无刷直流电机回馈制动的PWM调制方式研究

1、第44卷2011年第9期9月MICROMOTORS 收稿日期:2010-11-12作者简介:王结飞(1984,男,硕士,研究方向计算机控制与系统集成。郭前岗(1960,男,教授,研究方向电力电子与电气传动。无刷直流电机回馈制动的PWM 调制方式研究王结飞,郭前岗,周西峰(南京邮电大学自动化学院,南京210003摘要:介绍了无刷直流电机回馈制动时的四种PWM 调制方式,详细分析了四种不同的调制方式对无刷直流电机换相过程及换相转矩脉动的影响。通过分析得出,当回馈制动时,采用PWM_OFF 型调制方式时,无刷直流电机的换相过程最短、换相转矩脉动最小。仿真结果证明了结论的正确性和实用性。关键词:无刷直

2、流电机;回馈制动;PWM 调制方式;转矩脉动中图分类号:TM36+1文献标志码:A文章编号:1001-6848(201109-0058-04Study on PWM Modes of Regenerative Break for Brushless DC MotorWANG Jiefei ,GUO Qiangang ,ZHOU Xifeng(Automation Institute ,Nanjing University of Posts Telecommunications ,Nanjing 210003,China Abstract :Four PWM modes used in rege

3、nerative break for BLDCM were introduced and the different influ-ences on the commutation progress and the commutation torque ripple of BLDC motors at the state of regener-ative break were analyzedIt pointsed out the PWM-OFF type is the best PWM mode to reduce the time ofcommutation and commutation

4、torque rippleThe simulation results show that the PWM-OFF type is correctand practicalKey words :BLDCM ;regenerative break ;PWM mode ;torque ripple0引言无刷直流电动机转子采用永磁材料励磁,体积小、重量轻、结构简单、运行可靠,且具有高效节能、易于控制等一系列优点,已广泛应用于办公自动化设备、计算机外围设备、仪器仪表和家用电器等领域,尤其在电动车领域,BLDCM 已经成为电动汽车驱动的首选电机12。无刷直流电机的制动方式分为机械制动和电气制动,机械制动

5、直接将机械能转化为热能,制动方式简单可靠有效。电气制动分为回馈制动和反接制动,反接制动效果明显,但是制动过程中不但没有将机械能转化为电能回馈到供电电源,而且还需要电源提供制动电流3;而回馈制动时,制动电流由电机自身提供,即将机械能转化为电能,同时将电能回馈至蓄电池,不仅经济环保,而且延长电池的使用时间2。在回馈制动的过程中,由于相电感的存在,无刷直流电机在换相过程中,相间换流存在延迟,换相相电流不可能瞬间降为零1,4,且由于不同的调制方式会带来不同中性点电压5,非导通相的电流降落速度也会发生变化,进而影响电机换相期间的转矩脉动。下面将具体分析不同的调制方式对换相相电流和换相转矩的影响。1电动运

6、行系统主电路拓扑如图1所示。电动运行时,相电流的导通方式采用120导通方式,每个功率管导通时间均为120电角度。当采用H_PWM-L_ON 调制方式时,即仅对导通期内的上桥臂功率管进行PWM 调制,而另下桥臂功率管常通。功率管的开关状态取决于无刷直流电机转子的位置,转子位置通常由霍尔位置传感器获得。图1主电路拓扑设电机电动运行时,霍尔位置传感器信号与功9期王结飞等:无刷直流电机回馈制动的PWM 调制方式研究率管导通状态的关系如表1所示 表1电动运行时霍尔信号与功率管导通状态关系HALL001T 1T 6T 3T 6T 3T 2T 5T 2T 5T 4电动时,相电流、反电动势波形如图2所示。由图

7、2可以看出,电动运行状态下,当AB 相导通时,若采用H_PWM-L_ON 调制方式,则仅T 1接受PWM 调制,T 4为常通状态,此时有e a =e b =E ,i a =i b =I ,E 为反电动势幅值,I 为相电流大小,e c 从E 变化到+E 。当T 1导通时,电流流向为电源正极T 1A 相B 相T 4电源负极;当T 1关断时,电流流向为T 1A 相B 相T 4T 1。 图2电流及反电动势波形无刷直流电机产生的电磁转矩为T e =e a i a +e b i b +e c i c(1式中,为电机角速度;电动运行时,反电势与相电流同向,T e 0。电机消耗直流侧电能转化成机械能。2回馈制

