BLDC控制系統(tǒng)中PWM調(diào)制方式分析與比較

史召峰， 孫承峰

(1.安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，合肥 230051；2.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

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BLDC控制系統(tǒng)中PWM調(diào)制方式分析與比較

史召峰1， 孫承峰2

(1.安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，合肥 230051；2.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

摘要：介紹了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的5種PWM調(diào)制方式，并從開關(guān)損耗、調(diào)制方式的極性和對換向轉(zhuǎn)矩脈動的影響這三個(gè)角度來分析和比較了這幾種PWM調(diào)制方式的優(yōu)劣.通過理論推導(dǎo)，證明當(dāng)控制系統(tǒng)采用PWM-ON調(diào)制方式,六只開關(guān)管的開關(guān)損耗得到了均勻的分配，并且直流無刷電機(jī)在換向過程中的轉(zhuǎn)矩脈動最小.最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)論的正確性.

關(guān)鍵詞：直流無刷電機(jī)；PWM調(diào)制方式；開關(guān)損耗；換向轉(zhuǎn)矩脈動

具有梯形波反電動勢的永磁無刷直流電動機(jī)具有高功率密度、控制簡單等特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛.其驅(qū)動逆變器多采用三相半橋結(jié)構(gòu)形式，工作于二二導(dǎo)通、三相六狀態(tài)的120°導(dǎo)通方式，一般采用PWM調(diào)制方式進(jìn)行速度及電流的調(diào)節(jié)，由于BLDCM相電感的存在使電樞繞組電流從一相切換到另一相時(shí)，產(chǎn)生換相延時(shí)，形成電機(jī)換向過程中的轉(zhuǎn)矩脈動[1-3].當(dāng)采用的PWM調(diào)制方式不同時(shí)，對系統(tǒng)的影響也不一樣，當(dāng)然對換相轉(zhuǎn)矩脈動的影響也不一樣.在文獻(xiàn)[4]中,只分析了ON-PWM、PWM-ON、H_PWM-L_ON、H_ON-L_PWM四種不同調(diào)制方式對換相轉(zhuǎn)矩脈動的影響，并沒有分析H_PWM-L_PWM對換相轉(zhuǎn)矩脈動的影響.在本文中，介紹了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的ON-PWM、PWM-ON、H_PWM-L_ON、H_ON-L_PWM、H_PWM-L_PWM 5種PWM調(diào)制方式.

15種調(diào)制方式的分析與比較

三相永磁無刷直流電機(jī)工作于120°導(dǎo)通方式下時(shí)，常見的PWM調(diào)制方式有以下5種:①H_PWM-L_PWM上下橋臂開關(guān)管均進(jìn)行PWM信號調(diào)制(導(dǎo)通兩相上的開通開關(guān)管同時(shí)進(jìn)行PWM調(diào)制)；②ON-PWM:在開關(guān)管導(dǎo)通的120°期間，各管前60°電角度保持恒通,后60°電角度進(jìn)行PWM信號調(diào)制；③PWM-ON:各管前60°電角度受PWM信號調(diào)制，后60°電角度恒通;④H_PWM-L_ON:上橋臂開關(guān)管受PWM信號調(diào)制,下橋臂開關(guān)管保持恒通;⑤H_ON-L_PWM:上橋臂開關(guān)管保持恒通,下橋臂開關(guān)管進(jìn)行PWM信號調(diào)制.[5]如圖1所示:

圖1　5種PWM調(diào)制方式的輸出波形

1.1從器件開通和關(guān)斷損耗角度分析5種PWM調(diào)制策略

在五種PWM調(diào)制方式中，采用圖1中(a)的調(diào)制策略時(shí)，六只開關(guān)管都需要進(jìn)行脈寬調(diào)制，其所帶來的開關(guān)損耗為其它幾種調(diào)制方法的兩倍，降低了控制器的效率.另外在相同的平均電磁轉(zhuǎn)矩下，單斬方式比雙斬方式的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動小，單斬方式的繞組電流穩(wěn)態(tài)值要大于雙斬方式的繞組電流穩(wěn)態(tài)值.因此，通常不采用圖1(a)所示調(diào)制策略;圖1中(d)和(e)所示調(diào)制策略由于六個(gè)開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗沒有均勻的分配而很少被采用.而圖1中(b)和(c)所示調(diào)制方式在開關(guān)管導(dǎo)通的120°期間，開關(guān)管有60°電角度受PWM信號調(diào)制,60°電角度保持恒通，這兩種調(diào)制策略使得六只管子的開通和關(guān)斷損耗得到合理地分配而被采用的最多.

