永磁无刷直流电机调速系统的仿真研究

1、SERV O TECHN IQUE永磁无刷直流电机调速系统的仿真研究孙剑波, 龚世缨, 董亚晖(华中科技大学, 湖北武汉430074摘要:提出一种永磁无刷直流电机电流反馈新的控制方法, 即采用常规重叠换相法与定频采样电流控制相结合的方法, 既能稳定逆变器的工作频率, 又改善了永磁无刷直流电机的换相性能, 利用仿真对提出的方法进行了验证。关键词:永磁无刷直流电机; 换相转矩脉动; 重叠换相; 定频采样; 仿真中图分类号:TM 351. ; TM 361文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2001 04Si m ula tion of the Per manen tM agnetic S

2、peed -SUN J ian -bo , GON G -hu i(H uazhong U niversity , uhan 430074, Ch ina Abstract :A new current feedback ethod B DC M o to r (BLDC M is introduced in th is paper , w h ich com bines the w ith the fixed -frequency samp ling current contro l m ethod . It bo th stabilizes the , and i m p roves th

3、e comm utative perfo r m ance of BLDC M . A nd it is verified by the si m ulati on .Key words :; comm utative to rque ri pp le ; overlap comm utati on ; fixed -frequency samp ling ; si m ulati on收稿日期:2000-10-121引言由于永磁无刷直流电机具有惯量小、控制简单、可靠性高、力矩电流比率高、动态性能好等优良特性, 在航天、机器人、数控机床等许多工业领域己得到了广泛应用。但是, 无刷直流电机存在转

4、矩脉动问题, 无法实现更精确的位置控制和更高性能的速度控制。引起转矩脉动的原因有很多, 相电流换相是主要原因之一。许多文献对换相转矩脉动做过理论和仿真分析, 但控制效果不理想13。因此, 本文从改善无刷直流电机换相性能的角度入手, 分析比较在不同电流反馈控制和交流侧电流反馈控制 的换相转矩脉动产生原因的基础上, 将重叠换相法和定频采样电流控制结合起来, 消除由电流换相引起的转矩脉动。2永磁无刷直流电机调速系统2. 1无刷直流电机模型无刷直流电机一般由永磁同步电机(PM S M 、转子位置检测器和电流控制的电压源型逆变器组成4, 如图1所示。理想的相电势波形是正弦波, 并图1无刷直流电机的结构原

5、理图由120°(电角度 方波电流(相电流 供电, 其相电动势、相电流以及电磁转矩的关系如图2所示 。图2相电势、相电流和电磁转矩的关系图3为通常采用的无刷直流电机的等效电路图, 由此可写出其电压平衡方程式:91永磁无刷直流电机调速系统的仿真研究孙剑波龚世缨董亚晖 u a u b u =R 000 R 000Ri a i b i +L -M 000L - M00L -M P i a i b i +e a e b e 式中, P =d d t 。其电磁转矩为:T e = (e a i a +e b i b +e c i c 图3无刷直流电机的等效电路2. 2系统框图, 如图 4所示。本系

6、统中, 直流电源通过电压源型三相桥式PWM 逆变器向永磁电机供电。只要根据位置检测信号选通对应的开关器件, 就可获得与感应电势同相位的电流, 从而驱动电机运转。图4系统框图2. 3电流控制方式由于滞环电流控制器具有控制简单、性能良好的特点, 所以它是目前采用得最多的电流控制器。针对其开关频率不固定的缺点, 提出了多种限制逆变器最高开关频率的控制器, 不过这些方法往往增加了控制器的复杂程度, 应用起来很不方便。定频采样电流控制器则是一种与滞环相似, 且逆变器最大开关频率固定的电流控制器。该控制器既去除了滞环控制器最大开关频率不固定的缺点, 又保持了滞环控制器的性能好和简单的优点, 同时在后面还将

