榮 軍,楊 航,曾 宇,王 偉,徐 致,韓 良

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

引言

無刷直流電機(jī)主要有如下優(yōu)點(diǎn):(1)噪音小:與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比,因?yàn)闆]有電刷的原因,所以不會產(chǎn)生由機(jī)械換相引起的噪音;(2)效率高:無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體,所以其可提供恒定的磁場不要再外加能源;(3)控制簡單:在一個(gè)電磁周期內(nèi)只需知道轉(zhuǎn)子的六個(gè)關(guān)鍵位置信號.如果電機(jī)定子繞組的電阻不計(jì),則電機(jī)的電壓與轉(zhuǎn)速成正比,電流與轉(zhuǎn)矩成正比,所以控制系統(tǒng)較容易實(shí)現(xiàn)[1].綜上所述,永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)具有一系列優(yōu)點(diǎn),已在諸多領(lǐng)域如交通、工業(yè)、家電、航空航天、軍工、伺服控制等領(lǐng)域都被廣泛地使用,因此對其控制方式的研究可以更廣泛的挖掘其應(yīng)用潛力,為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供方便.

圖1 采用PWM方式調(diào)速時(shí)功率開關(guān)管調(diào)制方式

1 無刷直流電機(jī)PWM調(diào)速原理

無刷直流電機(jī) PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)速是通過 PWM 斬波器將直流電源斬成PWM波,從而改變加在電樞兩端的電壓平均值,以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速.采用PWM方式調(diào)速時(shí)功率開關(guān)管調(diào)制方式如圖1所示.圖1中采用的是HPWM-LON調(diào)制模式,即兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)工作方式下對應(yīng)導(dǎo)通的上橋臂功率開關(guān)管V1、V3、V5受PWM信號調(diào)制,下橋臂功率開關(guān)管V4、V6、V2恒通. 如果 BLDCM 系統(tǒng)采用兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)導(dǎo)通方式時(shí),也就是在任一時(shí)刻,只有兩相繞組導(dǎo)通,那么采用PWM調(diào)制時(shí)電樞兩端的電壓波形如圖2所示[2].

圖2 PWM調(diào)制時(shí)電樞兩端的電壓波形

電樞電壓平均值:

其中U為直流電源電壓;為電樞電壓平均值;Ton為功率開關(guān)管在一個(gè) PWM 周期的開通時(shí)間;T為PWM波的周期;為PWM波的占空比.

這時(shí)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式變?yōu)?

由(1)和(2)式聯(lián)立可得:

可見,在恒轉(zhuǎn)矩特性下,無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與 PWM 波的占空比成正比,這也就是無刷直流電機(jī)PWM調(diào)速的原理.

2 無刷直流電機(jī)的PWM調(diào)速四種模式

在無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中,當(dāng)采用兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)工作模式時(shí),每個(gè)周期中每個(gè)功率開關(guān)管導(dǎo)通 120°電角度,導(dǎo)通相位分別滯后 60°電角度.六個(gè)功率開關(guān)管導(dǎo)通方式受 PWM 信號調(diào)制.PWM信號調(diào)制有四種模式[3],如圖3所示.

ON-PWM:各管前60°電角度恒通,后60°電角度受PWM信號調(diào)制,如圖3(a)所示.PWM-ON:各管前 60°電角度受 PWM信號調(diào)制,后 60°電角度恒通,如圖 3(b)所示.HPWM-LON:上橋臂受 PWM信號調(diào)制,下橋臂恒通,如圖3(c)所示.HON-LPWM:上橋臂恒通,下橋臂受PWM信號調(diào)制,如圖3(d)所示.其中,ON-PWM、PWM-ON為雙單邊雙管調(diào)制模式,HPWM-LON、HON-LPWM為單邊單管調(diào)制模式.

