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微特電機論文:基于雙向Buck—Boost的無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩脈動抑制
 
 
基于雙向Buck—Boost的無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩脈動抑制
  闞志忠,張海存
(燕山大學,河北秦皇島066004)
    摘要:為提高無刷直流電動機的控制性能,減小電機換相區(qū)間轉(zhuǎn)矩脈動,提出基于雙向Buck—Boost供電的無刷直流電動機換相轉(zhuǎn)矩脈動的抑制方法。分析了雙同Buck Boost控制模式和該電路的輸出電壓控制算法,仿真結(jié)果驗證了電壓控制算法及抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈沖的有效性。
    關(guān)鍵詞:無刷直流電動機;雙向升降壓電路;轉(zhuǎn)矩脈動;占空比
    中圖分類號:TM33  文獻標識碼:A  文章編號:1004—7018(2010)01—0040—05
0引言
    無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子采用永磁材料,在氣隙中產(chǎn)生近似矩形分布的磁場,轉(zhuǎn)子上沒有繞組,因而無刷直流電動機轉(zhuǎn)子無銅損耗,電機具有效率高、節(jié)能、控制簡單、成本低等多項優(yōu)點。隨著永磁材料、大功率電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展,無刷直流電動機廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、工業(yè)、計算機硬盤、民用空調(diào)、冰箱、電動汽車等諸多領(lǐng)域。一般無刷直流電動機繞組采用兩兩導通每相導通120。三相六階梯波供電方式,這種控制方式簡單,電機能夠獲得****電磁轉(zhuǎn)矩。因為電機定子齒槽對磁場分布影響、繞組存在電感導致電流換相時繞組電流不能突變,電機電磁轉(zhuǎn)矩存在脈動等。在低速情況下,速度波動嚴重,以致不能滿足速度或位置控制精度指標的要求。電機繞組電流換相時所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩脈動會隨電機轉(zhuǎn)速的變化而變化,脈動幅度****達到50%。有文獻提出,因為元刷直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩脈動問題,它的應(yīng)用場合限制在對精度要求不高的場合。
    無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩脈動與抑制問題一直是國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的研究方向之一。其中文獻[1]提出,由于PWM的控制方式不同,無刷直流電動機非導通相產(chǎn)生了電流,并引起電機的電磁轉(zhuǎn)矩脈動;文獻[2]提出通過改變輸入電壓減小轉(zhuǎn)矩脈動的方法;文獻[3]提出采用電流控制算法減少轉(zhuǎn)矩脈動。
    本文提出采用雙向升降壓斬波電路(BidirectionBuck Boost Circuit)改變直流母線電壓減小轉(zhuǎn)矩脈動的方法。實時跟隨無刷直流電動機轉(zhuǎn)速變化,調(diào)節(jié)其逆變器直流母線電壓,可抑制電機換相時非換相相電流脈動,進而抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動。改變升降壓斬波電路開關(guān)管的占空比可以調(diào)節(jié)其輸出電壓,使輸出電壓或大于電源電壓或小于等于電源電壓,但是單向的升降壓斬波電路的能量只能由輸入到輸出單方向傳遞,當電機工作在再生發(fā)電狀態(tài)時,電機處于發(fā)電狀態(tài)所產(chǎn)生的電能不能回饋到電源側(cè),不利于節(jié)能。我們采用雙向升降壓斬波電路實現(xiàn)逆變器的直流母線電壓、電機反電勢、電機定子繞組電壓在數(shù)值上保持線性關(guān)系,不僅可以緩解無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩脈動問題,還可提高電機轉(zhuǎn)速,降低作為電源的電池額定電壓。元刷直流電動機主電路如圖1所示。
1換相電磁轉(zhuǎn)矩脈動分析
    無刷電動機由梯形波永磁電動機本體、逆變器及位置傳感器組成,電機采用典型的星形接線。荊毆設(shè):
(1)電動機的氣隙磁感應(yīng)強度在空間呈梯形(近似為方波)分布;
    (2)忽略定子齒槽的影響;
    (3)忽略電樞反應(yīng)對氣隙磁通的影響;
    (4)忽略電機中的磁滯和渦流損耗;
    (5)三相繞組完全對稱。
    無刷直流電動機定子電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程如下:
式中:M。、u。、分別為A、B、c三相繞組電壓;分別為定子A、B、c繞組相電動勢瞬時值;分別為A、口、c三相繞組電流;R。、R。為定子繞組相電阻,凹為每兩相繞組互感;為轉(zhuǎn)子的機械角速度;t為電機的電磁轉(zhuǎn)矩,L。=L—M,無刷直流電動機的等效電路如圖2所示。
無刷電動機轉(zhuǎn)動時,根據(jù)位置檢測器輸出信號,通過邏輯電路控制開關(guān)管sl~s6的導通和截止。為使電磁轉(zhuǎn)矩脈動盡量小,選擇開關(guān)管的控制方式即每個開關(guān)導通時間電角度,年亨形圖如圖3所示。
