無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的新型控制策略研究

楊曉武，李干蓉，李勁松

（銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程技術(shù)系，貴州 銅仁 554300）

無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的新型控制策略研究

楊曉武，李干蓉，李勁松

（銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程技術(shù)系，貴州 銅仁 554300）

在介紹無刷直流電機(jī)的優(yōu)點及其應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，建立了電機(jī)的基本數(shù)學(xué)模型，并且闡述了其電磁轉(zhuǎn)矩波動對電機(jī)運(yùn)行中性能的影響，重點從理想反電動勢無刷直流電機(jī)和非理想反電動勢無刷直流電機(jī)兩種情況下分析電磁轉(zhuǎn)矩波動的因素，并采用相對的控制策略來控制電磁轉(zhuǎn)矩波動；提前角開通換相法與電流控制相結(jié)合的控制策略，最后，利用MATLAB仿真軟件組建了無刷直流電機(jī)的仿真模型，仿真實驗結(jié)果驗證了所提出的轉(zhuǎn)矩波動控制策略的合理性和正確性.

無刷直流電機(jī)；轉(zhuǎn)矩波動；控制策略；電流控制；提前角開通換相法

無刷直流電機(jī)由于輸出轉(zhuǎn)矩大，具有良好的靜、動態(tài)調(diào)速性能等優(yōu)點而被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)中，尤其應(yīng)用在高速度，高性能的應(yīng)用領(lǐng)域里.電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩特性由平均轉(zhuǎn)矩大小和平穩(wěn)性兩個方面組成，是無刷直流電機(jī)的重要性能指標(biāo)之一，由于無刷直流電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點，可以獲得較大的無刷直流電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩.但在轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性方面不如一般電機(jī)，即電機(jī)換相過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動比較大，電磁轉(zhuǎn)矩波動是無刷直流電機(jī)固有特性之一，是不可能消除的，制約著無刷直流電機(jī)在控制性能要求較高領(lǐng)域的應(yīng)用[1].

1 無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

為簡化分析而又在允許條件的情況下，這里作如下的假設(shè)[2-3]：

1）忽略齒槽效應(yīng)，電樞導(dǎo)體連續(xù)均勻分布與電樞表面；忽略磁路飽和，不計渦流和磁滯損耗；

2）不考慮電樞反應(yīng)，氣隙磁場分布近似梯形波，平頂寬度不小于120°電角度等.

當(dāng)電動機(jī)中點與直流母線共地時，電動機(jī)的電壓方程可以用如下式表示：

式（1）中uA、uB、uC分別定義為A、B和C三相輸入對地的電壓；iA、iB、iC分別定義為 A、B 和 C 三相電流；eA、eB、eC分別定義為 A、B 和 C 三相反電動勢；RA、RB、RC分別定義為定子A、B和C三相繞組的電阻，且有RA=RB=RC=R.因此無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表示為：

2 無刷直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動分析

2.1 理想反電動勢電磁轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生分析

電磁轉(zhuǎn)矩是一個周期函數(shù)，可表示為：

從式（3）可以看得出，只要對任意一個換相周期的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行研究便可.在換相區(qū)域里，三相定子繞組均導(dǎo)通，分別為關(guān)斷相，導(dǎo)通相和非換相.

2.1.1 換相電流因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動

換相過程中，轉(zhuǎn)矩波動受到電流和反電動勢共同影響，根據(jù)電壓方程（1），計算出A和C兩相電流的變化率表達(dá)式為：

電流變化率公式（4）表明關(guān)斷相C電流呈指數(shù)遞減，開通相A電流以指數(shù)規(guī)律上升[4].

2.1.2 轉(zhuǎn)矩波動的推導(dǎo)式

根據(jù)以上分析，可以計算出以上換相過程的三種情況的電磁轉(zhuǎn)矩.轉(zhuǎn)矩波動的表達(dá)式如下：

由于電阻較小，可忽略其對電壓影響，因此，式（5）轉(zhuǎn)矩波動可分為三種情形的：

1）當(dāng)Ud＞4E，電機(jī)處于低速度運(yùn)行階段，開通相iA電流達(dá)到恒定值，同時關(guān)斷相iC電流未降為零，存在轉(zhuǎn)矩波動.

