三相無(wú)刷直流電機(jī)改進(jìn)型脈寬調(diào)制策略

林 海，何瑞玲，周海森，閆茂德

（長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，西安 710064）

三相無(wú)刷直流電機(jī)改進(jìn)型脈寬調(diào)制策略

林 海，何瑞玲，周海森，閆茂德

（長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，西安 710064）

研究了一種改進(jìn)型無(wú)刷直流電機(jī)脈寬調(diào)制策略。在傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)脈寬調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)調(diào)制期間開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)的電機(jī)繞組電流無(wú)法有效控制問(wèn)題，研究了一種基于六開(kāi)關(guān)電壓源型逆變器的四管調(diào)制策略，即在任意時(shí)刻逆變器都有4個(gè)功率開(kāi)關(guān)同時(shí)參與調(diào)制過(guò)程。該方法在脈寬調(diào)制過(guò)程中，在電機(jī)繞組電流導(dǎo)通狀態(tài)下，在兩個(gè)開(kāi)關(guān)橋臂上僅僅有兩個(gè)開(kāi)關(guān)工作；在繞組電流處于續(xù)流狀態(tài)下，在同一個(gè)逆變器橋臂上的，有對(duì)稱的另外兩個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行導(dǎo)通續(xù)流。這種調(diào)制方式可以抑制非換向期間非導(dǎo)通相的續(xù)流問(wèn)題，并且通過(guò)調(diào)節(jié)換向期間的占空比可以有效抑制非導(dǎo)通相的電流脈動(dòng)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了提出方法的有效性。

無(wú)刷直流電機(jī)；脈寬調(diào)制；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；占空比

無(wú)刷直流電機(jī)BLDCM（brushless DC motor）由于其優(yōu)良機(jī)械轉(zhuǎn)矩和機(jī)械功率特性，廣泛應(yīng)用在家電、電力機(jī)車(chē)、飛行器和船舶推進(jìn)等交流調(diào)速領(lǐng)域[1]。目前，無(wú)刷直流電機(jī)研究工作主要集中在無(wú)位置傳感器控制、逆變器拓?fù)浜娃D(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制等方向[2]。其中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制是其研究的一個(gè)熱點(diǎn)[3]。常規(guī)兩兩導(dǎo)通方式下的無(wú)刷直流電機(jī)多在采用基于電流控制的PWM調(diào)制策略[4]。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，其電磁轉(zhuǎn)矩正比于電流。不同的PWM調(diào)制方式往往導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的差異，尤其是換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[5]。為了有效減小無(wú)刷直流電機(jī)控制中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)并提高系統(tǒng)的控制性能，研究人員進(jìn)行了大量深入的研究工作。文獻(xiàn)[3]在原理上分析了無(wú)刷直流電機(jī)由于換相對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響。文獻(xiàn)[4]研究了無(wú)位置傳感器系統(tǒng)中四種脈寬調(diào)制PWM（pulse width modulation）方式對(duì)于換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的不同影響和換向期間非導(dǎo)通相電流特性，通過(guò)研究知道，無(wú)刷直流電機(jī)采用PWM_ON調(diào)制方式時(shí)，其換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小。對(duì)于三相無(wú)刷直流電機(jī)，不同的PWM調(diào)制方法會(huì)引起非導(dǎo)通相的續(xù)流現(xiàn)象，文獻(xiàn)[5]提出了一種新的PWM調(diào)制方法（PWM_ON_PWM），該方法可以有效減小電機(jī)定子電流脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[6]提出了電機(jī)制動(dòng)時(shí)采用雙管反接制動(dòng)的PWM調(diào)制方法，該方法可以有效控制制動(dòng)電流，在本質(zhì)上是一種采用HPWM_LPWM調(diào)制方式的電機(jī)制動(dòng)策略。文獻(xiàn)[7]簡(jiǎn)單的介紹了一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD（complex programmable logic device）的BLDCM雙極性驅(qū)動(dòng)邏輯實(shí)現(xiàn)方法。同時(shí)考慮功率開(kāi)關(guān)管的死區(qū)控制，避免了相橋臂直通。

