黃松柏，田燕飛

(1.湖北理工學(xué)院，黃石435003;2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州510006)

0 引 言

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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)效率高和調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)在發(fā)展最快的一類電機(jī)，在各種家用電器、航空領(lǐng)域以及傳動(dòng)控制領(lǐng)域等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1－2］。但是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，限制了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的推廣和應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲的研究并不多。

以前無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制主要采用方波驅(qū)動(dòng)方案，該驅(qū)動(dòng)方案在換相時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流突變，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生較大的噪聲?，F(xiàn)在電機(jī)控制技術(shù)的越發(fā)成熟，主要采用正弦波驅(qū)動(dòng)控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的方式。采用正弦波驅(qū)動(dòng)控制方式時(shí)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流波形為正弦波，可以有效抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，降低電機(jī)噪聲［3－4］。

本文設(shè)計(jì)了一種基于FCM8531 雙核控制器和FSBS10CH60 驅(qū)動(dòng)器的正弦波驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，噪聲小、效率高，能有效實(shí)現(xiàn)正弦波控制三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。并利用ANSYS/Maxwell 分析軟件建立了電機(jī)的二維有限元模型，結(jié)合電機(jī)磁極偏移技術(shù)，降低電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，試制了樣機(jī)。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明:采用FCM8531 雙核控制器與磁極偏移技術(shù)結(jié)合的方法可有效抑制電機(jī)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，對(duì)電機(jī)控制及設(shè)計(jì)有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 正弦波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

本文針對(duì)電機(jī)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款額定電壓300 V、額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min、輸出功率150 W 的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。其中電機(jī)控制部分是以FCM8531 雙核控制器和FSBS10CH60 驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建正弦波控制核心;本體通過(guò)ANSYS/Maxwell 有限元分析軟件，計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極最佳偏移角度，降低電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值，達(dá)到降低電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲的目的。電機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2 控制系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)

2.1 供電部分設(shè)計(jì)

通過(guò)分析可知，該控制系統(tǒng)需要不同的電壓，電機(jī)母線需要300 V 直流電壓，F(xiàn)SBS10CH60 驅(qū)動(dòng)器需要15 V 直流電壓，所以系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)了300 V 和15 V 直流電壓。

通過(guò)220 V 電網(wǎng)交流電壓整流濾波后得到300 V 直流電壓，如圖2 所示。為了得到優(yōu)質(zhì)的工作電壓，在整流橋中加入了濾波去噪的設(shè)計(jì)，并且在220 V 交流輸入端串聯(lián)一個(gè)阻值為10 Ω 的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和并聯(lián)一個(gè)470 V 的壓敏電阻，以抑制高頻工作的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的浪涌電流和電壓［5］。為了降低高頻共模噪聲，還分別在輸入零線和火線上串一個(gè)電感。

圖2 300 V 直流電源電路

IPM 驅(qū)動(dòng)用的15 V 直流電壓可由小功率開(kāi)關(guān)電源集成芯片AP8012 獲得。AP8012 是一款寬電壓輸入、輸出的電源芯片，其輸入電壓范圍為85 ～265 V，輸出電壓范圍是9 ～36 V。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和研究，在本系統(tǒng)中可用電機(jī)母線300 V 電壓串聯(lián)一個(gè)47 Ω、1/2 W 的電阻對(duì)其供電［6］。其具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3 所示。

圖3 15 V 直流電源電路

2.2 正弦波控制和驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

正弦波控制電路采用飛兆開(kāi)發(fā)的具有并行處理核心的FCM8531 雙核型電動(dòng)機(jī)控制器，F(xiàn)CM8531 的兩個(gè)并行處理器分別是電動(dòng)機(jī)控制器(AMC)和嵌入式微控制器(MCU)，其中AMC 是一個(gè)基于硬件的電動(dòng)機(jī)控制器，外加一個(gè)可以配置為數(shù)種專用電機(jī)控制算法的可配置處理內(nèi)核，可以直接對(duì)各種電動(dòng)機(jī)控制;嵌入式MCU 與MSC51 具有兼容功能，可以向AMC 提供電動(dòng)機(jī)的控制指令，執(zhí)行電動(dòng)機(jī)控制，還管理外部的通信接口，如GPIO，UART，SPI等。這兩個(gè)處理器雖然集成在一個(gè)單芯片中，但是又獨(dú)立工作，通過(guò)具有特別功能的寄存器(MSFR)搭建二者之間的對(duì)話平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)二者之間相互通信，并且可以通過(guò)有助于避免系統(tǒng)掛機(jī)并增強(qiáng)硬件保護(hù)的內(nèi)部通信接口協(xié)作進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。FCM8531 通過(guò)其集成式硬件控制器和MCU 接口管理功能，大大地減少了軟件負(fù)擔(dān)，提高了電動(dòng)機(jī)負(fù)載響應(yīng)速度，增強(qiáng)了電機(jī)的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)高效可靠的控制。其中雙核心混合構(gòu)架如圖4 所示。

