盧 佳,趙鵬祿,吳 潔,周 洋,馬佳興,高 愷

(江蘇大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

無刷直流電機(jī)是用電子換向器代替?zhèn)鹘y(tǒng)有刷電機(jī)的新型電機(jī)。相較于傳統(tǒng)有刷電機(jī),它不僅具有質(zhì)量輕盈、使用壽命長、工作效率高的優(yōu)點(diǎn),還具有更高的輸出轉(zhuǎn)矩和體積比。因此,無刷直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用于對(duì)電機(jī)大小要求較高的場(chǎng)合,如電動(dòng)摩托車的電機(jī)等。這對(duì)于無刷電機(jī)的穩(wěn)定性以及可靠性研究極具現(xiàn)實(shí)意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)宋煜[1]研究表明:在對(duì)正弦波和方波驅(qū)動(dòng)的研究中,發(fā)現(xiàn)方波驅(qū)動(dòng)可以減少20%轉(zhuǎn)矩脈動(dòng);通過控制相電壓,使相電壓盡可能靠近正弦波,可將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)從14%降低到3.4%;對(duì)于非理想反電動(dòng)勢(shì)波形無刷直流電機(jī)的研究中發(fā)現(xiàn),正弦波驅(qū)動(dòng)和方波驅(qū)動(dòng)都會(huì)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),而正弦波驅(qū)動(dòng)的方式將有效減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?？梢娬也ㄐ盘?hào)輸入有一定的優(yōu)越性,而本文針對(duì)正弦波信號(hào)的優(yōu)越性,創(chuàng)新性切換研究角度,主要研究負(fù)載轉(zhuǎn)矩部分,相較于方波信號(hào),正弦波輸入提高無刷電機(jī)的穩(wěn)定性。

2 關(guān)鍵技術(shù)(方法)介紹

本實(shí)驗(yàn)忽略渦流,磁滯損失等問題,采用理想無刷直流電機(jī)仿真,其無刷電機(jī)內(nèi)部電壓平衡方程如下:

式中,uL1,uL2,uL3為電機(jī)定子繞組三相相電壓;iL1,iL2,iL3為電機(jī)定子三相繞組相電流;eL1,eL2,eL3電機(jī)定子繞組三相反電勢(shì);r為電機(jī)定子繞組電阻;L為定子繞組的自感;M為定子繞組的互感;p為微分算子 。

電磁轉(zhuǎn)矩方程式為:Te=(eaia+ebib+ecic)/ω

2.1 模型介紹

為了保證實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性和可靠性,本實(shí)驗(yàn)調(diào)用了Matlab軟件中自帶的無刷電機(jī)模型,此模型中,參考速度為3 000 rpm,原始模型如圖1所示。

圖1 原始無刷電機(jī)模型

2.2 初步實(shí)驗(yàn)

針對(duì)現(xiàn)有模型,本文進(jìn)行了初步的仿真實(shí)驗(yàn),仿真所用負(fù)載轉(zhuǎn)矩為周期0.02 s,幅值為3 A的方波信號(hào),其他具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見模型簡介部分[2]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,定子電流初始波動(dòng)峰值為20 A;穩(wěn)定后,仍然呈現(xiàn)類周期性波動(dòng),波動(dòng)幅值為4.5 A,波動(dòng)較為激烈。電壓方面,初步波動(dòng)后,最終呈現(xiàn)類周期性波動(dòng),幅值為200 V左右,具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 定子電流和電壓的初步仿真結(jié)果

2.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)部分,筆者將負(fù)載轉(zhuǎn)矩(Tm)變?yōu)榱说确?同周期的正弦波信號(hào)(I=3 A,W=31.4 rad/s),同時(shí)進(jìn)行相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn),取得一定效果,具體電路模型如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的具體仿真實(shí)驗(yàn)電路

2.4 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)優(yōu)化模型,本文進(jìn)行了進(jìn)一步的仿真實(shí)驗(yàn),仿真所用負(fù)載轉(zhuǎn)矩為周期0.02 s,幅值為3 A的正弦波信號(hào)[3]?？梢钥吹?電流初始波動(dòng)峰值為20 A,穩(wěn)定后,仍然呈現(xiàn)類周期性波動(dòng),波動(dòng)幅值為3 A左右,但是波動(dòng)情況相較于方波信號(hào),明顯更加平穩(wěn);而電壓方面,初步波動(dòng)后,最終呈現(xiàn)類周期性波動(dòng),幅值為200 V左右,與方波信號(hào)類似具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 定子電流和電壓的優(yōu)化仿真結(jié)果

2.5 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)小結(jié)

實(shí)驗(yàn)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)部分,主要講負(fù)載轉(zhuǎn)矩由原來的方波信號(hào)變?yōu)榈确?。同周期的正弦波信?hào),實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,相較于方波信號(hào)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,同條件的正弦波信號(hào)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在定子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩等方面都有顯著提升穩(wěn)定性的表現(xiàn)。本仿真實(shí)驗(yàn),可以得出,同條件正弦波信號(hào)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將更有利于無刷直流電機(jī)的相關(guān)穩(wěn)定性調(diào)試的結(jié)論,實(shí)驗(yàn)主體研究目的達(dá)成[4]。

3 結(jié)語

本文給出了一種優(yōu)化無刷電機(jī)穩(wěn)定性的方案,具體為將負(fù)載轉(zhuǎn)矩由方波信號(hào)變?yōu)橥瑮l件正弦波信號(hào)。仿真結(jié)果顯示,優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性明顯優(yōu)于原有的方波信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)具有一定現(xiàn)實(shí)意義,但由于各種限制,本實(shí)驗(yàn)對(duì)于此現(xiàn)象機(jī)理包括無刷電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的研究以及提供正弦信號(hào)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的可行性研究涉及較少,有待進(jìn)一步深入[5]。綜上所述,本實(shí)驗(yàn)提供了一種新型穩(wěn)定性優(yōu)化方案,對(duì)無刷直流電機(jī)的穩(wěn)定性優(yōu)化具有一定的研究價(jià)值和意義。