一種新型低功耗的永磁同步冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

李鳳軍，崔 巍，李庚益，廖 憬，章躍進(jìn)

(上海大學(xué)，上海200072)

0 引 言

永磁同步電動(dòng)機(jī)由于其具有體積小、效率高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速范圍廣、定位精度高的高性能傳動(dòng)系統(tǒng)中［1-2］。傳統(tǒng)的正弦波控制方式是在永磁轉(zhuǎn)子旁安裝用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的光電編碼器或者旋轉(zhuǎn)變壓器等高精度傳感器［3］。但是這種傳感器有著成本高、易受外界環(huán)境干擾等缺點(diǎn)，為了降低系統(tǒng)的成本以及提高系統(tǒng)的可靠性，人們研究了許多無(wú)傳感器位置估計(jì)算法［4-5］，但是這些位置估計(jì)算法在電機(jī)起動(dòng)和低速時(shí)性能不佳，無(wú)法滿足汽車應(yīng)用對(duì)高可靠性能的要求。

考慮到冷卻風(fēng)機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)以及汽車工業(yè)對(duì)可靠性、成本以及運(yùn)行效率等要求，開(kāi)關(guān)霍爾傳感器具有價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠的優(yōu)勢(shì)在汽車風(fēng)機(jī)的應(yīng)用上顯得尤為突出。本文針對(duì)汽車風(fēng)機(jī)冷卻應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了一種新型低功耗的永磁同步風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，采用三個(gè)開(kāi)關(guān)霍爾元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，控制器根據(jù)當(dāng)前位置信號(hào)算出轉(zhuǎn)子角度θ，該角度θ提供給能實(shí)現(xiàn)低功耗的SVPWM 控制算法中，產(chǎn)生在一個(gè)周期內(nèi)2/3 周期是馬鞍波、1/3 周期是低電平的新型馬鞍波來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件，利用這種同時(shí)只有兩相導(dǎo)通的調(diào)制方式，大大地減小了功率管的開(kāi)關(guān)損耗，提高了電壓利用率，從而提高了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的效率，形成全數(shù)字的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。

1 開(kāi)關(guān)損耗最小的SVPWM 工作原理

傳統(tǒng)的SVPWM 調(diào)制方式控制逆變器開(kāi)關(guān)管時(shí)在同一時(shí)刻有三個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，共有8 種開(kāi)關(guān)組合狀態(tài)，其中零矢量V0，V7交替出現(xiàn)，這也就是常規(guī)的7 段式SVPWM 調(diào)制。在本文中，如圖1 所示，該控制系統(tǒng)采用的是在同一時(shí)刻只有兩相開(kāi)關(guān)導(dǎo)通、開(kāi)關(guān)損耗較小的新型SVPWM 調(diào)制方式。該調(diào)制方式每一相有1/3 周期(120°)器件沒(méi)有開(kāi)關(guān)，零矢量采用單一的V0，因此與常規(guī)的SVPWM 相比，開(kāi)關(guān)損耗降低33%。其相電壓UX公式如下:

圖1 開(kāi)關(guān)損耗最小的新型調(diào)制信號(hào)

構(gòu)造不連續(xù)脈寬調(diào)制的數(shù)學(xué)模型如圖2 所示。其中x =ωct，y =ωt，ωc為采樣頻率，ω 為調(diào)制波頻率。z方向正交于xy平面，調(diào)制模型可表示為z =F(x，y)，在陰影范圍內(nèi)z=0，其余z =Ud，Ud為變流器直流側(cè)電壓。

圖2 開(kāi)關(guān)損耗最小SVPWM 數(shù)學(xué)模型

取雙重傅里葉變換，有:

其復(fù)數(shù)傅里葉級(jí)數(shù)系數(shù):

考慮線電壓情況有:

化簡(jiǎn)式(4)并結(jié)合式(5)最終有:

以下為采用功率損耗最小SVPWM 調(diào)制的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制中相電流及其分析的仿真結(jié)果。從圖3、圖4 中可以看出，三相電流正弦度很好，諧波含量相很少，不足10%。

圖3 負(fù)載為2 N 時(shí)電機(jī)三相相電流波形

圖4 A 相相電流FFT分析結(jié)果

2 基于離散霍爾信號(hào)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)

該系統(tǒng)的軟件算法中最關(guān)鍵的是轉(zhuǎn)子角度的估計(jì)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾信號(hào)的輸出與電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5 所示。由霍爾傳感器提供給控制芯片的是三相相位差互為120°的方波信號(hào)，在360°的電周期內(nèi)一共有6 個(gè)跳變沿(三個(gè)上升沿、三個(gè)下降沿)，只能提供給單片機(jī)6 個(gè)互差60°的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)子位置，這不能滿足用于生成開(kāi)關(guān)損耗最小的新型馬鞍波的角度精度需求［6］。