 由于各個開關(guān)管輪流導通,換相時等效電路結(jié)構(gòu)相同,分析某一相的換相時刻電路即可得各換相時刻電機電壓、電流和轉(zhuǎn)矩變化的一般規(guī)律。如圖3所示,在mf=150。時刻,開關(guān)管s1關(guān)斷、開關(guān)管s2導通,由于電機繞組存在電感,使得續(xù)流二極管m因為續(xù)流在換相過程中而導通,換相結(jié)束后D4因為續(xù)流電流減小到零而截止。最終無刷直流電動機的定子電路狀態(tài)由換相前的4、G兩相繞組導通切換到換相后B、c兩相繞組導通狀態(tài),達到穩(wěn)態(tài)運行。忽略開關(guān)管導通時的管壓降,假設(shè)換相前電機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載穩(wěn)態(tài)運行,換相電路如圖4所示。則換向過程中的定子電路方程可寫為:
在電機高速運行區(qū)間,由于換相時間很短,電機的轉(zhuǎn)速波動相對值很小,又由于電機的機械慣性時間常數(shù)大于電磁慣性時間常數(shù),可以認為在換相過程中電機的反電動勢不變。e。=e。=E。,三相電機定子接線方式保證定子三相電流時刻保持i。+z。+i。=O,得到三相電流變化率之間的關(guān)系:
在主電路開關(guān)管兩兩導通方式下的電磁轉(zhuǎn)矩方程
    由電磁轉(zhuǎn)矩方程可以分析,如果在換相過程中保持,則電機的電磁轉(zhuǎn)矩
即在換相過程中電磁轉(zhuǎn)矩脈動為零。在保持c相電流不變情況下,再分析換相過程中以電流為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程式(5)或由ia+ib+ic=O均可得出即在換相過程中B,C 兩相的電流變化率相反,以圖形表示電流的變化情況,為畫圖簡便,忽略電機的定子電阻,換相過程中電流隨時間線性變化,如圖5所示。
    由圖5的各相電流波形可以分析,由于在時間t1-t2的換相過程中,A相電流ia和B相電流ib變化率****值相同符號相反,使得c相電流ic在換相過程始終保持不變。否則,如果A相電流i。和B相電流ib變化率****值不同,則c相電流ic在換相過程中會增大或減小。A、B相電流換相波形如圖6、圖7所示.
   本文中采用雙向Buck Boost電路作為無刷直流電動機的供電電源,使電源電壓跟隨電機的轉(zhuǎn)速變化,保持雙向Buck—B00st電壓輸出:us一4Em+3Ric=0。
2雙向BuCK-Boost電路工作模式分析
    按照能量流動的方向,雙向Buck—B00st電路作模式分為電動模式和制動模式兩種。所謂電動模式是指如圖8所示的電路工作在模式l和模式2,在一個開關(guān)周期T中開關(guān)管s8和二極管D7交替導通,電能由電源u1向負載流動。在開關(guān)管s8導通時,電路工作在模式l,電感L存儲電能并轉(zhuǎn)化為磁能;當開關(guān)管s8斷開,電路工作在模式2,由于電續(xù)流作用,二極管D7正向?qū)ú⑾螂娙莺拓撦d提供電流。這里的負載是無刷直流電動機,這時電機工作在電動狀態(tài)。同理,電機工作在制動狀態(tài)時,電路工作在模式3、模式4狀態(tài),能量由元刷直流電動機向電源u,方向流動。由雙向Buck—Boost電路工作模式可見,開關(guān)管S7和s8以互補方式工作,假設(shè)開關(guān)管s8的導通占空比為D,則s7的導通占空比為1一D,雙向Buck—Boost輸出電壓U2與輸入電壓U1的關(guān)系如下:
     假設(shè)輸出電壓給定目標為U2ref,電壓誤差為e,可表示為:
    當e>0時,電路交替工作在模式1、模式2狀態(tài),能量由電源流向負載,電容c因充電電壓升高,促使電壓誤差e快速減;反之,當e
3升降壓電路占空比算法
    假設(shè)電源電壓璣恒定,由式(8)可得到Buck—
    為了消除輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差,采用PI算法計算電壓誤差,即:
式中:Kp、Ki分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)。e(k)是kT時刻電壓誤差。由式(9)得到:
式中:U2rdf(k),U2(k)分別為kT時刻輸出電壓的給定值和實際值。
    在輸出電壓穩(wěn)定時,電壓的給定指令和反饋實際值相同,即U2rdf(k)=U2(k),再由式(8)得到kT時刻的占空比,其計算方法為:
4仿真驗證
    為驗證提出的基于雙向升降壓電路的無刷直流電動機電機換相電磁轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法的有效性,采用M atIab 2007Ra進行仿真。電機模型參數(shù):電機定子電阻2.875Ω,定子電感8.5 mH,電機轉(zhuǎn)動慣量O.000 8kg·m2,摩擦系數(shù)O.001,電機極對數(shù)4。無刷直流電動機速度控制器采用PI算法,比例系數(shù)取2,積分系數(shù)為5,電機電流采用滯回跟蹤控制,環(huán)寬為O .l,雙向升降壓電路控制器采用基于占空比前饋的電壓單閉環(huán)控制,式(15)的比例系數(shù)砭為10.04,K,取10,直流電源電壓u.取150 V。
 
 從以上仿真圖可以看到,雙向Buck Boost供電對抑制換相時非換相相電流脈動效果顯著。元刷直流電動機的電流控制器采用滯回環(huán)跟蹤控制方式,在直流母線電壓足夠高的情況下,在一定程度上緩解了電機換相時的電流脈動,但對比電機轉(zhuǎn)速為600 r/min時電流波形圖,如圖22、圖23所示,雙向
Buck—Boost供電時C相電流在換相區(qū)間完全沒有波動,而直流母線電壓恒定為430 V、電機c相電流在換相區(qū)間依靠電流控制器維持電流恒定,電流存在波動。當直流母線電壓較低,如為恒定150 v時,可以看出電流脈動嚴重。而雙向Buck—Boost供電時的電流脈動基本和轉(zhuǎn)速無關(guān)。
5結(jié)語
    本文介紹了基于雙向Buck Boost供電的元刷直流電動機換相電磁轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法。分析了雙向Buck—Boot控制模式和輸出電壓的控制算法,仿真結(jié)果驗證了輸出電壓控制算法及抑制電磁轉(zhuǎn)矩的的有效性。
 
 
 
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