無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法研究

李有凱　蔣玲

摘 要： 通過(guò)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)開(kāi)通期間的相電流和關(guān)斷期間的相電流分析，經(jīng)過(guò)實(shí)際計(jì)算得到電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式，得到相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)曲線?；陔娏黝A(yù)測(cè)方法通過(guò)將預(yù)測(cè)模型分為模型建立、反饋調(diào)整和性能優(yōu)化3步，通過(guò)控制換相電流保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制。通過(guò)仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)表明，該無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 無(wú)刷直流電機(jī)； 電流預(yù)測(cè)； 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)； 換相電流

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）07?0142?03

Abstract： The phase current of BLDCM during the opening period and shutdown period is analyzed. The electromagnetic torque expression is obtained by actual calculation， and then the corresponding electromagnetic torque ripple curve is obtained. The prediction model is divided into model establishment， feedback tuning and performance optimization with current prediction method. The phase commutation current is controlled in a stable state to suppress the torque ripple. The simulation and practical experiment results show that the BLDCM speed control system has the advantages of small torque ripple， fast response speed， etc.

Keywords： BLDCM； current prediction； torque ripple； phase commutation current

0 引 言

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）由于具有輸出轉(zhuǎn)矩大、噪聲低、效率高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在各種工業(yè)控制場(chǎng)合上。然而對(duì)于一些控制精度指標(biāo)要求較高的場(chǎng)合，常常用轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)作為衡量一個(gè)系統(tǒng)控制性能的好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)刷直流電機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)中重要的動(dòng)力來(lái)源，其調(diào)速性能與穩(wěn)定性的好壞將直接影響到工業(yè)上能否安全、穩(wěn)定和高效的生產(chǎn)[1]。

本文總結(jié)了以往無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，以控制非導(dǎo)通相的相電流作為基礎(chǔ)，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)在換相期間非換相電流對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。通過(guò)仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)表明，將定子電流預(yù)測(cè)控制方法應(yīng)用在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[2?3]。

1 無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

假定實(shí)驗(yàn)所用無(wú)刷直流電機(jī)為三相對(duì)稱(chēng)，無(wú)刷直流電機(jī)的等效模型及驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示，定子換相時(shí)刻只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)。

抑制

基于電流預(yù)測(cè)控制算法的三個(gè)基本特征包括電流預(yù)測(cè)模型、反饋校正以及滾動(dòng)優(yōu)化，通過(guò)該算法對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的定子電流進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和控制[6?8]。

2.1 電流預(yù)測(cè)模型的建立

根據(jù)上述可知，決定電流變化率的因素有反電動(dòng)勢(shì)[E]和直流側(cè)供電電壓[Ud，]而反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)速成正比，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以得到[E]的實(shí)時(shí)值。一般情況下，電機(jī)的直流供電電壓[Ud]常常保持恒定，但是電機(jī)運(yùn)行過(guò)程轉(zhuǎn)速的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致[E]的變化，不能保證電機(jī)調(diào)速期間[Ud]始終與[4E]保持相等，所以電機(jī)在換相時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)比較大。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速分別為1 600 r/min和300 r/min時(shí)，采用電流預(yù)測(cè)控制前后的無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩仿真波形分別如圖3和圖4所示。顯然，無(wú)刷直流電機(jī)處于高速和低速運(yùn)行區(qū)域時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)方向不一樣，但采用定子電流預(yù)測(cè)控制后，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)獲得了很好的抑制。

本仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)所用無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）的主要參數(shù)為：額定功率為160 W，額定電壓為24 V，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，極對(duì)數(shù)為4。實(shí)際實(shí)驗(yàn)和仿真表明，采用定子電流預(yù)測(cè)控制的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在很大程度上改善了由于換相而導(dǎo)致的非換相相電流的突變，從而可以很好地減小無(wú)刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)在換相過(guò)程中各相電流做出了非常詳細(xì)的分析，并通過(guò)推導(dǎo)得出電磁轉(zhuǎn)矩和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式，從而得出保證非換相相電流的恒定是減小換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的一項(xiàng)重要策略。與此同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)定子電流預(yù)測(cè)控制方法很好地對(duì)換相過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行抑制，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹建波，曹秉剛，許鵬，等.無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2008（3）：248?253.

[2] 馮翠萍.永磁無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的控制策略研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[3] 顧俊杰.無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2014.

[4] 楊龍.無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制研究[D].株洲：中南林業(yè)科技大學(xué)，2014.

[5] 周美蘭，李志，蘇革航.無(wú)刷直流電機(jī)PWM調(diào)制方式對(duì)非換相期間轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（6）：74?81.

[6] 夏鯤，朱琳玲，曾彥能，等.基于準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015（4）：971?978.

[7] 李珍國(guó)，章松發(fā)，周生海，等.考慮轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化的無(wú)刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014（1）：139?146.

[8] 王大方，卜德明，朱成，等.一種減小無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的調(diào)制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014（5）：160?166.

[9] 袁題訓(xùn)，董升亮，耿丙群，等.無(wú)刷直流電機(jī)的保護(hù)電路[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（24）：41?44.

[10] 雷金莉.無(wú)刷直流電機(jī)模糊PI控制系統(tǒng)建模與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（6）：161?163.