殷帥, 呂彩琴, 馬鐵華

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原030051;3.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,山西太原030051)

抑制無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的新型電流控制

殷帥1,2, 呂彩琴3, 馬鐵華1,2

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原030051;3.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,山西太原030051)

針對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題,提出一種考慮電樞電阻的換相時(shí)刻三相電流配合調(diào)制控制方法。該方法在電機(jī)全速段換相時(shí)刻采用“導(dǎo)通相全開(kāi)、關(guān)斷相脈寬調(diào)制、非換相相保持”的三相電流控制策略;通過(guò)建立換相時(shí)刻相電流數(shù)學(xué)模型,對(duì)換相時(shí)刻每一相電流變化過(guò)程進(jìn)行理論分析,確定關(guān)斷相占空比與電機(jī)運(yùn)行參數(shù)關(guān)系,使導(dǎo)通相和關(guān)斷相變化速率一致,保證非換相相電流無(wú)脈動(dòng)。該方法在有效抑制換相電流脈動(dòng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高速區(qū)和低速區(qū)統(tǒng)一控制,避免了分區(qū)不清問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與傳統(tǒng)換相脈動(dòng)控制方法相比換相電流有明顯抑制效果,全速段電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)在0.1左右。

無(wú)刷直流電機(jī);換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng);電流控制;電樞電阻;全速段

0 引 言

無(wú)刷直流電機(jī)因其高效率、易控制、高能量密度等優(yōu)點(diǎn),在家用電器、汽車(chē)驅(qū)動(dòng)、醫(yī)療、航空、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域取得了非常廣泛的應(yīng)用［1］。但該電機(jī)因其特有的電機(jī)結(jié)構(gòu)和非連續(xù)的換相控制策略,存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大問(wèn)題。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)等問(wèn)題,影響系統(tǒng)可靠性、縮短使用壽命,制約了其在高精確度高穩(wěn)定性場(chǎng)合應(yīng)用。在無(wú)刷直流電機(jī)各種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)中,換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響較大,為有效抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究［2-14］。

文獻(xiàn)［2］指出:在換相時(shí)刻,當(dāng)直流母線(xiàn)電壓為反電動(dòng)勢(shì)電壓四倍時(shí)可保證非換相相電流穩(wěn)定,換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制。文獻(xiàn)［3］通過(guò)相電流矢量控制方法,實(shí)現(xiàn)抑制電機(jī)換相電流脈動(dòng)目標(biāo)。文獻(xiàn)［4-5］分析了5種常用的調(diào)制方式并指出:采用PWM-ON模式要比其它幾種調(diào)制方式換相電流脈動(dòng)小。文獻(xiàn)［6-9］考慮非理想反電動(dòng)勢(shì)的換相電流脈動(dòng)抑制方法,這些方法增加了控制CPU運(yùn)行負(fù)擔(dān),不適合低成本控制CPU。文獻(xiàn)［10-14］在換相過(guò)程中對(duì)導(dǎo)通相、關(guān)斷相和非換相相分別PWM調(diào)制,使導(dǎo)通相和非換相相電流變化較快的一相電流減慢,實(shí)現(xiàn)非換相相電流恒定目標(biāo)。其中,文獻(xiàn)［10-12］針對(duì)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)在換相期間三相PWM調(diào)制抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng);該方法均是通過(guò)減慢關(guān)斷相下降速率保證非換相相電流恒定,延長(zhǎng)了換相時(shí)間,增加系統(tǒng)不可控時(shí)間。文獻(xiàn)［13］分別對(duì)高速區(qū)和低速區(qū)進(jìn)行三相占空比調(diào)制補(bǔ)償,使導(dǎo)通相和關(guān)斷相電流變化速率一致。文獻(xiàn)［14］在分析電機(jī)換相暫穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上,把換相過(guò)程分成三個(gè)功能區(qū)并對(duì)每一相電流分別進(jìn)行不同占空比的PWM控制。該方法相對(duì)簡(jiǎn)單,低速時(shí)獲得的非換相相電流也相對(duì)平穩(wěn)。但該方法忽略電樞電阻會(huì)使得占空比計(jì)算值比實(shí)際需要值偏小,且轉(zhuǎn)速越高該方法對(duì)非換相相電流補(bǔ)償值越小,使得該方法在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)效果不佳。

