永磁無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究

1、SERV O TECHN IQUE永磁無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究孫劍波, 龔世纓, 董亞暉(華中科技大學, 湖北武漢430074摘要:提出一種永磁無刷直流電機電流反饋新的控制方法, 即采用常規(guī)重疊換相法與定頻采樣電流控制相結合的方法, 既能穩(wěn)定逆變器的工作頻率, 又改善了永磁無刷直流電機的換相性能, 利用仿真對提出的方法進行了驗證。關鍵詞:永磁無刷直流電機; 換相轉(zhuǎn)矩脈動; 重疊換相; 定頻采樣; 仿真中圖分類號:TM 351. ; TM 361文獻標識碼:A 文章編號:1001-6848(2001 04Si m ula tion of the Per manen tM agnetic S

2、peed -SUN J ian -bo , GON G -hu i(H uazhong U niversity , uhan 430074, Ch ina Abstract :A new current feedback ethod B DC M o to r (BLDC M is introduced in th is paper , w h ich com bines the w ith the fixed -frequency samp ling current contro l m ethod . It bo th stabilizes the , and i m p roves th

3、e comm utative perfo r m ance of BLDC M . A nd it is verified by the si m ulati on .Key words :; comm utative to rque ri pp le ; overlap comm utati on ; fixed -frequency samp ling ; si m ulati on收稿日期:2000-10-121引言由于永磁無刷直流電機具有慣量小、控制簡單、可靠性高、力矩電流比率高、動態(tài)性能好等優(yōu)良特性, 在航天、機器人、數(shù)控機床等許多工業(yè)領域己得到了廣泛應用。但是, 無刷直流電機存在轉(zhuǎn)

4、矩脈動問題, 無法實現(xiàn)更精確的位置控制和更高性能的速度控制。引起轉(zhuǎn)矩脈動的原因有很多, 相電流換相是主要原因之一。許多文獻對換相轉(zhuǎn)矩脈動做過理論和仿真分析, 但控制效果不理想13。因此, 本文從改善無刷直流電機換相性能的角度入手, 分析比較在不同電流反饋控制和交流側電流反饋控制 的換相轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生原因的基礎上, 將重疊換相法和定頻采樣電流控制結合起來, 消除由電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動。2永磁無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)2. 1無刷直流電機模型無刷直流電機一般由永磁同步電機(PM S M 、轉(zhuǎn)子位置檢測器和電流控制的電壓源型逆變器組成4, 如圖1所示。理想的相電勢波形是正弦波, 并圖1無刷直流電機的結構原

5、理圖由120°(電角度 方波電流(相電流 供電, 其相電動勢、相電流以及電磁轉(zhuǎn)矩的關系如圖2所示 。圖2相電勢、相電流和電磁轉(zhuǎn)矩的關系圖3為通常采用的無刷直流電機的等效電路圖, 由此可寫出其電壓平衡方程式:91永磁無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究孫劍波龔世纓董亞暉 u a u b u =R 000 R 000Ri a i b i +L -M 000L - M00L -M P i a i b i +e a e b e 式中, P =d d t 。其電磁轉(zhuǎn)矩為:T e = (e a i a +e b i b +e c i c 圖3無刷直流電機的等效電路2. 2系統(tǒng)框圖, 如圖 4所示。本系

6、統(tǒng)中, 直流電源通過電壓源型三相橋式PWM 逆變器向永磁電機供電。只要根據(jù)位置檢測信號選通對應的開關器件, 就可獲得與感應電勢同相位的電流, 從而驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。圖4系統(tǒng)框圖2. 3電流控制方式由于滯環(huán)電流控制器具有控制簡單、性能良好的特點, 所以它是目前采用得最多的電流控制器。針對其開關頻率不固定的缺點, 提出了多種限制逆變器最高開關頻率的控制器, 不過這些方法往往增加了控制器的復雜程度, 應用起來很不方便。定頻采樣電流控制器則是一種與滯環(huán)相似, 且逆變器最大開關頻率固定的電流控制器。該控制器既去除了滯環(huán)控制器最大開關頻率不固定的缺點, 又保持了滯環(huán)控制器的性能好和簡單的優(yōu)點, 同時在后面還將