圖4 FCM8531 的雙核心模擬和數(shù)字混合架構(gòu)

FCM8531 混合了模擬和數(shù)字的架構(gòu)方式，相較于單純采用DSP 的數(shù)字控制方式，具有特有的優(yōu)勢(shì):其一能減少軟件工作量，因?yàn)榭蛻艨梢灾苯邮褂蔑w兆半導(dǎo)體存儲(chǔ)在AMC 中的軟件庫(kù)，其就可以執(zhí)行FOC 和DQ 控制等復(fù)雜算法;其二，兩個(gè)處理器相互獨(dú)立，避免了系統(tǒng)中斷產(chǎn)生相互影響;其三，AMC 是硬件內(nèi)核，能硬件實(shí)時(shí)逐周期電流保護(hù)檢測(cè)PWM信號(hào)，能在微秒內(nèi)關(guān)斷PWM 信號(hào)，防止系統(tǒng)被損壞。

該器件也適合解決風(fēng)扇啟動(dòng)抖動(dòng)和泵具有噪聲和低效率問(wèn)題，并且該芯片還具有多種硬件的保護(hù)功能，如過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。該芯片能夠?yàn)樗泄收夏Ｊ教峁┛焖俚捻憫?yīng)，同時(shí)嵌入式MCU 還可實(shí)現(xiàn)各種額外功能。電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 正弦波控制電路設(shè)計(jì)圖

正弦波驅(qū)動(dòng)電路采用飛兆先進(jìn)的智能功半模塊FSBS10CH60，它是一款結(jié)構(gòu)賢湊、性能高效的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該模塊組合了優(yōu)化的保護(hù)電路和與低損耗的IGBT 相匹配的驅(qū)動(dòng)IC。通過(guò)集成欠壓閉鎖和短路保護(hù)功能，提升了系統(tǒng)可靠性。內(nèi)置的高速高壓集成電路(HVIC)提供了無(wú)需光耦(光電耦合器)的單電源IGBT 門極驅(qū)動(dòng)能力，縮小逆變器系統(tǒng)的整體尺寸。由于采用了分立的負(fù)端子，從而還可獨(dú)立檢測(cè)逆變器的每一相電流。該系統(tǒng)體積小，運(yùn)行可靠，智能化高。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 正弦波驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，永磁體和有槽電樞鐵心相互作用，會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，引起振動(dòng)和噪聲。然而采用永磁體偏移一定的小角度，可消弱電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩幅值，抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，有減小振動(dòng)降低噪聲的效果［7］。

3.1 齒槽轉(zhuǎn)矩抑制的理論分析

磁極偏移一定的小角度會(huì)降低齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值。假設(shè)在真空狀態(tài)，電樞鐵心中磁導(dǎo)率為無(wú)窮大時(shí)，可以假定認(rèn)為電動(dòng)機(jī)內(nèi)儲(chǔ)存的能量為電動(dòng)機(jī)氣隙內(nèi)的能量和，即:

式中:μ0為真空中的磁導(dǎo)率;(θ)為永磁體的剩磁密度;g(θ，α)為有效的氣隙長(zhǎng)度分布;hm為永磁體的充磁方向長(zhǎng)度。

齒槽轉(zhuǎn)矩在不通電的情況下永磁電機(jī)的永磁體與鐵心之間的相互作用力，可表示是磁共能W 與位置角α 的導(dǎo)數(shù)，即:

圖7 永磁體不對(duì)稱時(shí)B2r(θ)示意圖

［hm/(hm+g(θ，α)］2的傅里葉展開(kāi)表達(dá)式:

式中:Z 為定子槽數(shù)。

將式式(1)、式(3)、式(4)代入式(2)后磁極偏移的齒槽轉(zhuǎn)矩可表示:

