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王正仕，張朝立，陳輝明
（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027）
摘 要：為了解決 無刷直流電機(jī)換向過程中轉(zhuǎn)矩脈動較大的問題，提出了一種優(yōu)化的脈沖寬度調(diào)制方法。為了分析直流無刷電機(jī)運(yùn)行時脈沖寬度調(diào)制方法對電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩的影響，在理論上，從直流無刷電機(jī)方程入手，推導(dǎo)了直流無刷電機(jī)換相時的電磁轉(zhuǎn)矩大小，分析了產(chǎn)生換相轉(zhuǎn)矩的原因。針對使用傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制方法時電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動較大的缺點(diǎn)，提出了一種新的脈沖寬度調(diào)制方法PWM-OiV脈沖寬度調(diào)制。并從理論上證明了在直流無刷電機(jī)控制中，所提出的PWM-ON脈沖寬度調(diào)制方法產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動相比較�。涸谠囼�(yàn)中使用了基于TMS32,OLD,8016芯片的具有高可靠性與高靈敏的DSP控制系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)證明，所提出的脈沖寬度調(diào)制方法有效地抑制了直流無刷電機(jī)換相時的轉(zhuǎn)矩脈動． 中圖分類號：TP 27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
1引言
無刷直流電機(jī)是具有梯形反電勢波的永磁電機(jī)。永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁材料，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，其中，無刷直流電機(jī)更因其控制簡單的優(yōu)勢在各方面都得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，無刷直流電機(jī)固有的電磁轉(zhuǎn)矩脈動問題會較大影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和伺服性能，制約了其進(jìn)一步的發(fā)展。因此，無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的抑制，成為了一個重要的研究方向。
試驗(yàn)中控制系統(tǒng)采用了德州儀器公司****的DSP芯片TMS320LF28016，通過實(shí)驗(yàn)證明，該芯片構(gòu)成的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有高靈敏性和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，并通過新的PWM凋制方式有效的抑制了換向轉(zhuǎn)矩脈動。
2直流無刷電機(jī)換向轉(zhuǎn)矩脈動分析
1)直流無刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型以星形三相六狀態(tài)的120度導(dǎo)通的直流無刷電機(jī)為例。主電路采用三相半橋式逆變器，主電路和電機(jī)等效模型，如圖1所示。
可以使用如下三相端電壓平衡方程式來描述圖l中的無刷直流電機(jī)高效率高密度電力電子變換器，逆變器先進(jìn)控制技術(shù)，電力電子技術(shù)在太陽能、風(fēng)能等新型能源中的應(yīng)用等方面的教學(xué)與科研工作。
假設(shè)電機(jī)三相對稱，具有120度梯形波反電動勢，忽略凸極效應(yīng)，設(shè)繞組特性和參數(shù)相同且為常數(shù)。
電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式為
穩(wěn)態(tài)時電機(jī)只有兩相通電，電磁轉(zhuǎn)矩為
無刷直流電機(jī)在工作時，每次換相相隔60度電角度。在換相期間，盡管關(guān)斷相上的開關(guān)管已經(jīng)關(guān)斷，但由于電機(jī)繞組電感的存在，電流不可能一下減為零，總是會通過相應(yīng)的續(xù)流二極管進(jìn)行續(xù)流，隨之再衰減為零。這就是產(chǎn)生換向轉(zhuǎn)矩脈動的主要原因。關(guān)斷相的反電動勢波形為一個斜坡函數(shù)，如圖2，圖3所示。
因?yàn)閾Q向過程很短，在下面的計(jì)算中假設(shè)換向期間e=±E（E為反電動勢幅值）。
針對無刷直流電機(jī)換相的特性，產(chǎn)生了兩種不同的調(diào)制方式：
1、 通管進(jìn)行PWM調(diào)制，非換相開關(guān)管恒通( PWM-ON)各開關(guān)狀態(tài)，見圖2。
2、開通管恒通，非換相開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制( ON-PWM)，各開關(guān)狀態(tài)，見圖3。
下面就具體來分析一下兩種不同PWM調(diào)制方式對轉(zhuǎn)矩脈動的影響。
2)開通管進(jìn)行PWIVI調(diào)制方式（PWM-ON）對轉(zhuǎn)矩脈動的影響 以圖1主電路為例，假設(shè)電流從U相切換到L2相，此段換相期間波形見圖2，T1為關(guān)斷開關(guān)管，T1為開通開關(guān)管，而T2為非換相開關(guān)管。此種調(diào)制方式下由開通開關(guān)管T3進(jìn)行PWM調(diào)制，非換相開關(guān)管T2恒通。換相期間D4導(dǎo)通續(xù)流，圖l中Ll點(diǎn)與地相連，電機(jī)端電壓UL3=0；T3進(jìn)行pWM調(diào)制，占空比為D，直流母線電壓為Ud，因此UL2=Ud×D;T2恒通，UL3=0。其中，Ud為直流母線電壓，D為占空比。將電機(jī)端電壓代入式(1)可解得：
