無刷直流電機(jī)在不同驅(qū)動(dòng)方式下的 性能比較研究

王芳媛，陳玲

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司技術(shù)技能培訓(xùn)中心，湖南 長沙 410131）

0 引言

無刷直流電機(jī)因其應(yīng)用范圍廣而已遍及工業(yè)發(fā)展多方領(lǐng)域中，提高了生產(chǎn)以及人民的生活。本文詳細(xì)解析正弦波反電勢無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLACM）以及梯形波反電勢無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）兩種電機(jī)在正弦波與六脈沖方波兩種驅(qū)動(dòng)下的電流波形、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等情況進(jìn)行了分析研究。

1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

無刷直流電動(dòng)機(jī)定子三相繞組的電壓平衡方程為：

當(dāng)三相繞組為Y 聯(lián)接而且沒有中線，則有：

并且

將以上兩式代入式(1)，得到電壓方程式

從而由電壓方程式可以得到電磁系統(tǒng)的狀態(tài)方程形式：

電磁轉(zhuǎn)矩為：

其中電磁功率為：

2 電流換相分析

無刷電機(jī)在二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)下，如果 是以120°導(dǎo)通方式來運(yùn)行作業(yè)時(shí)，所產(chǎn)生的每個(gè)狀態(tài)都會(huì)有60°的工作電角度。那么針對(duì)其每個(gè)狀態(tài)來表明，都會(huì)存在一定的導(dǎo)通運(yùn)行區(qū)和換相運(yùn)行區(qū)。在導(dǎo)通運(yùn)行區(qū)中，有二相定子繞組進(jìn)行導(dǎo)通。而對(duì)于換相區(qū)來說，其導(dǎo)通時(shí)間通常很短，且三相的定子繞組會(huì)同時(shí)都有電流通過。在實(shí)際過程中，往往可以對(duì)管壓降以及功率管的關(guān)斷所產(chǎn)生的時(shí)間完全可以忽略不計(jì)，假設(shè)電機(jī)工作時(shí)的換相是從AB 相導(dǎo)通向AC 相環(huán)流：首先將B 相下橋臂中的功率管進(jìn)行切斷，并且同時(shí)C 相中下橋臂的功率管要進(jìn)行開通，這時(shí)進(jìn)入了換相運(yùn)行區(qū)。與此同時(shí)，C 相的繞組電流會(huì)逐漸從零增大，同時(shí)B 相的電流進(jìn)行續(xù)流，這時(shí)通過二極管來進(jìn)行的。當(dāng)B 相的電流越來越小，逐漸衰減為零時(shí)，便進(jìn)入了AC 相的導(dǎo)通運(yùn)行區(qū)，這時(shí)C 相的電流會(huì)繼續(xù)進(jìn)行增加，并且會(huì)一直維持到下次換相時(shí)[1-3]。

3 仿真及結(jié)果分析

3.1 無刷直流電機(jī)在正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)的仿真

如圖1 所示，無刷直流電機(jī)工作用正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)所形成的反電勢波形為正弦波。圖2 為正弦波無刷直流電機(jī)用正弦波驅(qū)動(dòng)仿真結(jié)果。

將圖1 中的電機(jī)模塊反電勢波形由正弦波改為梯形波，其他都保持不變。梯形波無刷直流電機(jī)正弦波驅(qū)動(dòng)仿真結(jié)果如圖3 所示。

由此可以看出，在正弦波驅(qū)動(dòng)方式下，與正弦波無刷直流電機(jī)相比，梯形波無刷直流電機(jī)的電磁 轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)較大，而前者則較平緩。

圖1 無刷直流電機(jī)在正弦波驅(qū)動(dòng) Fig.1 Simulation circuit of Brushless DC Motor Driven by Sinusoidal Wave

