宋俊杰,張 廣,閆朝陽,梁晨陽

(燕山大學(xué),秦皇島066004)

0 引 言

當(dāng)前,我國面臨著嚴(yán)峻的能源危機(jī),節(jié)能減排是完成環(huán)境友好型社會目標(biāo)的必然選擇,永磁電機(jī)在這一大背景下將得到更廣泛的發(fā)展和應(yīng)用[1]。永磁無刷電機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、功率密度高且無需機(jī)械換相等優(yōu)點,在軌道交通、伺服控制、汽車電子及家用電器等工業(yè)和民用傳動領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]。

按照反電動勢波形的不同,永磁無刷電機(jī)可分為梯形波反電動勢無刷電機(jī)和正弦波反電動勢無刷電機(jī)。兩種電機(jī)有很多相似之處,同時在結(jié)構(gòu)、運(yùn)行性能、控制方法等方面也存在較大的差異[3]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)大多單獨對其中一種電機(jī)的控制方法進(jìn)行分析研究,對兩種電機(jī)進(jìn)行對比分析的文獻(xiàn)較少,鑒于此,本文對兩種反電動勢類型的無刷電機(jī)在理論與實驗兩方向,進(jìn)行了系統(tǒng)的對比和分析,歸納了兩者的異同,以期為在工業(yè)應(yīng)用中的電機(jī)選型和控制設(shè)計提供借鑒,為此兩類電機(jī)的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩脈動和調(diào)制策略的深入研究提供參考。

1 無刷直流電機(jī)與永磁同步電機(jī)的定義

無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)均有反電動勢,根據(jù)電機(jī)反電動勢的不同,國內(nèi)外對無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)的定義有兩種[4]:其一,文獻(xiàn)[5-6]認(rèn)為無刷直流電機(jī)應(yīng)只包含梯形波反電動勢無刷電機(jī),而永磁同步電機(jī)應(yīng)只包含正弦波反電動勢無刷電機(jī);其二,文獻(xiàn)[7]認(rèn)為無論是梯形波反電動勢無刷電機(jī)還是正弦波反電動勢無刷電機(jī)都應(yīng)稱為無刷直流電機(jī)。盡管各文獻(xiàn)采用了不同的定義方法,但現(xiàn)在國內(nèi)外文獻(xiàn)大多采用文獻(xiàn)[5]的定義來區(qū)分無刷直流電機(jī)與永磁同步電機(jī)。本文認(rèn)為采用文獻(xiàn)[5]的定義方法是較為科學(xué)易懂和實用一種定義。

2 無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)對比

梯形波反電動勢無刷電機(jī)與正弦波反電動勢無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)相似,兩者均在直流電機(jī)的基礎(chǔ)上對調(diào)定子和轉(zhuǎn)子,把永磁體裝在轉(zhuǎn)子上,電樞繞組安裝在定子上,并采用電子換相取代碳刷接觸式換相,從而實現(xiàn)無刷化。兩者均是由電力電子開關(guān)線路(逆變器)、無刷電機(jī)本體及位置檢測裝置組成[1],其原理框圖如圖1所示。

圖1 無刷電機(jī)原理框圖

無刷電機(jī)具有與感應(yīng)電機(jī)類似的定子構(gòu)造,其電樞繞組也可采用星形聯(lián)結(jié)或三角形聯(lián)結(jié),在綜合考慮提高性能和節(jié)約成本的前提下,采用電樞繞組三相對稱星形聯(lián)結(jié)、無中性點引出聯(lián)結(jié)方式可達(dá)到滿意的效果[1]。無刷電機(jī)的繞組形式主要有短距分布式繞組、整距集中繞組、整距分布式繞組等[8]。由于反電動勢波形和驅(qū)動相電流波形不同,兩種電機(jī)本體結(jié)構(gòu)也有所差異,為了提高繞組利用率,梯形波反電動勢無刷電機(jī)多采用集中整距繞組,正弦波反電動勢無刷電機(jī)常采用短距分布繞組、分?jǐn)?shù)槽和正弦繞組來減少轉(zhuǎn)矩脈動。

轉(zhuǎn)子激磁磁場在空間分布受轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁體幾何形狀不同的影響,其在定子繞組中產(chǎn)生的反電動勢波形會存在差異。梯形波反電動勢無刷電機(jī)采用瓦片形狀的永磁體來產(chǎn)生梯形的磁通密度,從而產(chǎn)生梯形波反電動勢;而正弦波反電動勢無刷電機(jī)采用拋物線形狀永磁體來產(chǎn)生正弦波的磁通密度,從而產(chǎn)生正弦波反電動勢[3]。在電機(jī)設(shè)計中不可避免會存在齒槽效應(yīng),而齒槽轉(zhuǎn)矩脈動是引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的主要原因之一。為減少齒槽轉(zhuǎn)矩脈動,兩種反電動勢類型電機(jī)定子槽口設(shè)計通常采用斜槽、輔助槽、分?jǐn)?shù)槽、斜極及減小槽口寬度法等。

