基于兩相導通星形三相六狀態的永磁直流無刷電機pwm-oh調制方式研究

0基于脈寬調制的加工方式對轉速脈動的影響隨著能源電子技術的發展，永磁直刷機具有良好的速度性能和高效率，深受于交通、航空等領域。由于其構造的特殊性,使得其氣隙磁場分布接近于方波,繞組感應電動勢為梯形波,這雖然有利于電動機產生一個恒定的轉矩,但是在換相時電流不能突變,實際產生的相電流波形不是純粹的方波,這就會產生除了平均轉矩外的脈動分量。在高精度應用領域中,抑制轉矩脈動成為提高直流無刷電機性能的關鍵。文獻闡述了換相時轉矩脈動產生的原因,并提出換相轉矩脈動與反電動勢有關,但脈寬調制(pulsewidthmodulation,PWM)對換相轉矩的影響未被提出。文獻指出在相同的占空比下,單斬PWM調制方式比雙斬PWM方式產生的電磁轉矩要小,還應該進一步比較單斬方式中哪一種產生的脈動最小。文獻從電機定子的設計尺寸和磁極等方面提出了對無刷電機轉矩脈動的影響,應對各種PWM調制方式對轉矩脈動的影響進一步研究。本文在結合了前人的研究成果下,分析了5種PWM調制方式產生續流時對電機轉矩脈動的影響,并結合模糊PI控制方式對電機進行控制,能很好的起到抑制脈動的作用。1各相擴大安全試驗條件無刷直流電機定子感應電動勢為梯形波,繞組間的互感是非線性關系。所以直接利用電機原有的相變量來建立數學模型。假設定子齒槽的影響忽略不計;電樞反應對氣隙磁通影響忽略不計;電機磁路不飽和;定子三相繞組完全對稱且各參數為常數。則永磁直流無刷電機的各相繞組電壓平衡方程為其中:Ua、Ub、Uc為定子繞組各相電壓,ia、ib、ic為定子繞組各相電流,ea、eb、ec為繞組各相反電動勢,r為每項繞組電阻,LM為每相繞組的自感和每兩相繞組間的互感差,UN是中性點電壓。根據電壓方程得到的無刷直流電機的等效電路,如圖1所示。同樣根據方程得到電磁轉矩方程為式中:ω為轉子的機械角速度。在理想情況下,電機工作在120°導通方式下,每一時刻僅有兩相繞組導通,產生的反電動勢用E表示,電流用I表示。通過ia+ib+ic=0和ea=eb=-ec=E并結合公式(2)得到理想情況下的電磁轉矩為2dm調制方式影響持續流回路直流無刷電機在三相六狀態導通方式下,最常用的PWM調制方式主要有H-ON-L-PWM、ON-PWM、PWM-ON、H-PWM-L-ON、H-PWM-L-PWM5種調制方式,這幾種PWM調制方式示意圖如圖2所示。不同PWM調制方式在上橋臂和下橋臂換相時產生的續流回路不同,從而產生的轉矩脈動也不相同,因此分為上橋臂換相和下橋臂換相進行分析。而H-PWM-L-PWM調制方式與其他方式不同,需要單獨進行分析。2.1上橋臂換相上橋臂換相的過程中,PWM-ON和H-PWM-L-ON續流回路相同,而ON-PWM和H-ON-L-PWM續流回路相同。多換相管續流過程假設以A相繞組切換到B相繞組為例,開關管V1關斷,V3為換相管并采用PWM調制,V2管為非換相管保持恒導通,續流過程如圖3所示。A相續流時電機定子的三相電壓方程為續流過程電流對流圖同樣以A相切換B相為例,V1管關斷,V2為非換相管采用PWM調制,V3為換相管保持恒導通。圖4為續流過程電流流向圖。A相續流時電機定子的三相電壓方程為求得的中性點平均電壓為以相同的條件求得三相電流方程為同樣得到在上橋臂換相時ON-PWM和H-ON-L-PWM調制方式下的電磁轉矩為與理想情況下的轉矩脈動進行比較得到在上橋換相時采用ON-PWM和H-ON-L-PWM調制方式時的轉矩脈動為2.2橋臂坍塌下橋臂換相的過程中,PWM-ON和H-ON-L-PWM續流回路相同,而ON-PWM和H-PWM-L-ON續流回路相同。