北京永光高特微电机有限公司
Beijing  YongGuang  Micro-Motor  Manufacturing  Co.,Ltd.
 
新闻详情

无刷直流电动机换相转矩脉动的分析和削弱方法

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:486

   摘要:主要对永磁无刷直流电动机换相过程进行理论分析,得到引起换相转矩脉动的原因。针对不同的速度区间,采用相应的削弱换相转矩脉动的方法,经过仿真分析和实验观测,验证理论分析的正确性和削弱转矩脉动法的有效性。

1引  言

   永磁无刷直流电动机由于具有调速方便、结构简单、维护方便、易于控制、功率密度高等优点,在计算机外围设备、仪器仪表、伺服系统、变频空调、变频洗衣机等电器中得到了广泛的应用。然而,由于存在较大转矩脉动,必然产生噪声,造成谐波污染,使电机调速性能变差,限制了它在精密传动系统中的应用。因此,如何抑制和削弱无刷直流电机的转矩脉动,特别是通过简单的控制策略来实现,从而有效地抑制转速波动、电磁振动和噪声,使其能够在高精度位置、速度控制系统中得到应用,具有重要的现实意义。

2转矩脉动产生的原因及分类

   永磁无刷直流电机根据转矩脉动产生的根源不同,可以分为齿槽转矩和纹波转矩。

   (1)齿槽转矩是永磁体产生的磁通与随角度变化的定子磁阻相互作用而产生的,该转矩是交变的,它与转子磁极位置有关,是电动机自身空间和永磁体励磁磁场分布的函数。在低速轻载运行时,将引起电机的转速波动,从而产生振动和噪声。

   (2)纹波转矩是由于电流和感应电动势波形的偏差引起的谐波转矩。从反电势角度看,是由于永磁体磁场的空间分布发生畸变,影响反电势的波形,使得与平顶宽度为120°电角度的理想梯形波发生偏差,进而影响电磁转矩的生成。另一方面,定子电流不是理想矩形波,因为定子绕组存在电感,限制了电流的变化率,定子电流换相时,上升率和下降率不同,从而引起非换相相电流产生一个缺口,引起转矩脉动。

   本文针对120°两两导通方式,分析转矩脉动产生的主要原因是在换相区域开通相和关断相电流变化率不一致,从而导致非换相相电流在换相区域产生一个缺口,凸起(低速,Ud>4E)或凹陷(高速,Ud<4E),因此,抑制或削弱转矩脉动的措施主要考虑在换相区域如何使开通相与关断相的电流变化率一致,从而消除非换相相电流的缺口。  

3两相导通运行及换相过程分析

3.1两相导通运行

永磁无刷直流电机采用120°两两导通方式,从转矩脉动程度最小的角度出发,比较几种不同的PWM调制方式,选定pwm_on调制方式作为本文的调制方式,图1为pwm_on调制方式,即各个功率管在导通的前60°进行PWM调制,后60°保持恒通。  

 图1 pwm一0n调制方式

在电动运行的情况下,如图2a、2b所示,下桥臂功率管6导通,上桥臂功率管1采用PWM调制方式,此时,电机三相端电压平衡方程为:  (1)式中:S为开关函数,S=1为功率管VT1导通,S=0为功率管VT1关断;Ud为直流侧电压;iA、iB、ic为三相相电流;eA、eB、eC为三相绕组反电势;UN为中性点电压;R为相电阻;L—M为相等效电感。

        

   (a)VT1、VT6导通                             (b)VT6、VT4导通

          

     (c)VT1、VT6导通                                (d)VT1、VT5导通

                                图2电动运行过程

   如图2c、2d所示,同理可以得出上桥臂功率管VT1导通,下桥臂功率管VT2采用PWM调制方式下的三相端电压平衡方程:  (2)

3.2换相过程

如图3所示,当电机在电动运行情况下,对功率管VT1、VT6导通过渡到VT1、VT2导通这一过程进行分析。关断VT6,开通VT2,此时B相通过续流二极管VD3导通,电机三相端电压平衡方程式为:

 图3   VT1、VT6过渡到VT1、VT2换相过程

  (3)

   在换相过程中,即B相电流变为零之前,C相电压方程中,S=1表示VT2开通,S=O表示VT2关断,回路通过续流二极管VD5导通。

4不同速度范围下换相转矩脉动的分析

   低速和高速两种情况下,对转矩脉动的影响是不一样的。根据文献[1],可以分析出在低速(Ud>4E)的情况下,非换相相电流将产生一个凸起,相应的电磁转矩也将产生一个凸起。在高速(Ud<4E)的情况下,非换相相电流则产生一个凹陷,相应的电磁转矩也将产生一个凹陷。

4.1低速区

   对图3功率管VT1、VT6过渡到VT1、VT2换相过程进行分析,由于在低速区开通相的电流变化率大于关断相的电流变化率,pwm—on调制方式此时正好对VT2进行PWM调制,因此,勿需对其它管子进行调制,由式(3)三式相加可以得到相应的中性点电压表达式: (4)式中:S=1为功率管VT2开通;S=0为功率管VT2关断;由于换相时间比较短,这里假设eA≈E,eB≈eC≈一E,其中E为反电势幅值。

   将式(4)代人式(3),解得关断相B和开通相C的电流变化率: (5) (6)