在考慮電樞電阻對(duì)換相時(shí)相電流影響下,從無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的根本原因入手,無(wú)需區(qū)分高速區(qū)和低速區(qū),對(duì)電機(jī)全速段運(yùn)行時(shí)刻的換相電流配合調(diào)制,減慢關(guān)斷相下降速率同時(shí)提高導(dǎo)通相電流上升速率,達(dá)到穩(wěn)定非換相相電流恒定目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了在低成本控制系統(tǒng)下消除無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)目標(biāo)。

1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低方法理論分析

1.1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生原因與解決方法

為充分利用繞組并獲得較大轉(zhuǎn)矩,繞組導(dǎo)通方式廣泛采用兩兩導(dǎo)通控制方法,電機(jī)每60度電角度換相一次。在忽略電機(jī)機(jī)械損耗和雜散損耗時(shí),無(wú)刷直流電機(jī)電磁功率轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動(dòng)能做功,無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可表示為

式中:ia、ib、ic為三相繞組電流;ea、eb、ec為三相反電動(dòng)勢(shì);Te為電磁轉(zhuǎn)矩;ω為電機(jī)機(jī)械角速度。

由于三相繞組相電流之和為零,換相時(shí)刻導(dǎo)通相和關(guān)斷相電流變化速率不一致導(dǎo)致非換相相電流脈動(dòng),而此時(shí)反電動(dòng)勢(shì)可近似認(rèn)為常數(shù),因此換相時(shí)刻電流脈動(dòng)必然導(dǎo)致?lián)Q相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

文獻(xiàn)［2］指出,當(dāng)Ud＞4E時(shí),三相繞組中導(dǎo)通相上升速率比關(guān)斷相下降速率快,非換相相電流增大使換相轉(zhuǎn)矩加大;當(dāng)Ud＜4E時(shí),導(dǎo)通相上升速率比關(guān)斷相下降速率慢,非換相相電流減小使換相轉(zhuǎn)矩減小;只有當(dāng)Ud=4E時(shí),導(dǎo)通相上升速率和關(guān)斷相下降速率相等,換相時(shí)轉(zhuǎn)矩保持不變。

1.2 新型換相電流控制方法

在所提出的控制方式中,導(dǎo)通模式仍采用PWM -ON方式,換相模式采用“導(dǎo)通相全開(kāi)、關(guān)斷相脈寬調(diào)制、非換相相保持”的平穩(wěn)換相控制方式。該換相模式根本目標(biāo)是保證非換相相電流穩(wěn)定,從而抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

以ab相換相到ac相為例說(shuō)明該換相模式工作過(guò)程。在ab相導(dǎo)通時(shí),電機(jī)處于導(dǎo)通模式,功率器件Sa+斬波、Sb-常開(kāi);當(dāng)檢測(cè)到換相信號(hào)時(shí),電機(jī)處于換相模式,此時(shí)Sa+仍以占空比d斬波,Sc-全開(kāi),S-以占空比d斬波。經(jīng)過(guò)一定換相時(shí)間,相電流

boff趨于穩(wěn)定后,換相模式結(jié)束,電機(jī)切回導(dǎo)通模式。此時(shí)Sa+全開(kāi),Sc-以占空比d斬波。圖1給出電機(jī)在一電角度周期內(nèi)功率器件工作過(guò)程。

