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摘    要：為了解決無(wú)刷直流電機(jī)換向過(guò)程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的問(wèn)題，提出了一種優(yōu)化的脈沖寬度調(diào)制方法。為了分析直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行時(shí)脈沖寬度調(diào)制方法對(duì)電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩的影響，在理論上，從直流無(wú)刷電機(jī)方程入手，推導(dǎo)了直流無(wú)刷電機(jī)換相時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩大小，分析了產(chǎn)生換相轉(zhuǎn)矩的原因。針對(duì)使用傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制方法時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的缺點(diǎn)，提出了一種新的脈沖寬度調(diào)制方法PWM-OiV脈沖寬度調(diào)制。并從理論上證明了在直流無(wú)刷電機(jī)控制中，所提出的PWM-ON脈沖寬度調(diào)制方法產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相比較小：在試驗(yàn)中使用了基于TMS32,OLD,8016芯片的具有高可靠性與高靈敏的DSP控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，所提出的脈沖寬度調(diào)制方法有效地抑制了直流無(wú)刷電機(jī)換相時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)．

關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；脈沖寬度調(diào)制

中圖分類號(hào)：TP 27    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

    無(wú)刷直流電機(jī)是具有梯形反電勢(shì)波的永磁電機(jī)。永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁材料，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，其中，無(wú)刷直流電機(jī)更因其控制簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)在各方面都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是，無(wú)刷直流電機(jī)固有的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題會(huì)較大影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和伺服性能，制約了其進(jìn)一步的發(fā)展。因此，無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制，成為了一個(gè)重要的研究方向。

    試驗(yàn)中控制系統(tǒng)采用了德州儀器公司****的DSP芯片TMS320LF28016，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該芯片構(gòu)成的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有高靈敏性和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)新的PWM凋制方式有效的抑制了換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

  1)直流無(wú)刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型以星形三相六狀態(tài)的120度導(dǎo)通的直流無(wú)刷電機(jī)為例。主電路采用三相半橋式逆變器，主電路和電機(jī)等效模型，如圖1所示。

   

  可以使用如下三相端電壓平衡方程式來(lái)描述圖l中的無(wú)刷直流電機(jī)高效率高密度電力電子變換器，逆變器先進(jìn)控制技術(shù)，電力電子技術(shù)在太陽(yáng)能、風(fēng)能等新型能源中的應(yīng)用等方面的教學(xué)與科研工作。

 

    假設(shè)電機(jī)三相對(duì)稱，具有120度梯形波反電動(dòng)勢(shì)，忽略凸極效應(yīng)，設(shè)繞組特性和參數(shù)相同且為常數(shù)。

    電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式為

    穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)只有兩相通電，電磁轉(zhuǎn)矩為

    無(wú)刷直流電機(jī)在工作時(shí)，每次換相相隔60度電角度。在換相期間，盡管關(guān)斷相上的開關(guān)管已經(jīng)關(guān)斷，但由于電機(jī)繞組電感的存在，電流不可能一下減為零，總是會(huì)通過(guò)相應(yīng)的續(xù)流二極管進(jìn)行續(xù)流，隨之再衰減為零。這就是產(chǎn)生換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要原因。關(guān)斷相的反電動(dòng)勢(shì)波形為一個(gè)斜坡函數(shù)，如圖2，圖3所示。

   

    因?yàn)閾Q向過(guò)程很短，在下面的計(jì)算中假設(shè)換向期間e=±E（E為反電動(dòng)勢(shì)幅值）。

    針對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)換相的特性，產(chǎn)生了兩種不同的調(diào)制方式：

1、 通管進(jìn)行PWM調(diào)制，非換相開關(guān)管恒通( PWM-ON)各開關(guān)狀態(tài)，見圖2。

2、開通管恒通，非換相開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制( ON-PWM)，各開關(guān)狀態(tài)，見圖3。

    下面就具體來(lái)分析一下兩種不同PWM調(diào)制方式對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響。

  2)開通管進(jìn)行PWIVI調(diào)制方式（PWM-ON）對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響  以圖1主電路為例，假設(shè)電流從U相切換到L2相，此段換相期間波形見圖2，T1為關(guān)斷開關(guān)管，T1為開通開關(guān)管，而T2為非換相開關(guān)管。此種調(diào)制方式下由開通開關(guān)管T3進(jìn)行PWM調(diào)制，非換相開關(guān)管T2恒通。換相期間D4導(dǎo)通續(xù)流，圖l中Ll點(diǎn)與地相連，電機(jī)端電壓UL3=0；T3進(jìn)行pWM調(diào)制，占空比為D，直流母線電壓為Ud，因此UL2=Ud×D;T2恒通，UL3=0。其中，Ud為直流母線電壓，D為占空比。將電機(jī)端電壓代入式(1)可解得：

