謝少華，瞿遂春

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

一種抑制無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動的新方法

謝少華，瞿遂春

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

對無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的原因進行全面分析，提出增加前級直流變換器抑制轉(zhuǎn)矩脈動的新方法，使用buck直流變換器，通過調(diào)整逆變器的母線電壓來抑制轉(zhuǎn)矩脈動，在MATLAB/Simulink環(huán)境下基于該方法搭建無刷直流電機仿真模型，并對系統(tǒng)進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，該方法能夠有效抑制無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動。

無刷直流電機； buck；轉(zhuǎn)矩脈動；系統(tǒng)仿真

0 引言

無刷直流電機（brushless direct current motor，BLDC）一般采用高性能的永磁體勵磁，具有轉(zhuǎn)高的功率重量比、結(jié)構(gòu)簡單和調(diào)速性能優(yōu)越等特點，伴隨著永磁新材料與電力電子技術(shù)特別是大功率開關(guān)器件的不斷發(fā)展，無刷直流電機的應用領(lǐng)域不斷拓展。當前，無刷直流電機調(diào)速方式主要是通過脈寬調(diào)制技術(shù)直接控制逆變器上的開關(guān)管來實現(xiàn)電機的調(diào)速。但是，基于該方法的調(diào)速方式的無刷直流電機存在轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，轉(zhuǎn)矩脈動會導致速度波動，電機振動，降低電機運行品質(zhì)，極大制約了BLDC在高精度與高穩(wěn)定系統(tǒng)中的應用。

文獻[1]對無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動原因進行了分析，主要包括電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理導致的轉(zhuǎn)矩脈動、電流換向轉(zhuǎn)矩脈動和齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。文獻[2]針對目前抑制BLDC的轉(zhuǎn)矩脈動主要方法進行總結(jié)，主要包括轉(zhuǎn)矩直接控制、重疊換相法、最佳開通角法、PWM（plus width modulation）斬波法、電流預測控制法、自適應控制的轉(zhuǎn)矩估算器、卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡控制。文獻[3]提出滑模觀測器控制方法，該方法能夠通過滑模觀測對補償電流進行有效控制，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩脈動的抑制。但是，以上方法都是基于改進三相橋臂開關(guān)管的控制方式或采用先進的控制策略進行閉環(huán)控制，無可避免地存在過補償或欠補償?shù)膯栴}，在實際運用中，降低了轉(zhuǎn)矩脈動的抑制效果，難以達到比較理想的控制效果。

本文從功率變換器的角度，提出基于buck電路的抑制無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動的方法。該方法通過在前級加buck電路實現(xiàn)調(diào)壓，保持母線電壓穩(wěn)定，從而實現(xiàn)對無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動的抑制。最后，進行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，新的方法能夠有效地抑制電機的轉(zhuǎn)矩脈動。

1 傳統(tǒng)功率變換器的BLDC轉(zhuǎn)矩脈動分析

1.1 運行原理

BLDC的功率變換器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。BLDC一般具有梯形波的反電動勢，控制方式采用常見的三相六狀態(tài)的導通方式，當反電動勢波形為理想梯形波時，為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，相電流必須是120°電角度的理想方波，并且兩者的相位必須嚴格對應，在傳統(tǒng)的控制電路中，以PWM調(diào)制技術(shù)直接控制逆變橋上的6個功率開關(guān)管，從而實現(xiàn)電機的換相和調(diào)壓功能。

圖1 功率變換電路Fig. 1 Power converter circuit

電磁轉(zhuǎn)矩表達式為

式中：T為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩；

iA, iB, iC為定子相繞組電流，A；

eA, eB, eC為定子相繞組電動勢，V。

1.2 非換相期間

由文獻[4]對4種基本PWM調(diào)制分析可知，當非導通相端電壓高于直流母線電壓或低于0 V時，該非導通相就會有續(xù)流現(xiàn)象產(chǎn)生，同時，需要指出的是，不同的PWM調(diào)制方式其產(chǎn)生續(xù)流區(qū)間是有所不同的，對于無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩而言，這個續(xù)流是有害的，它的存在，會導致?lián)Q相期間的電磁轉(zhuǎn)矩減小，使非換相期間電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動。表1為4種調(diào)制方式非導通相續(xù)流產(chǎn)生相區(qū)的對比表。當PWM調(diào)制方式變化時，轉(zhuǎn)矩脈動區(qū)間也隨之變化。轉(zhuǎn)矩脈動隨調(diào)制方式的變化規(guī)律如表1所示，從變化規(guī)律可以看出，不論何種PWM控制方式，只要逆變器采用PWM控制方式，則在非換相期間，截止相的續(xù)流作用始終存在，此續(xù)流將會參與到總的電磁轉(zhuǎn)矩的合成中去，續(xù)流的存在，破壞了原有兩相電流合成的電磁轉(zhuǎn)矩的平衡，進而引起了電機的電磁轉(zhuǎn)矩脈動。

