陳治宇, 黃開勝, 陳風(fēng)凱, 田燕飛, 何建源

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006； 2. 葦源電機(jī)有限公司，廣東 佛山 528300)

0 引 言

無刷直流電機(jī)無換向器和機(jī)械電刷，既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機(jī)效率高、無勵(lì)磁電流和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)展最快的一類電機(jī)，在家用電器、電動(dòng)汽車、航空以及電力系統(tǒng)傳動(dòng)控制等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。無刷直流電機(jī)運(yùn)行中系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，在一定程度上限制了無刷直流電機(jī)的應(yīng)用和推廣。

如何有效抑制無刷直流電機(jī)的振動(dòng)和噪聲成為近年來無刷直流電機(jī)研究的熱點(diǎn)問題之一。文獻(xiàn)[1]對(duì)9槽8極和9槽10極的無刷直流電機(jī)的不平衡電磁力進(jìn)行了分析和對(duì)比，分析出不平衡電磁力對(duì)噪聲的影響，沒有研究驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的直接影響。文獻(xiàn)[2]提出定子齒冠開槽和正弦波驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的措施來抑制電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，沒有進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。文獻(xiàn)[4]采用TB6539控制器實(shí)現(xiàn)正弦波驅(qū)動(dòng)方式，抑制無刷直流電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，沒有結(jié)合電機(jī)本體來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲抑制。文獻(xiàn)[5]從電機(jī)電磁力、固有頻率和結(jié)構(gòu)模態(tài)方面對(duì)無刷直流電機(jī)的噪聲進(jìn)行分析，沒有結(jié)合控制電路進(jìn)行研究，也沒有實(shí)例。

本文設(shè)計(jì)了一種基于TB6556FG芯片和IPM模塊TP4124AK的正弦波驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。其具有自動(dòng)超前角設(shè)置功能，且噪聲小、效率高，有效實(shí)現(xiàn)180°正弦波控制三相無刷直流電機(jī)。結(jié)合Ansys/Maxwell分析軟件建立了電機(jī)的二維有限元模型，計(jì)算出具有最佳磁極削角的無刷直流電機(jī)。樣機(jī)試驗(yàn)表明： 采用TB6556FG與最佳磁極削角相結(jié)合的方法可有效抑制換向電流的突變和電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)降低無刷直流電機(jī)的振動(dòng)和噪聲具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的因素很多，其中換向電流的急劇變化是引起電機(jī)振動(dòng)和噪聲的重點(diǎn)。方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但由于電動(dòng)勢(shì)、電流波形為非理想方波，換向電流的急劇變化，將引起嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲，一定程度上影響電機(jī)的應(yīng)用與推廣[6-7]。由于無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)相同，如果采用正弦波驅(qū)動(dòng)，輸出的電流波形為正弦波或準(zhǔn)正弦波，則可有效抑制換向電流的突變，降低電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。本文提出采用東芝TOSHIBA電機(jī)專用控制器TB6556FG和IPM模塊TP4124AK構(gòu)建正弦波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文對(duì)降低無刷直流電機(jī)振動(dòng)和噪聲的設(shè)計(jì)由控制電路和電機(jī)本體兩大部分組成。其中控制電路采用TB6556FG芯片和IPM模塊TP4124AK實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正弦波驅(qū)動(dòng)；電機(jī)本體通過Ansys/Maxwell有限元分析軟件，計(jì)算出無刷直流電機(jī)的最佳磁極削角尺寸，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制，達(dá)到降低電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲的目的。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

3 正弦波控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

正弦波控制電路采用的TOSHIBA電機(jī)專用硬件控制器TB6556FG，具有MCU無法比擬的抗干擾能力。TB6556FG包括3路獨(dú)立比較器放大模塊，用于位置檢測(cè)的霍爾元件差分信號(hào)輸入；6路帶死區(qū)時(shí)間設(shè)定的PWM驅(qū)動(dòng)單元模塊，死區(qū)時(shí)間可設(shè)定為2.6μs或3.8μs，有效防止驅(qū)動(dòng)IGBT上下橋臂短路，提高工作可靠性。TB6556FG芯片通過使用三個(gè)霍爾位置傳感器，按方波方式起動(dòng)，然后在芯片內(nèi)部產(chǎn)生三相正弦波PWM電壓信號(hào)，外部接功率驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的正弦波驅(qū)動(dòng)，使無刷直流電機(jī)運(yùn)行在低振動(dòng)、低噪聲狀態(tài)。

此外，TB6556FG還具有自動(dòng)超前角設(shè)置功能，可實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)化。對(duì)不同功率的電機(jī)只需選用相應(yīng)的功率模塊或IGBT、MOSFET管即可。該控制器在系統(tǒng)運(yùn)行過程中作用明顯，是調(diào)節(jié)電機(jī)性能的有效方案，能極大提高電機(jī)的負(fù)載范圍。該正弦波控制電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 正弦波控制電路設(shè)計(jì)圖

正弦波驅(qū)動(dòng)電路以TOSHIBA生產(chǎn)的TPD4144AK為核心，其包括一個(gè)三相逆變橋的6個(gè)IGBT、6個(gè)快恢復(fù)功率二極管、HVIC高壓半橋驅(qū)動(dòng)以及自舉電路；具有過流保護(hù)、過熱保護(hù)、驅(qū)動(dòng)欠壓保護(hù)、報(bào)警輸出等功能。由于所用元器件數(shù)量比分立元件少很多，其可靠性得到了極大提高。驅(qū)動(dòng)電路采用帶IGBT驅(qū)動(dòng)電路、自診斷及保護(hù)功能完善的IPM模塊，使系統(tǒng)體積更小，運(yùn)行更可靠、更智能化。正弦波驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 正弦波驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

