無刷直流電動(dòng)機(jī)電流滯環(huán)跟蹤控制方法的研究
王興貴，黃志勇，孫宗宇
（蘭州理工大學(xué)，蘭州730050）
摘要：通過無刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，分析了無刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的原因，在此基礎(chǔ)上，提出采用電流滯環(huán)跟蹤PWM控制方式來減小電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。最后分別從理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)證明了采用電流滯環(huán)跟蹤PWM控制方式時(shí)輸出電流波形更接近理想的方波電流，減小了無刷直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動(dòng)機(jī)；電流滯環(huán)跟蹤控制；電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)
中圖分類號(hào)：TM36+l 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-6848( 2010) 02-0051-03
0引l 言
無刷直流電動(dòng)機(jī)( BLDCM)不僅具有傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速性能，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、易于控制，無換相火花等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中礙到了廣泛的應(yīng)用。然而，目前應(yīng)用PWM控制技術(shù)的BLDCM控制器多是電壓源型的。由于這類控制囂輸出的電流并不是理想方波電流，存在電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)不可克服的缺點(diǎn)。本文中提出采用電流滯環(huán)跟蹤PWM控制方法，通過直接控制檀電流以減小電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。該控制方法具有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，電路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，適用于高性能的伺服控制系統(tǒng)。
1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型
無刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
假設(shè)三相繞組完全對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)為理想的方波；忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)的影響；磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗等因素。則可以建立理想狀態(tài)下BLDCM數(shù)學(xué)模型如式(1)：
式中，Ua、Ub、Uc為三相繞組端電壓；ia、ib、ic為三相繞組電流；ea、eb、ec為三相繞組反電動(dòng)勢(shì)；UN為中性點(diǎn)對(duì)地電壓；R、L為繞組等效電阻值和電感值；則可以建立電磁轉(zhuǎn)矩方程為：
2 電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)產(chǎn)生的原因
對(duì)于兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無刷直流電動(dòng)機(jī)，任一時(shí)刻總是兩相導(dǎo)通，如圖2所示。此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩為：
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程為：
將式(4)、式(5)代入式(3)得：
由式(6)可知，電磁轉(zhuǎn)矩正比于相電流，因此假設(shè)電流為理想的方波電流，則電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為零。然而實(shí)際情況下，由于電感的存在，使得相電流不能突變；而普通PWM調(diào)制方式，是通過調(diào)節(jié)輸出PWM波的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，而達(dá)到電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的；這樣電流也就不一定為理想的方波電流，圖3為其輸出的A相相電流實(shí)驗(yàn)波形。
由圖3可見，電動(dòng)機(jī)A相導(dǎo)通期間，電流波形出現(xiàn)兩個(gè)較大尖峰。由式(6)可知，電流出現(xiàn)尖峰將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)波動(dòng)。為使輸出電流波形接近理想的方波電流，采用了電流滯環(huán)PWM控制策略，直接對(duì)BLDCM相電流進(jìn)行控制。
3 電流滯環(huán)PWM控制方案的確定
電流滯環(huán)PWM控制是基于反饋控制的思想，使實(shí)際輸出電流圍繞著給定的電流信號(hào)做鋸齒形變化，與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出的電壓波形為不規(guī)則的PWM波。圖4所示為電流滯環(huán)跟蹤PWM輸出電流波形。
電流滯環(huán)跟蹤PWM的控制框圖，如圖5所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)A相中流過正相電流時(shí)，電流滯環(huán)比較環(huán)節(jié)根據(jù)檢測(cè)到的電流值控制開關(guān)管V，通斷；當(dāng)電動(dòng)機(jī)A相中流過反相電流時(shí)，控制開關(guān)管V的通斷，B、C相同理。從而實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)電流滯環(huán)跟蹤控制的目的，此時(shí)定子繞組中流過的電流做鋸齒形變化。
4電流檢測(cè)電路
由上述分析可知，電流滯環(huán)跟蹤控制理論通過將實(shí)際輸出的電流值與給定電流值進(jìn)行比較，從而控制各相功率開關(guān)管通斷動(dòng)作。因此相電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的精度就決定著該控制器的控制精度，圖6為該控制器電流檢測(cè)電路。
該檢測(cè)電路使用精密儀表放大器檢測(cè)主電路中串入的精密毫歐電阻兩端的電壓，進(jìn)行差分放大，然后經(jīng)過一級(jí)電壓跟隨器后送入單片機(jī)AD口。其中R4.R5將5v電壓分壓后，作為精密儀表放大器的參考電壓，即儀表放大器輸出電壓基準(zhǔn)值。
5實(shí)驗(yàn)和結(jié)果
通過對(duì)電流滯環(huán)跟蹤PWM調(diào)制方式的分析，可知滯環(huán)寬度越小，實(shí)際輸出電流波形越接近理想的方波。因此只要適當(dāng)?shù)倪x取滯環(huán)寬度，就可以得到較理想的電流波形，從而解決BLDCM的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的問題。圖7為系統(tǒng)框圖，整個(gè)系統(tǒng)采用方波型BLDCM做為控制對(duì)象，額定參數(shù)：額定電壓U=24 V；額定功率P=30 W；額定轉(zhuǎn)速n=3 200 r/min;轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)p=2�？刂坪诵牟捎秒姍C(jī)�？貑纹瑱C(jī)，逆變器采用傳統(tǒng)6開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)器件采用MOSFET。
圖8為電流滯環(huán)跟蹤PWM控制方式下A相電流輸出波形。從圖中可以看到，A相導(dǎo)通期間，不再有尖峰電流出現(xiàn)，而是趨予方波形狀。這樣也就消除了BLDCM由于尖峰電流而引起的電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。
6結(jié)論
本文通過采用電流滯環(huán)跟蹤PWM調(diào)制方式，使流過定子繞組中的電流更加接近理想的方波電流，消除了無刷直流電動(dòng)機(jī)由于尖峰電流而引起的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)現(xiàn)象。從而提高無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制性能。
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