圖3 四種模式調(diào)制波形圖

3 基于Matlab的四種PWM模式的BLDCM系統(tǒng)的建模仿真以及分析

3.1 無刷直流電機(jī)PWM 調(diào)速的Matlab仿真模型

無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型在許多文獻(xiàn)中都詳細(xì)描述[4],本文不作討論.參照文獻(xiàn)[4]建立無刷直流電機(jī)在 Matlab/Simulink中的仿真模型如圖 4所示.其中無刷直流電機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置如下:電機(jī)轉(zhuǎn)速為2000(轉(zhuǎn)/分),極對數(shù)p= 2,定子相繞組電阻R= 4.765歐姆,定子相繞組自感L為8.5mH,互感M為0.1mH,輸入電壓US為300V.控制器Controller的仿真模型如圖5所示,控制器作用是根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極位置分配電動(dòng)機(jī)三相繞組的通電,即控制逆變器模塊6個(gè)開關(guān)器件的開關(guān)次序.Controller模塊由電動(dòng)機(jī)觀測得到的轉(zhuǎn)子位置角(theta),通過Rounding Function、Relational Operator等模塊運(yùn)算得到以2π為周期、每隔π/3產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度為2π/3的方波脈沖,該方波脈沖與脈寬調(diào)制器產(chǎn)生的脈寬信號(pulse)經(jīng)過與門(AND)運(yùn)算總共產(chǎn)生6路驅(qū)動(dòng)信號,由gate端輸出.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出脈寬控制信號,并通過脈寬調(diào)制器調(diào)節(jié)脈沖寬度,用于根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無換向器電動(dòng)機(jī)的三相電壓.

圖4 無刷直流電機(jī)的仿真模型

圖5 無刷直流電機(jī)控制器的仿真模型

3.2 仿真結(jié)果及分析

圖6、圖7和圖8分別是四種不同PWM調(diào)制模式下的轉(zhuǎn)矩仿真波形、A相電流仿真波形和轉(zhuǎn)速仿真波形[5].從四種不同的 PWM 調(diào)制仿真波形來看,不同的模式對無刷直流電機(jī)的影響也不盡不同,這個(gè)可以從電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩三個(gè)方面得出.從轉(zhuǎn)速方面看,在給定的轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí),HON-LPWM調(diào)制模式下峰值約為 2550r/min,且超調(diào)量最小、諧波量很少,穩(wěn)定性也較好;其他的調(diào)制模式下峰值均約為 2700r/min,其中 PWM-ON諧波量較少,其他兩種諧波豐富.從轉(zhuǎn)矩方面看,在給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1.5N·m時(shí),HON-LPWM調(diào)制模式下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小,PWM-ON和HPWM-LON次之,ON-PWM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最大.從電流方面看,在換相期間,HON-LPWM波動(dòng)最小,ON–PWM次之,PWM-ON和HPWM-LON最大.綜合來說,除去最為理想的HPWM-LPWM調(diào)制模式,因此在上面四種PWM調(diào)制模式中,HON-LPWM調(diào)制模式在無刷直流電機(jī)的應(yīng)用中相對來說具有更好的效果.

圖6 不同PWM模式下的轉(zhuǎn)矩仿真波形

圖7 不同PWM模式下的A相電流仿真波形

圖8 不同PWM模式下的轉(zhuǎn)速仿真波形

4 結(jié)論

介紹了無刷直流電機(jī)四種不同PWM調(diào)速的方法,并詳細(xì)分析了其調(diào)速的原理,并在Matlab/Simulink中進(jìn)行了建模和仿真.仿真結(jié)果表明,選擇合適調(diào)速方法,能顯著的減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞電壓諧波含量和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).因此無刷直流電機(jī)選擇合適的調(diào)速方法能在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)方面能提供很大的方便.

[1] 郭慶鼎,趙希梅.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理與技術(shù)應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2008

[2] 張 深.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996:22～47

[3] Rong Jun,Li Yiming,Ding Yuejiao,etc.The Simulation Study of BLDCM Speeding on Different PWM Mode[C].中國能源學(xué)會會議論文,2012,3:1370～1374

[4] 榮 軍,丁躍澆,張 敏,等.對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電機(jī)建模與仿真[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,24 (5):33～36

[5] 洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006