圖1 功率器件工作時(shí)序Fig.1 The power device sequence diagram

1.3 關(guān)斷相占空比計(jì)算

在確定換相方法后,為得到關(guān)斷相占空比,需對(duì)換相時(shí)每一狀態(tài)下相電流變化過(guò)程單獨(dú)分析。三相繞組星型連接無(wú)刷直流電機(jī)等效電路如圖2所示。規(guī)定圖中所示的電流、電感、反電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)橛?jì)算時(shí)參考方向。

圖2 星型連接無(wú)刷直流電機(jī)等效電路Fig.2 Equivalentmodel of the star connection BLDC

在切換到換相模式一瞬間,Sa+斬波、Sb-、Sc-均導(dǎo)通,母線(xiàn)電流從電源正極出發(fā)經(jīng)a相繞組分流到b、c相繞組流入到電源負(fù)極,電機(jī)換相時(shí)刻繞組導(dǎo)通情況如圖3(a)所示。當(dāng)經(jīng)過(guò)Ts·doff時(shí)間后(注: Ts為一個(gè)PWM周期),Sb-由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷,b相繞組通過(guò)續(xù)流二極管Db+續(xù)流,繞組電流情況如圖3 (b)所示。

圖3 Sb-導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)三相繞組導(dǎo)通情況Fig.3 Three phase w inding conduction of Sbturn on and turn off

分析圖3中三相繞組導(dǎo)通情況,可得圖4的三相繞組導(dǎo)通情況等效電路圖。

根據(jù)基爾霍夫定律,圖4(a)可列寫(xiě)三相繞組相電壓方程為

式中:ua、ub、uc為三相繞組相電壓;ud為母線(xiàn)電壓; ia、ib、ic為三相繞組電流;ea、eb、ec為三相反電動(dòng)勢(shì); R為每相繞組電阻、L為每相繞組自感與互感差。

圖4 S-b導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)三相繞組等效電路Fig.4 Equivalent circuit of S-bturn on and turn off

換相時(shí)刻很短暫,可以近似認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)為常數(shù),反電動(dòng)勢(shì)始終滿(mǎn)足

由式(2)可知,在S-b導(dǎo)通時(shí),ib、ic電流響應(yīng)情況為:

在無(wú)刷直流電機(jī)檢測(cè)到換相信號(hào)時(shí),三相繞組中ib=-I、ic=0。該電流值為式(4)初始值,因此b、c相繞組電流可表示為:

對(duì)式(5)進(jìn)行泰勒展開(kāi),忽略包括二階項(xiàng)以上的高階項(xiàng)［6］。簡(jiǎn)化后的ib1、ic1如式(6)所示:

由式(11)可知,對(duì)關(guān)斷相占空比調(diào)節(jié)不僅可以減慢關(guān)斷相電流下降速率同時(shí)可以加快導(dǎo)通相相電流上升速率,這樣在降低換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的同時(shí)可以縮短換相時(shí)間,電機(jī)換相過(guò)程不可控時(shí)間縮短且該方法更適合電機(jī)高速區(qū)運(yùn)行。

無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的主要原因是關(guān)斷相電流下降速率和導(dǎo)通相電流上升速率不一致。為消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),只要使換相期間ib下降速率和ic上升速率一致,即:kib=-kic,得

無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)PWM周期Ts一般為幾微秒,對(duì)該控制方法影響很小,因此舍去帶有Ts項(xiàng),得

至此可求得關(guān)斷相占空比doff為

1.4 換相時(shí)間計(jì)算

在電機(jī)完成換相時(shí),關(guān)斷相電流下降為0,導(dǎo)通相電流上升到最大值,因?yàn)閷?dǎo)通相電流和關(guān)斷相電流變化速率一致,這里以關(guān)斷相電流下降為0來(lái)計(jì)算換相時(shí)間。

