基于两相导通星形三相六状态的永磁直流无刷电机pwm-oh调制方式研究

基于两相导通星形三相六状态的永磁直流无刷电机pwm-oh调制方式研究

0基于脉宽调制的加工方式对转速脉动的影响随着能源电子技术的发展，永磁直刷机具有良好的速度性能和高效率，深受于交通、航空等领域。由于其构造的特殊性,使得其气隙磁场分布接近于方波,绕组感应电动势为梯形波,这虽然有利于电动机产生一个恒定的转矩,但是在换相时电流不能突变,实际产生的相电流波形不是纯粹的方波,这就会产生除了平均转矩外的脉动分量。在高精度应用领域中,抑制转矩脉动成为提高直流无刷电机性能的关键。文献阐述了换相时转矩脉动产生的原因,并提出换相转矩脉动与反电动势有关,但脉宽调制(pulsewidthmodulation,PWM)对换相转矩的影响未被提出。文献指出在相同的占空比下,单斩PWM调制方式比双斩PWM方式产生的电磁转矩要小,还应该进一步比较单斩方式中哪一种产生的脉动最小。文献从电机定子的设计尺寸和磁极等方面提出了对无刷电机转矩脉动的影响,应对各种PWM调制方式对转矩脉动的影响进一步研究。本文在结合了前人的研究成果下,分析了5种PWM调制方式产生续流时对电机转矩脉动的影响,并结合模糊PI控制方式对电机进行控制,能很好的起到抑制脉动的作用。1各相扩大安全试验条件无刷直流电机定子感应电动势为梯形波,绕组间的互感是非线性关系。所以直接利用电机原有的相变量来建立数学模型。假设定子齿槽的影响忽略不计;电枢反应对气隙磁通影响忽略不计;电机磁路不饱和;定子三相绕组完全对称且各参数为常数。则永磁直流无刷电机的各相绕组电压平衡方程为其中:Ua、Ub、Uc为定子绕组各相电压,ia、ib、ic为定子绕组各相电流,ea、eb、ec为绕组各相反电动势,r为每项绕组电阻,LM为每相绕组的自感和每两相绕组间的互感差,UN是中性点电压。根据电压方程得到的无刷直流电机的等效电路,如图1所示。同样根据方程得到电磁转矩方程为式中:ω为转子的机械角速度。在理想情况下,电机工作在120°导通方式下,每一时刻仅有两相绕组导通,产生的反电动势用E表示,电流用I表示。通过ia+ib+ic=0和ea=eb=-ec=E并结合公式(2)得到理想情况下的电磁转矩为2dm调制方式影响持续流回路直流无刷电机在三相六状态导通方式下,最常用的PWM调制方式主要有H-ON-L-PWM、ON-PWM、PWM-ON、H-PWM-L-ON、H-PWM-L-PWM5种调制方式,这几种PWM调制方式示意图如图2所示。不同PWM调制方式在上桥臂和下桥臂换相时产生的续流回路不同,从而产生的转矩脉动也不相同,因此分为上桥臂换相和下桥臂换相进行分析。而H-PWM-L-PWM调制方式与其他方式不同,需要单独进行分析。2.1上桥臂换相上桥臂换相的过程中,PWM-ON和H-PWM-L-ON续流回路相同,而ON-PWM和H-ON-L-PWM续流回路相同。多换相管续流过程假设以A相绕组切换到B相绕组为例,开关管V1关断,V3为换相管并采用PWM调制,V2管为非换相管保持恒导通,续流过程如图3所示。A相续流时电机定子的三相电压方程为续流过程电流对流图同样以A相切换B相为例,V1管关断,V2为非换相管采用PWM调制,V3为换相管保持恒导通。图4为续流过程电流流向图。A相续流时电机定子的三相电压方程为求得的中性点平均电压为以相同的条件求得三相电流方程为同样得到在上桥臂换相时ON-PWM和H-ON-L-PWM调制方式下的电磁转矩为与理想情况下的转矩脉动进行比较得到在上桥换相时采用ON-PWM和H-ON-L-PWM调制方式时的转矩脉动为2.2桥臂坍塌下桥臂换相的过程中,PWM-ON和H-ON-L-PWM续流回路相同,而ON-PWM和H-PWM-L-ON续流回路相同。