4 無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)的磁極和有槽電樞鐵心之間相互作用產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。一定范圍內(nèi)的磁極邊緣削角,可消弱齒槽轉(zhuǎn)矩，抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，還能節(jié)省永磁材料，降低成本[8]。

4.1 齒槽轉(zhuǎn)矩的能量法分析

齒槽轉(zhuǎn)矩等于永磁場(chǎng)能量對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角的偏微分，不計(jì)永磁體和鐵心中的磁場(chǎng)能量變化，靜磁能量表示如下：

(1)

式中：μ0——空氣磁導(dǎo)率；

P(θ)——?dú)庀洞艑?dǎo)函數(shù)；

Fm(θ,α)——?dú)庀洞艅?dòng)勢(shì)函數(shù)；

α——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角。

電機(jī)氣隙穩(wěn)定時(shí)，氣隙磁導(dǎo)和磁動(dòng)勢(shì)函數(shù)如下：

(2)

(3)

式中：G(θ)——相對(duì)氣隙磁導(dǎo)函數(shù)；

B(θ,α)——磁通密度函數(shù)；

g——?dú)庀堕L(zhǎng)度。

把式(2)、式(3)代入式(1)，氣隙中的能量表示如下：

(4)

式中： 對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，R1=Rs，R2=Rm；

LFe——電樞鐵心長(zhǎng)度；

Rs——定子半徑；

Rm——永磁體半徑。

分別對(duì)G2(θ)和B2(θ,α)進(jìn)行傅里葉分解：

(5)

Bbn2psin2np(θ+α)]

(6)

對(duì)于對(duì)稱的無刷直流電機(jī)，把式(5)、式(6)代入式(4)，利用三角函數(shù)正交性，齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式如下：

(7)

4.2 磁極削角的分析

根據(jù)以上分析，本文以結(jié)構(gòu)為面包狀的無刷直流電機(jī)為例，提出磁極削角方式(見圖4)，其具有兩個(gè)自由度，通過改變磁極邊緣a、b的值，即可得到不同程度的削角磁極。

圖4 磁極的削角方式

由于齒槽轉(zhuǎn)矩并不隨磁極削角程度的增大一直減小，而存在一個(gè)臨界削角位置，超過此臨界位置，則齒槽轉(zhuǎn)矩反而會(huì)升高[8]。故根據(jù)以上削角方式，分別對(duì)應(yīng)a=3mm、4mm、5mm、6mm、7mm 這五組數(shù)據(jù)，選取六組不同的b值，共30組數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的磁極邊緣削角，并利用Ansys/Maxwell分析軟件建立了30種不同磁極削角的電機(jī)二維有限元模型，并計(jì)算了30種磁極削角電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：a=5mm，b=2mm為最佳削角尺寸，對(duì)應(yīng)的齒槽轉(zhuǎn)矩幅值最小，為9.97mN·m，而磁極無削角的齒槽轉(zhuǎn)矩為13.11mN·m，幅值減小近30%。其中無磁極削角、最佳磁極削角電機(jī)模型如圖5、圖6所示，齒槽轉(zhuǎn)矩幅值的對(duì)比如圖7所示。

圖5 無磁極削角電機(jī)模型

圖6 最佳磁極削角電機(jī)模型

圖7 最佳磁極削角與無磁極削角齒槽轉(zhuǎn)矩幅值對(duì)比圖

通過以上計(jì)算與分析可知： 一定范圍內(nèi)的磁極邊緣削角能削弱無刷直流電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善電機(jī)本體的性能。

5 系統(tǒng)噪聲的對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)上述分析與設(shè)計(jì)，制作了樣機(jī)在相同條件下進(jìn)行噪聲試驗(yàn)。

當(dāng)采用方波驅(qū)動(dòng)具有最佳磁極削角的無刷直流電機(jī)時(shí)，工作電流波形如圖8所示，噪聲幅值為63.7dB，電流波形存在高頻噪聲毛刺。

圖8 方波驅(qū)動(dòng)時(shí)電流圖

當(dāng)采用本文設(shè)計(jì)的正弦波驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)無磁極削角的無刷直流電機(jī)時(shí)，工作電流波形如圖9所示，其噪聲幅值為55.6dB，電流波形比較接近正弦波，振動(dòng)和噪聲得到明顯抑制。

圖9 正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)電流圖

當(dāng)采用正弦波驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)具有最佳磁極削角的無刷直流電機(jī)時(shí)，工作電流波形如圖10所示，噪聲幅值為54.2dB，不存在高頻噪聲毛刺，其電流波形比較接近理想的正弦波，振動(dòng)和噪聲得到明顯抑制。

圖10 正弦波驅(qū)動(dòng)最佳磁極削角電機(jī)時(shí)電流圖

6 結(jié) 語

方波驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)時(shí)，換向電流的急劇變化，將引起嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲。采用TB6556FG驅(qū)動(dòng)器與IPM模塊TP4124AK結(jié)合設(shè)計(jì)的正弦波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，可有效抑制換向電流的突變，明顯降低電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

采用TB6556FG芯片驅(qū)動(dòng)具有最佳磁極削角的無刷直流電機(jī)，其系統(tǒng)具有自動(dòng)超前角設(shè)置功能，不僅能明顯地抑制電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，還能提高逆變功率因數(shù)。目前該方案已成功應(yīng)用于一款家用電器設(shè)備中。

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