7、談到將此方法與重疊換相法結合起來, 可在很大程度上對交流側電流反饋控制轉(zhuǎn)矩脈動進行抑制。一般, 電流控制又可以根據(jù)反饋信號的不同分成兩種形式。一種是直流側電流反饋控制。其電流反饋信號由直流側取出, 要控制的也僅僅是電流的幅值。另一種是交流側電流反饋控制。其電流反饋信號由交流側取出, 此時, 電流控制要根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來確定要控制的相電流, 使其跟隨給定。不同的電。3由于直流側電流反饋控制是根據(jù)流過直流電源的電流信號進行的, 因此只需一個電流傳感器便可得到電流反饋信號。在換相的動態(tài)過程中, 反饋信號反映的則是待建立的相電流的信息。在換相完成之前, 待建立的相電流未達到給定值, 電流的控制也只能采用

8、一種開關狀態(tài)使待建立的相電流的絕對值向增長的方向變化, 直至換相完成, 對其間電流的脈動情況是無法予以控制的。以1臺三相永磁無刷直流電機為對象仿真, 電機參數(shù):P N =1. 1k W , U N =220V , n N =3000r m in , T N =3N . m , 2P =8, R a =2. 8758, L d =L q =8. 5m H , 5=0. 175W b極, J =0. 0008kg m 2, 摩擦系數(shù)為0。在U d =300V , T m =3N . m , 速度給定700r m in 的情況下進行仿真, 波形如圖5所示。可以看出, 直流側電流反饋信號ifeedba

9、ck 波動很大, 這是由于它反映的是待建立相的相電流, 在換相時它總是從零開始增長; 同時在換相完成以后, 在對電流進行PWM 跟隨調(diào)節(jié), 使得開關器件全部關斷后, 電機繞組中的電流通過二極管續(xù)流, 給直流電源倒饋電, 直流母線上電流的方向反向。因此反饋電流信號有如此大的波動是可以理解的。電流反饋信號的波動直接反映到電磁轉(zhuǎn)矩波形T e 上, 由圖可以看出電磁轉(zhuǎn)矩波形脈動也很大, 脈動系數(shù)=(T e m ax -T e m in T eav =(4-2. 5 3=0. 5。3. 2交流側電流反饋控制由于交流側電流反饋控制是以交流側電流信息為反饋信號, 因此電流傳感器需置于逆變器與電機02微電機2

10、001年第34卷第2期(總第119期 圖之間, 。在控制過程中, 隨控制5。以電流從A 相上橋換相到B 相上橋為例(電動狀態(tài) 分析交流側電流反饋控制下的一個換相過程。此時i c 為非換相相電流, 電流反饋反映的是i c 的信息。開始時, i a >0, i b =0, i c <0。要完成此換向過程, 通常是關斷T 1, 閉合T 3。圖6是換相過程中的幾種情況:(a i a 、i b 的變化率相同。(b i a 的下降率大于i b 的上升率。(c i a 的下降率小于i b 的上升率。(d 是(c 在電流PWM 控制下的情況。對于圖6a 、b , 非換向相電流i c 在整個換相過程

11、中, 或未偏離給定值, 或未達到給定值, 電流PWM 控制在此期間是不起任何作用的, 即對應的開關器件始終處于開通狀態(tài), 無法對電流進行跟隨控制。圖6c 則不同, 非換向電流在換向期間絕對值是增大的, 超過了給定值。當它超過給定值時, PWM 控制開始起作用, 關斷所有開關器件, 使其絕對值減小, 如此循環(huán)往復, 即可實現(xiàn)對非換相相電流的調(diào)節(jié), 即為圖6d 所示。對于圖6c , 不用采取任何措施, 電流PWM 控制會自動抑制反饋電流波動, 從而抑制了電磁轉(zhuǎn)矩的脈動; 但對于圖6a 、b , 電流PWM 控制失去作用, 勢必電流波動會很大, 從而造成較大的轉(zhuǎn)矩脈動 。圖6電流換相過程示意圖當電機