1.2從5種PWM調(diào)制策略的輸出極性去分析和比較

在所有逆變器的脈寬調(diào)制方式中，按其輸出電壓極性可以分為單極性脈寬調(diào)制和雙極性脈寬調(diào)制.單極性脈寬調(diào)制下，逆變器的輸出電壓極性不會發(fā)生變化，而雙極性脈寬調(diào)制則相反.對于以上提及的5種PWM調(diào)制策略，圖1中(b)~(e)屬于單極性脈寬調(diào)制，(a)屬于雙極性脈寬調(diào)制，由于雙極性脈寬調(diào)制有電流脈動大的缺點(diǎn)，一般很少被采用.

1.3從換向轉(zhuǎn)矩脈動的角度來分析和比較5種PWM調(diào)制方式

永磁無刷直流電機(jī)工作于120°導(dǎo)通方式下時(shí)，其工作過程可分兩個(gè)區(qū)間，一個(gè)是導(dǎo)通相電流增加、關(guān)斷相電流減小且每相繞組都有電流流過的換相區(qū)間.[5]另一個(gè)區(qū)間為非換相區(qū)間，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，三相繞組中只有兩相繞組有電流流過.

永磁無刷直流電機(jī)采用不同的PWM調(diào)制方式時(shí)，每相繞組流過的電流會因?yàn)殚_關(guān)管的開關(guān)方式而出現(xiàn)不同的幅值和流向，這會使電機(jī)產(chǎn)生換相轉(zhuǎn)矩脈動.下面將詳細(xì)敘述不同調(diào)制方式下的換相轉(zhuǎn)矩脈動的推導(dǎo)過程.

換相發(fā)生在上橋臂:eA=eB=E=keω,eC=-keω；

換相發(fā)生在下橋臂:eA=eB=-E=-keω,eC=keω.

又因iA+iB+iC=0，則下橋臂和上橋臂換相時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式可分別由式(1)和(2)來表示：

(1)

(2)

式中：ω為電機(jī)速度(rad/s)，ke為電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù),p為極對數(shù).由此可知，換相前后的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式一樣.這說明，只要保證換相期間沒有換相的那相電流和換相前電流幅值相同，則換相期間沒有轉(zhuǎn)矩波動.

1.3.1H_PWM-L_PWM調(diào)制策略下轉(zhuǎn)矩波動分析

以下橋臂開關(guān)管換相為例，分析從A相換流到B相的換相過程，分析的結(jié)論同樣適合上橋臂換相.設(shè)從A相換流到B相的換相期間，D1續(xù)流，T4為關(guān)斷管，T6為開通管，T5為非換相管，T5T6同時(shí)進(jìn)行脈寬調(diào)制，在換相期間的電流回路如圖2所示：

圖2　H_PWM-L_PWM調(diào)制策略下下橋換相時(shí)A相續(xù)流回路

A相續(xù)流時(shí)電機(jī)每相端電壓平衡方程為：

(3)

(4)

(5)

在換相期間內(nèi)有eC=-eB=E=keω，ke為電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)，而eA是一個(gè)斜坡函數(shù).另外中性點(diǎn)電壓UN還受PWM調(diào)制方式的影響，因此其動態(tài)表達(dá)式實(shí)際上是一個(gè)非常復(fù)雜的函數(shù).由于換相過程比較短，令eA=-keω.[6]同時(shí)令式(4)和(5)中的S≈D，式中D為當(dāng)前PWM脈沖占空比，則式(4)、(5)可簡化為：

(6)

(7)

由式(3)、(6)和(7)可求得：

(8)