    電流從Ll相切換到L2相前il1=i0，iL2=0，代人式(1)可近似求得換向過(guò)程中電機(jī)三相電流方程為

  代人電磁轉(zhuǎn)矩公式，可以計(jì)算出換相過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩：

  與穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩式(3)相比可得此時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為

  3)非換相開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制方式(ON—PWM)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響假設(shè)電流還是從Ll相切換到L2相，T1為關(guān)斷開關(guān)管，T3為開通開關(guān)管，而T2為非換相開關(guān)管。此種調(diào)制方式下由非換相開關(guān)管T2進(jìn)行PWM調(diào)制，開通開關(guān)管T3恒通。換相期間D。導(dǎo)通續(xù)流，電機(jī)端電壓UL1=O；T3恒通，UL2=Ud×D;T2進(jìn)行PWM調(diào)制，占空比為D，UL3=(l- D) Ud，將電機(jī)端電壓代人式(1)可解得：

         

    電流從LI相切換到L2相前，iL1=i0，iL2=0，iL3= -i0，代人式(1)可近似求得換向過(guò)程中電機(jī)三相電流方程為

  代人電磁轉(zhuǎn)矩公式，可以計(jì)算出換相過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩：

    與穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩式(3)相比可得此時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為

    比較式(9)和式(15)：

    

    因此在兩種調(diào)制方式下，對(duì)開通管進(jìn)行PWM調(diào)制的方式( PWM-ON)換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。

    控制系統(tǒng)以TMS320F28016作為核心芯片，主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集，實(shí)現(xiàn)控制算法和控制策略，產(chǎn)生所需的PWM波，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)采用RS232通信標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。電機(jī)位置由3個(gè)安裝在電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器給出信號(hào)，DSP由通用I/O口，使用查詢方式檢測(cè)，DSP首先通過(guò)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)選擇的控制方式（PWM-OlN方式與ON-PWM方式）發(fā)送PWM開關(guān)信號(hào)。電流通過(guò)TMS320F28016內(nèi)部的12位A/D模塊檢測(cè)。轉(zhuǎn)速通過(guò)正交編碼模塊檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)到的電流與轉(zhuǎn)速，通過(guò)PI調(diào)解器計(jì)算合適的PWM占空比，以使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。增強(qiáng)型PWM模塊( ePWM)給出逆變橋開關(guān)信號(hào)，經(jīng)由光耦隔離控制ICBT。

    使用TMS320F28016構(gòu)成的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)，幾乎不用再添加其他外圍電路，是一種良好的一片式解決方案。相比現(xiàn)在廣泛使用的2407，28016新一代的內(nèi)核具有更高的工作頻率(60 M)；可以完成32×32的乘法操作；可以完成兩個(gè)16。16乘法操作；匯編程序代碼與C程序代碼效率大幅提高等。高效的性能可以完成各種復(fù)雜的控制算法，且價(jià)格相比電機(jī)控制中高端的2812又****優(yōu)勢(shì)。28016勢(shì)必將成為新一代電機(jī)控制的****芯片之一。

   本文對(duì)兩種調(diào)制方法都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用功率為1 kW的4極直流無(wú)刷電機(jī)，逆變器采用三菱公司PS21869-P型號(hào)的IPM，三相6管電流為30 A，電壓為600 V。實(shí)驗(yàn)中首先對(duì)相電流波形進(jìn)行了觀測(cè)，采用兩種調(diào)割方式時(shí)電機(jī)的相電流波形，如圖4所示。(a)ON-PWWE方式

   

    對(duì)比圖(a)與圖(b)可看出，采用PWM-ON調(diào)制方式時(shí)的相電流脈動(dòng)明顯小于ON-PWM方式下的電流脈動(dòng)。

    由于轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)最終影響的是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，實(shí)驗(yàn)還對(duì)轉(zhuǎn)速波形進(jìn)行了對(duì)比。DSP通過(guò)正交編碼電路對(duì)速度進(jìn)行采樣，通過(guò)RS232接口傳送至計(jì)算機(jī)。再由計(jì)算機(jī)分析DSP所采集到的數(shù)據(jù)。速度波形，如圖5所示。

      

    比較圖(a)和圖(b)，采用PWM-ON調(diào)制方式時(shí)轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)明顯小于ON-PWM調(diào)制方式。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用PWM-ON調(diào)制方式控制的直流無(wú)刷電機(jī)，能有效地降低換相時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。  

    本文提出的算法能有效地降低直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并且具有不改變硬件結(jié)構(gòu)，只通過(guò)軟件算法降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的優(yōu)勢(shì)�；�于TMS320F28016的控制系統(tǒng)具有高效的性能并具有成本優(yōu)勢(shì)。該套系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于采用無(wú)刷直流電機(jī)的工業(yè)縫紉機(jī)中，并得到了良好的性能，是一種十分實(shí)用的直流無(wú)刷電機(jī)控制算法與控制系統(tǒng)。