相位超前角在無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用
陶澤安，王輝，李孟秋，徐明明
(湖南大學(xué)，湖南長沙410082)
摘要：針對無刷直流電動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行中存在的問題，提出一種能提高無刷直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)實(shí)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(dòng)機(jī)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眭。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動(dòng)機(jī)；相位超前；恒功率控制；仿真
中圖分類號(hào)：tm33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1004—7018(2010)01—0024—03
0引言
永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)既有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠和維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗及調(diào)速性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。但是，在高速運(yùn)行時(shí)，無刷直流電動(dòng)機(jī)在以下兩方面發(fā)生了變化：(1)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大；(2)調(diào)速范圍受到限制，無法實(shí)現(xiàn)恒功率控制。
文獻(xiàn)[2]分析了這一現(xiàn)象，其出發(fā)點(diǎn)是如何降低電機(jī)在高速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，該文獻(xiàn)通過對換相期間相電流的分析得出電機(jī)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(gè)小角度θ。，稱為超前導(dǎo)通角，從而使電機(jī)在換相時(shí)導(dǎo)通角大幅減小，最終達(dá)到減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的，并進(jìn)行了仿真分析[2]。但該文獻(xiàn)并未對提前導(dǎo)通角(本文稱之為相位超前角)的計(jì)算做具體說明，而是在假定相位超前角與機(jī)角速度成線性的前提下得出一個(gè)簡單的計(jì)算公式。文獻(xiàn)[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(jī)控制中，供我們調(diào)試時(shí)直接使用，并指出適當(dāng)?shù)南辔怀翱梢蕴岣唠姍C(jī)的調(diào)速范圍[3]。但該文沒有給出電機(jī)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(dòng)機(jī)(以下簡稱bldcm)在高速運(yùn)行時(shí)如何提高電機(jī)的調(diào)速范圍，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒功率控制進(jìn)行了論述。首先在理論上分bldcm在高速運(yùn)行時(shí)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(dá)式，推導(dǎo)出相位超前角的計(jì)算方法然后采用matlab仿真分析與驗(yàn)證，該方法可以提高bldcm的調(diào)速范圍。
1 bldcm在高速運(yùn)行時(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制。然而，在電動(dòng)車及電動(dòng)工具等實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)要求電機(jī)在很高的速度下運(yùn)行(甚至高于額定轉(zhuǎn)速)。理想狀態(tài)下，當(dāng)bldcm轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著電機(jī)速度的增大而減小，電機(jī)由恒轉(zhuǎn)矩控制變?yōu)楹愎β士刂�。圖1說明了這一特點(diǎn)，其中曲線bcd稱為功率限制曲線。然而由于黨到電壓飽和的限制，不用任何特殊控制方法的bld一cm無法工作在功率限制曲線上。曲線6礦是電機(jī)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. 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)子位置對電感的影響,p=di/dt.其中一相的電壓可以表示為:
額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，電機(jī)電流為了滿足給定轉(zhuǎn)矩的要求，會(huì)一直增大，而給電機(jī)的給定電壓卻是個(gè)有限值，所以當(dāng)電流增大到一定程度時(shí)，電機(jī)的反電參勢就不再增加了。而反電動(dòng)勢是和電機(jī)速度成正比的，假定給定轉(zhuǎn)矩是t1，理想情況下，達(dá)到這一轉(zhuǎn)矩時(shí)的電機(jī)速度為,但是由于受到反電勢的限制電機(jī)速度只能達(dá)到(即e點(diǎn)). 同樣,如果把電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到(即f點(diǎn)),那么電機(jī)轉(zhuǎn)矩就會(huì)不法實(shí)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(yùn)行時(shí)的調(diào)速范圍受到限制，從而導(dǎo)致兀法實(shí)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(jià)電路圖為例，如圖2所示，圖中q 1、q 2是功率開關(guān)，d 1、d 2是反饋二極管。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，使q 1的導(dǎo)通周期提前于反電動(dòng)勢一個(gè)電角度 |