在換相時(shí)刻ib電流變化關(guān)系式

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證該方法的可行性,建立了以TMS320F2812為主控芯片、以IRF2807 MOSFET為三相全橋功率器件、以IR2136S為功率器件驅(qū)動(dòng)芯片、以霍爾電流傳感器測(cè)量母線(xiàn)電流的控制平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)4對(duì)極、星形連接的無(wú)刷直流電機(jī),其參數(shù)為:額定直流側(cè)電壓ud=24 V;額定轉(zhuǎn)矩TN= 0.18 N·m;額定轉(zhuǎn)速nN=2 000 r/min;相電阻R= 1.2Ω;電感L=1.2mH。

在該實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)速采用PI控制,母線(xiàn)電流采樣頻率和功率器件開(kāi)關(guān)均為20 kHz。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到換相信號(hào)時(shí),電機(jī)立即進(jìn)入到換相控制過(guò)程中?？刂破髁⒓从?jì)算關(guān)斷相占空比并求取換相時(shí)間。當(dāng)控制器計(jì)算運(yùn)行時(shí)間達(dá)到換相時(shí)間后,退出換相控制,電機(jī)切回PWM-ON調(diào)速運(yùn)行。

為定量分析所提方法對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果,采用式(17)計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)脈動(dòng)系數(shù)。

式中:ΔX為參數(shù)脈動(dòng)系數(shù);Xmax為參數(shù)最大值;Xmin為參數(shù)最小值;Xav為參數(shù)平均值。

分別對(duì)未加入換相控制方法、傳統(tǒng)方法(參考文獻(xiàn)［14］所提方法)和本文方法在轉(zhuǎn)速?gòu)?00～1 900 r/min下,據(jù)式(17)計(jì)算相電流脈動(dòng)系數(shù)如圖5所示。由圖5可知,未加入換相控制方法時(shí)電機(jī)全速段下電流脈動(dòng)系數(shù)均較高;傳統(tǒng)控制方法在低速段對(duì)相電流脈動(dòng)抑制效果較好,但高速段不理想;本文所提方法在電機(jī)全速段運(yùn)行下對(duì)相電流脈動(dòng)均具有良好抑制效果。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下相電流脈動(dòng)系數(shù)Fig.5 Phase current ripple factor at different speeds

傳統(tǒng)控制方法忽略電樞電阻對(duì)換相時(shí)刻相電流脈動(dòng)影響。分析可知:隨著轉(zhuǎn)速的增高,電樞電阻對(duì)關(guān)斷相占空比計(jì)算值影響增大,使得占空比計(jì)算值偏小,導(dǎo)致電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)非換相相電流補(bǔ)償不足,造成電機(jī)高速段運(yùn)行下相電流控制不理想。

圖6是在低速段、轉(zhuǎn)速為500 r/min、負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.1 N·m時(shí)相電流脈動(dòng)情況。其中,傳統(tǒng)換相控制策略控制下的相電流波動(dòng)情況如圖6(a)所示,加入本文換相控制策略后的相電流波動(dòng)情況如圖6 (b)所示。

圖7是電機(jī)在相同負(fù)載下以1 900 r/min時(shí)非換相相電流脈動(dòng)情況。其中,在圖7(a)中傳統(tǒng)換相控制抑制效果比本文效果差。在圖7(b)中加入本文所提的換相控制方法后,換相時(shí)刻非換相相電流瞬間跌落得到很好的補(bǔ)償,非換相相電流僅有微小的換相電流脈動(dòng),抑制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

圖6 500 r/m in時(shí)非換相相電流脈動(dòng)波形Fig.6 Current fluctuation waveform of 500 r/m in

圖7 2000 r/m in時(shí)非換相相電流脈動(dòng)波形Fig.7 Current fluctuation waveform of 2 000 r/m in

