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| 采用BuCK電路的低電感無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與損耗分析(zxj) |
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摘要：通過分析低電樞電感兀刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，在無刷商流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器逆變電路前級(jí)采用BUCK變換電路實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)整，在逆變電路巾采用TIall信號(hào)換相而不疊加PwM斬波信號(hào)。通過建立無刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路的模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明采用BUcK變換電路后能夠減小電機(jī)的卡H電流和母線電流的脈動(dòng)，減小電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，消除直流端反向電流，電機(jī)鐵損耗和銅損耗也人火降低。
關(guān)鍵詞：無刷商流電動(dòng)機(jī)；BUcK變換電路；反向電流；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；鐵損耗；銅損耗0引 言無刷直流電動(dòng)機(jī)具有與直流電動(dòng)機(jī)相媲美的優(yōu)良動(dòng)、靜態(tài)特性，同時(shí)義具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功率密度大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在家用電器、儀器儀表、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路大多數(shù)采用直流電源與六開關(guān)管逆變電路直接相連的方式，如圖l所小，通過對(duì)逆變電路PwM控制實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)速、調(diào)速等控制。
在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制中，當(dāng)采用二二導(dǎo)通、三相六狀態(tài)的120。導(dǎo)通方式時(shí)，逆變電路的調(diào)制方式有H PwM—L 0N、H ON—L PwM、0N—PwM、PwM ON和PwM—ON PwM等調(diào)制方法。甚至叫‘以采用雙極性調(diào)制方法”。當(dāng)驅(qū)動(dòng)一些電樞電感非常小的無刷直流電動(dòng)機(jī)，如空心杯無刷電動(dòng)機(jī)等，其電感只有幾十到幾十微亨，這些帶PwM的調(diào)制方式均會(huì)引起電樞繞組電流有很大的脈動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、銅損耗和鐵損耗。通過分析無刷直流驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)，在逆變電路之前采用BucK電路，使逆變電路輸入電壓可變，而逆變電路中不采用PwM斬波，即只采用Ha】1位置信號(hào)進(jìn)行電子換相，可以降低其電流脈動(dòng)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和損耗。
通過合理的器件選型和硬件電路設(shè)計(jì)Bu(：K電路完全可以適用于無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路中。
1 BUCK電路BUcK變換電路足一種降壓型Dc／Dc變換器，通過斬波方式的控制能將直流輸入電壓變換成輸出可變的直流電壓。BuCK電路****的優(yōu)點(diǎn)是損耗低、效率高，電路簡(jiǎn)單，如圖2所示。T為功率開關(guān)管，D為續(xù)流二極管，L為濾波電感，c為濾波電容，L、c構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，用于獲得所I需的直流輸出電壓和電流濾波電感和電容值根據(jù)設(shè)計(jì)需求的紋波電壓和電流米計(jì)算，由式(1)、式(2)確定：
式葉1為濾波電感值；c為濾波電容值；V為輸出電壓；V為輸入電壓；I為穩(wěn)壓器輸出電流最小值；△V為交流電壓輸出分量f為開關(guān)管工作頻率。
本文將BucK變換電路應(yīng)用在一臺(tái)功率為200w、額定電壓48 V、額定轉(zhuǎn)速15 800r,／min的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，如圖3所示。通過電流和電壓反饋對(duì)BucK電路的開關(guān)管進(jìn)行PwM調(diào)制，使輸入到逆變電路的電壓實(shí)時(shí)調(diào)整，逆變電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)只進(jìn)行換相控制。
2低電感無刷直流電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)低電感無刷直流電動(dòng)機(jī)由于其電樞電感只有十幾微亨到幾十微亨，在采用逆變電路PwM驅(qū)動(dòng)時(shí)，其繞組電流容易出現(xiàn)斷流，如圖4(a)所示。其帶來的問題主要如下：
(1)由于電流斷續(xù)，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很火，如圖4(b)所示；(2)由于電流轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很大，由定子電流的PwM分量所引起的鐵損耗具有高頻電流分量，引起高頻磁場(chǎng)，這一高頻磁場(chǎng)會(huì)在定子、轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生渦流損耗，電流脈動(dòng)幅值越大，損耗越大…。