3 運(yùn)行原理對比

梯形波反電動勢無刷電機(jī)多采用方波電流控制,電機(jī)工作在三相六狀態(tài)模式。每一時刻只有兩相繞組通電,每個電氣周期存在6種不同的開關(guān)組合對應(yīng)6個工作狀態(tài)。按照轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號的不同邏輯組合,可以合成電機(jī)所需的換相信號,每隔60°電角度繞組進(jìn)行一次換相,合成磁動勢相應(yīng)地步進(jìn)60°電角度。在一個電周期內(nèi),每個開關(guān)管順次導(dǎo)通120°電角度,這樣通過霍爾位置傳感器提供的位置信號的簡單組合就能滿足驅(qū)動系統(tǒng)要求,其傳感器結(jié)構(gòu)較簡單,分辨率也較低。

梯形波反電動勢無刷電機(jī)的反電動勢包含較多的高次諧波,繞組間互感是非線性關(guān)系,在分析和仿真計算中,一般直接采用相變量法建立數(shù)學(xué)模型,對于繞組星形連接電機(jī),忽略定子齒槽和電樞反應(yīng)對氣隙磁通的影響,電機(jī)定子磁路不飽和,梯形波反電動勢無刷電機(jī)的各相繞組電壓平衡方程:

式中:UA,UB,UC為三相電子電壓;iA,iB,iC為三相定子電流;eA,eB,eC為三相相反電動勢;r為每相電阻;L為繞組自感;M為繞組間互感。

由于假設(shè)電機(jī)定子電樞采用星形連接,三相繞組對稱,所以三相繞組電流:

因而有,所以電壓平衡方程經(jīng)整理可得:

正弦波反電動勢無刷電機(jī)為實現(xiàn)平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩輸出,需要采用三相對稱正弦波電流供電。在梯形波反電動勢無刷電機(jī)中只需得到6個離散的轉(zhuǎn)子位置信息就可得到換相信號,而在正弦波反電動勢無刷電機(jī)中為獲取同轉(zhuǎn)子磁場同步的位置信號,需要采用高分辨率的轉(zhuǎn)子位置傳感器來獲取連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信息,常用的有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、磁編碼器等,其控制電路比梯形波反電動勢無刷電機(jī)復(fù)雜,成本也更高。將得到的轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)過相應(yīng)的處理,可獲取控制逆變器的驅(qū)動信號,由此得到近似正弦的定子電流,從而使正弦波反電動勢無刷電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場保持相對靜止,達(dá)到同步運(yùn)行的目的。

正弦波反電動勢無刷電機(jī)是一個多變量、強(qiáng)耦合、非線性的系統(tǒng),假設(shè)電機(jī)定子三相繞組完全對稱,轉(zhuǎn)子每相磁勢正弦分布于氣隙,忽略磁心飽和,同時不計渦流和磁滯損耗的影響。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,正弦波反電動勢無刷電機(jī)定子電壓方程:

式中:Ud,Uq分別為定子d,q軸電壓;id,iq分別為定子d,q軸電流;R為定子電阻;Ld,Lq分別為定子d,q軸電感;ψf為永磁體磁鏈;ω為轉(zhuǎn)子電角速度[9]。

按有無轉(zhuǎn)子位置傳感器分類,無刷電機(jī)可分為有位置傳感器無刷電機(jī)和無位置傳感器無刷電機(jī)。傳統(tǒng)有位置傳感器無刷電機(jī)通過轉(zhuǎn)子位置傳感器得到轉(zhuǎn)子位置信息,這樣在增加了電機(jī)的體積和成本的同時還會降低系統(tǒng)的可靠性[10]。采用無位置傳感器控制可減小無刷電機(jī)體積,同時可提高電機(jī)的可靠性和抗干擾能力,因此對無位置傳感器技術(shù)的研究日漸成為熱點。目前無位置傳感器無刷電機(jī)采用的控制方法主要有:反電動勢法、磁鏈法、續(xù)流二極管法、電感法及智能方法,在這些方法中,反電動勢法只適用于梯形波反電動勢無刷電機(jī),其他方法兩種電機(jī)均適用。