2）當(dāng)Ud=4E，開通相iA電流達(dá)到恒定值，同時關(guān)斷相iC電流降為零，換相時間最短，轉(zhuǎn)矩波動為零，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定，是一種較理想的情況.

3）當(dāng)Ud＜4E，電機(jī)處于高速度運(yùn)行階段，開通相iA電流未到恒定值，同時關(guān)斷相iC電流降為零，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動[5-6].

2.1.3 不同PWM調(diào)制方式對轉(zhuǎn)矩波動的分析

1）上橋換相對轉(zhuǎn)矩波動研究.上橋換相過程中，有 H_PWM-L_ON，H_ON-L_PWM，ON_PWM和PWM_ON四種調(diào)制類型.根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)特點可知，ON_PWM和H_ON-L_PWM類型的調(diào)制類型具有相同的續(xù)流過程，H_PWM-L_ON和PWM_ON調(diào)制類型存在相同的續(xù)流過程.根據(jù)電壓方程（1）和電磁轉(zhuǎn)矩方程（2）推導(dǎo)出H_PWM-L_ON調(diào)制方式換相期間的理想反電動勢波形下?lián)Q相轉(zhuǎn)矩脈動的大小為：

而H_ON-L_PWM和ON_PWM兩種類型調(diào)制方式換相過程的轉(zhuǎn)矩波動為：

比較式（6）和（7）得出在不同PWM調(diào)制方式下，換相電磁轉(zhuǎn)矩波動差值表達(dá)式如下

式（8）說明在上橋換相過程中，采用H_ON-L_PWM和ON_PWM兩種類型調(diào)制方式跟H_PWM-L_ON和PWM_ON兩種類型調(diào)制方式相比，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩波動要大.

2）下橋換相對轉(zhuǎn)矩波動研究.下橋換相過程，其中H_PWM-L_ON和ON_PWM兩種調(diào)制方式具有相同的續(xù)流過程，H_ON-L_PWM和PWM_ON兩種調(diào)制方式有相同的續(xù)流過程.以下分析H_PWM-L_ON和ON_PWM型調(diào)制方式與H_ON-L_PWM和PWM_ON兩種調(diào)制方式產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩波動對比.H_PWM-L_ON和ON_PWM型調(diào)制方式產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩波動為

H_ON-L_PWM和PWM_ON兩種調(diào)制方式換相過程中的電磁轉(zhuǎn)矩波動表達(dá)式為

對比式（11）和（9），推出在這兩種不同PWM調(diào)制方式下的電磁轉(zhuǎn)矩波動數(shù)值如為

根據(jù)以上分析，在上半橋換相過程中，采用H_PWM-L_ON和PWM_ON兩種調(diào)制方式與H_ON-L_PWM和ON_PWM兩種調(diào)調(diào)制方式相比起來，前者產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩波動比較?。欢谙掳霕驌Q相過程中，采用H_ON-L_PWM和PWM_ON兩種調(diào)制方式與H_PWM-L_ON和ON_PWM兩種調(diào)調(diào)制方式相比起來，前者產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩波動比較??；以上四種調(diào)制方式均屬于半橋調(diào)制，四種調(diào)制方式相比起來，采用PWM_ON調(diào)制類型產(chǎn)生最小的電磁轉(zhuǎn)矩波動.由于不可避免的截至相導(dǎo)通形式的發(fā)生，半橋調(diào)制將使電機(jī)截至相電流產(chǎn)生不對稱的正負(fù)波形，產(chǎn)生其他的電流，在相反電動勢的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使電磁轉(zhuǎn)矩波動變大.

