采用BUCK 電路的低電感無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與損耗分析

侯紅勝，劉衛(wèi)國，馬瑞卿

( 西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072) )

0 引 言

無刷直流電動(dòng)機(jī)具有與直流電動(dòng)機(jī)相媲美的優(yōu)良動(dòng)、靜態(tài)特性，同時(shí)又具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功率密度大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在家用電器、儀器儀表、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路大多數(shù)采用直流電源與六開關(guān)管逆變電路直接相連的方式，如圖1 所示，通過對逆變電路PWM控制實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)速、調(diào)速等控制。

圖1 無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制中，當(dāng)采用二二導(dǎo)通、三相六狀態(tài)的120°導(dǎo)通方式時(shí)，逆變電路的調(diào)制方式有H_PWM－L_ON、H_ON－L_PWM、ON －PWM、PWM－ON 和PWM－ON－PWM 等調(diào)制方法［1－2］，甚至可以采用雙極性調(diào)制方法［3］。當(dāng)驅(qū)動(dòng)一些電樞電感非常小的無刷直流電動(dòng)機(jī)，如空心杯無刷電動(dòng)機(jī)等，其電感只有十幾到幾十微亨，這些帶PWM 的調(diào)制方式均會(huì)引起電樞繞組電流有很大的脈動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、銅損耗和鐵損耗。通過分析無刷直流驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)，在逆變電路之前采用BUCK 電路，使逆變電路輸入電壓可變，而逆變電路中不采用PWM 斬波，即只采用Hall 位置信號(hào)進(jìn)行電子換相，可以降低其電流脈動(dòng)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和損耗。通過合理的器件選型和硬件電路設(shè)計(jì)BUCK 電路完全可以適用于無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路中［4］。

1 BUCK 電路

BUCK 變換電路是一種降壓型DC /DC 變換器，通過斬波方式的控制能將直流輸入電壓變換成輸出可變的直流電壓。BUCK 電路最大的優(yōu)點(diǎn)是損耗低、效率高，電路簡單，如圖2 所示。T 為功率開關(guān)管，D 為續(xù)流二極管，L為濾波電感，C 為濾波電容，L、C 構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，用于獲得所需的直流輸出電壓和電流。

圖2 BUCK 電壓變換電路

濾波電感和電容值根據(jù)設(shè)計(jì)需求的紋波電壓和電流來計(jì)算，由式( 1) 、式( 2) 確定［5］:

式中: L 為濾波電感值; C 為濾波電容值; Vo為輸出電壓; Vi為輸入電壓; Iomin為穩(wěn)壓器輸出電流最小值; ΔVo為交流電壓輸出分量; f 為開關(guān)管工作頻率。

本文將BUCK 變換電路應(yīng)用在一臺(tái)功率為200 W、額定電壓48 V、額定轉(zhuǎn)速15 800r/min 的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，如圖3 所示。通過電流和電壓反饋對BUCK 電路的開關(guān)管進(jìn)行PWM 調(diào)制，使輸入到逆變電路的電壓實(shí)時(shí)調(diào)整，逆變電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)只進(jìn)行換相控制。

2 低電感無刷直流電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)

低電感無刷直流電動(dòng)機(jī)由于其電樞電感只有十幾微亨到幾十微亨，在采用逆變電路PWM 驅(qū)動(dòng)時(shí)，其繞組電流容易出現(xiàn)斷流，如圖4( a) 所示。其帶來的問題主要如下:

( 1) 由于電流斷續(xù)，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很大，如圖4( b) 所示;

( 2) 由于電流轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很大，由定子電流的PWM 分量所引起的鐵損耗具有高頻電流分量，引起高頻磁場，這一高頻磁場會(huì)在定子、轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生渦流損耗，電流脈動(dòng)幅值越大，損耗越大［6］。

( 3) 采用H_PWM－L_ON，H_ON－L_PWM，ON－PWM 等PWM 調(diào)制方式時(shí)，換相期間會(huì)產(chǎn)生電樞電流回饋到直流端的現(xiàn)象，如圖4( c) 所示。反向電流會(huì)影響直流端電壓波形［1］。

( 4) 當(dāng)帶動(dòng)同樣的負(fù)載情況下，其電樞電流平均值相等，電流脈動(dòng)越大，其有效值越大，所以其銅損耗越大。

3 無刷直流電動(dòng)機(jī)的仿真模型

帶BUCK 前級變換電路的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模型如圖5 所示。由控制模塊、DC /DC 模塊、逆變模塊、無刷直流電動(dòng)機(jī)本體模塊和邏輯換相模塊五部分組成。