1中性點平均電壓以A相切換為B相為例,V4管關斷,非換相管V5采用PWM調制,換相管V6保持恒導通,圖5為各相電流流向圖。A相續流時的定子三相電壓方程為同樣忽略定子繞組的電阻,結合等式ia+ib+ic=0和ea=eb=-ec=-E求得中性點平均電壓為假設在換相的前一個狀態中ia(0)=-ic(0)=-I,ib(0)=0。對電壓方程求積分解得三相繞組電流方程為從而得到在下橋臂換相時ON-PWM和H-PWM-L-ON調制方式下的電磁轉矩為與理想情況下的轉矩脈動進行比較得到在下橋臂換相時采用ON-PWM和H-PWM-L-ON調制方式時的轉矩脈動為2相電流續流計算同樣假設A相切換為B相,V4管關斷,非換相管V5保持恒導通,換相管V6采用PWM調制,圖6為A相電流續流示意圖。A相續流時電機定子的三相電壓方程為求得的中性點平均電壓為以相同的條件求得三相電流方程為此時在下橋臂換相時PWM-ON和H-ON-L-PWM調制方式下的電磁轉矩為與理想情況下的轉矩脈動進行比較得到在上橋換相時采用ON-PWM和H-ON-L-PWM調制方式時的轉矩脈動為2.3h-dm-l-dm調制方式2由于上下橋臂都采用PWM調制,因此僅分析一種情況即可。以A相切換為B相的上橋臂換相情況為例,即V1管關斷,V3、V2管都采用PWM調制,A相繞組電流的續流回路如圖7所示。A相續流時的定子三相電壓方程為求得的中性點平均電壓為對方程求積分解得三相繞組電流方程為根據得到的電流方程可求得H-PWM-L-PWM調制方式下的電磁轉矩為與理想情況下的轉矩脈動進行比較得到采用H-PWM-L-PWM調制方式時的轉矩脈動為通過上面的分析,分別對上下橋臂推導的轉矩脈動進行比較,首先比較上橋臂換相,用式(8)、式(13)和式(28)分別做差比較可得,即ΔT1H≤ΔT2H≤ΔT3。對下橋臂推導的轉矩脈動進行比較,令式(18)和式(23)做差比較,得,即ΔT1L≥ΔT2L。3無刷電機負載相電流的測試結果以額定功率為180W、額定電壓為24V的57BLF03小型直流無刷電機為研究控制對象進行實驗分析,控制芯片采用TI公司的TMS320F2812,驅動芯片采用具有自舉技術的IR2110。搭建的實驗平臺如圖8所示。利用DSP分別產生以上5種PWM調制方式波形并配合模糊PI控制器對直流無刷電機進行控制,使其工作在轉速為1500r/min的負載狀態下。因為無刷電機的轉矩與電流成正比,所以通過比較電流脈動大小就可以間接比較轉矩脈動大小,因此通過示波器測得直流無刷電機的一相繞組的相電流波形,并對它們相互比較分析。得出的波形如圖9所示。采用H-PWM-L-ON調制方式下的相電流波形圖如圖9(a)所示。從圖中看到,下橋臂換相時的電流波動明顯要大于上橋臂換相時的電流波動。而在H-ON-L-PWM調制方式下(如圖9(b)),上橋臂換相電流波動要大于下橋臂換相波動。當采用ON-PWM調制方式時(如圖9(c)),上、下橋臂換相時產生的電流波動幅度相近而且很大。采用PWM-ON調制方式時(如圖9(d)),上、下橋臂脈動都很小,波形比較理想。最后在H-PWM-L-PWM調制方式下(如圖9(e)),不論上、下橋臂換相電流幅度脈動都是最大的。從上述實驗結果來看,在給出的5種120°導通方式下常用的PWM調制方式中,采用PWM-ON調制方式最好,能夠有效地抑制電機的換相轉矩脈動。4永磁直流無刷電機的理論分析本文詳細地分析了5種常用PWM調制方式下,電流換相對電機轉矩脈動的影響。利用公式推導比較5種PWM調制方式的優劣,得出采用PWM-ON調制方式產生的換相轉矩脈動最小。通過實驗驗證了理論分析的正確性,對永磁直流無刷電機的分析、設計具有理論指導意義。式中:D為占空比。電機繞組的電阻很小,可忽略不計。換相過程很快,可近似認為各項繞組的反電動勢值不改變,即ea=eb=-e