無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制
師蔚1，蔚蘭1，張舟云2，應(yīng)紅亮2
(1上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201620；2上海安乃達(dá)驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司，上海200240)
摘要：針對(duì)應(yīng)用于輕型電動(dòng)輪的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的要求，提出了一種低成本、高可靠、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制方法。該方法依照不同電機(jī)轉(zhuǎn)速控制換相過(guò)程PWM占空比，進(jìn)而控制關(guān)斷相電流和開(kāi)通相電流在換相過(guò)程中的變化率，保持非換相相電流在換相過(guò)程中基本恒定，通過(guò)減小無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換相電流脈動(dòng)來(lái)減小或消除換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，并已廣泛應(yīng)用于輕型電動(dòng)車(chē)輛領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；換相；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；輕型電動(dòng)車(chē)輛
中圖分類(lèi)號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)05—0025—05
0引言
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)突出特點(diǎn)是電機(jī)本體空間小，功率密度高，過(guò)載能力強(qiáng)，控制方式簡(jiǎn)單可靠，在輕型電動(dòng)車(chē)輛中得到了廣泛的應(yīng)用，但是其固有的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)缺點(diǎn)，限制了它在高精度速度、位置控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[1]。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要來(lái)源于電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁阻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等幾個(gè)方面。而齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁阻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)從電機(jī)本體設(shè)計(jì)人手，通過(guò)氣隙磁場(chǎng)、定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、繞組形式等的合理設(shè)計(jì)，可以得到很好的消除[2-4]；換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是造成電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要原因之一，而換相過(guò)程中開(kāi)通相和關(guān)斷相電流變化率的不同使得非換相相電流出現(xiàn)脈動(dòng)是導(dǎo)致?lián)Q相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的根本原因[1,5]。消除換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)往往從控制策略人手，通過(guò)調(diào)整加在電機(jī)繞組上的電壓或電流來(lái)彌補(bǔ)電機(jī)本體和逆變器與理想特性的偏差，從而抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[6-10]。電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)、微型電動(dòng)轎車(chē)等輕型電動(dòng)車(chē)輛輪轂(或輪邊帶減速器) 用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)要求具有低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，特別是在車(chē)輛起動(dòng)和低速工況。
本文針對(duì)車(chē)用工況對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要求，提出一種低成本、高可靠、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)消除方法，該方法已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)輛領(lǐng)域。
1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電路模型與數(shù)學(xué)模型
1．1逆變器一無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電路模型
三相兩電平電壓型逆變器供電的逆變器一無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)如圖1所示。圖中，Ud為直流電源；Cd為中間直流回路支撐(濾波)電容；T1～T6為功率功率管，Dl～D6為續(xù)流二極管。對(duì)T1～T6分別在各自導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)根據(jù)不同的調(diào)制方式進(jìn)行PwM控制。
當(dāng)采用方波電流控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)時(shí),通常選用1200兩兩導(dǎo)通的調(diào)制方式,這種控制能夠在一定轉(zhuǎn)速和電流范圍內(nèi)很好地保持三相定子電流的峰值恒定，從而得到較為穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩[1]。
1.2逆變器-無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子電流為理想的方波，反電動(dòng)勢(shì)為理想的梯形波，并作如下假設(shè)：(1)不計(jì)磁路飽和、渦流損耗和磁滯損耗；(2)忽略定子電流的電樞反應(yīng)；(3)定子繞組采用無(wú)中線(xiàn)Y形接法，三相定子繞組的自感、互感均為常數(shù)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)用情況分析，電機(jī)定子繞組中點(diǎn)通常不引出，電機(jī)三相相電壓通常不容易測(cè)到。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的端電壓表示為：
式中：uAN、uBN、uCN分別為電機(jī)三相定子繞組端電壓，端電壓定義為電機(jī)的三相定子繞組的輸入端A、B、c相對(duì)于直流母線(xiàn)負(fù)端之間的電壓差；R為定子繞組電阻；p為微分算子；L為定子繞組等效自感，M為定子繞組等效互感；iA、iB、iC為三相定子電流(相電流等于線(xiàn)電流)；eA、eB、eC為三相定子繞組反電動(dòng)勢(shì)；uON為電機(jī)三相繞組中點(diǎn)對(duì)直流母線(xiàn)負(fù)端電壓差，且uON、表示為：
式中：ωr為元刷直流電動(dòng)機(jī)電角速度；P為極對(duì)數(shù)；ωm為機(jī)械角速度。
2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析
2.1換相電流脈動(dòng)分析
對(duì)應(yīng)于圖l逆變器一無(wú)刷直流電 |