1中性点平均电压以A相切换为B相为例,V4管关断,非换相管V5采用PWM调制,换相管V6保持恒导通,图5为各相电流流向图。A相续流时的定子三相电压方程为同样忽略定子绕组的电阻,结合等式ia+ib+ic=0和ea=eb=-ec=-E求得中性点平均电压为假设在换相的前一个状态中ia(0)=-ic(0)=-I,ib(0)=0。对电压方程求积分解得三相绕组电流方程为从而得到在下桥臂换相时ON-PWM和H-PWM-L-ON调制方式下的电磁转矩为与理想情况下的转矩脉动进行比较得到在下桥臂换相时采用ON-PWM和H-PWM-L-ON调制方式时的转矩脉动为2相电流续流计算同样假设A相切换为B相,V4管关断,非换相管V5保持恒导通,换相管V6采用PWM调制,图6为A相电流续流示意图。A相续流时电机定子的三相电压方程为求得的中性点平均电压为以相同的条件求得三相电流方程为此时在下桥臂换相时PWM-ON和H-ON-L-PWM调制方式下的电磁转矩为与理想情况下的转矩脉动进行比较得到在上桥换相时采用ON-PWM和H-ON-L-PWM调制方式时的转矩脉动为2.3h-dm-l-dm调制方式2由于上下桥臂都采用PWM调制,因此仅分析一种情况即可。以A相切换为B相的上桥臂换相情况为例,即V1管关断,V3、V2管都采用PWM调制,A相绕组电流的续流回路如图7所示。A相续流时的定子三相电压方程为求得的中性点平均电压为对方程求积分解得三相绕组电流方程为根据得到的电流方程可求得H-PWM-L-PWM调制方式下的电磁转矩为与理想情况下的转矩脉动进行比较得到采用H-PWM-L-PWM调制方式时的转矩脉动为通过上面的分析,分别对上下桥臂推导的转矩脉动进行比较,首先比较上桥臂换相,用式(8)、式(13)和式(28)分别做差比较可得,即ΔT1H≤ΔT2H≤ΔT3。对下桥臂推导的转矩脉动进行比较,令式(18)和式(23)做差比较,得,即ΔT1L≥ΔT2L。3无刷电机负载相电流的测试结果以额定功率为180W、额定电压为24V的57BLF03小型直流无刷电机为研究控制对象进行实验分析,控制芯片采用TI公司的TMS320F2812,驱动芯片采用具有自举技术的IR2110。搭建的实验平台如图8所示。利用DSP分别产生以上5种PWM调制方式波形并配合模糊PI控制器对直流无刷电机进行控制,使其工作在转速为1500r/min的负载状态下。因为无刷电机的转矩与电流成正比,所以通过比较电流脉动大小就可以间接比较转矩脉动大小,因此通过示波器测得直流无刷电机的一相绕组的相电流波形,并对它们相互比较分析。得出的波形如图9所示。采用H-PWM-L-ON调制方式下的相电流波形图如图9(a)所示。从图中看到,下桥臂换相时的电流波动明显要大于上桥臂换相时的电流波动。而在H-ON-L-PWM调制方式下(如图9(b)),上桥臂换相电流波动要大于下桥臂换相波动。当采用ON-PWM调制方式时(如图9(c)),上、下桥臂换相时产生的电流波动幅度相近而且很大。采用PWM-ON调制方式时(如图9(d)),上、下桥臂脉动都很小,波形比较理想。最后在H-PWM-L-PWM调制方式下(如图9(e)),不论上、下桥臂换相电流幅度脉动都是最大的。从上述实验结果来看,在给出的5种120°导通方式下常用的PWM调制方式中,采用PWM-ON调制方式最好,能够有效地抑制电机的换相转矩脉动。4永磁直流无刷电机的理论分析本文详细地分析了5种常用PWM调制方式下,电流换相对电机转矩脉动的影响。利用公式推导比较5种PWM调制方式的优劣,得出采用PWM-ON调制方式产生的换相转矩脉动最小。通过实验验证了理论分析的正确性,对永磁直流无刷电机的分析、设计具有理论指导意义。式中:D为占空比。电机绕组的电阻很小,可忽略不计。换相过程很快,可近似认为各项绕组的反电动势值不改变,即ea=eb=-e