(3)采用H_PwM—LON，H—ON—L—PwM，0N—PwM等PwM調(diào)制方式時(shí)，換相期間會(huì)產(chǎn)生電樞電流回饋到直流端的現(xiàn)象，如圖4(c-)所示。反向電流會(huì)影響直流端電壓波形…。
(4)當(dāng)帶動(dòng)同樣的負(fù)載情況下，其電樞電流平均值相等，電流脈動(dòng)越大，其有效值越大，所以其銅損耗越大。
3無刷直流電動(dòng)機(jī)的仿真模型帶BucK前級(jí)變換電路的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模型如圖5所示。由控制模塊、Dc／Dc模塊、逆變模塊、無刷直流電動(dòng)機(jī)本體模塊和邏輯換相模塊五部分組成。
其中控制模塊對(duì)轉(zhuǎn)速、電流進(jìn)行雙閉環(huán)控制，控制算法采用PI，控制模塊模型如圖6所示。速度環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，雙閉環(huán)的輸出經(jīng)過限幅后與PwM生成模塊進(jìn)行比較，得出占空比控制BucK電路的開關(guān)器件。實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)逆變驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓。
電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速給定值為lO 000 r／min。無刷直流電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。
4仿真結(jié)果及分析通過對(duì)圖5建立的無刷直流電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路模型，根據(jù)表1設(shè)置參數(shù)，并進(jìn)行仿真。
4．1電機(jī)電流和電磁轉(zhuǎn)矩圖7是相繞組電流、電磁轉(zhuǎn)矩和直流端電流的仿真波形。其轉(zhuǎn)速給定和負(fù)載轉(zhuǎn)矩等參數(shù)與圖4相同，圖4巾采用的PwM斬波頻率為10 kHz。
對(duì)比圖7和圖4，可以看出采用前級(jí)BucK變換電路后，有以下特點(diǎn)： (1)繞組電流****值從12 A降到5 2 A，相繞組電流由不連續(xù)到連續(xù)，在導(dǎo)通工作期間脈動(dòng)較小，不導(dǎo)通期間不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流；(2)電磁轉(zhuǎn)矩****值從O．35 N·m降到0．15 N-m，且一直大于零，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯降低；(3)直流電源端無反向電流，換相期間關(guān)斷相繞組電流通過逆變電路和導(dǎo)通相繞組構(gòu)成回路。
4．2繞組銅損耗無刷直流電動(dòng)機(jī)由于三相電流對(duì)稱，在計(jì)算銅損耗時(shí)，取其中一相繞組電流進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果乘以3得到電機(jī)總的銅損耗，如圖8所示。階躍信號(hào)用于電機(jī)達(dá)到穩(wěn)速后開始計(jì)算電機(jī)銅損耗。系統(tǒng)在O．1s時(shí)加額定負(fù)載，計(jì)算O.2～1.O s時(shí)間內(nèi)繞組銅損耗，圖9是采用逆變電路PwM調(diào)制方式和前級(jí)采用BucK電路的銅損耗汁算結(jié)果。
當(dāng)電機(jī)繞組電流為理想狀態(tài)時(shí)，即電機(jī)繞組電流為方波電流，此時(shí)電機(jī)銅損耗：
當(dāng)采用逆變電路PwM驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，由于電流不連續(xù)性，其有效值大大增加，銅損耗達(dá)到了12 85J，幾乎增加了近一倍。當(dāng)采用前級(jí)BucK電路后，銅損耗為7[)1 J，比理想狀態(tài)下只增加了不到3％。
4．3電機(jī)鐵損耗無刷直流電動(dòng)機(jī)的鐵耗包括永磁磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)在定子鐵心中引起的鐵耗；定子電流非連續(xù)跳變?cè)谵D(zhuǎn)子中引起的鐵耗和定子電流的PwM分量所引起的附加損耗”。。由于元刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組電感很小，定子電流PwM分量非常明顯，甚至使得繞組電流降低到零。減小PwM分量可以通過提高PwM的調(diào)制頻率來實(shí)現(xiàn)。圖10是當(dāng)PwM頻率達(dá)到1()(】
kHz時(shí)相繞組電流波形。
從圖10可以看出，當(dāng)提高調(diào)制頻率后，相繞組電流幅值相比于圖4(a)明顯降低，但是比圖7(a)要高。由于渦流損耗是電流脈動(dòng)幅值平方的函數(shù)”。0，所以減小電流脈動(dòng)的幅值可以降低電機(jī)的鐵損耗。采用BucK電路后電流脈動(dòng)比采用提高調(diào)制頻率后電流脈動(dòng)小，且提高功率器件的開關(guān)頻率會(huì)增加消耗在功率器件上的損耗。
5結(jié)論本文針對(duì)小電感無刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，通過對(duì)逆變電路前級(jí)增加BucK電路進(jìn)行電壓實(shí)時(shí)調(diào)整，通過仿真和對(duì)比可以得出采用BucK電路后，無刷直流電動(dòng)機(jī)能夠在以下幾個(gè)方面得到明顯改善：
(1)相繞組電流和直流端電流脈動(dòng)明顯減小，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也相應(yīng)減��；(2)換相過程中繞組電流不會(huì)反饋到直流端，換相結(jié)束后不導(dǎo)通相不會(huì)產(chǎn)生電流；(3)電機(jī)的銅損耗大大降低，接近理想銅損耗狀態(tài)；(4)電機(jī)的鐵損耗隨著電流脈動(dòng)的減小而降 |
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