雙繞組無刷直流電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制策略

金浩 殷英 張旭

摘要：雙繞組無刷直流電機(jī)熱備份模式下會因某套繞組電流換相產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動，導(dǎo)致輸出力矩不恒定，因此需要對換相轉(zhuǎn)矩脈動進(jìn)行抑制。本文結(jié)合并聯(lián)結(jié)構(gòu)雙繞組無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)，提出一種基于電流轉(zhuǎn)移的換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法。在兩套繞組都處于非換相階段時利用電流預(yù)測方法將即將進(jìn)入換相狀態(tài)的一套繞組電流轉(zhuǎn)移進(jìn)入另外一套繞組，從而避開換相過程。仿真結(jié)果表明該方法在全速范圍內(nèi)對雙繞組無刷直流電機(jī)能夠有效抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動。

關(guān)鍵詞：雙繞組；換相轉(zhuǎn)矩脈動；電流轉(zhuǎn)移

無刷直流電機(jī)因體積小、效率高、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，在不過分增加電機(jī)體積以及控制復(fù)雜度，雙繞組無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)被提出并得到廣泛應(yīng)用，也得到了很多的研究[1]。

對于雙繞組無刷直流電機(jī)來說，換相轉(zhuǎn)矩脈動可以達(dá)到平均轉(zhuǎn)矩的50%左右，抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動成為減小電機(jī)整體轉(zhuǎn)矩脈動的關(guān)鍵問題[2]。重疊換相法、直接轉(zhuǎn)矩控制方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等方法被用來抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動。除直接轉(zhuǎn)矩控制作用于整個電機(jī)運(yùn)行階段之外，上述方法均是在電機(jī)換相階段或者換相階段附近內(nèi)對電機(jī)繞組電流進(jìn)行控制，進(jìn)而抑制電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動，由于換相時間限制，轉(zhuǎn)矩脈動的抑制效果有限。

本文結(jié)合并聯(lián)結(jié)構(gòu)雙繞組無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)，借鑒文獻(xiàn)[3]的電流預(yù)測方法，在兩個電機(jī)在都處于非換相期間時進(jìn)行電流的轉(zhuǎn)移，使即將進(jìn)入換相階段的繞組電流變?yōu)榱悖瑥亩种茡Q相轉(zhuǎn)矩脈動，通過仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 雙繞組無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動分析

圖2為換相前AB相導(dǎo)通的無刷直流電機(jī)三相繞組等效模型及驅(qū)動模型，圖中狀態(tài)為AC相導(dǎo)通。假設(shè)電機(jī)三相繞組完全對稱。R為相繞組的電阻，L為相繞組等效電感，U0為電機(jī)中性點(diǎn)電壓，U1為直流母線電壓，EA、EB、EC分別為對應(yīng)A、B、C相的反電動勢，iA、iB、iC分別表示A、B、C相的電流，三相電流正方向如圖。

由式（5）可以看出，電機(jī)在換相前如果繞組電流i降為零，則相應(yīng)轉(zhuǎn)矩脈動也為零。基于此，本文提出一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)雙繞組無刷直流電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制策略，通過兩套繞組間電流的轉(zhuǎn)移抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動。

3 基于雙繞組無刷直流電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制策略

抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動主要依靠兩個電機(jī)特征電流和在轉(zhuǎn)移的過程中保持不變實(shí)現(xiàn)，本文采用文獻(xiàn)[16]提出的單繞組無刷直流電機(jī)電流預(yù)測方法對兩套繞組的特征電流的轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行控制。

通過采樣當(dāng)前電流值，計(jì)算得到使下一個時刻電流達(dá)到期望值的電壓。

在AB相導(dǎo)通時。

為了提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制精度，電機(jī)特征電流的轉(zhuǎn)移時間對應(yīng)的采樣周期數(shù)n應(yīng)盡可能大，p為極對數(shù)。

4 仿真驗(yàn)證

在simulink模型中利用本文提出的轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法和速度環(huán)、電流環(huán)均采用PID控制的方法進(jìn)行效果對比。

設(shè)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速5000r/min，仿真頻率為10kHz，α=15°。

從圖4可以看出，低速情況下，傳統(tǒng)方法電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動為24.6%；新方法換相轉(zhuǎn)矩脈動為0.6%。

本文基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)雙繞組無刷直流電機(jī)，設(shè)計(jì)電流轉(zhuǎn)移算法，避開了換相過程，降低了電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫權(quán). 遠(yuǎn)洋漁船雙繞組永磁電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)研究[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014， 35（6）：110-112.

[2] 安群濤， 孫立志， 劉超， 等. 無刷直流電機(jī)的磁鏈自 控直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2010 （12）： 86-92.

[3] 林平， 韋鯤， 張仲超. 新型無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動的抑制控制方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2006， 26（3）： 153-158. 航空學(xué)報(bào)