一種三相交錯并聯(lián)BUCK變換器在高速BLDC控制中的應(yīng)用

壽利賓，魏俊天

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

0 引言

直流電機(jī)調(diào)速方法主要有三種:調(diào)節(jié)電樞電壓、改變電機(jī)主磁通、改變電樞回路電阻。改變電樞電路電阻調(diào)速方法屬于有級調(diào)速，能量利用率低，弱磁調(diào)速方法調(diào)速范圍很小，因此，目前直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要調(diào)壓調(diào)速為主［1］。無刷直流電機(jī)采用電子換相代替機(jī)械換相，其調(diào)壓調(diào)速方式分為:PWM斬波調(diào)速、PAM調(diào)壓調(diào)速。

(1)PWM直流斬波調(diào)速

PWM直流斬波調(diào)速是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是通過功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)控制，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管通斷時間，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓來控制電機(jī)的速度。在低速領(lǐng)域，無刷直流電機(jī)一般采用PWM斬波調(diào)速的策略。無刷直流電機(jī)PWM斬波調(diào)速的研究主要集中在PWM調(diào)制方式對無刷直流電動機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動的影響。

(2)PAM調(diào)壓調(diào)速策略

為了抑制傳導(dǎo)區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動有人提出了基于直流變換器的PAM調(diào)壓調(diào)速策略。其基本原理是采用前級BUCK斬波調(diào)壓驅(qū)動時，由于BUCK有一個很大的輸出電容，因此電機(jī)相電流基本上是平穩(wěn)的，電機(jī)在傳導(dǎo)區(qū)幾乎無轉(zhuǎn)矩脈動。跟普通無刷直流電機(jī)采用直流變換器來降低轉(zhuǎn)矩脈動的目的不同，高速無刷直流電機(jī)由于轉(zhuǎn)速很高，相電感很小，如果采用PWM控制方式調(diào)速，斬波頻率很高，相電流會出現(xiàn)高頻脈動，在電機(jī)中產(chǎn)生的高頻交變磁場會在轉(zhuǎn)子護(hù)套中感應(yīng)出一定量的渦流，相對于不采用PWM控制驅(qū)動的狀態(tài)可帶來超過電機(jī)允許的溫升，造成轉(zhuǎn)子磁鋼的退磁。因此，高速無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)往往在電源和逆變器之間采用BUCK直流調(diào)壓器［2-3］。

(3)交錯并聯(lián)BUCK

為了改進(jìn)BUCK類型電壓調(diào)整模塊的動態(tài)響應(yīng)要求，需進(jìn)一步減小主電路電感及輸出濾波電容的體積。美國電力電子系統(tǒng)中心提出了多相交錯并聯(lián)的BUCK變換器［4-5］。交錯并聯(lián)不但能降低輸出電流紋波，改進(jìn)動態(tài)響應(yīng)，提高功率密度，并且改進(jìn)了熱設(shè)計(jì)，是一種較好的電路結(jié)構(gòu)。

1 BUCK變換器基本原理

降壓式(BUCK)變換器是一種輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離直流變換器，圖1給出了它的電路拓?fù)鋱D。BUCK變換器主電路主要有開關(guān)管T，二極管D，輸出濾波電感L和輸出濾波電容C構(gòu)成。根據(jù)電感電流是否連續(xù)，BUCK變換器有三種工作模式:連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)、不連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)和臨界狀態(tài)，本文采用連續(xù)導(dǎo)電模式。

圖1 BUCK變換器拓?fù)?/p>

1.1 BUCK變換器連續(xù)導(dǎo)電模式

為了分析穩(wěn)態(tài)特性，簡化推導(dǎo)公式的過程，特作如下假設(shè)［6］:

1)開關(guān)管、二極管是理想元件，可以瞬間導(dǎo)通或截止，沒有管壓降，沒有漏電流。

2)電感、電容是理想元件。電感工作在線性區(qū)，寄生電阻為0，電容的等效串聯(lián)電阻為0。

3)輸出電壓中的紋波電壓與輸出電壓的比值很小，可忽略不計(jì)。

定義開關(guān)管導(dǎo)通時間t1與開關(guān)周期T的比值為占空比，用Dc表示。

(1)當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，直流電壓源通過電感向負(fù)載傳遞能量，由于輸出濾波電容上的電壓保持不變，因此電感電流線性增加，直到t1時刻，達(dá)到最大值，電感電流線性上升的增量為:

(2)當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，由于電感電流不能突變，故通過二極管續(xù)流，電感電流逐漸線性減小，直到t2時刻，達(dá)到最小值，電感電流線性減小的量為:

當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時，開關(guān)管導(dǎo)通時電感中電流的增加量等于其截至?xí)r電流的減少量，即:

聯(lián)合(3)式可得:

電感的紋波電流和輸出電容紋波電壓為:

從(5)，(6)式可知，紋波的大小與電感電容有關(guān)，增加電容的大小可減小輸出電壓的紋波大小。

1.2 交錯并聯(lián)BUCK變換器

對于DC-DC變換器來說，為了達(dá)到好的性能，輸出濾波電感和電容之間存在矛盾。為減小電容上的電流紋波可以增大電感值，從而減小輸出電壓的穩(wěn)態(tài)波動，但這會造成系統(tǒng)暫態(tài)性能變差。另一方面，為提高系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)速度，可以減小電感值，但這樣會加大電容上的電流紋波，從而使系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)態(tài)性能變差。國內(nèi)外現(xiàn)已提出通過在BUCK電路中應(yīng)用交錯多相電流原理，減小電流紋波。多路BUCK變換器交錯并聯(lián)的模型如圖2所示。本系統(tǒng)采用三相交錯并聯(lián)BUCK變換器結(jié)構(gòu)，將三個互差120°交錯運(yùn)行的BUCK變換器電路進(jìn)行并聯(lián)，得到如圖3所示的三相交錯并聯(lián)BUCK變換器電路。