在常規(guī)的PWM調(diào)制方式中，當(dāng)調(diào)制期間的開(kāi)關(guān)管處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)繞組電流只能通過(guò)對(duì)應(yīng)的二極管續(xù)流導(dǎo)通。由于反電動(dòng)勢(shì)的作用，繞組電流幅值繼續(xù)上升，此時(shí)的續(xù)流電流是不能通過(guò)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行有效控制的。不同的PWM調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的續(xù)流方式也不同，這也同時(shí)造成了電流脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)差異。在分析了常規(guī)的PWM調(diào)制方式原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)續(xù)流電流的不可控特性，本文研究了一種新的PWM調(diào)制方式：四管調(diào)制。即在六開(kāi)關(guān)電壓源型逆變器中，任意時(shí)刻下其中4個(gè)開(kāi)關(guān)始終處于調(diào)制狀態(tài)。該方式可以在任意時(shí)刻有效控制電機(jī)繞組電流，并且可以完全消除非換向期間非導(dǎo)通相續(xù)流的現(xiàn)象，從而抑制了非換向期間非導(dǎo)通相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；同時(shí)可以通過(guò)改變換向期間的占空比有效抑制換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

1 常規(guī)的脈寬調(diào)制方式

對(duì)于三相星型繞組連接的永磁無(wú)刷直流電機(jī)，其控制策略通常采用120度導(dǎo)通的PWM控制策略。電機(jī)主要通過(guò)六開(kāi)關(guān)三相電壓型逆變器供電，逆變器和電機(jī)等效模型如圖1所示。

圖1 由逆變器供電的無(wú)刷直流電機(jī)Fig.1 Brushless DC motor fed by a six-switch inverter

由圖1，逆變器由6個(gè)開(kāi)關(guān)管（T1，T2，T3，T4，T5，T6）、6個(gè)并聯(lián)二極管（D1，D2，D3，D4，D5，D6）和濾波電容等組成。右側(cè)為無(wú)刷直流電機(jī)三相繞組，繞組中點(diǎn)為n。電機(jī)定子相電壓方程[4～5]為

式中，UaUbUc，iaibic和eaebec分別為電機(jī)相電壓、相電流和相反電動(dòng)勢(shì)；Un為電機(jī)三相繞組中點(diǎn)電壓；R為電機(jī)定子等效相電阻；L為電機(jī)定子等效相電感。

當(dāng)電機(jī)工作于120°導(dǎo)通方式下，整個(gè)工作過(guò)程可以分為兩個(gè)過(guò)程：調(diào)制和換向。常見(jiàn)的PWM調(diào)制方式主要有PWM_ON，ON_PWM，HPWM_LON，HON_LPWM，HPWM_LPWM五種[3～4]。為了方便分析，將前4種歸為第1類調(diào)制方式，第5種歸為第2類。兩類方式的區(qū)別主要在于任意時(shí)刻下前者只有1個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行調(diào)制（單管調(diào)制）而后者有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管（雙管調(diào)制）。兩種類型的調(diào)制策略也導(dǎo)致了后者總開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)于前者增加了1倍，而且單管調(diào)制時(shí)，逆變器輸出單極性（正）電壓，雙管調(diào)制時(shí)逆變器輸出雙極性（正負(fù)）電壓。兩類方式的共性在于在調(diào)制過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)期間，電機(jī)繞組工作相電流都需要通過(guò)相應(yīng)的二極管續(xù)流。對(duì)于換向過(guò)程，不同的調(diào)制方式對(duì)應(yīng)著不同電流換向過(guò)程。

以雙管調(diào)制方法加以說(shuō)明。圖2為無(wú)刷直流電機(jī)HPWM_LPWM調(diào)制策略工作原理。在HPWM_LPWM方式下，電機(jī)A相和B相繞組處于正常工作狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管T1和T6為調(diào)制工作狀態(tài)。當(dāng)T1和T6導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)相電流流向?yàn)椋弘娫础鶷1→A相繞組→B相繞組→T6→電源。當(dāng)T1和T6斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)相電流流向?yàn)椋弘娫础鶧4→A相繞組→B相繞組→D3→電源。根據(jù)電流流向分析可以知道：在逆變器調(diào)制狀態(tài)期間，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管和兩個(gè)二極管參與調(diào)制；當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，直流母線電流迅速增加；開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，繞組電流通過(guò)二極管反向續(xù)流，直流母線電流逐漸減小。對(duì)于單管調(diào)制方式的分析與上面分析相似。