4 轉(zhuǎn)矩脈動對比

對于高精度的應(yīng)用場合,電機(jī)轉(zhuǎn)矩平滑是其基本要求,另外,轉(zhuǎn)矩脈動是電機(jī)產(chǎn)生振動與噪聲的重要原因[11-12],因此轉(zhuǎn)矩脈動一直是眾多學(xué)者研究的熱點。梯形波反電動勢無刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的原因主要有:(1)由于電機(jī)制造與設(shè)計方面的原因,非理想反電動勢波形平頂與方波電流平頂寬度不一致引起電磁轉(zhuǎn)矩脈動;(2)齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動;(3)電樞反應(yīng)造成氣隙主磁場畸變引起轉(zhuǎn)矩脈動;(4)由于電機(jī)為感性負(fù)載,換相期間電流變化引起換相轉(zhuǎn)矩脈動;(5)電機(jī)定轉(zhuǎn)子、繞組尺寸等設(shè)計不準(zhǔn)確原因引起的轉(zhuǎn)矩脈動[13]。即使一臺機(jī)械工藝加工良好的梯形波反電動勢無刷電機(jī),在運(yùn)行時也會存在較大的換相轉(zhuǎn)矩脈動。由于這一缺點,此類電機(jī)不適合應(yīng)用于對電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性要求高的場合。

對于正弦波反電動勢無刷電機(jī),電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動主要包括以下4方面:(1)電樞反應(yīng)造成的氣隙主磁場畸變引起的電磁轉(zhuǎn)矩脈動;(2)由于磁路飽和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動;(3)由于齒槽存在造成的氣隙不均勻引起的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動;(4)反電動勢與定子電流含有高次諧波,使得反電動勢與定子電流非正弦化,引起轉(zhuǎn)矩脈動[14]。正弦波反電動勢無刷電機(jī)采用正弦波控制時,基本不存在換相轉(zhuǎn)矩脈動,更適合應(yīng)用于高精度伺服驅(qū)動場合。

5 控制策略對比

電機(jī)的控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有反饋環(huán)節(jié),所以不具備跟蹤能力和自動修正能力,對于高精度的控制系統(tǒng)需要采用閉環(huán)控制策略。為提高系統(tǒng)控制精度,減小轉(zhuǎn)矩脈動,梯形波反電動勢無刷電機(jī)可采用多種控制策略,包括PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自抗擾控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等控制技術(shù)[1]。各種不同的控制方法各有其優(yōu)點,其中,PID控制是閉環(huán)基本控制方法;滑模變結(jié)構(gòu)控制具有穩(wěn)定性好、魯棒性強(qiáng)和良好的動態(tài)品質(zhì)及容易實現(xiàn)等優(yōu)點[15];自抗擾控制器是基于狀態(tài)觀測及擾動補(bǔ)償?shù)姆蔷€性控制器,控制精確,魯棒性強(qiáng),可以保證平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩輸出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制采用自校正調(diào)節(jié)模型,不需預(yù)知電機(jī)的精確參數(shù),且能夠?qū)Νh(huán)境變化快速響應(yīng),對抑制電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動有較好的效果,且有較高的精度[4]。

正弦波反電動勢無刷電機(jī)控制方案主要有兩種:直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制。矢量控制的核心是通過坐標(biāo)變換將定子三相電流變換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的激磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量,并分別對其進(jìn)行控制,從而得到類似直流電機(jī)那樣良好的動態(tài)特性。按照控制目標(biāo)的不同,矢量控制可分為勵磁電流id=0控制、功率因數(shù)cosφ=1控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制、弱磁控制等。直接轉(zhuǎn)矩控制以電機(jī)轉(zhuǎn)矩為直接控制目標(biāo),在保持定子磁鏈幅值恒定的基礎(chǔ)上,通過迅速改變轉(zhuǎn)矩角,達(dá)到直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的,也有的研究學(xué)者針對直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動問題,將滑模變結(jié)構(gòu)及模糊控制等控制方法應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),直接轉(zhuǎn)矩控制因其對電機(jī)參數(shù)依賴低、魯棒性好、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快等特點而受到廣泛關(guān)注[16]。整體而言,經(jīng)典控制理論由于技術(shù)比較成熟,在調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛,新的控制策略針對電機(jī)控制中某些方面的缺陷進(jìn)行了改進(jìn),其應(yīng)用范圍將逐漸擴(kuò)大。

在基速以下,無刷電機(jī)可通過PWM技術(shù)改變逆變器開關(guān)管占空比實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速;而在基速以上,開關(guān)管占空比已為最大,此時端電壓已調(diào)至最大,無法通過PWM技術(shù)繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速。在調(diào)速范圍較寬的應(yīng)用場合,常采用恒功率弱磁調(diào)速技術(shù)擴(kuò)寬調(diào)速范圍,正弦波反電動勢無刷電機(jī)可通過合適的控制策略產(chǎn)生去磁的電樞反應(yīng)達(dá)到等效弱磁。梯形波反電動勢無刷電機(jī)主要通過超前換相實現(xiàn)弱磁調(diào)速,但由于梯形氣隙磁通分布的斜邊區(qū)域有限,導(dǎo)致超前換相角度有限,限制了其擴(kuò)速范圍。在逆變器容量和電機(jī)輸出功率相同的情況下,正弦波反電動勢無刷電機(jī)比梯形波反電動勢無刷電機(jī)調(diào)速范圍更廣,因此正弦波反電動勢無刷電機(jī)更適合寬范圍調(diào)速應(yīng)用場合。

