陳志輝， 曹志亮

(南京航空航天大學 自動化學院， 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，內容涉及無刷直流電動機、開關磁阻電機、步進電機以及直線電動機等[1-3]。在無刷直流電動機部分，會涉及該電動機調速控制的PWM調制技術。通常，課程中會介紹5種PWM調制方式，對非導通相的續(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，致使學生在學習相關內容時，感覺內容抽象，不易掌握。為了解決該問題，筆者將無刷直流電動機的相關科研實踐成果引入課程教學中，做到課本理論與實際應用相結合，增強學生的感性認識，激發(fā)學生的自主學習熱情[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°導通區(qū)間內，各開關管前60°恒通，后60°采用PWM調制。如圖2所示。

(2)pwm_on型：在120°導通區(qū)間內，各開關管前60°采用PWM調制，后60°恒通。

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

(4)H_on-L_pwm型：在各自的120°導通區(qū)間內，上橋臂功率管恒通，下橋臂功率管采用PWM調制。

(5)H_pwm-L_pwm型：在各自的120°導通區(qū)間內，各功率管均進行PWM調制。

圖1　三相橋式主電路

圖2　on_pwm型PWM調制

前4種方式稱為半橋調制方式，即在每個60°區(qū)間，只有一個功率管進行PWM調制。而第五種PWM調制方式稱為全橋調制方式，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調制。

1.2　五種PWM調制方式的特點

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

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

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

2 PWM調制對非導通相電流的影響

以圖2中[π/3，2π/3]區(qū)間內，導通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調制為例來說明調制方式對非導通相電流的影響。

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PWM(ON)時，即進行PWM調制的上橋臂開關管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。忽略功率管導通壓降，有：

(2)

此時的非導通相，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，非導通相不存在續(xù)流。而當PWM(OFF)時，即進行PWM調制的上橋臂開關管T1關斷，此時，電路模態(tài)如圖3(b)，經過二極管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相導通模態(tài)

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

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

圖4　on_pwm型PWM調制的電流波形

綜上所述，采用不同的PWM調制方式，會在非導通相產生不同的續(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調制方式的仿真與實驗

筆者針對一個外轉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極結構。

(a) 定子 　　　　　 (b) 轉子圖5　外轉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)，在設置轉速15000 rpm下對電機模型進行了仿真,仿真時分別采用H_pwm-L_on型調制、H_on-L_pwm型調制以及H_pwm-L_pwm型調制。其中，圖7(a)與圖7(b)是負載上的波形，可見在非導通區(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型調制方式的仿真結果，從仿真結果可以看出，電流脈動大，但處于非導通區(qū)間時，不會出現(xiàn)電流續(xù)流情況。因此，仿真結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電流斬波的任務，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)，因此非導通相不會發(fā)生續(xù)流現(xiàn)象。

(a) H_pwm-L_on型調制 (b) H_on-L_pwm型調制

(c) H_pwm-L_pwm型調制(空載)圖7 外轉子無刷直流電機電流仿真波形

(a) H_on-L_pwm型調制 (b) 前級加Buck電路圖8　外轉子無刷直流電機的電流實驗波形

4　結語

本文分析了在不同PWM調制方式下，非導通相續(xù)流的產生區(qū)間及電流極性，總結出非導通相續(xù)流電流僅可能出現(xiàn)在PWM(OFF)區(qū)間的規(guī)律。

對外轉子無刷直流電動機樣機的仿真與實驗驗證了無刷直流電機非導通相續(xù)流電流的理論分析結果。課本知識和仿真實驗結果的結合有助于學生加深對課程內容的理解，改善教學效果。

參考文獻:

[1]唐任遠主編. 特種電機原理及應用(第二版)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010年4月.

[2]孫建忠, 白鳳仙. 特種電機及其控制(第二版) [M]. 北京: 中國水利電力出版社, 2013年7 月.

[3]魏佳丹, 李國生. LabVIEW在特種電機教學實驗平臺中的應用[J]. 南京: 電氣電子教學學報, 2011, 33(6):71-73.

[4]金艷梅, 陳志輝. 飛機模型用無刷直流電動機控制器設計[J]. 西安:微電機, 2006, 39(6):49-51.

[5]張軍, 陳志輝. 微型外轉子無刷直流電機的仿真與分析[J]. 上海:電機技術, 2008, (4):5-7.