永磁无刷直流电机PWM_ON_PWM调制方式研究

永磁无刷直流电机PWM_ON_PWM调制方式

研究

孙　鹿，陶宏敬

(中国天辰工程有限公司,天津 300400)

摘　　要：由于非导通相续流电流使得永磁无刷直流电机运行中存在的转矩脉动问题,为了有效抑制转矩脉动,本文通过分析无刷直流

电机的工作原理,建立了其数学模型。按照数学模型对现有的几种PWM调制方式进行了比较分析。通过分析可知现有的PWM调制方式都不能够完全消除非导通相续流电流,针对这一问题本文提出了PWM_ON_PWM调制方式。并通过实验证明了该调制方式,可以有效减小或消除由于非导通相续流引起的非换相期间的转矩脉动。

关键词：永磁无刷直流电机;PWM_ON_PWM;转矩脉动;

中图分类号:TM351 文献标识码:A 文章编号:1003-7241(2012)07-0042-05

Research on Permanent Magnetic Brushless DC Motor

PWM_ON_PWM Modulation

SUN Lu, TAO Hong-jing

( China Tianchenengineering CorpORATIO, Tianjin 300400 China )

Abstract: Due to the free-wheeling current in the inactive phase, the permanent magnetic brushless DC motor has the torque ripple.

To effectively restrain the torque ripple, this paper analyzed the working principle of the DC motor, and established themathematical model. According to the mathematical model, some existing PWM modulation method is analyzed. Theconclusion is that all of the existing PWM methods are not able to completely eliminate the free-wheeling current in theinactive phase. To solve this problem the PWM_ON_PWM modulation method is proposed in this paper. And theexperiment proves that this method can effectively reduce or eliminate the torque ripple caused by the free-wheelingcurrent in the inactive phase.

Key words: permanent magnetic brushless DC motor; PWM_ON_PWM; torque ripple;

１　　引言

自1917年,Bol1ger就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷以来,直流电机以其效率高,转动惯量小,功率密度大,调速性能好等一系列优点,已在航空航天、军工、钢铁冶金、化工、交通等伺服控制领域以及家电领域得到广泛应用[1,2]。相对于正弦性永磁同步电机,永磁直流电机系统中存在的转矩脉动的问题一直是该领域面临的一大难题,特别是在直接驱动应用场

合,转矩脉动的问题尤为突出[3]。在实际系统中,由于没有减速机构,转矩脉动将直接传递到负载。负载产生的干扰也会直接传到电机轴上,这些因素都将使直流电机的速度位置控制特性变得很差。

近年来永磁无刷直流电机的转矩脉动抑制技术一直都是该领域研究的热点,国内一些学者也提出了一些解决该问题的方法[4,5],但是大多数是应用到电机本体优化设计方面的技术,或者只是理论仿真研究[6,7],通过控制策略抑制电磁转矩脉动并不多。因此研究永磁无刷直流电机转矩脉动抑制技术,具有重要的现实意义。

收稿日期：２０１２－０６－１４

本文拟针对传统的PWM调制方式在非换相期间在非导通相上产生续流电流的情况,分析并研究最新的PWM调制方式:PWM_ON_PWM调制方式,并通过试验证明该调制方式能够消除续流电流,从而有效减少转矩脉动。

小相等(用I表示),方向相反,则式(6)可写为:

Te=2

L

E Iω

(7)

设T为负载转矩,J为电机的转动惯量,则机械运动方程式可表示为:

Te TL=J

dω

(8)dt

２　　永磁无刷直流电机的数学模型

为了建立无刷直流的数学模型,设定初始条件如下:电机工作的状态是二相导通星形三相六状态下,没有中线引出;反电势波形是平顶宽度为120°电角度的梯形波;磁路不饱和,不考虑磁滞和涡流损耗,三相绕组完全对称;气隙磁场为方波,转子磁场和定子电流分布皆对称;电枢绕组在定子内表面均匀连续分布,转子上没有阻尼绕组,无阻尼作用。设UA、UB、UC为定子相绕组电压,iA、iB、iC为定子相绕组电流,eA、eB、eC为定子相绕组反电动势,LS为每相绕组的自感,M为相间的互感,p为微分算子,p=ddt。则三相绕组的电压平衡方程可表示为:

