基于雙向Buck—B00st的無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩脈動抑制
闞志忠，張海存
(燕山大學(xué)，河北秦皇島066004)
摘要：為提高無刷直流電動機的控制性能，減小電機換相區(qū)間轉(zhuǎn)矩脈動，提出基于雙向Buck-Boost供電的無刷直流電動機換相轉(zhuǎn)矩脈動的抑制方法：分析了雙向Buck-B00讎控制模式和該電路的輸出電壓控制算法，仿真結(jié)果驗證了電壓控制算法及抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈沖的有效性：
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；雙同升降壓電路；轉(zhuǎn)矩脈動；占空比
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2010)01-0040-05
0引 言
無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子采用永磁材料，在氣隙中產(chǎn)生近似矩形分布的磁場，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，因而無刷直流電動機轉(zhuǎn)子無銅損耗，電機具有效率高、節(jié)能、控制簡單、成本低等多項優(yōu)點。隨著永磁材料、大功率電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電動機廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、工業(yè)、計算機硬盤、民用空調(diào)、冰箱、電動汽車等諸多領(lǐng)
域。一般無刷直流電動機繞組采用兩兩導(dǎo)通每相導(dǎo)通120。三相六階梯波供電方式，這種控制方式簡單，電機能夠獲得****電磁轉(zhuǎn)矩。因為電機定子齒槽對磁場分布影響、繞組存在電感導(dǎo)致電流換相時繞組電流不能突變，電機電磁轉(zhuǎn)矩存在脈動等。在低速情況下，速度波動嚴重，以致不能滿足速度或位置控制精度指標的要求。電機繞組電流換相時所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩脈動會隨電機轉(zhuǎn)速的變化而變化，脈動幅度****達到百分之50。有文獻提出，因為元刷直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩脈動問題，它的應(yīng)用場合限制在對精度要求不高的場合。
無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩脈動與抑制問題一直是國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的研究方向之一。其中文獻[1]提出，由于PwM的控制方式不同，無刷直流電動機非導(dǎo)通相產(chǎn)生了電流，并引起電機的電磁轉(zhuǎn)矩脈動；文獻[2]提出通過改變輸入電壓減小轉(zhuǎn)矩脈動的方法；文獻[3]提出采用電流控制算法減少轉(zhuǎn)矩脈動。
本文提出采用雙向升降壓斬波電路(Bidirection Buck-Boost circuit)改變直流母線電壓減小轉(zhuǎn)矩脈動的方法。實時跟隨無刷直流電動機轉(zhuǎn)速變化，調(diào)節(jié)其逆變器直流母線電壓，可抑制電機換相時非換相相電流脈動，進而抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動。改變升降壓斬波電路開關(guān)管的占空比可以調(diào)節(jié)其輸出電壓，使輸出電壓或大于電源電壓或小于等于電源電壓，但是單向的升降壓斬波電路的能量只能由輸入到輸出單方向傳遞，當電機工作在再生發(fā)電狀態(tài)時，電機
處于發(fā)電狀態(tài)所產(chǎn)生的電能不能回饋到電源側(cè)，不利于節(jié)能：我們采用雙向升降壓斬波電路實現(xiàn)逆變器的直流母線電壓、電機反電勢、電機定子繞組電壓在數(shù)值上保持線性關(guān)系，不僅可以緩解無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩脈動問題，還可提高電機轉(zhuǎn)速，降低作為電源的電池額定電壓。無刷直流電動機主電路如圖1所示。
1換相電磁轉(zhuǎn)矩脈動分析
無刷電動機由梯形波永磁電動機本體、逆變器及位置傳感器組成，電機采用典型的星形接線。并假設(shè)：
(1)電動機的氣隙磁感應(yīng)強度在空問呈梯形(近似為方波)分布[4]；
(2)忽略定子齒槽的影響；
(3)忽略電樞反應(yīng)對氣隙磁通的影響；
(4)忽略電機中的磁滯和渦流損耗；
(5)三相繞組完全對稱。
無刷直流電動機定子電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程
如下:
式中：ua、ub、uc分別為A、B、C三相繞組電壓；ea、eb、ec分別為定子A、B、C繞組相電動勢瞬時值；ia、ib、ic分別為A、B、c三相繞組電流；Ra、Rb、Rc為定子繞組相電阻，Ra=Rb=Rc=R；L每相繞組自感；M為每兩相繞組互感；ω為轉(zhuǎn)子的機械角速度；Te為電機的電磁轉(zhuǎn)矩，LM=L-M，無刷直流電動機的等效電路如圖2所示。
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