圖2 交錯并聯(lián)BUCK變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 交錯并聯(lián)BUCK工作時序

通過交錯并聯(lián)電路，三個單相BUCK的電流紋波相互抵消，使輸出電流的紋波明顯減小，改善了輸出瞬態(tài)響應(yīng)。在相同的輸出條件下，交錯并聯(lián)電路使濾波電感 L1，L2，L3和主電路IGBT上的承受電流僅為單相BUCK電路的1/3，降低了單個IGBT的導(dǎo)通損耗，減小了輸出濾波電感值和濾波電容的容量。

1.3 交錯并聯(lián)BUCK變換器的控制策略

峰值電流控制的基本思想是設(shè)定電感電流的最大值，當(dāng)電流反饋信號上升到所設(shè)定的最大值時，比較器產(chǎn)生一個開關(guān)管的關(guān)斷信號。峰值電流的開關(guān)信號實(shí)現(xiàn)方式主要有開關(guān)頻率不固定的變頻PFM峰值電流控制和開關(guān)頻率固定的恒頻PWM峰值電流控制。本文采用的是恒頻PWM控制方式。控制原理圖如圖4所示，其中外環(huán)為電壓環(huán)，采樣輸出電壓與給定的電壓信號差作為控制信號。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過采樣電流電感值與電壓環(huán)輸出來構(gòu)成電流環(huán)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖4 峰值電流模式控制BUCK

2 無刷直流電機(jī)的驅(qū)動策略

圖5為無刷直流電機(jī)控制原理圖，無刷直流電機(jī)通過電子換向器將電壓供給的直流轉(zhuǎn)換為方波電流輸入定子多相繞組，三相逆變器的6個開關(guān)，任意時刻只有兩個導(dǎo)通，而且電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°電角度后，就進(jìn)行一次換相。

圖5 無刷直流電機(jī)系統(tǒng)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建了基于交錯并聯(lián)BUCK變換器的BLDC驅(qū)動策略仿真模型，為了便于實(shí)現(xiàn)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想將整個系統(tǒng)分為幾個功能模塊分別建模，如圖6。其中紅線框中的模塊就是三相交錯并聯(lián)BUCK電路，直流輸入電壓Uin=310 V，三個BUCK電路中的電感L=1 mH，電容C=68 μF，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速 50000(r/min)，在0.25 秒時變?yōu)?0000(r/min)，給定負(fù)載0.2。

圖6 基于三星交錯并聯(lián)BUCK電路的BLDC控制仿真模型

由圖7可以看到，在電機(jī)啟動過程中，通過電流閉環(huán)，電感電流的幅值被限制在8 A左右，驗(yàn)證了峰值電流的限流特性。由圖8可以看出，單路承載電流為負(fù)載電流的1/3，三相電感電流互差120°，實(shí)現(xiàn)了交錯并聯(lián)均流，三相交錯并聯(lián)輸出電流脈動頻率為單相電流的3倍，同時電流紋波峰-峰值從單路的6.25%降 為 2.8%。從而可以降低輸出濾波電容值，節(jié)約電源成本，提高了電路的響應(yīng)速度，驗(yàn)證了三相交錯并聯(lián)BUCK電流的均流特性和降紋波特性。

圖7 峰值電流控制仿真波形

圖8 電感電流仿真波形

圖 9，10分別為電機(jī)的轉(zhuǎn)速和直流母線電壓，從仿真結(jié)果看，電機(jī)在啟動階段，轉(zhuǎn)速環(huán)輸出飽和，電流環(huán)輸出最大值，轉(zhuǎn)矩為恒定的最大值啟動。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩回落。母線電壓的紋波較小，三相交錯并聯(lián)BUCK電路可以為高速電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的調(diào)壓性能。

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

圖10 轉(zhuǎn)速變化時母線電壓波形

4 交錯并聯(lián)BUCK電路參數(shù)對系統(tǒng)的影響

4.1 BUCK 電路電感

當(dāng)電感參數(shù)L變化時，系統(tǒng)仿真波形如圖11所示。由公式(5)得，電感紋波電流與電感L成反比可知，電感越大，穩(wěn)態(tài)后電感電流脈動越小如圖11(b)所示。

4.2 BUCK電路電容

電容參數(shù)c變化時仿真波形如圖12所示。由前面的公式(6)電容電壓峰峰脈動與電容c成反比，電容c越大，母線電壓脈動越小，由如圖(b)所示。由圖(a)可以看出:電容越大，電機(jī)起動時間越長。

圖11 電感變化時的仿真波形

圖12 電容變化時的仿真波形

5 結(jié)束語

針對高速無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了一種基于前級三相交錯并聯(lián)BUCK電路，分析了其工作原理，利用MATLAB/Simulink搭建了基于三相交錯并聯(lián)BUCK電路的BLDC控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案符合理論推導(dǎo)。最后分析了BUCK電路參數(shù)對系統(tǒng)調(diào)速性能的影響，為下一步實(shí)際的系統(tǒng)建立提供了參考依據(jù)。

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