2 四管調(diào)制策略

在以上兩類調(diào)制方法中，為了分析簡(jiǎn)便，往往忽略二極管壓降進(jìn)行研究，但是在實(shí)際應(yīng)用中，逆變器電路工作在續(xù)流狀態(tài)下，電機(jī)繞組電流處于不可控制狀態(tài)。二極管的續(xù)流效應(yīng)及其壓降對(duì)系統(tǒng)性能的影響較大[3～4]。為此，在雙管調(diào)制的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)傳統(tǒng)的PWM方法這一缺陷研究一種新型調(diào)制方法：四管調(diào)制。即在六開(kāi)關(guān)電壓源型逆變器中，任意時(shí)刻其中4個(gè)開(kāi)關(guān)始終處于調(diào)制狀態(tài)。如圖3所示。

圖3 四管調(diào)制方式（調(diào)制過(guò)程）Fig.3 Principle of four-switch PWM method

當(dāng)電機(jī)A相和B相繞組處于正常工作狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)開(kāi)關(guān)管T1、T6、T3和T4聯(lián)合調(diào)制。當(dāng)T1和T6導(dǎo)通時(shí)，工作相電流流向?yàn)椋弘娫础鶷1→A相繞組→B相繞組→T6→電源。當(dāng)T1和T6斷開(kāi)時(shí)，工作相電流流向?yàn)椋弘娫础鶷4→A相繞組→B相繞組→T3→電源。在此定義T1和T6為主調(diào)制管，T3和T4為輔調(diào)制管，由電流流向分析可以知道：調(diào)制期間，僅有4個(gè)開(kāi)關(guān)管參與調(diào)制；當(dāng)主調(diào)制管導(dǎo)通時(shí)，直流母線電流為正；主調(diào)制管斷開(kāi)時(shí)，繞組電流通過(guò)輔調(diào)制管反向續(xù)流，直流母線電流為負(fù)。

對(duì)于120°導(dǎo)通方式下的無(wú)刷直流電機(jī)控制，在一個(gè)電周期內(nèi)，繞組電流導(dǎo)通順序可以通過(guò)逆變器的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序表示：（T1、T2）→（T2、T3）→（T3、T4）→（T4、T5）→（T5、T6）→（T6、T1）。它們也代表著不同繞組工作狀態(tài)下的主調(diào)制管，對(duì)于輔調(diào)制管及它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 主調(diào)制開(kāi)關(guān)與輔調(diào)制開(kāi)關(guān)表Tab.1 Main and auxiliary modulation switches

四管調(diào)制和雙管調(diào)制在一個(gè)電周期內(nèi)4個(gè)開(kāi)關(guān)（G1、G3、G4和G6）觸發(fā)信號(hào)如圖4和圖5所示。其中，Em為反電動(dòng)勢(shì)的幅值，Vm為開(kāi)關(guān)管觸發(fā)信號(hào)的幅值。綜合對(duì)比分析四管調(diào)制（圖4）和雙管調(diào)制（圖5）可以看出：兩種調(diào)制方式有相似之處，但也存在本質(zhì)性的差異。雙管調(diào)制中，調(diào)制過(guò)程通過(guò)一對(duì)開(kāi)關(guān)管和一對(duì)二極管實(shí)現(xiàn)。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，開(kāi)關(guān)管控制正向繞組導(dǎo)通電流，但在斷開(kāi)期間，繞組中電流不受開(kāi)關(guān)管控制，僅通過(guò)二極管續(xù)流，這一點(diǎn)同樣存在于單管調(diào)制中。四管調(diào)制中，調(diào)制過(guò)程通過(guò)一對(duì)主調(diào)制開(kāi)關(guān)管和一對(duì)輔調(diào)制開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。主調(diào)制管用于控制正向繞組導(dǎo)通電流，輔調(diào)制管用于控制反向繞組續(xù)流，電機(jī)工作相電流隨時(shí)處于開(kāi)關(guān)管的控制之中。在調(diào)制期間任意時(shí)刻下都只有兩只開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)而且二極管不參與調(diào)制（這一點(diǎn)和常規(guī)的PWM調(diào)制方式完全不同），該調(diào)制方法能夠滿足調(diào)節(jié)電機(jī)速度及電流的需要。