電流從Ll相切換到L2相前il1=i0，iL2=0，代人式(1)可近似求得換向過程中電機(jī)三相電流方程為
代人電磁轉(zhuǎn)矩公式，可以計(jì)算出換相過程中的電磁轉(zhuǎn)矩：
與穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩式(3)相比可得此時轉(zhuǎn)矩脈動為
3)非換相開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制方式(ON—PWM)對轉(zhuǎn)矩脈動的影響假設(shè)電流還是從Ll相切換到L2相，T1為關(guān)斷開關(guān)管，T3為開通開關(guān)管，而T2為非換相開關(guān)管。此種調(diào)制方式下由非換相開關(guān)管T2進(jìn)行PWM調(diào)制，開通開關(guān)管T3恒通。換相期間D。導(dǎo)通續(xù)流，電機(jī)端電壓UL1=O；T3恒通，UL2=Ud×D;T2進(jìn)行PWM調(diào)制，占空比為D，UL3=(l- D) Ud，將電機(jī)端電壓代人式(1)可解得：
電流從LI相切換到L2相前，iL1=i0，iL2=0，iL3= -i0，代人式(1)可近似求得換向過程中電機(jī)三相電流方程為
代人電磁轉(zhuǎn)矩公式，可以計(jì)算出換相過程中的電磁轉(zhuǎn)矩：
與穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩式(3)相比可得此時轉(zhuǎn)矩脈動為
比較式(9)和式(15)：
因此在兩種調(diào)制方式下，對開通管進(jìn)行PWM調(diào)制的方式( PWM-ON)換向轉(zhuǎn)矩脈動較小。
3 DSP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)以TMS320F28016作為核心芯片，主要負(fù)責(zé)信號的采集，實(shí)現(xiàn)控制算法和控制策略，產(chǎn)生所需的PWM波，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。同時采用RS232通信標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。電機(jī)位置由3個安裝在電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器給出信號，DSP由通用I/O口，使用查詢方式檢測，DSP首先通過檢測到的轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)選擇的控制方式（PWM-OlN方式與ON-PWM方式）發(fā)送PWM開關(guān)信號。電流通過TMS320F28016內(nèi)部的12位A/D模塊檢測。轉(zhuǎn)速通過正交編碼模塊檢測。根據(jù)檢測到的電流與轉(zhuǎn)速，通過PI調(diào)解器計(jì)算合適的PWM占空比，以使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。增強(qiáng)型PWM模塊( ePWM)給出逆變橋開關(guān)信號，經(jīng)由光耦隔離控制ICBT。
使用TMS320F28016構(gòu)成的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，幾乎不用再添加其他外圍電路，是一種良好的一片式解決方案。相比現(xiàn)在廣泛使用的2407，28016新一代的內(nèi)核具有更高的工作頻率(60 M)；可以完成32×32的乘法操作；可以完成兩個16。16乘法操作；匯編程序代碼與C程序代碼效率大幅提高等。高效的性能可以完成各種復(fù)雜的控制算法，且價(jià)格相比電機(jī)控制中高端的2812又****優(yōu)勢。28016勢必將成為新一代電機(jī)控制的****芯片之一。
4仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文對兩種調(diào)制方法都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用功率為1 kW的4極直流無刷電機(jī)，逆變器采用三菱公司PS21869-P型號的IPM，三相6管電流為30 A，電壓為600 V。實(shí)驗(yàn)中首先對相電流波形進(jìn)行了觀測，采用兩種調(diào)割方式時電機(jī)的相電流波形，如圖4所示。(a)ON-PWWE方式
對比圖(a)與圖(b)可看出，采用PWM-ON調(diào)制方式時的相電流脈動明顯小于ON-PWM方式下的電流脈動。
由于轉(zhuǎn)矩的脈動最終影響的是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，實(shí)驗(yàn)還對轉(zhuǎn)速波形進(jìn)行了對比。DSP通過正交編碼電路對速度進(jìn)行采樣，通過RS232接口傳送至計(jì)算機(jī)。再由計(jì)算機(jī)分析DSP所采集到的數(shù)據(jù)。速度波形，如圖5所示。
比較圖(a)和圖(b)，采用PWM-ON調(diào)制方式時轉(zhuǎn)速的脈動明顯小于ON-PWM調(diào)制方式。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用PWM-ON調(diào)制方式控制的直流無刷電機(jī)，能有效地降低換相時的轉(zhuǎn)矩脈動。
5結(jié)語
本文提出的算法能有效地降低直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，并且具有不改變硬件結(jié)構(gòu)，只通過軟件算法降低轉(zhuǎn)矩脈動的優(yōu)勢�；赥MS320F28016的控制系統(tǒng)具有高效的性能并具有成本優(yōu)勢。該套系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于采用無刷直流電機(jī)的工業(yè)縫紉機(jī)中，并得到了良好的性能，是一種十分實(shí)用的直流無刷電機(jī)控制算法與控制系統(tǒng)。
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