其中控制模塊對轉(zhuǎn)速、電流進(jìn)行雙閉環(huán)控制，控制算法采用PI，控制模塊模型如圖6 所示。速度環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，雙閉環(huán)的輸出經(jīng)過限幅后與PWM 生成模塊進(jìn)行比較，得出占空比控制BUCK 電路的開關(guān)器件。實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)逆變驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速給定值為10 ?000r/min。無刷直流電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1 所示。

表1 無刷直流電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

4 仿真結(jié)果及分析

通過對圖5 建立的無刷直流電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路模型，根據(jù)表1 設(shè)置參數(shù)，并進(jìn)行仿真。

4.1 電機(jī)電流和電磁轉(zhuǎn)矩

圖7 是相繞組電流、電磁轉(zhuǎn)矩和直流端電流的仿真波形。其轉(zhuǎn)速給定和負(fù)載轉(zhuǎn)矩等參數(shù)與圖4 相同，圖4 中采用的PWM 斬波頻率為10 kHz。

對比圖7 和圖4，可以看出采用前級BUCK 變換電路后，有以下特點(diǎn):

( 1) 繞組電流最大值從12 A 降到5．2 A，相繞組電流由不連續(xù)到連續(xù)，在導(dǎo)通工作期間脈動(dòng)較小，不導(dǎo)通期間不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流;

( 2) 電磁轉(zhuǎn)矩最大值從0．35 N·m 降到0．15 N·m，且一直大于零，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯降低;

( 3) 直流電源端無反向電流，換相期間關(guān)斷相繞組電流通過逆變電路和導(dǎo)通相繞組構(gòu)成回路。

4.2 繞組銅損耗

無刷直流電動(dòng)機(jī)由于三相電流對稱，在計(jì)算銅損耗時(shí)，取其中一相繞組電流進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果乘以3得到電機(jī)總的銅損耗，如圖8 所示。階躍信號(hào)用于電機(jī)達(dá)到穩(wěn)速后開始計(jì)算電機(jī)銅損耗。系統(tǒng)在0．1 s 時(shí)加額定負(fù)載，計(jì)算0．2～1．0 s 時(shí)間內(nèi)繞組銅損耗，圖9 是采用逆變電路PWM 調(diào)制方式和前級采用BUCK 電路的銅損耗計(jì)算結(jié)果。

當(dāng)電機(jī)繞組電流為理想狀態(tài)時(shí)，即電機(jī)繞組電流為方波電流，此時(shí)電機(jī)銅損耗:

當(dāng)采用逆變電路PWM 驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，由于電流不連續(xù)性，其有效值大大增加，銅損耗達(dá)到了12．85 J，幾乎增加了近一倍。當(dāng)采用前級BUCK 電路后，銅損耗為7．01 J，比理想狀態(tài)下只增加了不到3%。

4.3 電機(jī)鐵損耗

無刷直流電動(dòng)機(jī)的鐵耗包括永磁磁場旋轉(zhuǎn)在定子鐵心中引起的鐵耗; 定子電流非連續(xù)跳變在轉(zhuǎn)子中引起的鐵耗和定子電流的PWM 分量所引起的附加損耗［6］。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組電感很小，定子電流PWM 分量非常明顯，甚至使得繞組電流降低到零。減小PWM 分量可以通過提高PWM的調(diào)制頻率來實(shí)現(xiàn)。圖10 是當(dāng)PWM 頻率達(dá)到100 kHz 時(shí)相繞組電流波形。

圖10 PWM 頻率100 kHz 時(shí)相繞組電流波形

從圖10 可以看出，當(dāng)提高調(diào)制頻率后，相繞組電流幅值相比于圖4( a) 明顯降低，但是比圖7( a)要高。由于渦流損耗是電流脈動(dòng)幅值平方的函數(shù)［6－7］，所以減小電流脈動(dòng)的幅值可以降低電機(jī)的鐵損耗。采用BUCK 電路后電流脈動(dòng)比采用提高調(diào)制頻率后電流脈動(dòng)小，且提高功率器件的開關(guān)頻率會(huì)增加消耗在功率器件上的損耗。

5 結(jié) 論

本文針對小電感無刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，通過對逆變電路前級增加BUCK 電路進(jìn)行電壓實(shí)時(shí)調(diào)整，通過仿真和對比可以得出采用BUCK 電路后，無刷直流電動(dòng)機(jī)能夠在以下幾個(gè)方面得到明顯改善:

( 1) 相繞組電流和直流端電流脈動(dòng)明顯減小，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也相應(yīng)減小;

( 2) 換相過程中繞組電流不會(huì)反饋到直流端，換相結(jié)束后不導(dǎo)通相不會(huì)產(chǎn)生電流;

( 3) 電機(jī)的銅損耗大大降低，接近理想銅損耗狀態(tài);

( 4) 電機(jī)的鐵損耗隨著電流脈動(dòng)的減小而降低。

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