圖4 四管聯(lián)合調(diào)制方式Fig.4 Four-switch PWM method

圖5HPWM_LPWM方式Fig.5HPWM_LPWM method

2.1 非導(dǎo)通相續(xù)流動(dòng)態(tài)特性分析

四管調(diào)制方式下的電機(jī)定子繞組在任意時(shí)刻只有兩相繞組處于工作狀態(tài)。定義X1、X2分別為正在導(dǎo)通的兩相繞組，X3為未導(dǎo)通相繞組。以圖3為例，X1=A相，X2=B相，X3=C相。由式（1）得：

式中：iX1=-iX2=|id|，eX1=-eX2=E，E為反電動(dòng)勢(shì)平頂部分的幅值；UX1=UX2=Ud，Ud和id為分別為直流母線電壓和電流。

由式（2）和式（3）得

對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，任意相反電動(dòng)勢(shì)滿足：

由式（4）～式（6）可得

由式（7）可知，未導(dǎo)通相端電壓UX3為正電壓而且始終小于直流母線電壓，而對(duì)應(yīng)橋臂的二極管由于承受負(fù)向電壓而處于斷開(kāi)狀態(tài)，即iX3=0。因此，四管調(diào)制方式可以有效克服非導(dǎo)通相續(xù)流的出現(xiàn)。

2.2 換向電流動(dòng)態(tài)特性分析

在圖3中，電機(jī)在四管調(diào)制方式下A相和C相繞組正常工作，其主調(diào)制管為T(mén)1和T6。當(dāng)A相繞組電流換向到C相繞組后，主調(diào)制管為T(mén)5 和T6，在換向瞬間，電機(jī)三相繞組電流流向如圖6所示。

圖6 四管調(diào)制方法換向過(guò)程Fig.6 Commutation of four-switch PWM method

在四管調(diào)制方式下的電機(jī)繞組電流換向瞬間，三相繞組電流都存在，而且二極管也參與換向過(guò)程。在此重新定義X1為未換向相，X2為待換向相，X3為已換向相。以圖4為例，X1=B相，X2= A相，X3=C相。對(duì)于三相繞組為星型連接且無(wú)中線引出的無(wú)刷直流電機(jī)，繞組電流換向過(guò)程首先滿足

換向過(guò)程分為兩種情況（圖4），具體分析（忽略二極管導(dǎo)通壓降）如下：

1）主調(diào)制管導(dǎo)通瞬間的換向

定子相電壓為

式中：eX1=eX2=-eX3=E（上橋臂換向時(shí)）；UX3=Ud。為了便于分析，忽略定子繞組電阻，由式（8）和式（9）得

2）輔調(diào)制管導(dǎo)通瞬間的換向

定子相電壓為

式中：eX1=eX2=-eX3=E；UX1=Ud。忽略定子繞組電阻，由式（8）和式（11）得

在一個(gè)電周期內(nèi)，只要保證非換向相電流無(wú)脈動(dòng)就可以保證換向時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o脈動(dòng)。定義D為調(diào)制占空比，則有

由式（13）得

由式（14）可知，只要滿足占空比D，可以消除此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證以上分析，對(duì)本文提出的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中，以一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的無(wú)刷直流電機(jī)作為研究對(duì)象，利用TI公司的2812 DSP作為主控芯片和6個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)功率管組成的逆變器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[8]。圖7為采用HPWM_ LPWM和本文研究的四關(guān)調(diào)制方式下的三相定子電流實(shí)驗(yàn)波形。圖8為采用HPWM_LPWM和本文研究的四關(guān)調(diào)制方式下的定子A相電流和開(kāi)關(guān)管（T1、T3、T4和T6）的觸發(fā)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形。