根据状态空间平均法和开关函数5,设占空比为D,则可以进一步得到关断相B和开通相C的电流变化率: (7) (8)

由开通相和关断相的电流变化率相等可以得到PWM占空比D为: (9)

4.2高速区

   对于速度较高的情况下,关断相的电流变化率大于开通相的电流变化率,从而引起非换相相电流在换相区域产生一个凹陷。因此,需要对关断相进行PWM斩波控制,即不让关断相在换相区全部关断,而是逐渐关断,从而减小关断相的电流变化率,确保与开通相电流变化率的一致性。下面同样针对图3的功率管VT1、VT过渡到VT1、VT2换相过程进行分析,对VT进行。PWM调制,同理可以得到相应的中性点电压表达式: (10)式中:S=1为功率管VT6开通;S=0为功率管VT6关断。

   同理可以得到关断相B和开通相C的电流变化率: (11) (12)

由开通相和关断相的电流变化率相等可以得到PWM占空比D为: (13)

5削弱换相转矩脉动的控制策略

   为了减小成本,永磁无刷直流电动机的电流反馈通常都是采用直流侧反馈,这样只需一个电流传感器,相应的PWM调制方式则必须采用Hpwm_Lp_wm,即双管调制方式。根据理论分析和推导,pwm_on方式产生的换相转矩脉动比Hpwm_Lpwm方式小,本文采用pwm_on方式进行PWM调制,因此相应的电流反馈需采用交流侧反馈,即需要两个电流传感器。

   本文的电流环控制把PWM调制与滞环控制有机的相结合,即对非换相相电流进行滞环控制,这样对于低速区,即使不采用PWM调制,也能确保非换相相电流在换相区平稳,因为此时滞环控制起作用。但是在高速区,由于非换相相电流产生凹陷,滞环控制此时失去作用,这就需要按照式(13)高速区得出的占空比D对关断相进行PWM调制,确保开通相和关断相电流变化率一致,从而抑制换相转矩脉动。从式(9)和(13)可以看出,近似计算出来的占空比只与反电势和直流侧电压有关,直流侧电压Ud为常数,因此,控制器只需根据转速环得到的转速进而计算出相应的反电势就可以得到占空比D的大小。

   对于高速区,也可以采用重叠换相的思想。即让关断相不采取立即关断,而是通过延时一段时间关断,在这段延时时间内,通过对非换相相电流的滞环控制可以保证其关断相和开通相电流变化率的一致性,这样开通相电流在这段时间内达到了一定的数值,因此在此刻让关断相全关断,非换相相电流从关断相全关断到换相结束这段时间里虽然也会出现凹陷的情况,但是比起先前的凹陷区,这个凹陷区明显小了很多,相应的转矩脉动也比先前的小。由于延时时间不能精确的估计,这是重叠换相的缺陷。

6仿真分析与实验波形

本文通过Matlab/SimuIink软件对永磁无刷直流电机及其控制系统进行了建模与仿真,并采用TMS320F240为控制芯片,驱动电路采用IR2130芯片,主电路由M0SFET功率器件构成的三相全桥逆变器进行了整个电机驱动控制系统的实验。实验电机参数为:Ud=48 V,L一M=2.6×10¯³ H,R=0.66Ω,nN=l 600 r/rain,p=3。对于低速区,在换相区域不进行滞环控制或不对开通相电流进行PWM调制,则相应的三相换相电流仿真波形和电磁转矩波形如图4a、4b所示。图5a、5b则是在低速区对非换相相电流进行了滞环控制的三相相电流仿真波形和电磁转矩波形。当Ud≈4E时,从图6可以看出开通相斜率和关断相斜率几乎相等,非换相相电流在换相区域没有产生凸起和凹陷。对于高速区,图7给出了在换相区域不采取对关断相进行PWM调制和不采用重叠换相的思想时的三相相电流仿真波形。图8为低速区采用滞环控制后的实验波形;图9为高速区未采取控制策略时的实验波形;图10、11则给出了采用上述两种控制方法后的相电流换相实验波形。

                

(a)相电流仿真波形                   (b)电磁转矩仿真波形

图4低速区未采取滞环控制的相电流仿真波形和电磁转矩波形

                

(a)相电流仿真波形                      (b)电磁转矩仿真波形

    图5低速区采取滞环控制后的相电流仿真波形和电磁转矩波形

                

图6 Ud=4E情况下的相电流仿真波形        图7高速区未采取控制策略时的相电流波形

                      

图8低速区采用滞环控制后的实验波形      图9高速区未采取控制策略时的实验波形

                        

图10采用关断相PWM时的换相电流波形    图11采用重叠换相控制时  的换相电流波形

7结语

   根据理论分析和电流仿真波形可知,永磁无刷直流电动机转矩脉动的主要成分在于产生较大的换相转矩脉动。本文对整个换相过程进行了全面的分析,根据反电势的大小不同,确定相应的速度区间,针对不同的速度区间,采用相应的控制方法对换相转矩脉动进行削弱和抑制,从实验波动可知,基本达到预期目的,其效果是显著的。

联系方式
 
 
 工作时间
周一至周五 :8:00-17:00
 联系方式
于海腾:010-83971821
姜宇:010-83510840
周围:010-61402950