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      BLDCM換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的優(yōu)化策略*

      2014-02-11 02:48:13王曉鋒
      機(jī)電工程技術(shù) 2014年9期
      關(guān)鍵詞:無刷電機(jī)相電流直流電機(jī)

      王曉鋒,林 偉

      (廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣東廣州 510006)

      BLDCM換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的優(yōu)化策略*

      王曉鋒,林 偉

      (廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣東廣州 510006)

      首先建立了無刷直流電機(jī)(Brushless direct current motor,BLDCM)的數(shù)學(xué)模型,然后分析了換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制原理,最后提出了低速階段和高速階段抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的策略。此方法保證在換相期間,關(guān)斷相的電流下降率和開通相的電流上升率絕對(duì)值相等,繼而保證在換相期間非換相相電流保持恒定。搭建了實(shí)際直流無刷電機(jī)控制平臺(tái)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,所提出的策略有效地抑制了直流無刷電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

      直流無刷電機(jī);換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng);相電流

      永磁無刷直流電機(jī)替代了傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相結(jié)構(gòu),保留了傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的各種特征,抑制了由于電刷和換向器引起的火花、噪聲和電磁干擾。與傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步電機(jī)相比具有更多優(yōu)點(diǎn),例如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、維護(hù)保養(yǎng)方便、調(diào)速性能好等。但有一個(gè)明顯的缺點(diǎn),由于存在無刷直流電機(jī)相電樞繞組電感,以致關(guān)斷相電流和開通相電流產(chǎn)生換相延時(shí),非換相相電流引起波動(dòng),形成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這限制了它在許多高精度場(chǎng)合的應(yīng)用,因此需研究一種有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法,以使可靠性和穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升。

      無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略主要分為4類:(1)優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法[1];(2)優(yōu)化由于非理想反電動(dòng)勢(shì)波形引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制[2];(3)基于現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制[3];(4)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制[4]。

      本文從無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的根本原因著手,提出一種控制簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用普遍而且不用對(duì)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做改動(dòng),只通過軟件上的優(yōu)化,就可較好地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在換相過程中對(duì)變化率較大的那一相采取適當(dāng)?shù)拿}沖寬度調(diào)制,確保在換相期間,關(guān)斷相的電流下降率和開通相的電流上升率絕對(duì)值相等,從而消除換相延時(shí),保證在換相期間非換相相電流保持穩(wěn)定。最后通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了上述方法能夠較好地抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

      1 無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

      以兩兩導(dǎo)通三相星型連接為例分析直流無刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

      假設(shè)理想情況,可得相電壓方程如下:

      根據(jù)(1)能得出如圖1所示的BLDCM等效電路圖。

      圖1 BLDCM等效電路圖

      2 換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制原理分析

      將無刷直流電機(jī)工作在兩兩導(dǎo)通模式。如圖2所示的工作方式,換相前,MOS管V1,V6導(dǎo)通,此時(shí)A,C兩相導(dǎo)通,換相后,MOS管V3,V6開通,此時(shí)B,C兩相導(dǎo)通[5-7]。

      假定定子繞組電阻不計(jì),并令LM=L-M??傻秒妷悍匠蹋?/p>

      對(duì)圖2中兩個(gè)回路進(jìn)行理論計(jì)算。

      回路一:A相→C相→V6→VD2→A相,由式(2)中第一、三式可得:

      回路二:+Ud→V3→B相

      →V6→-Ud,由式(2)中第二,三式可得:

      圖2 三相橋式星型連接圖

      已知:

      由式(3)、(4)和(5)可得各相電流為:

      可得ia,ib,ic的變化率不等,換相過程會(huì)出現(xiàn)三種情況:

      (1)當(dāng)ia,ib變化率相等時(shí),如圖3所示。

      如圖3,ia(t)=0,ib(t)=I,根據(jù)式(6)可得:

      可得:

      圖3 換相狀態(tài)一

      圖4 換相狀態(tài)二

      圖5 換相狀態(tài)三

      (2)當(dāng)ia變化率大于ib變化率,如圖4所示。如圖4,ib(t1)<I,則由式(7)可得:

      (3)當(dāng)ia變化率小于ib變化率時(shí),具體如圖5所示。

      可得:

      接下來計(jì)算換相過程中三種情況下的電磁轉(zhuǎn)矩,可得:

      可得:

      Ud=4E?,轉(zhuǎn)矩Tem穩(wěn)定;

      Ud<4E?,即高速狀態(tài),轉(zhuǎn)矩Tem變小;

      Ud>4E?,即低速狀態(tài),轉(zhuǎn)矩Tem增大。

      因此,可得出結(jié)論:

      無刷直流電機(jī)在換相時(shí)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和端電壓,轉(zhuǎn)速存在必然的聯(lián)系,即在端電壓一定的條件下,高速階段換相電流將會(huì)下降,從而換相轉(zhuǎn)矩跟著下降;低速階段,換相電流上升,換相轉(zhuǎn)矩跟著上升[8]。

      3 換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略的優(yōu)化

      仍舊以A相換相到B相,C相為非換相相的過程進(jìn)行分析。已經(jīng)知道抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的關(guān)鍵是當(dāng)相電流ia減小為0時(shí),相電流ib同時(shí)達(dá)到最大值I。從低速階段和高速階段兩方面來分析。

      3.1 低速階段轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的優(yōu)化策略

      如圖5換相狀態(tài)三,在相電流ia還沒有減小為0時(shí),相電流ib已經(jīng)達(dá)到最大值I。因此,對(duì)B相采取PWM調(diào)制,以使相電流ib適當(dāng)延遲,使相電流ia減為0的同時(shí)ib增大到I,從而符合上述分析的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制原理。