7、谈到将此方法与重叠换相法结合起来, 可在很大程度上对交流侧电流反馈控制转矩脉动进行抑制。一般, 电流控制又可以根据反馈信号的不同分成两种形式。一种是直流侧电流反馈控制。其电流反馈信号由直流侧取出, 要控制的也仅仅是电流的幅值。另一种是交流侧电流反馈控制。其电流反馈信号由交流侧取出, 此时, 电流控制要根据转子的位置来确定要控制的相电流, 使其跟随给定。不同的电。3由于直流侧电流反馈控制是根据流过直流电源的电流信号进行的, 因此只需一个电流传感器便可得到电流反馈信号。在换相的动态过程中, 反馈信号反映的则是待建立的相电流的信息。在换相完成之前, 待建立的相电流未达到给定值, 电流的控制也只能采用

8、一种开关状态使待建立的相电流的绝对值向增长的方向变化, 直至换相完成, 对其间电流的脉动情况是无法予以控制的。以1台三相永磁无刷直流电机为对象仿真, 电机参数:P N =1. 1k W , U N =220V , n N =3000r m in , T N =3N . m , 2P =8, R a =2. 8758, L d =L q =8. 5m H , 5=0. 175W b极, J =0. 0008kg m 2, 摩擦系数为0。在U d =300V , T m =3N . m , 速度给定700r m in 的情况下进行仿真, 波形如图5所示。可以看出, 直流侧电流反馈信号ifeedba

9、ck 波动很大, 这是由于它反映的是待建立相的相电流, 在换相时它总是从零开始增长; 同时在换相完成以后, 在对电流进行PWM 跟随调节, 使得开关器件全部关断后, 电机绕组中的电流通过二极管续流, 给直流电源倒馈电, 直流母线上电流的方向反向。因此反馈电流信号有如此大的波动是可以理解的。电流反馈信号的波动直接反映到电磁转矩波形T e 上, 由图可以看出电磁转矩波形脉动也很大, 脉动系数=(T e m ax -T e m in T eav =(4-2. 5 3=0. 5。3. 2交流侧电流反馈控制由于交流侧电流反馈控制是以交流侧电流信息为反馈信号, 因此电流传感器需置于逆变器与电机02微电机2

10、001年第34卷第2期(总第119期 图之间, 。在控制过程中, 随控制5。以电流从A 相上桥换相到B 相上桥为例(电动状态 分析交流侧电流反馈控制下的一个换相过程。此时i c 为非换相相电流, 电流反馈反映的是i c 的信息。开始时, i a >0, i b =0, i c <0。要完成此换向过程, 通常是关断T 1, 闭合T 3。图6是换相过程中的几种情况:(a i a 、i b 的变化率相同。(b i a 的下降率大于i b 的上升率。(c i a 的下降率小于i b 的上升率。(d 是(c 在电流PWM 控制下的情况。对于图6a 、b , 非换向相电流i c 在整个换相过程

11、中, 或未偏离给定值, 或未达到给定值, 电流PWM 控制在此期间是不起任何作用的, 即对应的开关器件始终处于开通状态, 无法对电流进行跟随控制。图6c 则不同, 非换向电流在换向期间绝对值是增大的, 超过了给定值。当它超过给定值时, PWM 控制开始起作用, 关断所有开关器件, 使其绝对值减小, 如此循环往复, 即可实现对非换相相电流的调节, 即为图6d 所示。对于图6c , 不用采取任何措施, 电流PWM 控制会自动抑制反馈电流波动, 从而抑制了电磁转矩的脉动; 但对于图6a 、b , 电流PWM 控制失去作用, 势必电流波动会很大, 从而造成较大的转矩脉动 。图6电流换相过程示意图当电机

