前置電流型兩象限斬波器的無刷直流電機(jī)控制器研究
徐蕾，馬瑞卿，李虛懷，曹濤
(西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710072)
摘要：研究了基于前置電流型兩象限斬波器的無刷直流電機(jī)控制方法。介紹了電路的硬件結(jié)構(gòu)，分析了利用該方法抑制電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩波動，改善電機(jī)制動特性的原理。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了控制系統(tǒng)的仿真模型，給出了仿真結(jié)果并與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，電流型兩象限斬波器能夠明顯減少無刷直流電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩波動，改善電機(jī)制動特性。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；斬波器；電流波動；仿真模型
中圖分類號：TM36+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-6848(2010)02-0062-04
0引 言
本文對無刷直流電機(jī)電流波動進(jìn)行了詳細(xì)的分析。提出采用前置電流型兩象限斬波器的方法減少電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩波動，同時改善電機(jī)制動特性。
在Matlab/Simulink壞境下建立了電流型兩象限斬波器的仿真模型并將其應(yīng)用于無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。通過與傳統(tǒng)方式下仿真結(jié)果的對比，證明了通過前囂電流型兩象限斬波器能夠有效抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電流波動，同時改善電機(jī)制動性能。
1主電路結(jié)構(gòu)
采用前置電流型兩象限斬波器的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路由電流型兩象限斬波器和三相全橋逆變器組成。
傳統(tǒng)的三相全橋逆變器在工作時，六個功率開關(guān)管全部（雙極性調(diào)制）或部分（單極性調(diào)制）工作在PWM狀態(tài)。而圖l所示系統(tǒng)中，功率開關(guān)管Tl~ T6工作在120度導(dǎo)通方式下，其開通和關(guān)斷由控制器根據(jù)位置傳感器信號確定。功率開關(guān)管T7和T8工作在互補(bǔ)PWM狀態(tài)。由于Tl~ T6工作在低頻狀態(tài)，開關(guān)損耗大大減小。電機(jī)起動時，以T7、D7為主，構(gòu)成降壓型斬波電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)壓調(diào)速。制動時，以T8、D8為主，它們與L構(gòu)成Boost電路，使電機(jī)能量回饋電源。二極管D9主要用于換相保護(hù)，防止逆變器功率管關(guān)斷時電感電流無續(xù)流回路而產(chǎn)生大的損壞功率管。
2電流波動分析
當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在電動狀態(tài)下時．忽略功率管導(dǎo)通壓降，則等效電路如圖2所示。當(dāng)T7導(dǎo)通時，電源向電機(jī)供電，電路中電流上升；當(dāng)T7關(guān)斷時，電流通過二極管D7續(xù)流。為了使負(fù)載電流連續(xù)且波動小，通常L較大。如果斬波器中的電感L較小，負(fù)載電流可能出現(xiàn)斷續(xù)。一般不希望出現(xiàn)電[3]斷續(xù)的情況，所以本文只討論電流連續(xù)的情況。電流連續(xù)時的電流波形如圖3所示。
忽略功率開關(guān)管和二極管的導(dǎo)通壓降，當(dāng)17處于開通狀態(tài)時，回路電壓平衡方程為：
式中，Ud為電源電壓(V)；id為電機(jī)電流(A)；L為斬波器電感(H)；R為電機(jī)每相繞組電阻(Ω)；Lc為電機(jī)每相繞組電感(H)；M為電機(jī)每相繞組互感(H)。
設(shè)這一階段電流初始值為I20，解上式可得：
當(dāng)T7處于關(guān)斷狀態(tài)時，同路的電壓平衡方程為：
設(shè)這一階段的初始電流為kI20則解主式可得：
當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時，可認(rèn)為：
也即T7進(jìn)入通態(tài)時的電流初始值就是T7關(guān)斷階段結(jié)束時的電流值，反過來，T7進(jìn)入斷態(tài)時的電流初始值就是T7在通態(tài)階段結(jié)束時的電流值。
由以上各式可得：
電流波動量為：
當(dāng)占空比為百分之50，即ton=0. 5，時電流波動****。此時的電流波動為：
將式(11)用泰勒級數(shù)近似，可得：