由圖7和圖8可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析一致，兩種調(diào)制方式下的電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，電流波形正常，本文研究的調(diào)制技術(shù)有效可行。當(dāng)系統(tǒng)采用HPWM_Lpwm方式時(shí)，系統(tǒng)逆變器在任意時(shí)刻下僅有兩個(gè)開(kāi)關(guān)處于工作狀態(tài)（一個(gè)開(kāi)關(guān)管處于調(diào)制狀態(tài)，另外一個(gè)為導(dǎo)通狀態(tài)）；系統(tǒng)采用四管調(diào)制方式時(shí)，逆變器在任意時(shí)刻下僅有4個(gè)開(kāi)關(guān)處于工作狀態(tài)。對(duì)于四管調(diào)制方式，逆變器每相橋臂的PWM控制信號(hào)互反，即在任意時(shí)刻都有4個(gè)開(kāi)關(guān)管處于調(diào)制狀態(tài)且二極管續(xù)流階段，二極管不參與續(xù)流。電機(jī)繞組正向電流導(dǎo)通和反向續(xù)流都通過(guò)開(kāi)關(guān)完成。需要注意的是，由于功率開(kāi)關(guān)管自身都有開(kāi)關(guān)延時(shí)，所以在每組上管和下管還是容易出現(xiàn)直通現(xiàn)象，會(huì)引起短路，因此必須在開(kāi)關(guān)管觸發(fā)信號(hào)中加入“死區(qū)”延時(shí)。

圖7 系統(tǒng)三相電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental results of three phase currents

圖8 A相定子電流實(shí)驗(yàn)波形和開(kāi)關(guān)管觸發(fā)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形（G1、G4、G3和G6）響應(yīng)Fig.8 Experimental results of the current and the PWM signals of four switches

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)輪流導(dǎo)通逆變器兩對(duì)開(kāi)關(guān)管的方式實(shí)現(xiàn)一種新穎的無(wú)刷直流電機(jī)PWM策略，即四管調(diào)制方式。由于四管調(diào)制時(shí)逆變器輸出正向或負(fù)向電壓，該調(diào)制屬于雙極性調(diào)制方式。由于它與常規(guī)的單管調(diào)制和雙管調(diào)制截然不同，因此，它的可歸類為第3類調(diào)制方式。在四管調(diào)制過(guò)程中，任意時(shí)刻下上下橋臂開(kāi)關(guān)管輪流導(dǎo)通，解決了單管調(diào)制所造成的開(kāi)關(guān)管散熱不均勻的問(wèn)題，減小了功率開(kāi)關(guān)應(yīng)力，但是總的開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)于雙管調(diào)制也增加了1倍。由于該方式通過(guò)開(kāi)關(guān)管可以在任意時(shí)刻對(duì)電機(jī)繞組電流進(jìn)行控制，因此對(duì)于電機(jī)正反轉(zhuǎn)調(diào)速及電機(jī)制動(dòng)具有較好的控制效果，具有較大的應(yīng)用前景。

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Improved PWM Scheme for Permanent Magnet Brushless DC Motor Drives

LIN Hai，HE Rui-ling，ZHOU Hai-sen，YAN Mao-de
（School of Electronic and Control Engineering，Chang′an University，Xi'an 710064，China）

This paper describes an investigation of an improved pulse width modulation（PWM）strategy for the brushless DC（BLDC）motor drives.The traditional PWM strategy is analyzed and four switches joint modulation is proposed to control the current effectively during switches are off.At any time，only four switches in two legs of the six-switch inverter are in operation during the mode of the conduction and its symmetrical switches are in operation during the freewheeling mode.In the proposed scheme，the diode freewheeling of the inactive phase is eliminated，and the commutation torque ripple is eliminated by adjusting duty cycle.The effectiveness of the proposed PWM methods is verified through experimental results.

brushless DC motor；pulse width modulation（PWM）；torque ripple；duty cycle

TM921

A

1003-8930（2013）06-0079-05

林 海（1978—），男，博士，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電機(jī)驅(qū)動(dòng)。Email：linhai@chd.edu.cn

2012-11-21；

2013-07-22

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2013G1321043）

何瑞玲（1987—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。Email：heruiling0114@126.com

周海森（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。Email：zhouhaisenyx@gmail.com