3）PWM調(diào)制策略對轉(zhuǎn)矩波動的影響實現(xiàn)[7].無刷直流電機(jī)在正常換相過程中的低轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，當(dāng)Ud＜4E，采用PWM_ON類型調(diào)制策略可以最大程度的控制電磁轉(zhuǎn)矩波動.其辦法是通過調(diào)節(jié)占空比使相反電動勢相幅值和直流母線電壓數(shù)值上相等，來消除轉(zhuǎn)矩波動，使電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩，該控制策略同時可以避免了由于電機(jī)換相過程中開通相電流和關(guān)斷相電流變化不同而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩波動.這里將占空比ρ的數(shù)值大小始終設(shè)置為1便可達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩波動的目的[7-9].

當(dāng)Ud＞4E時，利用重疊換相可以解決電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度處于中高速狀態(tài)區(qū)域利用PWM調(diào)制方式不能消除轉(zhuǎn)矩波動的原因.為便于分析，這里取上面已經(jīng)分析的下橋換相中H_PWM-L_ON和ON_PWM型調(diào)制方式下轉(zhuǎn)動波動表達(dá)式為

來分析.

為消除電磁轉(zhuǎn)矩波動，對式（13）的時間進(jìn)行兩邊微分，假設(shè)結(jié)果為零，則可以推導(dǎo)出占空比的關(guān)系表達(dá)式：

由式（14）說明，合理而適當(dāng)?shù)卦O(shè)置占空比ρ的數(shù)值大小，即可達(dá)到消除無刷直流電機(jī)處于高速運(yùn)行時的電磁轉(zhuǎn)矩波動.

2.2 非理想反電勢電磁轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生分析

反電動勢由于受到各種因素的影響，其平頂波形會發(fā)生一些不規(guī)則的變化，波形的平頂寬度小于120°，由于定子繞組中的電子元器件電阻隨溫度的變化而變化，影響到電流的大小，同時電感在電路中起到限制電流的作用，電流的變化隨著電感的增大而變慢，這樣，使得定子電流的大小無法獲取精確的電流變化規(guī)律，使電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動，從而影響電磁轉(zhuǎn)矩的性能[2].

2.2.1 轉(zhuǎn)矩波動因素分析

假設(shè)三相電機(jī)驅(qū)動的電流平頂波形寬度為120°電角度，影響轉(zhuǎn)矩波動的因素是反電動勢，能否利用控制策略實現(xiàn)對由于非理想方電動勢造成的轉(zhuǎn)矩波動的有效控制極為重要，而反電動勢波形的平頂寬度大小反應(yīng)了反電動勢的重要因素.

2.2 .2轉(zhuǎn)矩波動控制策略分析

無刷直流電機(jī)換相過程中，常用的轉(zhuǎn)矩波動控制策略的有：重疊換相法、電流預(yù)測控制策略、結(jié)合現(xiàn)代控制理論技術(shù)控制策略，由于現(xiàn)代控制理論不受到電機(jī)數(shù)學(xué)模型的影響，能解決電磁轉(zhuǎn)矩隨動性能較差的問題[1，8].

由于非理想反電動勢原因，導(dǎo)致無刷直流電機(jī)換相過程不能正常換相，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此采用提前角開通換相法來控制電磁轉(zhuǎn)矩波動，然后提出將提前角開通換相法與電流控制相結(jié)合的控制策略來控制電磁轉(zhuǎn)矩波動.以下分別從提前角開通換相策略和提前角開通換相法與電流控制相結(jié)合的控制策略來論述.從本質(zhì)上來說，超前角開通換相法是重疊換相法的一種，提前一段時間來開通不應(yīng)開通的開關(guān)元器件，以下我們就從它的應(yīng)用范圍來分析研究轉(zhuǎn)矩波動控制.

提前換相方法就是開通相提前某個角度導(dǎo)通，而其他不變.根據(jù)理想狀態(tài)下的換相順序，可得到各換相的相電流.假設(shè)換相提前角度為α，各電流的導(dǎo)通與轉(zhuǎn)子角位置的關(guān)系見表1.