一般情況下，稀土永磁無刷直流電機(jī)繞組等效電感Le-M較小，所以電流波動較大。而斬波器中濾波電感L，可以作為電機(jī)繞組電感的補(bǔ)充。由式(12)可以看出，由于L的加入使得回路的電感增大，從而減少了電流波動，這也就減小了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動，提高了系統(tǒng)的靜態(tài)性能。
3制動過程分析
前置電流型兩象限斬波器的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)如果采用常規(guī)的反接制動方法，將會出現(xiàn)電流失控現(xiàn)象，有可能損毀逆變器。所以，應(yīng)該采取不同制動方式[4,5]。
假設(shè)制動開始前T1和T6兩個開關(guān)管導(dǎo)通。制動開姑時，現(xiàn)將斬波器中的T7關(guān)斷，T8開通，逆變器中的開關(guān)管繼續(xù)保持電動運(yùn)行時的導(dǎo)通和關(guān)斷順序。Tl和T6仍然開通，這時電流回路為：L—Tl—a—b—D7一L當(dāng)電流減小到0之后開始反向增加，這時電流回路為：L—T8— D6—b—a_Dl一L。當(dāng)反向電流增大到限幅值時，由于電流調(diào)節(jié)器的作用，使T7和T8進(jìn)入PWM狀態(tài)。當(dāng)T7開通、T8關(guān)斷時，斬波器工作在Boost狀態(tài)，將電機(jī)中的能量回饋到電源，這時的電流回路為：L—D8-—電源—D6—b—a—Dl—L。由于電流反向，產(chǎn)生的反向制動力矩能夠使電機(jī)快速制動。此時電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，通過Dl~ D6進(jìn)行整流。
4仿真分析
4.1仿真模型的建立
在Matlab7．O的Simulink環(huán)境下，利用Simunlink及SimPowerSystem豐富的模塊建立了如恩4所示的電流型二象限斬波器的仿真模型。其中，PWM1和PWM2分別為T7和T8的驅(qū)動信號，功率開關(guān)管采用MOSFET。
圖5是無刷直流電機(jī)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型
其中：Currentpi為電流環(huán)調(diào)節(jié)器，采用PI控制；PWM為PWM發(fā)生模塊，作用是產(chǎn)生T7和T8的驅(qū)動信號；Tow_ qra是電流型兩象限斬波器；Universal Bridge是三相全橋逆變器，其中功率器件類型選擇MOSFET/Diodes; BLDCM為無刷直流電機(jī)本體模型；I—Measue的作用是將三相相電流合成為線電流；TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
圖5無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型
4.2仿真結(jié)果與分析
本模型所選取的電機(jī)參數(shù)如為：額定電壓為28 V DC，額定電流為1.5 A，電機(jī)極對數(shù)為1，定子每相繞組電阻為lΩ，電感為0.14 mH，互感為0.05 mH，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為4.045×10kg．m2，PWM載波頻率為20 kH。斬波器電感L取為2 mH。
圖6—圖8分別是無刷直流電機(jī)相電流、母線電流和轉(zhuǎn)矩在使用前置電流墅兩象限斬波器和使用常規(guī)方法下的對比波形�？梢钥闯觯捎跀夭ㄆ麟姼蠰的作用，電機(jī)相電流、母線電流以及轉(zhuǎn)矩的波動較采用常規(guī)方法時均有了明顯減小。可見電流型兩象限斬波器有效的抑制電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩波動。
圖9是電機(jī)制動特性對比波形。在0. 03 s時將電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速由4 000 r/min變?yōu)? 000 r/min�？梢钥闯觯捎们爸秒娏餍蛢上笙迶夭ㄆ髂苡行У募涌祀姍C(jī)的制動過程，改善制動性能。
5結(jié)論
本文介紹了前置電流型兩象限斬波器的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)主電路構(gòu)成及工作過程。對無刷直流電機(jī)電流波動進(jìn)行了定量分析，通過分析，證明了采用電流型豫象限斬波器能夠減少電流波動。分析了采用電流型兩象限斬波器控制時電機(jī)制動過程。
在Matlab7.0/ Simulink環(huán)境下建立了電流型兩象限斬波器及無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的仿真模型，給 出了仿真結(jié)果。通過與常規(guī)方法下仿真結(jié)果的對比，證明了前置電流型兩象限斬波器能夠明顯減小無刷直流電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩波動，并有效改善電 機(jī)的制動特性，加快制動過程。
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