表1 4種調(diào)制方式非導通續(xù)流產(chǎn)生相區(qū)間對比Table 1 The comparison of the generation of the non conduction continuous flow in the four modulation modes

1.3 換相期間

根據(jù)R. Carlson等在經(jīng)典文獻[5]所做出的定量分析，在只考慮電感的情況下可知，因換相引起的轉(zhuǎn)矩波動與E/U的比值有關(guān)，由文獻[6]可以得到如下結(jié)論：

當U≥4E時，可以通過調(diào)節(jié)逆變橋上開關(guān)管的PWM占空比來消除轉(zhuǎn)矩脈動，同時，PWM調(diào)制波的占空比和換相轉(zhuǎn)矩脈動的振幅存在正比例關(guān)系。然而，對于某一無刷直流電機控制系統(tǒng)而言，母線為定值，反電動勢系數(shù)也是固定值，要滿足U≥4E條件，電機只有在低速區(qū)段才能滿足，在實際的運用中，就只有很窄的一段低速范圍才能滿足條件，這樣，對于逆變橋上的開關(guān)管工作在PWM調(diào)制方式下的無刷直流電機，就不能在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)有效地減小換相轉(zhuǎn)矩脈動。

當U＜4E時，此時即電機工作在中高速區(qū)段，則不管PWM信號如何變化，換相電磁轉(zhuǎn)矩脈動的方向始終與輸出的電磁轉(zhuǎn)矩相反，即在整個換相期間內(nèi)，轉(zhuǎn)矩脈動對平均電磁轉(zhuǎn)矩是起到減小的作用，無法通過逆變橋上開關(guān)管的PWM調(diào)制方式來改善換相轉(zhuǎn)矩脈動。

2 新型功率變換器的BLDC轉(zhuǎn)矩脈動分析

新型控制方法是在逆變器前級加buck電路，將逆變器的調(diào)壓功能分離出來，逆變器只負責換相，調(diào)壓由前級的直流變換器來實現(xiàn)。新的控制電路的主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過控制buck電路的開關(guān)管的占空比大小，來實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)直流母線電壓U，具體關(guān)系為

式中：ton為開關(guān)管的通態(tài)的時間；

toff為開關(guān)管處于斷態(tài)的時間；

T為開關(guān)周期；

E為電源電壓。

圖2 基于buck功率變換電路Fig. 2 Buck-based power converter

后級三相逆變器上的開關(guān)管采用恒通的工作方式，即每一狀態(tài)區(qū)間內(nèi)處于開通的2個開關(guān)管不進行PWM調(diào)制，各開關(guān)管的導通順序為：T1, T2；T2, T3；T3, T4；T4, T5；T5, T6；T6, T1。一個周期有6種導通狀態(tài)，導通的周期均為120°電角度。

2.1 非換相期間

在新型的控制方式下，由于三相逆變器工作在恒通的方式下，逆變器不需要工作在PWM調(diào)制下，截止相在非換相期間沒有續(xù)流流過，在非換相期間，電機的合成磁場僅由導通的兩相電流合成決定，從根本上杜絕了截止相續(xù)流對總的合成電磁轉(zhuǎn)矩的影響，進而能夠抑制BLDC在非換相期間的轉(zhuǎn)矩脈動。

2.2 換相期間

由文獻[7-8]可知，在新的控制方式下，電機在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均有U≤4E，此時根據(jù)上文的分析可知，換相轉(zhuǎn)矩脈動始終為負，因而在整個換相期間內(nèi)的平均電磁轉(zhuǎn)矩減小，同時，當逆變器上的開關(guān)管采用PWM調(diào)制，開關(guān)管的PWM信號有效電平為1時的電磁轉(zhuǎn)矩脈動比開關(guān)管PWM有效電平為0時的小。因此，為了減小轉(zhuǎn)矩脈動，當U≤4時E，逆變器的開關(guān)管應工作在恒通的方式?？偨Y(jié)上述的情況可知，逆變器上開關(guān)管在恒通工作方式下能夠獲得比逆變器上開關(guān)管在PWM調(diào)制下更小的換相轉(zhuǎn)矩脈動。