6 機(jī)械特性對比

無刷直流電機(jī)機(jī)械特性是指在保持電動機(jī)端電壓恒定的情況下,電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem之間關(guān)系的曲線。忽略功率管的管壓降,電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時,由電機(jī)原理可得:

將代入式(6),可得機(jī)械特性方程:

在無刷直流電機(jī)中故式(7)可以改寫:

式中:Ke為無刷直流電機(jī)的電勢系數(shù);ra為繞組電阻;U為母線電壓。式(8)表明無刷直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線近似為直線。由無刷直流電機(jī)的機(jī)械特性可知,改變直流母線電壓大小即可實現(xiàn)對空載轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),因此,無刷直流電機(jī)常采用PWM調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)速。

借助梯形波反電動勢的計算方法,通過面積等效原則將正弦波反電動勢波形在電流導(dǎo)通期間等效成梯形波。設(shè)等效后的電勢系數(shù)為Ke1,電機(jī)轉(zhuǎn)速為n,則有:

則由電勢系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)的關(guān)系可知,在電流相同的情況下,正弦波反電動勢無刷電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩變小了。將其代入式(8)得正弦波反電動勢無刷電機(jī)在方波驅(qū)動下的機(jī)械特性表達(dá)式:

由此可見,正弦波反電動勢無刷電機(jī)在方波驅(qū)動下的空載轉(zhuǎn)速高于梯形波反電動勢無刷電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速,機(jī)械特性軟于梯形波反電動勢無刷電機(jī)[17]。因此,開環(huán)情況下,正弦波反電動勢無刷電機(jī)帶載能力不如梯形波反電動勢無刷電機(jī)。所以在負(fù)載變化范圍較大的應(yīng)用場合,對正弦波反電動勢無刷電機(jī)的控制要求較高。

7 實驗波形對比

分別對采用方波控制的梯形波反電動勢無刷電機(jī)和采用矢量控制的正弦波反電動勢無刷電機(jī)進(jìn)行實驗研究,實驗結(jié)果如圖2所示,圖2中左側(cè)為梯形波反電動勢無刷電機(jī)波形,右側(cè)為正弦波反電動勢無刷電機(jī)波形。圖2(a)為反電動勢波形對比,由反電動勢可明顯區(qū)分梯形波和正弦波;圖2(b)為相電流波形對比,梯形波反電動勢無刷電機(jī)由于存在換相轉(zhuǎn)矩脈動,不是標(biāo)準(zhǔn)的方波,正弦波反電動勢無刷電機(jī)電流波形基本為正弦波;圖2(c)為線電壓波形對比,梯形波反電動勢無刷電機(jī)電壓波形包含窄脈沖,是由換相時刻續(xù)流二極管導(dǎo)通引起的電壓突變所致,窄脈沖寬度為換相時刻;圖2(d)為三相霍爾位置信號對比,兩者差別不大,每相都是180°的方波信號,三相互差120°。

圖2 無刷電機(jī)實驗波形

8 結(jié) 語

本文詳細(xì)對比了兩種類型電機(jī)的異同點,做了系統(tǒng)的理論比較分析,通過理論及實驗研究,可得到如下結(jié)論:(1)梯形波反電動勢無刷電機(jī)常采用整距集中繞組來產(chǎn)生梯形波反電動勢。正弦波反電動勢無刷電機(jī)需采用短距分布繞組或分?jǐn)?shù)槽繞組,工藝復(fù)雜。(2)梯形波反電動勢無刷電機(jī)控制方法簡單,控制器成本低,正弦波反電動勢無刷電機(jī)常采用矢量控制,控制算法較復(fù)雜。(3)梯形波反電動勢無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低,正弦波反電動勢無刷電機(jī)需要高分辨率的轉(zhuǎn)子位置傳感器。(4)在對轉(zhuǎn)矩脈動要求不高的場合應(yīng)用,梯形波反電動勢無刷電機(jī)由于控制簡單,可優(yōu)先選用。在高精度伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用正弦波反電動勢無刷電機(jī),并采取一定的控制策略,達(dá)到電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。(5)正弦波反電動勢無刷電機(jī)調(diào)速范圍更廣,更適合寬范圍調(diào)速系統(tǒng)。

通過對兩種電機(jī)在結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理、轉(zhuǎn)矩脈動、調(diào)制策略及機(jī)械特性等方面的對比,闡明了兩者的異同之處,在一定程度上為工業(yè)應(yīng)用中電機(jī)選型和控制設(shè)計提供了參考。

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