8、动当无刷直流电机处在回馈制动状态时,相电流的采用120导通方式,采用的调制方式有:方式(H _OFF-L_PWM ;方式(H_PWM-L_OFF ;方式(OFF-PWM ;方式(PWM-OFF 。表2列出了各调制方式中功率管的开通状态与霍尔信号的对应关系。T 2T 5T 4T 1T 6T 3回馈制动时,理想的反电动势、相电流波形如图3所示。当回馈制动时,反电动势与相电流反向,由式(1可知,此时的T e 0。由图3可得理想回馈制动状态下无刷直流电机的制动转矩为T e =2EI。图3回馈制动时反电动势及相电流理想波形但是,由于相电感的存在,在换相过程中相间换流存在延迟,换相相电流不可能瞬间降为零,

9、换相过程中将出现转矩脉动。假设AB AC 换相时刻e a =E ,e b =e c =E ,若i a 恒为I ,则i b +i c =I ;那么进过换相点后e b 从E 线性变化到+E ,i b 将从I 变化到0。将以上各量代入式(1整理后可得T e =2EI +(E +e b i b(2其中e b 和i b 是随时间变化的量。则可得换相转矩脉动为T e =(E +e b i b换相期间i b 0,E +e b 0,可见,在e b 不变的情况下,i b 越小,制动转矩越大,即i b 越快减小为零,制动转矩脉动T e 越小。下面对四种调制方式进行具体分析,为了简便,文中不考虑定子绕组电阻。下桥换

10、相下桥换相AB AC ,电动状态下,对T 1进行PWM 调制,T 4关断,T 6导通。回馈制动状态下,方式和方式有相同的续流过程,方式和方式有相同的续流过程。由图3可知,换相点处e a =E ,e b =e c =E ,i b =i a =I ;经过换相点后,e b 开始从E 变化到+E ,i b 从I 变化到0。方式和方式:对T 2进行PWM 调制且占空比为D ,D 1在T 2关断时导通其占空比为1D ;D 4由续流逐渐变为截止,D 6开始导通。当E e b 0,对应的电压方程式为(1D U d =U La +e a +U N 0=U Lb +e b +U N 0=U Lc +e c +U

11、N(3式中,U La =Ld i a d t ,U Lb =L d i b d t ,U Lc =L d i cd t;U N 为无刷直流电机中性点电压;由i a +i b +i c =0,可得U La +U Lb +U Lc =0所以得U N =(1D U d e b3,则·95· 44卷ULa =2(1DUd+eb3E(4ULb =(1DUd+2eb3(5ULc =(D1Ud+eb3+E(6由式(2,为了减小换相转矩脉动,需要令B 相电流尽快减小为零,由式(5可知,只能通过减小占空比的方法,但同时也使C相电流增速变慢。方式和方式:对上管T5进行PWM调制且占空比为D,D

12、1常通,D4续流,D6在D5关断时导通其占空比为1D。当Ee b0,对应的电压方程式为Ud =U'La+ea+U'N0=U'Lb +eb+U'NDUd =U'Lc+ec+U'N(7同理可得U'N=(1+DUdeb3U'La =(2DUd+eb3E(8U'Lb =(1+DUd+2eb3(9U'Lc =(2D1Ud+eb3+E(10由式(9可知,为了让B相电流尽快减小为零,只能通过增大占空比的方法,同时也令C相电流增速变快。当对电流进行闭环控制时,需要式(4和式(8中方程等号两边都等于零,即U La=0,U'L

13、a=0a若ULa=0,则得D=13Eeb2Ud,由于0EUd2,Eeb0所以0D1,从而可以保证换相过程中i a=I。b若U'La=0,则得D=23Eeb Ud当0EUd4时,D将大于1,并随续流过程的进行逐渐变大,直到续流结束。因此,当0EUd4时,U'La无法保证为零,也即U'La将大于零,使得i aI。由上可知,在e b和D相同的条件下,U'LbULb ,U'LcULc,所以当对C相桥臂的上管T5调制时,i b将更快的减小至0,i c将更快的达到I,换相过程可以更快地结束,换相转矩脉动也就越小。但是当0EUd4,也即转速较慢时,非换相相电流将无法保