為驗(yàn)證該方法在負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變情況下的有效性,以轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、負(fù)載轉(zhuǎn)矩從輕載(0.05 N ·m)突增至0.15 N·m,截取相電流上升過(guò)程如圖8所示。其中,圖8下部分為陰影中紅色框圖區(qū)域放大結(jié)果。據(jù)圖8中紅色放大區(qū)域結(jié)果可知,在相電流上升期間,換相時(shí)刻相電流運(yùn)行平穩(wěn),基本無(wú)脈動(dòng)。據(jù)式(17)定量分析,在負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變情況下,相電流脈動(dòng)系數(shù)和負(fù)載恒定時(shí)基本保持一致,表明該方法在負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時(shí)也有很好的適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法在轉(zhuǎn)矩負(fù)載突變時(shí)對(duì)換相電流脈動(dòng)具有很好的抑制能力。

圖8 負(fù)載突變時(shí)非換相相電流脈動(dòng)波形Fig.8 Current fluctuation waveform of load sudden change

以上實(shí)驗(yàn)表明,采用該方法的無(wú)刷直流電機(jī)非換相相電流脈動(dòng)在電機(jī)全速段均有良好抑制效果,相比于傳統(tǒng)相電流抑制方法,該方法在高速區(qū)對(duì)相電流抑制效果更加明顯,因此可有效抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。采用該方法的電機(jī)在全速段和負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時(shí)均穩(wěn)定運(yùn)行并對(duì)非換相相電流脈動(dòng)有良好的抑制效果,表明該方法具有很好的適應(yīng)性和可靠性。

3 結(jié) 論

針對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題,提出一種考慮電樞電阻的換相電流控制新方法。在建立并分析換相時(shí)刻三相電流數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上提出通過(guò)控制換相時(shí)刻關(guān)斷相占空比,實(shí)現(xiàn)換相時(shí)刻導(dǎo)通相和關(guān)斷相電流變化速率相等目標(biāo),保證非換相相電流恒定,進(jìn)而有效降低換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

相比其他無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法,該方法主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):

1)在換相時(shí)刻考慮電樞電阻對(duì)換相電流影響,使該方法對(duì)換相時(shí)刻相電流控制精確,換相電流脈動(dòng)顯著減小。

2)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算不依賴(lài)于相電流、線(xiàn)電壓或反電動(dòng)勢(shì),使該方法無(wú)需增加硬件,更適合低成本控制系統(tǒng)。

3)換相控制策略無(wú)需區(qū)分低速段和高速段且相電流脈動(dòng)均具有明顯抑制效果。

［1］ 潘雷,孫鶴旭,王貝貝,等.基于單神經(jīng)元自適應(yīng)PID的無(wú)刷直流電機(jī)反電勢(shì)與磁鏈觀測(cè)及無(wú)位置傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2014,18(5):69-75. PAN Lei,SUN Hexu,WANG Beibei,et al.Back-EMF and flux observation based on single neuron adaptive PID and sensorless direct torque control for brushless DCmotor［J］.Electric Machines and Control,2014,18(5):69-75.

［2］ CARLSON R,LAJOIE-MAZENC M,FAGUNDES JS.Analysis of torque ripple due to phase commutation in brushless DC machines［J］.Industry Applications,IEEE Transactions on,1992,28(3):632-638.

［3］ VISWANATHAN V,JEEVANANTHAN S.A novel Space-Vector current controlmethod for commutation torque ripple reduction of brushless DCmotor drive［J］.Arabian Journal for Science and Engineering,2013,38(10):2773-2784.

［4］ 周美蘭,高肇明,吳曉剛,等.五種PWM方式對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2013,17 (7):15-21. ZHOU Meilan,GAO Zhaoming,WU Xiaogang,etal.Influence of five kinds of PWM on commutation torque ripples in BLDCM control system［J］.Electric Machines and Control,2013,17(7): 15-21.

［5］ 齊蓉,林輝,陳明.無(wú)刷直流電機(jī)換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析與抑制［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2006,10(3):287-290,29. QIRong,LIN Hui,CHEN Ming.Analysis and attenuation on commutation torque ripples of brushless DC motor［J］.Electric Machines and Control,2006,10(3):287-290,29.