式中:LFe為鐵心長(zhǎng)度;R1為電樞外徑;R2為定子磁軛內(nèi)徑。

Branz和Brbnz可表示:

式中:αp為極弧系數(shù)。

對(duì)稱的永磁體可看作為一種特別情況，即θk=0。此時(shí)Brbnz恒為零，整理Branz得:

只有當(dāng)n 為Np倍數(shù)時(shí)，Branz才不為零，Np滿足:

式中:GCD(z，2p)為2p 和z 的最大公約數(shù)。

對(duì)比式(6)、式(7)、式(8)可以發(fā)現(xiàn)，Branz和Brbnz各次諧波的幅值與n 有關(guān)，可以從消弱Branz和Brbnz的幅值入手，消弱各次諧波的幅值，從而達(dá)到降低齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。本文利用ANSYS 有限元分析軟件，仿真找到最優(yōu)的磁極偏移角度，從而電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩能夠得到明顯抑制［7－9］。

3.2 磁極偏移角度的選擇

利用有限元分析軟件，仿真不同的磁極偏移角度對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，找出最小齒槽轉(zhuǎn)矩時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳磁極偏移角度，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖8 所示。通過(guò)對(duì)比分析磁極1、4 順時(shí)針偏移θ，磁極2、5 逆時(shí)針偏移θ;磁極3、6 不動(dòng)。

圖8 磁極偏移圖

磁極偏移不同角度，齒槽轉(zhuǎn)矩的值就不一樣，θ分別為0°、0. 5°、1°、1. 5°、2°、2. 5°、3°、3. 5°、4°、4.5°、5°時(shí)，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值有一定的變化規(guī)律。首先隨著偏移角度的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值減小，偏移到了一定角度后，隨著偏移角度的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值反而增大。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)θ 為3°時(shí)，該款電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩幅值最小，其值為3 mN·m，為磁極沒(méi)偏移前的9.5%左右，齒槽轉(zhuǎn)矩波形對(duì)比如圖9 所示。

圖9 最佳磁極偏移角度齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖

由以上分析和仿真可知，一定范圍內(nèi)的磁極偏移角度可以有效地削弱無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，改善電機(jī)本體的性能。

4 樣機(jī)制作與試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)噪聲的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上文的分析與仿真，制作了基于FCM8531雙核控制器正弦波控制結(jié)合磁極偏移技術(shù)的樣機(jī)，樣機(jī)本體如圖10 所示，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工業(yè)風(fēng)扇如圖11 所示，并在相同條件下進(jìn)行噪聲實(shí)驗(yàn)。

圖10 樣機(jī)本體圖

圖11 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇圖

當(dāng)采用方波驅(qū)動(dòng)、且無(wú)磁極偏移的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，工作電流波形如圖12 所示，噪聲幅值為70.5 dB，電流波形畸變嚴(yán)重。

采用本文設(shè)計(jì)的基于FCM8531 控制方案驅(qū)動(dòng)最佳磁極偏移的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，工作電流波形如圖13 所示，測(cè)試的電機(jī)噪聲幅值為48.5 dB，其電流波形比較接近正弦波，毛刺明顯減少，與方波控制并且沒(méi)有采用磁極偏移技術(shù)的樣機(jī)比較，電動(dòng)機(jī)樣機(jī)的振動(dòng)和噪聲抑制效果明顯，電機(jī)效率有所提高，電機(jī)的起動(dòng)性能得到明顯改善，這就是采用FCM8531控制方案驅(qū)動(dòng)最佳磁極偏移的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)降低了電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的效果。

圖12 方波驅(qū)動(dòng)時(shí)電流圖

圖13 正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)電流圖

5 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用方波控制方式，由于換向電流急劇變化，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重影響電機(jī)的性能。采用集成兩個(gè)并行器的FCM8531 控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)最佳磁極偏移角度的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，不僅有效地抑制了電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，還改善了電機(jī)降低電機(jī)的起動(dòng)性能以及電機(jī)效率的提高。

對(duì)于電機(jī)本體的設(shè)計(jì)，一定的磁極偏移角度，可以降低齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值，抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而抑制電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，并且可以提高電機(jī)的起動(dòng)性能。

采用集成兩個(gè)并行器的FCM8531 控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)最佳磁極偏移角度的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，不僅能明顯地抑制電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，還改善電機(jī)的起動(dòng)性能。該方案已應(yīng)用于一款工業(yè)風(fēng)扇中。

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