一致,從而抑制換相轉矩脈動。從式(9)和(13)可以看出,近似計算出來的占空比只與反電勢和直流側電壓有關,直流側電壓Ud為常數,因此,控制器只需根據轉速環得到的轉速進而計算出相應的反電勢就可以得到占空比D的大小。

   對于高速區,也可以采用重疊換相的思想。即讓關斷相不采取立即關斷,而是通過延時一段時間關斷,在這段延時時間內,通過對非換相相電流的滯環控制可以保證其關斷相和開通相電流變化率的一致性,這樣開通相電流在這段時間內達到了一定的數值,因此在此刻讓關斷相全關斷,非換相相電流從關斷相全關斷到換相結束這段時間里雖然也會出現凹陷的情況,但是比起先前的凹陷區,這個凹陷區明顯小了很多,相應的轉矩脈動也比先前的小。由于延時時間不能精確的估計,這是重疊換相的缺陷。

6仿真分析與實驗波形

本文通過Matlab/SimuIink軟件對永磁無刷直流電機及其控制系統進行了建模與仿真,并采用TMS320F240為控制芯片,驅動電路采用IR2130芯片,主電路由M0SFET功率器件構成的三相全橋逆變器進行了整個電機驅動控制系統的實驗。實驗電機參數為:Ud=48 V,L一M=2.6×10ˉ3 H,R=0.66Ω,nN=l 600 r/rain,p=3。對于低速區,在換相區域不進行滯環控制或不對開通相電流進行PWM調制,則相應的三相換相電流仿真波形和電磁轉矩波形如圖4a、4b所示。圖5a、5b則是在低速區對非換相相電流進行了滯環控制的三相相電流仿真波形和電磁轉矩波形。當Ud≈4E時,從圖6可以看出開通相斜率和關斷相斜率幾乎相等,非換相相電流在換相區域沒有產生凸起和凹陷。對于高速區,圖7給出了在換相區域不采取對關斷相進行PWM調制和不采用重疊換相的思想時的三相相電流仿真波形。圖8為低速區采用滯環控制后的實驗波形;圖9為高速區未采取控制策略時的實驗波形;圖10、11則給出了采用上述兩種控制方法后的相電流換相實驗波形。

                

(a)相電流仿真波形                   (b)電磁轉矩仿真波形

圖4低速區未采取滯環控制的相電流仿真波形和電磁轉矩波形

                

(a)相電流仿真波形                      (b)電磁轉矩仿真波形

    圖5低速區采取滯環控制后的相電流仿真波形和電磁轉矩波形

                

圖6 Ud=4E情況下的相電流仿真波形        圖7高速區未采取控制策略時的相電流波形

                      

圖8低速區采用滯環控制后的實驗波形      圖9高速區未采取控制策略時的實驗波形

                        

圖10采用關斷相PWM時的換相電流波形    圖11采用重疊換相控制時  的換相電流波形

7結語

   根據理論分析和電流仿真波形可知,永磁無刷直流電動機轉矩脈動的主要成分在于產生較大的換相轉矩脈動。本文對整個換相過程進行了全面的分析,根據反電勢的大小不同,確定相應的速度區間,針對不同的速度區間,采用相應的控制方法對換相轉矩脈動進行削弱和抑制,從實驗波動可知,基本達到預期目的,其效果是顯著的。

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