［6］ FANG Jiancheng,LIHaitao,HAN Bangcheng.Torque ripple reduction in BLDC torquemotorwith nonideal back EMF［J］.Power Electronics,IEEE Transactions on,2012,27(11):4630-4637.

［7］ LU Haifeng,LEI Zhang,QU Wenlong.A new torque control method for torque rippleminimization of BLDCmotors with Un-I-deal back EMF［J］.Power Electronics,IEEE Transactions on,2008,23(2):950-958.

［8］ XIA Changliang,XIAO Youwen,WEIChen,et al.Torque ripple reduction in brushless DC drives based on reference currentoptimization using integral variable structure control［J］.Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2014,61(2):738-752.

［9］ XIA Changliang,WANG Yingfa,SHI Tingna.Implementation of Finite-Statemodel predictive control for commutation torque ripple minimization of Permanent-Magnetbrushless DCmotor［J］.Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2013,60(3):896 -905.

［10］ 楊龍,朱俊杰,王亮軍,等.無(wú)位置傳感器BLDCM換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào),2013,34(6):1285 -1292. YANG Long,ZHU Junjie,WANG Liangjun,et al.Study on commutation torque ripple suppression in BLDCM without position［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument,2013,34(6): 1285-1292.

［11］ LIN Yongkai,YENSHIN L.Pulsewidthmodulation technique for bldcm drives to reduce commutation torque ripplewithout calculation of commutation time［J］.Industry Applications,IEEE Transactions on,2011,47(4):1786-1793.

［12］ JOONGHO S,CHOY I.Commutation torque ripple reduction in brushless DCmotor drives using a single DC current sensor［J］. Power Electronics,IEEE Transactions on,2004,19(2):312-319.

［13］ 高峰,張雪鋒,季學(xué)武.考慮定子電阻的無(wú)刷電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,14(10):26-31.

GAO Feng,ZHANG Xuefeng,JIXuewu.Suppression of torque ripple due to phase commutation in brushless DC motor drives considering the stator resistance［J］.Electric Machines and Control,2010,14(10):26-31.

［14］ 石堅(jiān),李鐵才.一種消除無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的PWM調(diào)制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(24):110 -116. SHIJian,LI Tiecai.A PWM strategy to eliminate commutation torque ripple of brushless DCmotors［J］.Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering,2012,32(24):110 -116.

(編輯:賈志超)

Novel current controlmethod to suppress commutation torque ripple for brushless DC motor

YIN Shuai1,2, LüCai-qin3, MA Tie-hua1,2
(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;3.School of Mechanical and Power Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Aiming at the commutation torque ripple problem of brushless DC motor,and considering the armature resistance,a three-phase current commutation time modulation controlmethods was proposed. Themethod of“on-going phase open,off-going phase pulse width modulation,non-commutation phase maintain“control strategy was used in the motor full section during commutation.By establishing the mathematicalmodel and theoretical analysis of phase current during the commutation,the duty cycle of off-going phase relationship with themotor operating parameterswas determined,so that the slope of offgoing phase were kept equal with on-going phase to ensure no non-commutation phase current ripple. Thismethod effectively suppresses the commutation current ripple,achieves a high-speed and low-speed unified control,and avoids the problem of partition unclear.Experiment shows that the commutation currentwaveform has obvious suppression effect compared with conventional controlmethods and phase current ripple factor is suppressed in 0.1 atwhole speed range.

brushless DCmotors(BLDCM);commutation torque ripple;current control;armature resistance; whole speed range

10.15938/j.emc.2015.08.008

TM 33

A

1007-449X(2015)08-0047-06

2014-09-28

山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2013012010);山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目(2014-052)

殷 帥(1988—),男,博士研究生,研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制;呂彩琴(1968—),女,博士,教授,研究方向?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)控制;馬鐵華(1964—),男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能控制。

殷 帥