基于雙向buck—boost的無刷直流電動機(jī)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(jī)的控制性能，減小電機(jī)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(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動的抑制方法。分析了雙同buck boost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(jī)；雙向升降壓電路；轉(zhuǎn)矩脈動；占空比
中圖分類號：tm33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1004—7018(2010)01—0040—05
0引言
無刷直流電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子無銅損耗，電機(jī)具有效率高、節(jié)能、控制簡單、成本低等多項優(yōu)點(diǎn)。隨著永磁材料、大功率電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電動機(jī)廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、工業(yè)、計算機(jī)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(jī)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(jī)能夠獲得****電磁轉(zhuǎn)矩。因為電機(jī)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(jī)電磁轉(zhuǎn)矩存在脈動等。在低速情況下，速度波動嚴(yán)重，以致不能滿足速度或位置控制精度指標(biāo)的要求。電機(jī)繞組電流換相時所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩脈動會隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，脈動幅度****達(dá)到50％。有文獻(xiàn)提出，因為元刷直流電動機(jī)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(jī)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(xiàn)[1]提出，由于pwm的控制方式不同，無刷直流電動機(jī)非導(dǎo)通相產(chǎn)生了電流，并引起電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動；文獻(xiàn)[2]提出通過改變輸入電壓減小轉(zhuǎn)矩脈動的方法；文獻(xiàn)[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(bidirectionbuck boost circuit)改變直流母線電壓減小轉(zhuǎn)矩脈動的方法。實(shí)時跟隨無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化，調(diào)節(jié)其逆變器直流母線電壓，可抑制電機(jī)換相時非換相相電流脈動，進(jìn)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(dāng)電機(jī)工作在再生發(fā)電狀態(tài)時，電機(jī)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(shí)現(xiàn)逆變器的直流母線電壓、電機(jī)反電勢、電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩脈動問題，還可提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低作為電源的電池額定電壓。元刷直流電動機(jī)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(jī)由梯形波永磁電動機(jī)本體、逆變器及位置傳感器組成，電機(jī)采用典型的星形接線。荊毆設(shè)：
(1)電動機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間呈梯形(近似為方波)分布；
(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(jī)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(jī)定子電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程如下:
式中：m。、u。、分別為a、b、c三相繞組電壓；分別為定子a、b、c繞組相電動勢瞬時值；分別為a、口、c三相繞組電流；r。、r。為定子繞組相電阻，凹為每兩相繞組互感；為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度；t為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，l。=l—m，無刷直流電動機(jī)的等效電路如圖2所示。
無刷電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，根據(jù)位置檢測器輸出信號，通過邏輯電路控制開關(guān)管sl～s6的導(dǎo)通和截止。為使電磁轉(zhuǎn)矩脈動盡量小，選擇開關(guān)管的控制方式即每個開關(guān)導(dǎo)通時間電角度，年亨形圖如圖3所示。
由于各個開關(guān)管輪流導(dǎo)通，換相時等效電路結(jié)構(gòu)相同，分析某一相的換相時 |