圖2 電磁轉(zhuǎn)矩放大圖 Fig. 2 Electromagnetic torque amplification diagram

3.2 無刷直流電機(jī)六脈沖方波驅(qū)動(dòng)時(shí)的仿真

圖4 所示為無刷直流電機(jī)用六脈沖方波驅(qū)動(dòng)時(shí)的仿真電路，形成電機(jī)反電勢波形為正弦波。

圖3 電磁轉(zhuǎn)矩放大圖 Fig. 3 Electromagnetic torque amplification diagram

圖5 為正弦波無刷直流電機(jī)六脈沖方波驅(qū)動(dòng)仿真結(jié)果。

將圖4 中的電機(jī)模塊反電勢波形由正弦波改為梯形波，其他都保持不變。仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖4 無刷直流電機(jī)在六脈沖方波驅(qū)動(dòng)時(shí)的仿真電路 Fig. 4 Simulation circuit of Brushless DC Motor Driven by Six-Pulse Square Wave

圖5 電磁轉(zhuǎn)矩圖 Fig.5 Electromagnetic torque diagram

圖6 電磁轉(zhuǎn)矩圖 Fig.6 Electromagnetic torque diagram

由此可以看出，在六脈沖方波驅(qū)動(dòng)方式下，與 正弦波無刷直流電機(jī)相比，梯形波無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)較大時(shí)，前者則較為平緩；相對(duì)于同一種電機(jī)而言，正弦波驅(qū)動(dòng)比梯形波驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要小[4-6]。

3.3 換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)比和分析

通常在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，電機(jī)要快速運(yùn)行到一定的高速狀態(tài)。過程中，電機(jī)的電機(jī)繞組中會(huì)產(chǎn)生電感的作用，會(huì)導(dǎo)致電樞電流會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)一定的延緩，延緩就會(huì)造成轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)有所下降的現(xiàn)象。為了杜絕這種延遲現(xiàn)象的出現(xiàn)，這時(shí)我們可以采取以下幾點(diǎn)相應(yīng)的措施來對(duì)其進(jìn)行有效的控制和補(bǔ)救。

首先，我們可以在針對(duì)換相期間的時(shí)候，產(chǎn)生的相電流幅值來進(jìn)行恒定控制，這樣可以使其進(jìn)行非常有效的電流補(bǔ)償和電流控制。通常還可以利用人為的方式來對(duì)換相過程的時(shí)間加以延長，以使控制電流所需要的時(shí)間能夠更加具體。目前較為常用且比較實(shí)際的方式為重疊換相法，原理就是通過超前換相和延時(shí)換相相互結(jié)合起來達(dá)到進(jìn)行控制的作用。具體的操作方法為：當(dāng)接收到換相信號(hào)后，不是第一時(shí)間去對(duì)其進(jìn)行關(guān)斷，而是保持將其在導(dǎo)通的狀態(tài)下持續(xù)維持一小段時(shí)間，超前換相要是在換相信號(hào)在要到來之前，馬上開通相應(yīng)一定的角度，從而在達(dá)到進(jìn)行補(bǔ)償換相過程的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)一定的電流下降現(xiàn)象，從而表現(xiàn)出轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)也會(huì)減小。此外，對(duì)于梯形波反電勢無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）方式來說，可以在通過換相過程中關(guān)斷相進(jìn)行延時(shí)關(guān)斷的方式，開通時(shí)換相管不是采用恒通類的方式來進(jìn)行調(diào)制，而是采用脈寬調(diào)制的方式來進(jìn)行調(diào)制，這樣就能夠?qū)Q相過程中產(chǎn)生的脈動(dòng)進(jìn)行行之有效的控制[10]。

4 結(jié)論

經(jīng)過以上分析，在相同的驅(qū)動(dòng)下，正弦波的電機(jī)比梯形波的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)小，而在使用相同的電機(jī)工作情況下，正弦波的驅(qū)動(dòng)比梯形波驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的脈動(dòng)值要小。從而可得結(jié)論，在使用正弦波驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)時(shí)具有相對(duì)優(yōu)勢。