12、低速运行时, 反电动势较小, 关断相相电流下降率较小, 而开通相相电流上升率则较大, 属于图6c ; 随着转速的提高, 反电动势增大, 关断相相电流下降率将越来越小, 当开通相相电流上升率小于关断相相电流下降率时, 就属于图6b 了。图7中的仿真波形属于图6b , 此时电流反馈信号的波动很大, 电磁转矩的脉动系统为=(4. 5-2 30. 83。如不加措施予以抑制, 应用场合将受到很大限制。4交流侧电流反馈换相转矩脉动的抑制由以上仿真结果可以看出, 交流侧电流反馈控制在电机高速运行时存在着严重的换相转矩脉动问题。下面采用重叠换相法来抑制换相转矩脉动。4. 1重叠换相法原理通常采用的重叠换相法实

13、质在于:换相时应关12永磁无刷直流电机调速系统的仿真研究孙剑波龚世缨董亚晖 , 而是延长, 先使非换相相电流绝对值上升, 后使其绝对值下降, 这样可使其脉动的最大值减小到一个较为可观的数值。仍以A 相上桥换相到B 相上桥为例来说明, 在原来应关断A 相电流时刻延长导通A 相一个时间间隔, 使C 相电流绝对值增长, 从而可以对C 相电流进行PWM 调节, 使波动限制在一定范围内, 达到抑制转矩脉动的目的。重叠换相过程如图8a 所示。采用重叠换相法的交流侧电流反馈控制仿真波形如图9所示, 其中重叠换相时间取为0. 1m s 。由仿真结果可看出, 采用重叠换相法后, 电流反馈信号波动减小了很多, 电

14、磁转矩脉动得到很大抑制。电磁转矩脉动系数=(3. 8-2. 5 30. 43 。图8重叠换相过程4. 2定频采样与重叠换相相结合的电流控制方法仅仅采用重叠换相法, 重叠换相时间较难确定。一旦确定, 也不能从最大程度上减少转矩脉动。为了避免常规重叠换相法的缺点, 得到更好的电流调节性能, 在常规重叠换相法的基础上, 引入定频采样电流调节技术, 从而形成定频定样与重叠换相相结合的电流控制方法。在这种方法中, 不像常规重叠换相法那样只在换相开始时, 使关断相延长导通一个时间间隔; 而是在整个换相期间, 在电流采样点根据反馈电流信号对关断相进行调制。如图8b , 在电流采样点上, i c 的绝对值超过

15、给定值时, 关断A 相; i c 的绝对值低于给定值时, 开通A 相。由此可以看出, 重叠换相时间并不是事先确定的, 而是由电流调节过程自动调节的, 这也是此法优于常规重叠换相法的地方。仿真波形如图10所示(电流采样频率为200kH z 。仿真结果显示此法比常规重叠换相能在更大程度上抑制转矩脉动, 转矩脉动系数=(3. 4-2. 7 30. 23。5结论在分析了直流侧和交流侧电流反馈控制下产生转矩脉动的原因, 并分别对其进行了仿真的基础上, 可得出结论:直流侧电流反馈控制的优点是只用一个电流传感器, 结构简单, 成本低, 缺点是电流反馈信号波动很大且不易控制, 使电磁转矩脉动较大, 这种装置只

16、适合于对转矩脉动要求不高的直接驱动场合。交流侧电流反馈控制的缺点是要使用两个电流传感器, 而且还需增加电流反馈控制逻辑, 结构复杂, 成本高; 优点是可以采用灵活的控制方法来抑制22微电机2001年第34卷第2期(总第119期 图10定频采样、重叠换相时交流侧电流反馈控制仿真波形换相转矩脉动, 提高永磁无刷直流电机的运行性能。参考文献:1Y M urai . To rque R i pp le I mp rovem ent fo r B rush lessDC M iniature M o to rs J . IEEE T rans . Ind . A pp l , 1989, 25(3 , 441-450.2R Carlson . A nalysis of To rque R i pp le D ue to PhaseComm utati on in B rush less DC M ach ines J . IEEET rans . Ind . A pp l. , 1992, 28(3 , 632-638. 3许大中. 晶闸管无换向器电机M . 科学出版社, 1998.4C . S . B