UA iA LMM iA eA U

R00 S N = +RiMLMPU00 S B B iB + eB + UN (1) R00 i MMLS i e UN UC C C C

３　　现有PWM调制方式分析及存在的

问题

a) PWM_ON调制

当三项绕组为星型连接,则有:

iA+iB+iC=0 (2)且:

MiB+MiC= MiA (3)把(2)、(3)带入(1)并整理可得:

UA iA L M00 iA eA UN SR00

R0 iB + 0LS M0 P iB + eB + UN UB = 0 U (4) 00LS M 00R i Uei C C C C N

令LS M=L,得:

iA eA U iA UA

R00 L00 N

R0 iB + 0L0 P iB + eB +UN

UB = 0 (5)0 00L i e i 0R UN U C C C C

b) ON_PWM调制

无刷直流电机的电磁转矩是由转子磁钢产生的磁场与定子绕组中的电流相互作用而产生的,电磁转矩方程式可表示为:

ei+ei+ei

Te=AABBCC (6)

ω

式中:ω为转子机械角速度。

在理想情况下,电机工作于120°导通方式下,同一时间只有两相绕组通电,另一相绕组电流为零;导通两相绕组上的反电动势相等(用E表示),方向相反;相电流大

c) H_PWM-L_ON调制

0~π/6和π~7π/6。同理可以推导出其他几种基本的PWM调制方方式也都会不同区间引起非导通相的续流现象。产生的续流电流会使非换相期间的电磁转矩减小,从而引起非换相期间的电磁转矩脉动。综合考虑这几种控制策略认为PWM_ON调制方式产生的换相转矩脉动相对较小,是以上五种调制方式的最佳调制方式。

d) H_ON-L_PWM调制

表１　　五种PWM调制方式下续流区间的

综合表

４　　PWM_ON_PWM调制方式设计与验证

e) H_PWM-L_PWM调制

图１　　无刷直流电机５种PWM调制方式

在分析永磁无刷直流电机数学模型的基础上,通过分析比较现有五种PWM调制方式:a) PWM_ON;b)ON_PWM;c) H_PWM-L_ON;d) H_ON-L _PWM;e)H_PWM-L_PWM,分别如图1所示。

其中图a)为PWM_ON调制方式:在开关管导通的120°期间,前60°进行PWM调制,后60°保持恒通;图b)为ON_PWM调制方式:前60°保持恒通,后60°进行PWM调制;图c)为H_PWM-L_ON调制方式:上桥臂开关管进行PWM调制,下桥臂开关管保持恒通;图d)为H_ON-L_PWM调制方式:上桥臂开关管保持恒通,下桥臂开关管进行PWM调制;图e)为H_PWM-L_PWM调制方式:上下桥臂开关管均进行PWM调制。根据上述数学模型及五种控制策略特性可知,在一个电周期内,除H_PWM-L_PWM调制方式在非导通相上不会产生续流电流外,其他四种PWM调制方式都会有两个非导通区间产生二极管续流。详细情况如表1所示。但采用H_PWM-L_PWM调制方式时,不论下桥臂换相还是上桥臂换相,开通管进行PWM调制产生的换相转矩脉动要比其他几种方式都大。

根据表1可知,采取PWM_ON调制方式时,A相绕组在一个电周期内产生非导通相续流的有两个区间:

为了消除非导通相上的续流电流,本文在不增大开关损耗的前提下,采用PWM_ON_PWM调制方式消除非导通相上的 …… 此处隐藏：4987字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……