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PWM方式對無刷直流電機續(xù)流的影響

2018-04-12 03:04:20陳志輝曹志亮

電氣電子教學(xué)學(xué)報 2018年1期

陳志輝，曹志亮

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇南京 211106)

0　引言

“特種電機及其控制”課程在電氣工程及其自動化專業(yè)的課程體系中具有重要地位，內(nèi)容涉及無刷直流電動機、開關(guān)磁阻電機、步進電機以及直線電動機等[1-3]。在無刷直流電動機部分，會涉及該電動機調(diào)速控制的PWM調(diào)制技術(shù)。通常，課程中會介紹5種PWM調(diào)制方式，對非導(dǎo)通相的續(xù)流現(xiàn)象也有所提及，但對于續(xù)流的機理缺少必要的解釋，致使學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容時，感覺內(nèi)容抽象，不易掌握。為了解決該問題，筆者將無刷直流電動機的相關(guān)科研實踐成果引入課程教學(xué)中，做到課本理論與實際應(yīng)用相結(jié)合，增強學(xué)生的感性認識，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情[4，5]。

1　無刷直流電動機的常用PWM方式

1.1　三相橋式拓撲與五種PWM調(diào)制方式

無刷直流電動機用的最多的主電路為三相橋式主電路，如圖1所示，其中的電機本體部分以等效電路表示。PWM調(diào)制是控制電機相電流的有效途徑，無刷直流電動機常用的PWM方式有五種，即：

(1)on_pwm型：在120°導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，各開關(guān)管前60°恒通，后60°采用PWM調(diào)制。如圖2所示。

(2)pwm_on型：在120°導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，各開關(guān)管前60°采用PWM調(diào)制，后60°恒通。

(3)H_pwm-L_on型：在各自的120°導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋臂功率管(即T1，T3，T5)采用PWM調(diào)制，下橋臂功率管(即T4，T6，T2)恒通。

(4)H_on-L_pwm型：在各自的120°導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋臂功率管恒通，下橋臂功率管采用PWM調(diào)制。

(5)H_pwm-L_pwm型：在各自的120°導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，各功率管均進行PWM調(diào)制。

圖1　三相橋式主電路

圖2　on_pwm型PWM調(diào)制

前4種方式稱為半橋調(diào)制方式，即在每個60°區(qū)間，只有一個功率管進行PWM調(diào)制。而第五種PWM調(diào)制方式稱為全橋調(diào)制方式，即在每個60°區(qū)間，都有2個功率管(一個上橋臂功率管，一個下橋臂功率管)同時進行PWM調(diào)制。

1.2　五種PWM調(diào)制方式的特點

全橋調(diào)制方式中，每個功率管在120°導(dǎo)通區(qū)間均要進行PWM調(diào)制，功率管的總開關(guān)損耗是半橋調(diào)制方式2倍，會導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。

在半橋調(diào)制方式中，on_pwm型和pwm_on型PWM調(diào)制的每個功率管斬波頻率均為H_pwm-L_pwm型調(diào)制的一半，故每個功率管損耗均衡，但控制稍顯復(fù)雜。

H_pwm-L_on型與H_on-L_pwm型PWM調(diào)制會存在功率管斬波頻率不相等的問題，導(dǎo)致各個功率管的開關(guān)損耗不同，散熱要求也不一樣。

2 PWM調(diào)制對非導(dǎo)通相電流的影響

以圖2中[π/3，2π/3]區(qū)間內(nèi)，導(dǎo)通A+C-繞組(電流從A相流入，C相流出)的情況為例來分析各種PWM調(diào)制方式。為了分析方便，以直流電源負端作為參考電位。以下以on_pwm型PWM調(diào)制為例來說明調(diào)制方式對非導(dǎo)通相電流的影響。

如圖1所示，BLDC的相繞組電壓方程為

up=ep+ipR+Leqdip/dt

(1)

其中，下標p代表a，b或c。

當(dāng)PWM(ON)時，即進行PWM調(diào)制的上橋臂開關(guān)管T1開通時，此時，電路模態(tài)如圖3(a)所示，三相星形中點N相對于直流電源負端的電位為Udc/2。忽略功率管導(dǎo)通壓降，有：