12、低速運行時, 反電動勢較小, 關斷相相電流下降率較小, 而開通相相電流上升率則較大, 屬于圖6c ; 隨著轉(zhuǎn)速的提高, 反電動勢增大, 關斷相相電流下降率將越來越小, 當開通相相電流上升率小于關斷相相電流下降率時, 就屬于圖6b 了。圖7中的仿真波形屬于圖6b , 此時電流反饋信號的波動很大, 電磁轉(zhuǎn)矩的脈動系統(tǒng)為=(4. 5-2 30. 83。如不加措施予以抑制, 應用場合將受到很大限制。4交流側電流反饋換相轉(zhuǎn)矩脈動的抑制由以上仿真結果可以看出, 交流側電流反饋控制在電機高速運行時存在著嚴重的換相轉(zhuǎn)矩脈動問題。下面采用重疊換相法來抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動。4. 1重疊換相法原理通常采用的重疊換相法實

13、質(zhì)在于:換相時應關12永磁無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究孫劍波龔世纓董亞暉 , 而是延長, 先使非換相相電流絕對值上升, 后使其絕對值下降, 這樣可使其脈動的最大值減小到一個較為可觀的數(shù)值。仍以A 相上橋換相到B 相上橋為例來說明, 在原來應關斷A 相電流時刻延長導通A 相一個時間間隔, 使C 相電流絕對值增長, 從而可以對C 相電流進行PWM 調(diào)節(jié), 使波動限制在一定范圍內(nèi), 達到抑制轉(zhuǎn)矩脈動的目的。重疊換相過程如圖8a 所示。采用重疊換相法的交流側電流反饋控制仿真波形如圖9所示, 其中重疊換相時間取為0. 1m s 。由仿真結果可看出, 采用重疊換相法后, 電流反饋信號波動減小了很多, 電

14、磁轉(zhuǎn)矩脈動得到很大抑制。電磁轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)=(3. 8-2. 5 30. 43 。圖8重疊換相過程4. 2定頻采樣與重疊換相相結合的電流控制方法僅僅采用重疊換相法, 重疊換相時間較難確定。一旦確定, 也不能從最大程度上減少轉(zhuǎn)矩脈動。為了避免常規(guī)重疊換相法的缺點, 得到更好的電流調(diào)節(jié)性能, 在常規(guī)重疊換相法的基礎上, 引入定頻采樣電流調(diào)節(jié)技術, 從而形成定頻定樣與重疊換相相結合的電流控制方法。在這種方法中, 不像常規(guī)重疊換相法那樣只在換相開始時, 使關斷相延長導通一個時間間隔; 而是在整個換相期間, 在電流采樣點根據(jù)反饋電流信號對關斷相進行調(diào)制。如圖8b , 在電流采樣點上, i c 的絕對值超過

15、給定值時, 關斷A 相; i c 的絕對值低于給定值時, 開通A 相。由此可以看出, 重疊換相時間并不是事先確定的, 而是由電流調(diào)節(jié)過程自動調(diào)節(jié)的, 這也是此法優(yōu)于常規(guī)重疊換相法的地方。仿真波形如圖10所示(電流采樣頻率為200kH z 。仿真結果顯示此法比常規(guī)重疊換相能在更大程度上抑制轉(zhuǎn)矩脈動, 轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)=(3. 4-2. 7 30. 23。5結論在分析了直流側和交流側電流反饋控制下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的原因, 并分別對其進行了仿真的基礎上, 可得出結論:直流側電流反饋控制的優(yōu)點是只用一個電流傳感器, 結構簡單, 成本低, 缺點是電流反饋信號波動很大且不易控制, 使電磁轉(zhuǎn)矩脈動較大, 這種裝置只

16、適合于對轉(zhuǎn)矩脈動要求不高的直接驅(qū)動場合。交流側電流反饋控制的缺點是要使用兩個電流傳感器, 而且還需增加電流反饋控制邏輯, 結構復雜, 成本高; 優(yōu)點是可以采用靈活的控制方法來抑制22微電機2001年第34卷第2期(總第119期 圖10定頻采樣、重疊換相時交流側電流反饋控制仿真波形換相轉(zhuǎn)矩脈動, 提高永磁無刷直流電機的運行性能。參考文獻:1Y M urai . To rque R i pp le I mp rovem ent fo r B rush lessDC M iniature M o to rs J . IEEE T rans . Ind . A pp l , 1989, 25(3 , 441-450.2R Carlson . A nalysis of To rque R i pp le D ue to PhaseComm utati on in B rush less DC M ach ines J . IEEET rans . Ind . A pp l. , 1992, 28(3 , 632-638. 3許大中. 晶閘管無換向器電機M . 科學出版社, 1998.4C . S . B