无刷直流电机抑制转矩脉动的方法研究_姚绪梁

电气传动2016年第46卷第2期

无刷直流电机抑制转矩脉动的方法研究

姚绪梁,江晓明,张燕,常英健

(哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘要:由于无刷直流电机绕组存在电感,换相时电流无法突变,导致非换相电流存在波动,从而产生换相转矩脉动。提出一种新的电压补偿电路,由4个电力开关管,1个电力二极管,1个电容器组成。通过控制电力开关管导通和关断,在非换相期间,直流电压源对电容充电;在换相期间,直流电压源与电容串联,满足驱动电压等于4倍反电动势幅值,使得关断相电流下降速率与导通相电流上升速率一致,非换相电流波动降低,从而有效抑制换相转矩脉动。通过仿真验证了电压补偿电路能有效地抑制换相转矩脉动。

关键词:无刷直流电机;电压补偿电路;转矩脉动;驱动电压中图分类号:TM351

文献标识码:A

Study About Reducing Torque Ripple of Brushless DC Motor YAO Xuliang ,JIANG Xiaoming ,ZHANG Yan ,CHANG Yingjian

(Automation Institute ,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,Heilongjiang ,China )

Abstract:Because of the inductance in the winding of brushless DC motor ,the current can ′t change immediately ,

in the commutation period ,which the non -commutation phase current ripple and commutation torque ripple are produced.Presented a new voltage compensation circuit ,which included 4power switches ,1power diode and 1

capacitor.By controlling power switches turned on and turned off ,in the non -commutation period ,the direct voltage source charged to the capacitor ,then ,in the commutation period ,the direct voltage source in series with the capacitor ,

made the driving voltage be equal to 4times of the back EMF amplitude ,which made the outing phase current falling rate be equal to the incoming phase current rising rate ,the non -commutation phase current ripple were reduced and so commutation torque ripple were suppressed.At last ,the proposed method is confirmed by simulation in Matlab.

Key words:brushless DC motor ;voltage compensation circuit ;torque ripple ;driving voltage

作者简介:姚绪梁(1969-),男,博士,教授,博士生导师,Email :yao_1126@https://www.360docs.net/doc/4e18854417.html,

无刷直流电机具有结构简单,转矩大,功率密度和效率高等优点。在航空,家电,办公自动化,电动车上有广泛的应用[1-3]。然而,由于无刷直流电机绕组中存在电感,使得电流无法突变,在换相期间,关断相电流下降速率与导通相电流上升速率不一致,从而非换相电流产生波动,导致换相转矩脉动[4],限制了无刷直流电机在大功率和高精度领域的应用[5]。

针对换相转矩脉动的抑制,文献[6]中提出了在换相时改变输入电压,降低非换相电流波动,进而抑制换相转矩脉动,但是文章未给出具体实施的方法,只是在结果上显示转矩脉动降低了10%。文献[7]中提出使用瞬时性电压控制器

来降低换相转矩脉动,主要针对微型无刷直流电机而言,且控制方法复杂。文献[8]中提出在换相期间,改变非换相的电压来降低转矩波动,仿真结果显示转矩脉动降低了48%,但是此方法用了过多的开关,控制困难,成本增加。文献[9]中提出一种新的DC -DC 拓扑结构,通过控制电力开关导通关断,在非换相和换相期间改变驱动电压值,实现对转矩脉动的抑制作用。

本文提出了一种新的电压补偿电路来抑制无刷直流电机换相转矩脉动,补偿电路由4个电力开关管,1个电力二极管和1个电容器组成;通过控制开关管导通和关断,在非换相期间,直流电压源对电容充电;在换相期间,直流电压源和

ELECTRIC DRIVE 2016Vol.46No.2

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电气传动2016年第46卷第2期

电容串联后,共同驱动电机旋转。电磁转矩取决于驱动电压和反电动势幅值大小,只有当驱动电压为反电动势幅值4倍时,在换相期间不存在转矩脉动。因此,本文通过分析换相期间,驱动电压与反电动势幅值的关系,得到补偿电压大小;继而分析新的电压补偿电路运行原理;最后通过在Matlab下搭建的模型仿真,验证了本文提出的电压补偿电路能有效地降低转矩脉动。

1工作原理和数学模型

无刷直流电机由电机本体、位置传感器和换相开关3部分组成。当任意两相导通时,定子绕组产生恒定磁场,转子在定子磁场的作用下旋转,位置传感器检测转子位置,产生电信号,控制换相开关导通和关断,使得电机平稳运行。

无刷直流电机工作方式为三相6状态120°两两导通方式。每60°(电角度)换相1次,任一时刻只有两相,管子导通120°(电角度),1个周期内换相6次。

为了便于分析,假定电枢绕组分布均匀且完全对称,不考虑摩擦和空气阻力。则无刷直流电机各相端电压方程为

U A=Ri A+L d i A d t+e A+U N(1)

U B=Ri B+L d i B d t+e B+U N(2)

U C=Ri C+L d i C d t+e C+U N(3)式中:U A,U B,U C为各相端电压;i A,i B,i C为各相绕组相电流;e A,e B,e C为各相反电动势;R,L分别为各相的等效电阻和有效电感(即自感减去互感);U N为中性点电压。

电机电磁转矩表达式为

T=P ω=i A e A+i B e B+i C e C

ω

(4)

式中:ω为机械角速度;T为电磁转矩;P为电功率。2补偿电压分析

无刷直流电机以AC导通换相到BC导通为例,如图1所示,即管子V T1关断,V T3导通,C相是非换相。换相前导通相为AC,电流从A相流入,C 相流出。在换相期间,由于电机绕组存在电感,A 相电流不能突变为0,只能经由二极管V D4续流,同时B相电流缓慢上升。等到A相电流降为0,换相过程结束,电流从B相流入,C相流出,进入下一个平稳运行状态。