圖5 霍爾信號(hào)與反電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)關(guān)系

利用低分辨率霍爾傳感器給出的位置信號(hào)來(lái)估計(jì)當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，可以用一個(gè)定時(shí)器來(lái)完成。當(dāng)每相開(kāi)關(guān)霍爾信號(hào)的跳變沿產(chǎn)生時(shí)就進(jìn)入霍爾中斷，根據(jù)當(dāng)前的三相霍爾狀態(tài)，可以明確地知道當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置θk:

由于電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電氣時(shí)間常數(shù)，所以電機(jī)在沒(méi)有很快加速或者減速時(shí)可以認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)當(dāng)前的60°所用時(shí)間Tk與前一個(gè)60°所用時(shí)間Tk-1是一樣的。用一個(gè)定時(shí)中斷記下在Tk-1時(shí)間內(nèi)中斷進(jìn)入的次數(shù)N，那么在每次中斷中，角度增加的大小為Δθ =60°/N，中斷次數(shù)n 就加1。所以任意時(shí)刻的轉(zhuǎn)子角度θ:

式中:n 代表此時(shí)定時(shí)中斷來(lái)臨的次數(shù);θ 可以用于生成開(kāi)關(guān)損耗最小調(diào)制信號(hào)所需要的角度變量。利用這種位置估計(jì)算法完全可以取代成本較高的光電編碼器，達(dá)到減小系統(tǒng)成本的目的。

3 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

本文在結(jié)合電機(jī)參數(shù)和具體電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了三個(gè)霍爾傳感器的永磁同步電動(dòng)機(jī)正弦波驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中冷卻風(fēng)機(jī)的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用風(fēng)機(jī)參數(shù)表

圖6 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于電壓型逆變器來(lái)說(shuō)，相電壓的相位可以由控制器決定，控制器通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)?？紤]到繞組上寄生電感的影響，相電壓超前于相電流一個(gè)角度，由于只有電機(jī)相電流與反電動(dòng)勢(shì)同相位時(shí)電機(jī)才能輸出最大轉(zhuǎn)矩，因此通過(guò)調(diào)整相電壓與反電動(dòng)勢(shì)的夾角就可以實(shí)現(xiàn)相電流與反電動(dòng)勢(shì)同相位，從而輸出最大轉(zhuǎn)矩［7］。

在圖7 中通過(guò)軟件算法人為地控制相電壓超前于反電動(dòng)勢(shì)一個(gè)角度，這樣可以使相電流與反電動(dòng)勢(shì)基本保持同相關(guān)系。當(dāng)正弦波驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)若調(diào)制比不變，則電機(jī)的端電壓U 幅值不變。當(dāng)電機(jī)負(fù)載變化時(shí)，端電壓U與反電動(dòng)勢(shì)的相位差以及U的幅

圖7 霍爾信號(hào)、反電動(dòng)勢(shì)、相電壓波形截圖

值變化固定不變，變化的只是電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E、電機(jī)的相電流I、以及E 與I 之間的相位角。

圖8 是在額定負(fù)載的情況下A 相相電壓跟A 相相電流的相位關(guān)系波形，比較圖7 與圖8 可得，在額定負(fù)載的情況下，基本可以實(shí)現(xiàn)相電流與反電動(dòng)勢(shì)同相的目的，從而有利于提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高電機(jī)的運(yùn)行效率。

圖8 相電壓與相電流的波形截圖

當(dāng)電機(jī)拖動(dòng)額定負(fù)載時(shí)，所得相電流波形及其諧波分析如圖9 所示，此時(shí)相電流基本呈正弦波形狀，其諧波含量不到10%，與仿真結(jié)果基本一致。

圖9 額定負(fù)載時(shí)相電流波形及諧波分析

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)汽車引擎冷卻風(fēng)機(jī)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了一種采用三個(gè)霍爾元件的永磁同步電動(dòng)機(jī)正弦波控制的方法。通過(guò)采用同一時(shí)刻只有兩相開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的新型SVPWM 調(diào)制方式，能明顯減少開(kāi)關(guān)器件的功率損耗，提高直流電壓利用率。結(jié)合了方波控制與正弦波控制的優(yōu)點(diǎn)。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了此方案的可行性與可靠性，具有一定的使用價(jià)值。

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