在下橋換相前，iC(0)=-iA(0)=i0(i0是相電流在穩(wěn)定狀態(tài)下的值)，iB(0)=0.將式(8)代入式(7)并結(jié)合iC(0)=i0可解得：

(9)

再根據(jù)式(2)，可得換相過程的轉(zhuǎn)矩為：

(10)

由前面分析可知，下橋臂沒有換相前所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為：Te_l=2pkei0，則換相過程產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動為：

(11)

1.3.2其余4種脈寬調(diào)制策略下電磁轉(zhuǎn)矩脈動分析

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，換相時(shí)，脈寬調(diào)制發(fā)生在開通管時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動和脈寬調(diào)制發(fā)生在非換相管時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動是不一樣的.前者我們歸結(jié)為第一類，后者歸結(jié)為第二類.

由以上分析可知：所有調(diào)制策略中能歸結(jié)到第一類的有：PWM-ON型調(diào)制策略、換相發(fā)生在上橋臂的H_PWM-L_ON型調(diào)制策略和換相發(fā)生在下橋臂的H_ON-L_PWM型調(diào)制策略；可歸結(jié)到第二類：ON-PWM型調(diào)制策略、換相發(fā)生在上橋臂的H_ON-L_PWM型調(diào)制策略和換相發(fā)生在下橋臂的H_PWM-L_ON型調(diào)制策略.可以證明只要不同的調(diào)制策略下有相同的續(xù)流過程，它們所產(chǎn)生的換向轉(zhuǎn)矩脈動是一樣的.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以一臺額定轉(zhuǎn)速為3 000 rpm的無刷直流電機(jī)為實(shí)驗(yàn)電機(jī)，用Microchip公司dsPIC33FMC204單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證，圖3中的(a)~(e)分別為5種調(diào)制策略下所得到的相電流實(shí)驗(yàn)波形.

圖3　5種調(diào)制策略下相電流波形

由實(shí)驗(yàn)波形及其分析可知，無論哪一橋臂進(jìn)行換相時(shí)，脈寬調(diào)制發(fā)生在開通管時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動均比脈寬調(diào)制發(fā)生在非換相管時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動要小，而換相過程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動最大的是H_PWM-L_PWM調(diào)制策略.

3結(jié)語

本文闡述了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的5種PWM調(diào)制方式，并從開關(guān)損耗,調(diào)制方式的極性和對換向轉(zhuǎn)矩脈動的影響這三個(gè)角度來分析與比較了這幾種PWM調(diào)制方式的優(yōu)劣；最后得出結(jié)論：當(dāng)控制系統(tǒng)采用PWM-ON調(diào)制方式時(shí),六只開關(guān)管的開關(guān)損耗得到了均勻的分配，并且直流無刷電機(jī)在換向過程中的轉(zhuǎn)矩脈動最小.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與波形也充分證明了所得結(jié)論的正確性.

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[責(zé)任編輯王新奇]

Analysis and Comparison of PWM Modulationin Brushless DC (BLDC) Motor Control System

SHI Zhao-feng1， SUN Cheng-feng2

(1. Department of Electrical and Mechanical Engineering, Anhui Technical College of Industry and Economy, Hefei

230051, China; 2. School of mechanical and electrical engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China)

Abstract：In this paper, five PWM modes used in the brushless DC motor control systems were introduced. Their advantages and disadvantages were analyzed and compared from three aspects such as switch loss, the polarity of modulation mode and the influence on the commutation torque ripple of brushless DC motor. Through theoretical derivation, it was proved that when the control system adopted PWM-ON modulation mode, the switching loss of six switches was distributed evenly, and the torque ripple of brushless DC motor in the process of commutation was minimum. Finally, the experimental results show that the conclusion is correct.

Key words：brushless DC motor (BLDC); PWM modulation mode; switch loss; commutation torque ripple

中圖分類號：TM351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：史召峰(1978—)，男，安徽合肥人，安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師，碩士，主要從事機(jī)電控制、CAD/CAM/CAE技術(shù)研究.

基金項(xiàng)目：安徽省省級教學(xué)研究項(xiàng)目(2014jyxm559)

收稿日期：2015-09-16

文章編號：1008-5564(2016)01-0036-05