基于Simulink的無刷電機模型正弦波信號優(yōu)越性研究

盧 佳,趙鵬祿,吳 潔,周 洋,馬佳興,高 愷

(江蘇大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

無刷直流電機是用電子換向器代替?zhèn)鹘y(tǒng)有刷電機的新型電機。相較于傳統(tǒng)有刷電機,它不僅具有質(zhì)量輕盈、使用壽命長、工作效率高的優(yōu)點,還具有更高的輸出轉(zhuǎn)矩和體積比。因此,無刷直流電機被廣泛應(yīng)用于對電機大小要求較高的場合,如電動摩托車的電機等。這對于無刷電機的穩(wěn)定性以及可靠性研究極具現(xiàn)實意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)宋煜[1]研究表明:在對正弦波和方波驅(qū)動的研究中,發(fā)現(xiàn)方波驅(qū)動可以減少20%轉(zhuǎn)矩脈動;通過控制相電壓,使相電壓盡可能靠近正弦波,可將轉(zhuǎn)矩脈動從14%降低到3.4%;對于非理想反電動勢波形無刷直流電機的研究中發(fā)現(xiàn),正弦波驅(qū)動和方波驅(qū)動都會存在轉(zhuǎn)矩脈動,而正弦波驅(qū)動的方式將有效減少轉(zhuǎn)矩脈動。可見正弦波信號輸入有一定的優(yōu)越性,而本文針對正弦波信號的優(yōu)越性,創(chuàng)新性切換研究角度,主要研究負載轉(zhuǎn)矩部分,相較于方波信號,正弦波輸入提高無刷電機的穩(wěn)定性。

2 關(guān)鍵技術(shù)(方法)介紹

本實驗忽略渦流,磁滯損失等問題,采用理想無刷直流電機仿真,其無刷電機內(nèi)部電壓平衡方程如下:

式中,uL1,uL2,uL3為電機定子繞組三相相電壓;iL1,iL2,iL3為電機定子三相繞組相電流;eL1,eL2,eL3電機定子繞組三相反電勢;r為電機定子繞組電阻;L為定子繞組的自感;M為定子繞組的互感;p為微分算子 。

電磁轉(zhuǎn)矩方程式為:Te=(eaia+ebib+ecic)/ω

2.1 模型介紹

為了保證實驗穩(wěn)定性和可靠性,本實驗調(diào)用了Matlab軟件中自帶的無刷電機模型,此模型中,參考速度為3 000 rpm,原始模型如圖1所示。

圖1 原始無刷電機模型

2.2 初步實驗

針對現(xiàn)有模型,本文進行了初步的仿真實驗,仿真所用負載轉(zhuǎn)矩為周期0.02 s,幅值為3 A的方波信號,其他具體實驗參數(shù)見模型簡介部分[2]。實驗結(jié)果顯示,定子電流初始波動峰值為20 A;穩(wěn)定后,仍然呈現(xiàn)類周期性波動,波動幅值為4.5 A,波動較為激烈。電壓方面,初步波動后,最終呈現(xiàn)類周期性波動,幅值為200 V左右,具體實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 定子電流和電壓的初步仿真結(jié)果

2.3 優(yōu)化實驗?zāi)Ｐ?/h3>

優(yōu)化實驗部分,筆者將負載轉(zhuǎn)矩(Tm)變?yōu)榱说确?同周期的正弦波信號(I=3 A,W=31.4 rad/s),同時進行相關(guān)仿真實驗,取得一定效果,具體電路模型如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的具體仿真實驗電路

2.4 優(yōu)化實驗結(jié)果

針對優(yōu)化模型,本文進行了進一步的仿真實驗,仿真所用負載轉(zhuǎn)矩為周期0.02 s,幅值為3 A的正弦波信號[3]?？梢钥吹?電流初始波動峰值為20 A,穩(wěn)定后,仍然呈現(xiàn)類周期性波動,波動幅值為3 A左右,但是波動情況相較于方波信號,明顯更加平穩(wěn);而電壓方面,初步波動后,最終呈現(xiàn)類周期性波動,幅值為200 V左右,與方波信號類似具體實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 定子電流和電壓的優(yōu)化仿真結(jié)果

2.5 優(yōu)化實驗小結(jié)

實驗優(yōu)化實驗部分,主要講負載轉(zhuǎn)矩由原來的方波信號變?yōu)榈确?。同周期的正弦波信?實驗仿真結(jié)果表明,相較于方波信號的負載轉(zhuǎn)矩,同條件的正弦波信號負載轉(zhuǎn)矩在定子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩等方面都有顯著提升穩(wěn)定性的表現(xiàn)。本仿真實驗,可以得出,同條件正弦波信號負載轉(zhuǎn)矩將更有利于無刷直流電機的相關(guān)穩(wěn)定性調(diào)試的結(jié)論,實驗主體研究目的達成[4]。

3 結(jié)語

本文給出了一種優(yōu)化無刷電機穩(wěn)定性的方案,具體為將負載轉(zhuǎn)矩由方波信號變?yōu)橥瑮l件正弦波信號。仿真結(jié)果顯示,優(yōu)化后的實驗結(jié)果穩(wěn)定性明顯優(yōu)于原有的方波信號。本實驗具有一定現(xiàn)實意義,但由于各種限制,本實驗對于此現(xiàn)象機理包括無刷電機反電動勢的研究以及提供正弦信號負載轉(zhuǎn)矩的可行性研究涉及較少,有待進一步深入[5]。綜上所述,本實驗提供了一種新型穩(wěn)定性優(yōu)化方案,對無刷直流電機的穩(wěn)定性優(yōu)化具有一定的研究價值和意義。