表1 相電流與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系Tab.1 The relationship of phrase current and rotor position

其中iA、iB、iC是提前換相相得電流，跟理想電流換相相比，增加了六個提前換相電流值.聯(lián)合120°的梯形波反電動勢，可以計算出各狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)值見表1.表1說明了不管提前換相角度的大小是多少，但是三電流大小基本上式不變化的，不同的是三相電流的方向有所不同.確定了轉(zhuǎn)速，輸入電壓，那么電機(jī)的反電動勢與電流就確定了.如果是非理想的反電動勢，梯形波小于120°時，無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律.首先定性分析在0-2pi內(nèi)的反電動勢波形，它的中心位置不變，只是兩端各減小θ角度.

2.2.3 提前角開通換相法與電流控制相結(jié)合的控制策略

要在電機(jī)換相過程中實現(xiàn)對相電流的補(bǔ)償，關(guān)鍵是在換相區(qū)域內(nèi)選擇一個適合的導(dǎo)通角度.這里有兩種情形：一是在提前導(dǎo)通角開通相前給原有給定的激勵電流加入一個相位相同的電流，使原先的給定激勵電流加大，然而這種方法不易實現(xiàn)，因為電機(jī)本體中的定子繞組帶有一定數(shù)值的電感.而電感本身就是具有阻止電流變化的特點，因此很難滿足及時補(bǔ)償電流的效果，變產(chǎn)生不定的電流紋波及其電磁轉(zhuǎn)矩波動，影響電機(jī)的性能；因此，電流補(bǔ)償這一環(huán)節(jié)應(yīng)在提前導(dǎo)通角開通相電流有目的性的給予.因此，從電流環(huán)節(jié)的上升與下降的斜率，幅值和相位幾個方面入手來分析正確實施對對相電流的補(bǔ)償，由位置檢測裝置檢測出的三相位置信號來決定電機(jī)的正常換相時刻.假設(shè)給定以下幾個與位置信號相關(guān)的角度，將它們分別定義為：Φ1為提前導(dǎo)通角；Φ2為電流補(bǔ)償提前導(dǎo)通角，Φ3為參考電流平頂波形角，Φ4為參考電流右斜坡之間角，Φ5為參考電流左斜坡之間角，且有一個明顯的特點就是Φ2大于等于Φ1才能實現(xiàn)對提前換相的電流補(bǔ)償，故適當(dāng)對以上各個角度進(jìn)行設(shè)計非常重要[3].

3 仿真結(jié)果與實驗分析

3.1 仿真模型的建立

為便于分析，首先給出模擬仿真圖（見圖1）.

3.2 實驗參數(shù)的設(shè)定

針對上述的無刷直流電機(jī)模型，其相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：電機(jī)的極對數(shù)為p=4，額定轉(zhuǎn)速為5000r/min，相電感L=0.0035H，相電阻R=2.975Ω，反電動勢系數(shù)ke=0.0016（V/（r/min）），阻尼系數(shù)γ=4e-4（N·m·s），轉(zhuǎn)動慣量J=0.089（kg·m2），PWM載波頻率為20 kHz，比例系數(shù)P為0.13，積分系數(shù)I為12.7.非理想反電動勢波形平頂寬度為105.5°.當(dāng)電機(jī)運(yùn)行處于中高速度區(qū)域里，須采用提前換相控制策略，并結(jié)合電流補(bǔ)償控制策略來改變換相過程中的轉(zhuǎn)矩波動[1].

圖1 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型圖Fig.1The simulation model diagram of BLDCM control system

3.3 實驗仿真結(jié)果及分析

在無刷直流電機(jī)給定參數(shù)相同的情況下，在MATLAB仿真模型上對PWM調(diào)制頻率進(jìn)行不同的設(shè)定，并且不斷的修正其參數(shù)，找出以下給出在占空比不同和頻率相同的情況下幾組有比較意義的實驗仿真圖2.圖2是在兩種不同占空比下的電磁轉(zhuǎn)矩波動的情況，表明了轉(zhuǎn)矩波動隨著占空比的減小而增大.