(2)

此時的非導(dǎo)通相，即B相反電勢eb的絕對值始終小于Udc/2，從而使得B點端電壓始終在(0 ，Udc)內(nèi)，非導(dǎo)通相不存在續(xù)流。而當(dāng)PWM(OFF)時，即進行PWM調(diào)制的上橋臂開關(guān)管T1關(guān)斷，此時，電路模態(tài)如圖3(b)，經(jīng)過二極管D4和功率管T2，A、C相有續(xù)流電流流過，由于對稱性，三相中點N相對于直流電源負端的電位變?yōu)?。當(dāng)B相反電勢eb小于零時，B相端電壓也將小于零，此時B相通過下橋臂二極管D6續(xù)流，續(xù)流電流為正向電流。

(a) PWM(ON)狀態(tài) 　(b) PWM(OFF)狀態(tài)圖3　A、C相導(dǎo)通模態(tài)

從上面的分析可知，若上橋臂功率管進行PWM，當(dāng)處于PWM(OFF)階段，且在非導(dǎo)通相感應(yīng)電動勢為負時，會有正向續(xù)流電流流經(jīng)非導(dǎo)通相。類似地，而若下橋臂功率管進行PWM，當(dāng)處于PWM(OFF)階段，且在非導(dǎo)通相感應(yīng)電動勢為正時，會有負向續(xù)流電流流經(jīng)非導(dǎo)通相。

當(dāng)采用on_pwm型PWM調(diào)制方式時，相電流波形將如圖4所示，即在非導(dǎo)通區(qū)間的前30°電角度會出現(xiàn)續(xù)流電流。

圖4　on_pwm型PWM調(diào)制的電流波形

綜上所述，采用不同的PWM調(diào)制方式，會在非導(dǎo)通相產(chǎn)生不同的續(xù)流電流，而且只有在PWM(OFF)區(qū)間，才有續(xù)流電流流通。

3　不同PWM調(diào)制方式的仿真與實驗

筆者針對一個外轉(zhuǎn)子無刷直流電機樣機進行了仿真和實驗，樣機照片如圖5所示。該樣機為9槽6極結(jié)構(gòu)。

(a) 定子　　　　　 (b) 轉(zhuǎn)子圖5　外轉(zhuǎn)子無刷直流電機樣機

通過二維有限元軟件建立了該電機的仿真模型，其磁力線分布如圖6所示。

圖6　外轉(zhuǎn)子無刷直流電機空載磁力線

根據(jù)樣機的運行狀態(tài)，在設(shè)置轉(zhuǎn)速15000 rpm下對電機模型進行了仿真,仿真時分別采用H_pwm-L_on型調(diào)制、H_on-L_pwm型調(diào)制以及H_pwm-L_pwm型調(diào)制。其中，圖7(a)與圖7(b)是負載上的波形，可見在非導(dǎo)通區(qū)間出現(xiàn)了明顯的續(xù)流電流。由于斬波的功率管不同，續(xù)流電流的方向剛好相反，續(xù)流出現(xiàn)的區(qū)間也不一樣。為了說明H_pwm-L_pwm型調(diào)制會引起較大脈動電流的特點，圖7(c)給出了空載時采用H_pwm-L_pwm型調(diào)制方式的仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果可以看出，電流脈動大，但處于非導(dǎo)通區(qū)間時，不會出現(xiàn)電流續(xù)流情況。因此，仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

實驗中，控制器采用H_on-L_pwm型調(diào)制方式，得到的A相電流波形如圖8(a)所示。該電流波形與仿真波形一致。

此外，筆者還設(shè)計、制作了一個前級加Buck變換器的無刷直流電機控制器，并進行了實驗。得到的A相電流波形如圖8(b)所示。在這種控制器中，電流斬波由前級的Buck變換器實現(xiàn)，三相全橋逆變器的功率管均不需要承擔(dān)電流斬波的任務(wù)，電流波形中沒有高頻紋波，較為光滑。由于逆變器的功率管不進行PWM斬波，也就不會出現(xiàn)PWM(OFF)狀態(tài)，因此非導(dǎo)通相不會發(fā)生續(xù)流現(xiàn)象。