相位超前角在無刷直流電動機調(diào)速中的應(yīng)用
陶澤安，王輝，李盂秋，徐明明
(湖南大學，湖南長沙4l0082)
摘要：針對無刷直流電動機在高速運行中存在的問題，提出一種能提高無刷直流電動機調(diào)速范圍的新方法，稱之為相位超前法。該方法能使無刷直流電動機在高速運行時實現(xiàn)恒功率控制。最后建立了帶相位超前角的無刷直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果證明了該方法的可行性。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；相位超前；恒功率控制；仿真
O 引 言
永磁無刷直流電動機既有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠和維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電動機運行效率高、無勵磁損耗及調(diào)速性能好、起動轉(zhuǎn)矩較大等特點，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，在高速運行時，無刷直流電動機在以下兩方面發(fā)生了變化：(1)轉(zhuǎn)矩脈動比較大；(2)調(diào)速范圍受到限制，無法實現(xiàn)恒功率控制。
文獻[2]分析了這一現(xiàn)象，其出發(fā)點是如何降低電機在高速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩脈動，該文獻通過對換相期間相電流的分析得出電機在高速狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩下降的原因，然后提出一種提前導(dǎo)通的方法，即功率器件的導(dǎo)通較常規(guī)提前一個小角度θ，稱為超前導(dǎo)通角，從而使電機在換相時導(dǎo)通角大幅減小，最終達到減少轉(zhuǎn)矩脈動的目的，并進行了仿真分析。但該文獻并未對提前導(dǎo)通角(本文稱之為相位超前角)的計算做具體說明，而是在假定相位超前角與電機角速度成線性的前提下得出一個簡單的計算公式。文獻[3]中也提到過相位超前的概念，將相位超前角這一變量加入電機控制中，供我們調(diào)試時直接使用，并指出適當?shù)南辔怀翱梢蕴岣唠姍C的調(diào)速范圍。但該文沒有給出電機速度與相位超前角的具體關(guān)系函數(shù)，也沒有對提高調(diào)速范圍的原因做深入分析。
本文對無刷直流電動機(以下簡稱BLDcM)在高速運行時如何提高電機的調(diào)速范圍，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的恒功率控制進行了論述。首先在理論上分析BLDcM在高速運行時存在的問題，在此基礎(chǔ)上提出相位超前法，在功率管導(dǎo)通的不同階段，分析出相應(yīng)的相電流表達式，推導(dǎo)出相位超前角的計算方法。然后采用Matlah仿真分析與驗證，該方法可以提高BLDcM的調(diào)速范圍。
1 BLDCM在高速運行時存在的問題分析
BLDcM一般采用電流及速度雙閉環(huán)控制。此種控制方案能讓BLDcM在額定轉(zhuǎn)速以下時實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制。然而，在電動車及電動工具等實際應(yīng)用中，系統(tǒng)要求電機在很高的速度下運行(甚至高于額定轉(zhuǎn)速)。理想狀態(tài)下，當BLDcM轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時，電機轉(zhuǎn)矩會隨著電機速度的增大而減小，電機由恒轉(zhuǎn)矩控制變?yōu)楹愎β士刂啤Dl說明了這一特點，其中曲線bcd稱為功率限制曲線。然而由于受到電壓飽和的限制，不用任何特殊控制方法的BLDcM無法工作在功率限制曲線上。曲線bef是電機在無任何特殊控制方法下的工作軌跡。下面我們對此現(xiàn)象做分析。
BLDcM的模型如下：
式中：R為每相定子電阻；L為每相定子電感；M為定子間互感。在此忽略了轉(zhuǎn)子位蚩對電感的影響，p
其中一相的相電壓可以表示為：
額定轉(zhuǎn)速以上時，電機電流為了滿足給定轉(zhuǎn)矩的要求，會一直增大，而給電機的給定電壓卻是個有限值，所以當電流增大到一定程度時，電機的反電動勢就不再增加了。而反電動勢是和電機速度成正比的，假定給定轉(zhuǎn)矩是T，理想情況下，達到這一轉(zhuǎn)矩時的電機速度為ω，但是由于受到反電動勢的限制，電機速度只能達到ω(即e點)。同樣，如果把電機轉(zhuǎn)速提高到ω(即f點)，那么電機轉(zhuǎn)矩就會下降到T2，低于給定轉(zhuǎn)矩T1.e、f這兩個工作點均處于功率限制曲線以下。因此，此時的BLDcM是無法實現(xiàn)恒功率控制的。
2對相位超前角的研究
2．1相位超前法的提出
從前面的分析可以看出，BLDcM在額定轉(zhuǎn)速以上運行時的調(diào)速范圍受到限制，從而導(dǎo)致無法實現(xiàn)恒功率控制。本文介紹一種相位超前的方法來解決上述問題。以BlDcM單相等價電路圖為例，如圖2所示，圖中Q1、Q2是功率開關(guān)，Dl、D2是反饋二極管。當電機運行在額定轉(zhuǎn)速以上時，使Q1的導(dǎo)通周期提前于反電動勢一個電角度，這樣，當此相的反電動勢達到****值時，Ql已經(jīng)導(dǎo)通了θ。電角度。從功率管Q1導(dǎo)通開始，前半個周期的等價電路圖(如圖2所示)被分成四部分，如圖3所示，在l一2區(qū)間 |