      在低速階段,從A相換相到B相過程中,A相關(guān)斷,B相進(jìn)行PWM調(diào)制。

      (1)A相關(guān)斷,B相PWM調(diào)制且屬于開通狀態(tài),電壓方程可表示為:

      且ia=0,ib=-ic=i,所以:

      (2)A相關(guān)斷,B相PWM調(diào)制且屬于關(guān)斷狀態(tài),電壓方程可表示為:

      可得:

      因此,關(guān)斷相A相在換相期間的電壓方程根據(jù)表達(dá)式(12)第三式和表達(dá)式(13)可得:

      pb為B相PWM調(diào)制的占空比。

      PWM調(diào)制相B相在換相期間的電壓方程根據(jù)表達(dá)式(12)第二式和表達(dá)式(13)可得:

      由式(16),(17)可得關(guān)斷相和PWM調(diào)制相在換相時(shí)的時(shí)間分別為:

      當(dāng)tF=tR時(shí),可以得到:

      因此換相期間在低速階段以式(20)為脈寬對(duì)開通相B相進(jìn)行PWM調(diào)制,可以達(dá)到當(dāng)關(guān)斷相A相電流減為0時(shí),同時(shí)開通相B相電流達(dá)到最大值。

      3.2 高速階段轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的優(yōu)化策略

      如圖(4)換相狀態(tài)二,在相電流ia減小為0時(shí),相電流ib還沒有達(dá)到最大值I。因此,對(duì)A相采取PWM調(diào)制,以使相電流ia適當(dāng)延遲,使相電流ia減為0的同時(shí)ib增大到I,從而符合上述分析的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制原理。

      在高速階段,從A相換相到B相過程中,A相PWM調(diào)制,B相全通。

      (1)A相PWM調(diào)制且屬于開通狀態(tài),B相全通,電壓方程可表示為:

      由表達(dá)式(5)和(21)可得:

      (2)A相PWM調(diào)制且屬于關(guān)斷狀態(tài),B相全通,電壓方程可表示為:

      可得:

      所以PWM調(diào)制相A相在換相期間的電壓方程為:

      pa為A相PWM調(diào)制的占空比。

      同理開通相B相在換相期間的電壓方程為:

      由式(25),(26)可得PWM調(diào)制相和開通相在換相時(shí)的時(shí)間分別為:

      當(dāng)tF=tR時(shí),可以得到:

      因此換相期間在高速階段以式(29)為脈寬對(duì)關(guān)斷相A相進(jìn)行PWM調(diào)制,可以達(dá)到當(dāng)關(guān)斷相A相電流減為0時(shí),同時(shí)開通相B相電流達(dá)到最大值。

      通過對(duì)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低速階段和高速階段的理論分析與計(jì)算,推算出的這種新算法可以有效的抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

      4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

      本實(shí)驗(yàn)搭建的無刷直流電機(jī)控制平臺(tái)如圖6所示,無刷直流電機(jī)控制芯片采用MICROCHIP的dsPIC33FJ32MC204。無刷直流電機(jī)參數(shù)為:額定功率50 W,輸入電壓24 V,額定轉(zhuǎn)數(shù)5 000 r/min。實(shí)驗(yàn)對(duì)非換相相電流波形進(jìn)行觀測(cè),得到波形如圖7、圖8所示。

      圖6 BLDCM控制平臺(tái)

      圖7 非換相相電流未優(yōu)化波形

      圖8 非換相相電流優(yōu)化后波形

      由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由非換相相電流脈動(dòng)直接產(chǎn)生,因此電流脈動(dòng)波形可近似認(rèn)為是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)波形。由圖7可以看出,沒有采用算法優(yōu)化過的直流無刷電機(jī)非換相相上的電流波動(dòng)明顯較大,直接表現(xiàn)為功率電路板上的橋式電路開關(guān)管發(fā)熱明顯,電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行不平穩(wěn)。再由圖8可以得出,采用該算法優(yōu)化過的直流無刷電機(jī)非換相相上的電流變化相對(duì)比較平穩(wěn),因此轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以得到有效控制。

      5 結(jié)論

      實(shí)驗(yàn)證明,所提出的策略有效地抑制了直流無刷電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),以使直流無刷電機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升。該控制算法簡(jiǎn)單、有效、實(shí)用性強(qiáng)。

      [1]陸靜平.抑制無刷直流電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的設(shè)計(jì)方法[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011,33(18):7-9.

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      [3]夏長(zhǎng)亮,文德,王娟.基于自適應(yīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制新方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002,22(1):54-58.

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      Optimizing of Commutation Torque Ripple Strategy in Brushless DC Motor

      WANG Xiao-feng,LIN Wei
      (College of Computer,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

      First of all,this article creates the mathematical model of blushless DC Motor.Secondly,analyze the reduction theory of commutation torque ripple.Finally,put forward a strategy to reduce the commutation torque ripple from the low-speed level and high-speed level.This method guarantee equal between current decline rate of shutdown phase and current rising rate of opening phase during commutation,thus keep the current of un-commutation stable.Build a real brushless DC motor control platform for experimental verification,the proposed strategy of brushless DC motor commutation torque ripple is suppressed effectively.

      brushless DC motor;commutation torque ripple;phase current

      TM33

      A

      1009-9492(2014)09-0014-05

      10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.004

      王曉鋒,男,1988年生,浙江德清人,碩士研究生。研究領(lǐng)域:嵌入式系統(tǒng)。

      (編輯:阮 毅)

      *廣東省科技廳省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(編號(hào):2012B091100191)

      2014-03-13

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