其中A相电流经二极管VD4续流,假设绕组电阻R=0,反电动势幅值在换相期间恒定不变。

可以得到非换相电流导数的表达式

d i C

d t=-U-4E3L(5)

若要在换相期间内使得非换相电流保持恒定不变,即

d i C

d t=0?U=4E(6)即只要满足驱动电压等于4倍反电动势幅值,在换相期间,非换相电流波动降低,换相转矩脉动随之被抑制。直流电源电压为U dc,补偿电压为

U

补,驱动电压为U,反电动势幅值为E,那么可以得到:

U

补=

|

|U-U dc=|

|4E-U dc(7)其中,反电动势幅值的大小和转速n有关,

E=2πfΨ=2π

pn

60

Ψ(8)式中:p为磁极对数;Ψ为磁链;n为转速。

在转速一定的情况下,补偿电压保持不变。

3电压补偿电路

如图2所示,电压补偿电路由4个开关管S1~S4,1个电力二极管VD,1个电容器C组成;其中,开关管S3与S4为互补开关,即开关管S3导通时,S4关断,开关管S3关断时,S4导通;开关管S1与S3同步由充电信号控制导通与关断;开关管S2单独由换相开始信号控制。

图1AC换相到BC时电路状态示意图

Fig.1The circuit diagram in AC phase to BC phase

图2电压补偿电路原理图

Fig.2Voltage compensation circuit schematic

diagram 姚绪梁,等:

无刷直流电机抑制转矩脉动的方法研究

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电气传动2016年第46卷第2期

如图3a 所示,在非换相期间,控制电力开关管S 1、开关管S 3导通,开关管S 2、开关管S 4关断,直流电压源驱动电机旋转的同时向电容充电,直至电容两端电压上升至所需补偿电压。

如图3b ,充电结束后,立即关断开关管S 1、开关管S 3,同时使开关管S 3互补的开关管S 4导通,为换相期间串入补偿电压做准备,开关管S 2保持关断。

如图3c ,检测换相开始信号,控制开关管S 2

导通,由于a 点电位低于b 点电位,电力二极管截止,直流电压源与电容串联后驱动电机旋转,使得驱动电压等于4倍的反电动势幅值。

4仿真结果及分析

在Matlab/Simulink 下搭建无刷直流电机模

型。仿真所用电机参数为:额定功率3.7kW ,额定电压300V ,额定转速1500r/min ,磁极对数4对,电感0.1884mH ,磁链大小0.148Wb 。

图4是在传统的电流转速双闭环控制方法下电机三相电流波形图和电流转矩波形图。在换相期间,关断相电流下降速率比导通相电流上升速率大,使非换相电流减小,产生波动,由图4b 可知,电流波动与转矩脉动成正比,换相时非换相

电流产生波动,导致换相转矩脉动。平均转矩为26N ·m ,换相时最小转矩为20N ·m ,转矩波动率为23.07%。

搭建电压补偿电路模型,在原有控制策略不变的基础上,通过控制电力开关管S 1~S 4的导通和关断,实现在换相期间,驱动电压等于4倍反电动势幅值,从而降低非换相电流波动,抑制换相转矩脉动。驱动电压与开关控制信号状态图如图5所示,图5a 中,驱动电压在非换相时为直流电压源电压,在换相期间为直流电压源电压与电容电压之和;图5b 中,开关信号控制开关管S 1,S 3导通关断,在换相前开关导通对电容充电,充至电容电压为所需补偿电压后关断,开关管S 4与S 3

互补;图5c 中,开关信号控制开关管S 2导通关断,换相开始时S 2导通,换相结束S 2关断。

图4

无补偿电压时仿真结果

Fig.4

The simulated results without compensated voltage

图5

驱动电压与开关控制信号状态图Fig.5

Driving voltage and switching control signal state diagram

图3

开关导通电路图

Fig.3

Switching turned on circuit diagram

姚绪梁,等:

无刷直流电机抑制转矩脉动的方法研究9

电气传动2016年第46卷第2期直流电压源电压为300V ,电机运行在额定转速1500r/min 下,由式(8)计算得到反电动势幅值为92.99V ,因此由式(7)计算得到补偿电压为71.96V 。图6是在电压补偿电路控制下的三相电流波形图和电流转矩波形图。电机在换相时,驱动电压满足4倍反电动势幅值,从而非换相电流波动降低,转矩脉动也随之被抑制,平均转矩仍为26N ·m ,但换相时最小转矩为24N ·m ,转矩波动率为7.69%,比未加补偿电压电路波动率降低了15.38%。仿真波形验证了所提出的电压补偿电路能降低换相转矩脉动。

5结论

本文提出了一种新的电压补偿电路,该补偿

电路由4个电力开关管,1个电力二极管,1个电容器组成;在非换相期间,控制开关管S 1,S 3导通,直流电压源对电容充电,电容两端所需的补偿电压由U 补=||U -U dc =||4E -U dc 得到;在换相期间,控制开关管S 2,S 4导通,直流电压源与电容电

压串联后驱动电机旋转,驱动电压为4倍的反电动势幅值,进而在换相期间,关断相电流下降速率与导通相电流上升速率一致,降低非换相电流波动,抑制换相转矩脉动。由仿真波形结果得到,采用电压补偿电路的方法,换相转矩脉动降低了15.38%。验证了本方法能有效地抑制换相转矩脉动。

参考文献

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收稿日期:2015-04-24

修改稿日期:2015-08-02

图6

有补偿电压时仿真结果

Fig.6

The simulated results with compensated voltage

姚绪梁,等:无刷直流电机抑制转矩脉动的方法研究

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