3 基于新型功率變換器的BLDC系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

3.1 新型功率變換器的BLDC在Simulink下建模仿真

在Matlab/Simulink環(huán)境下對本文提出的抑制脈動轉(zhuǎn)矩的方法進行仿真建模，如圖3所示。仿真系統(tǒng)主要由無刷直流電機模塊，逆變橋模塊，換相邏輯控制模塊等組成。

電機模型采用永磁同步電機，將反電動勢波形設置為120°，即為無刷直流電機，電路參數(shù)：C為600F，L為20 mH。電機參數(shù)：額定電壓為450 V，電機極對數(shù)為5，額度轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，相繞組電阻為2.8，電感為8 mH，通過輸出的位置信號來控制三相繞組的導通順序，前級的buck電路實現(xiàn)電機的調(diào)壓調(diào)速。調(diào)節(jié)buck電路中IGBT的開關(guān)頻率來實現(xiàn)對電機的調(diào)壓調(diào)速。

圖3 基于buck的Simulink模型圖Fig. 3 The Simulink model based on buck

3.2 換向邏輯控制模塊

無刷直流電機使用三路霍爾位置傳感器，感應轉(zhuǎn)子位置，每經(jīng)過60電角度霍爾狀態(tài)變化一次，控制邏輯根據(jù)三路霍爾信號，判斷出轉(zhuǎn)子位置，然后決定三相橋式開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。換相邏輯模塊在Simulink中的模型如圖4所示，霍爾元件和與門極觸發(fā)信號輸出關(guān)系如表2所示。

圖4 換相邏輯模塊Fig. 4 Phase change logic module

表2 霍爾信號與開關(guān)管觸發(fā)信號關(guān)系Table 2 The relationship between Holzer signal and switch tube trigger signal

3.3 仿真結(jié)果與分析

在Matlab/Simulink中，分別對傳統(tǒng)PWM調(diào)制控制電路與新的控制電路進行仿真，兩者仿真均在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min條件下進行。傳統(tǒng)PWM調(diào)制控制電路相電流仿真波形如圖5所示，傳統(tǒng)PWM調(diào)制控制電路電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形如圖6所示，基于buck控制電路的相電流仿真波形如圖7所示，基于buck控制電路的電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形如圖8所示。

從圖5與圖6的相電流圖可知，加前級buck變換的相電流脈動為25%，無buck變換的相電流脈動為45%，有buck變換的電流脈動更小，由于無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩T與相電流成正比例關(guān)系，電流脈動小，電磁轉(zhuǎn)矩脈動也小。

從圖7與圖8的電磁轉(zhuǎn)矩波形圖可知，無buck電路的轉(zhuǎn)矩脈動為50%，有buck電路的轉(zhuǎn)矩脈動為24%。由二者比較可知，經(jīng)過前級加buck調(diào)節(jié)直流母線電壓，實現(xiàn)調(diào)速控制的方法能夠獲得更小的轉(zhuǎn)矩脈動。

圖5 傳統(tǒng)控制相電流仿真波形Fig. 5 Phase current similation waveform of traditional control

圖6 傳統(tǒng)控制電磁矩仿真波形Fig. 6 Electromagnetic torque simulation waveform of traditional control

圖7 基于buck控制相電流仿真波形Fig. 7 Phase current similation waveform of buck control

圖8 基于buck控制電磁矩仿真波形Fig. 8 Electromagnetic torque simulation waveform of buck control

4 結(jié)語

針對無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動的問題，提出了一種基于buck變換器的電路結(jié)構(gòu)，將三相逆變器的調(diào)壓功能轉(zhuǎn)移至前級的buck電路中，三相逆變器僅起到換相作用，從而能夠有效地抑制無刷直流電機在換相期間與非換相期間的轉(zhuǎn)矩脈動。通過在MATLAB/Simulink環(huán)境中作對比仿真，結(jié)果表明，該方法能夠有效的抑制轉(zhuǎn)矩脈動，為解決無刷直流轉(zhuǎn)矩脈動問題提供了新的思路與方法。

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（責任編輯：申 劍）

A Method to Suppress Torque Ripple of Brushless DC Motor

Xie Shaohua，Qu Suichun
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Analyzes comprehensively the torque ripple causes of brushless DC motor, and proposes a new method of adding the first stage DC converter to control torque ripple. By using buck DC converter and adjusting bus voltage of the inverter to suppress the torque ripple, on the basis establishes brushless DC motor model in MATLAB/Simulink and simulates the system. The result indicates that the method suppresses the torque ripple of brushless DC motor effectively.

brushless DC motor；buck；torque ripple；system simulation

TM351

A

1673-9833(2015)05-0051-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.011

2015-08-17

謝少華（1989-），男，湖南衡陽人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為新型電機及其驅(qū)動控制，E-mail：1449468450@qq.com