摘要：針對(duì)常規(guī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法存在的不足，通過(guò)對(duì)工作在PwM控制模式時(shí)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電流的分析計(jì)算，區(qū)分了母線電流和電樞相電流的不同，指出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)主要依據(jù)電樞相電流，并提出一種PwM控制方式下無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的方法。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法顯著提高了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)訓(xùn)的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞：PwM；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)
O引 言無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、功率密度高及轉(zhuǎn)矩控制特性良好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)制造、航奪航天、船舶推進(jìn)等領(lǐng)域。然而，目前無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法并不完善，改進(jìn)兀刷直流電動(dòng)機(jī)的沒(méi)計(jì)方法，對(duì)于提高系統(tǒng)的性能，進(jìn)一步擴(kuò)大無(wú)刷自：流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域具有葦要的意義。目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中通常以計(jì)算得到的固定的電機(jī)定轉(zhuǎn)子、槽形、轉(zhuǎn)子磁鋼尺寸及繞組參數(shù)，采用cAD電機(jī)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，未將無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作運(yùn)行狀態(tài)考慮存內(nèi)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為一種典型的控制電機(jī)，工作過(guò)程巾多采用PwM控制模式，不同的控制模式下電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)差別較大，電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中不考慮控制模式，勢(shì)必會(huì)造成電機(jī)設(shè)計(jì)的偏差。為解決這一問(wèn)題，本文提出了在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程巾考慮電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)——PwM控制模式的電機(jī)設(shè)汁方法，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)單可行，便丁工程應(yīng)用，顯著提高了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。
1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電流分析無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由直流電源、電動(dòng)機(jī)本體、功率驅(qū)動(dòng)電路及控制器等部分組成，具體連接關(guān)系如圖l所示�？刂破魍ㄟ^(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)電路控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2、圖3和圖4分別為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作在PwM全控橋和半控橋下的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)分析可以得到，母線電流只在開(kāi)關(guān)管上、下同時(shí)導(dǎo)通時(shí)才等于電樞相電流，在PwM調(diào)制時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷產(chǎn)生的短暫續(xù)流過(guò)程，回路電流不流經(jīng)母線，引起母線電流與電樞相電流的不同。針對(duì)圖2、圖3和圖4所示的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，有：式中：i1和i2，分別為圖2、圖3和圖4所示無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)回路的電流；R為相繞組電阻μ為直流電源；△μ“為管壓降；L為相電感；E為相反電動(dòng)勢(shì)。
通過(guò)對(duì)PwM調(diào)制下無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)母線電流和電樞相電流的區(qū)分計(jì)算：半控橋型PwM調(diào)制和全控橋型PwM調(diào)制下的平均電樞相電流均大于平均母線電流，且全控橋型PwM調(diào)制下兩者的差值更大；比較式(7)、式(8)和式(13)、式(14)，全控橋型PwM調(diào)制下的平均電樞相電流和母線電流較全控橋型PwM調(diào)制下的平均電樞相電流和母線電流都要小。
為驗(yàn)證上述分析計(jì)算的正確性，對(duì)一臺(tái)額定功率P=150 w、額定轉(zhuǎn)速n=175r/min、額定轉(zhuǎn)矩T=8．2 N·m，額定電流I=5 A，額定電壓μ=36 v的外轉(zhuǎn)子尢刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)算。實(shí)驗(yàn)中無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用半控橋PwM控制方式，在占空比線性變化的條件下，對(duì)電機(jī)的母線電流進(jìn)行實(shí)際測(cè)算，并與推導(dǎo)出的平均母線電流、電樞相電流的計(jì)算公式計(jì)算得到的曲線進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示：
圖中，粗的點(diǎn)線即為實(shí)際測(cè)得的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)平均母線電流曲線；PwM占空比的變化曲線；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線。
從圖5中可以看出，考慮PwM控制方式時(shí)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)母線電流計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)得的母線電流基本吻合；電樞相電流始終大于母線電流，尤其是在小轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩，占空比較小的情況下，兩者相差較大，與理論分析相一致。
2考慮PwM控制的電機(jī)設(shè)計(jì)考慮PwM控制的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法，一方面是區(qū)分電樞相電流和母線電流的不同，電樞相電流始終大于母線電流，且電樞相電流與電磁轉(zhuǎn)矩成正比，母線電流與輸入功率大小有關(guān)，電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)主要依據(jù)電樞相電流。另一方而是考慮電機(jī)工作過(guò)程中PwM調(diào)制占空比變化對(duì)電樞相電流的影響，電樞相電流隨占空比的變化而變化。
對(duì)于半控橋型逆變電路，不考慮PwM控制及考慮PwM控制的情況下，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的平均電樞相電流分別：
比較以上兩式可得，只有在占空比接近于1的情況下，Ia和Ib才近似相等，隨著占空比的減小，兩者相差變大，考慮PwM控制的電樞相電流更能反映無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，電機(jī)設(shè)計(jì)具有更高的準(zhǔn)確性。
3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析為驗(yàn)證方法的有效性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)同一臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，采用半控橋PwM控制方式，進(jìn)行了電機(jī)設(shè)計(jì)與樣機(jī)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。
由圖6可知，在小轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速、占空比較火的情況下，考慮PwM控制與否對(duì)電機(jī)的沒(méi)計(jì)結(jié)果沒(méi)有顯著影響，設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近；在大轉(zhuǎn)矩、小轉(zhuǎn)速的情況下，未考慮PwM控制的設(shè)計(jì)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差較大，而考慮PwM控制的設(shè)計(jì)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。
4結(jié)語(yǔ)本文在討論無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)PwM控制時(shí)的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，區(qū)分了母線電流和電樞相電流的不同，得出了考慮PwM控制時(shí)，電樞相電流始終大于母線電流的結(jié)論，提出了依據(jù)電樞相電流并結(jié)合PwM控制模式的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)汁方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效地提高無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及工作特性分析、測(cè)量方法的改進(jìn)有積極意義。 |