14、持为I。电动运行状态下,上桥换相ACBC,T1关断,T3进行PWM调制,T6常通。回馈制动状态下,上桥换相时,方式和方式有相同的续流过程,方式和方式有相同的续流过程。由图3可得,换相点处ea=eb=E,ec=E,ic=ia=I,经过换相点后,ea开始从+E到E变化,i a从I到0变化,i b从0到I变化。方式和方式:换相时刻对T4进行PWM调制,D1续流至截止,D6常通,D4以1D占空比导通。当0e aE,对应的电压方程式为Ud=ULa+ea+UN(1DUd=ULb+eb+UN0=ULc+ec+UN(11同理可得U N=(2DUdea3ULa=(1+DUd2ea3(12ULb=(12DUd+e

15、a3E(13ULc=(D2Ud+ea3+E(14方式和方式:换相时刻对T5进行PWM调制,D1续流至截止,D3导通。当0e aE,对应的电压方程式为Ud=U'La+ea+U'NUd=U'Lb+eb+U'NDUd=U'Lc+ec+U'N(15同理可得U'N=(2+DUdea3U'La=(1DUd2ea3(16U'Lb=(1DUd+ea3E(17U'Lc=2(D1Ud+ea3+E(18可见在同样的e a和D下,U LaU'La,U LbU'Lb采用下管调制的效果将优于采用上管调制,且采用下管调制可通过调

16、节占空比来缩短换相过程,减小转矩脉动。对比式(4和式(18,式(8和式(14可以看出,上桥换相时且0EUd4,对T4进行PWM调制,非换相相电流将无法保持为I。通过以上分析可知,下桥换相时,采用对下管调制,将延长换相过程,且关断相电流可控性较差,转矩脉动较大,随着转速的下降,D将增大,换相·06·9期王结飞等:无刷直流电机回馈制动的PWM 调制方式研究 过程也将恶化;采用上管调制,可加快关断相电流的下降,将得到更好的换相效果。而上桥换相时,采用下管调制可以缩短换相过程,提高关断相电流的可控性,减小转矩脉动。但在速度较慢时,无法保证非换相相电流不变。3仿真实验在Matlab

17、/simulink 下对无刷直流电机进行回馈制动仿真,本文仅对中速情况下进行仿真。实验中使用的无刷直流电机,其电阻为1.0,电感为7.6mH ,4对极,额定转速为2500r /min ,额定电流6.5A ,额定转矩6Nm ,额定电压为310V ,反电动势常数为62V /kr ·min 1。仿真时,PWM 调制频率为10kHz ,直流侧电压为300V 。仿真中用比例调节器对电流进行了闭环控制,电流给定值为5A 。方式 方式对应电机转速为1200r /min 时的反电动势及电流波形如图4所示;方式对应电机转速分别为1200r /min 和1800r /min 时的反电动势及电流波形如图6

18、所示。从仿真结果中可以看出,当下桥换相时,采用方式和方式,转矩脉动较大,但非换相相电流保持不变;采用方式和方式,转矩脉动较小,但非换相相电流出现波动。当上桥换相时,采用方式和方式转矩脉动较大,但非换相相电流保持不变;采用方式和方式,转矩脉动较小,但非换相相电流出现波动。另外,当采用方式,在1200r /min 时,不论上桥换相还是下桥换相都存在换相过程中电流变化的情况;而在1800r /min 时,电流波动较小。仿真结果与研究结果一致。 图4反电动势、电流、转矩波形(方式1、2、3图5反电动势、电流及转矩波形(方式44结论本文对无刷直流电机回馈制动时的几种调制方式进行了比较研究,从研究中可以看到,当下(上桥换相时,采用上(下管调制可以有效地减少换相时间,抑制非导通相续流,减小换相期间的转矩脉动。研究及仿真结果均表明PWM-OFF 调制方式在相同大小的相电流下,可以得到更大更稳定的制动转矩。在电动汽车电气制动过程中,采用PWM-OFF 调制方式进行电气制动时,不仅可以有效改善蓄电池充电环境,延长电池使用时间,而且明显提高了制动电流的制动效