表2 占空比不同，頻率一定下的轉(zhuǎn)矩波動性能對比Tab.2The performance comparison of Torque Ripple under the same frequency and different duty ratio

圖2 兩種不同占空比下的轉(zhuǎn)矩波動情況（a）ρ=0.95，（b）ρ=0.70Fig.2 The situation of Torque Ripple under two kinds of different duty ratio（a）ρ=0.95，（b）ρ=0.70

由于電磁轉(zhuǎn)矩的大小跟電流具有正比的關(guān)系，因此電磁轉(zhuǎn)矩隨著給定電流的變化而變化.根據(jù)給定不同的參考激勵電流，在換相過程中也對其電流補(bǔ)償數(shù)值做適當(dāng)?shù)母淖?，一般來說給定的參考電流值較大的時候，由于換相過程三相電流變化也相對大一點，導(dǎo)致磁轉(zhuǎn)矩波動也會大，因此其補(bǔ)償電流也會大點，這樣才能在不同的換相過程.以下給出兩組不同的補(bǔ)償電流和不同角度之間的關(guān)系見表3，仿真結(jié)果見圖3，圖4.通過對圖3和圖4的比較，得出結(jié)論見表4.

表3 補(bǔ)償電流與不同角度的關(guān)系Tab.3 The relationship of different angles and compensation current

圖3 給定電流為12A時電磁轉(zhuǎn)矩波動及電流變化Fig.3 Electromagnetic torque ripple and current change under 12A given current

圖4 給定電流為15A時電磁轉(zhuǎn)矩波動及三相電流變化Fig.4 Electromagnetic torque ripple and three-phrase current changes under 15A given current

表4 不同電流補(bǔ)償下的轉(zhuǎn)矩波動性能對比Tab.4The performance comparison of Torque Ripple under different compensation current

4 結(jié)論

本文提出了對無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的提前角開通換相法與電流控制相結(jié)合的控制策略.仿真實驗結(jié)果表明，本文提出的提前角開通換相法與電流控制相結(jié)合的控制策略能有效地抑制無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動.

[1]陳冬,房建成.非理想梯形波反電勢永磁無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2008,28(30):79-83.

[2]陳冬,房建成.非理想梯形波反電勢永磁無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2008,28（30）:79-83.

[3]齊蓉,周素瑩,林輝,等.無刷直流電機(jī)PWM調(diào)制方式與轉(zhuǎn)矩脈動關(guān)系研究[J].微電機(jī),2006,39（1）:58-61．

[4]王雷.無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究[D].浙江:浙江大學(xué),2008.

[5]韋鯤.永磁無刷直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動抑制技術(shù)的研究[D].浙江:浙江大學(xué),2005.

[6]Lee D Y,Kim G T.Design of thrust ripple minimization by equivalent magnetizing current considering slot effect[J].IEEE Trans Magn 2006;42(4):1367-70.

[7]劉剛,王志強(qiáng),房建成.永磁無刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[8]蔡秋花,馬菲,張文英.一種無刷直流電機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計[J].控制工程,2005,25:221-222.

[9]姜田貴,周波,洪春梅.用于驅(qū)動無刷直流電機(jī)的矩陣變換器控制策略[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2009,13(2):239-244．

The Research of A Novel Control Strategy on Torque Ripple for Brushless Direct Current Motor

YANG Xiaowu，LI Ganrong，LI Jinsong
（Department of Engineering and Technology，TongRen Polytechnic College，TongRen554300，China）

The advantage and application area of Brushless Direct Current Motor(BLDCM)was described,the relative mathematic model was built and the effect of electromagnetic torque ripple on the performance of BLDCM was elaborat?ed.The paper discussed factors that affected the torque ripple from the case of the ideal back-EMF and non-ideal back-EMF for BLDCM,then the relevant control strategy are put forward to minimize the torque ripple.The strategy com?bines the advanced commutation with the current control to minimize the torque ripple caused by non-ideal back-EMF.Finally,the paper built simulation model for BLDCM by using software MATLAB according to the proposed control strat?egy targeted at torque ripple,the experimental simulation results show that the proposed control strategy for reducing torque ripple is correct and reasonable.

BLDCM；torque ripple；control strategy；current control；advanced commutation

TM 33

A

1674-4942（2012）01-0050-06

2011-12-09

黃 瀾