（电力电子与电力传动专业论文）永磁无刷直流电机驱动的研究.pdf

s t u d yo nb r u s h l e s sd cm o t o rd r i v es y s t e m a b s t r a c t b e f o r et h ef u l lb r i d g ew h i c hu s e di nb l d c md r i v es y s t e i i 】i sp r o p o s e d ，a n d t h i sd r i v es y s t e mi ss t u d i e d t h eb u c k1 e a d i n gb l d c md r i v es y s t e mi s o d e l e d ，a n db u c ki n d u c tc u r r e n ti su s e da sc o n t r 0 1v a r i a b l ei nc u r r e n t l o o p b a s e do nt h i sm o d e l ， s p e e do p e n1 0 0 pc o n t r 0 1a n ds p e e dc l o s e1 0 0 p c o n t r o li ss t u d i e d ，a n de x p e r i m e n t sa r eg i v e nt op r o v et h eb u c ki n d u c t c u r r e n tc o n t r 0 1i sf e a s i b l e i nb l d c md r i v es y s t e m ，t o r q u er i p p l es u p p r e s s i o ni sn e e d e dw h e nb l d c m w o r ka t1 0 ws p e e d t nl h isp a p e r ，t o r q u er i p p l ei ss t u d i e d ，a n dan e ww a y t os u p p r e s st o r q u er i p p l ei sp r o p o s e db a s e do nb u c kl e a d i n gb l d c md r i v e s y s t e m e m ct e c h n i q u ei sm o s ti 珈p o r t a n ti nb l d c md r i v e r ，e s p e c i a l l yi nh i g h s p e e dd s p( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r )c o n t r o ls y s t e m ， s e v e r a lg e n e r a l p r i n c i p l e si su s e di nh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t _ _ v a r e f i n a l l y ， ad s p ( t lt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) b a s e dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d f o re x p er i m e n t a lu s e ，t h ev a l i d i t i e so ft h ep r o p o s e dm e t h o d sa r es t r o n g l y s u p p o r t e db yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ，t o r q u er j p p le ，c o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l e p w mm e t h o d 第一章绪论 1 1 、引言 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经 济的各个领域以及人们的f 1 常生活之中。电动机主要类型有同步电动机、异步电 动机与直流电动机三种。众所周知，直流电动机具有运行效率高和调速性能好等 诸多优点，但传统的直流电动机均采用机械换向，使其存在这些问题：电刷易磨 损影响运行可靠性；电刷易产生火花，限制了使用场合；由于存在换向问题，难 于制造大容量、高转速及高电压直流电机“。目前，工农业生产上，大多数动力 驱动都采用三相交流电机。 随着社会和经济的不断发展，科学技术的进步，特别是材料技术、微电子技 术、功率半导体制造技术的发展，电力电子及电力传动方面得到了前所未有的 发展。电力电子及电力传动装置在类型、功率容量、性能以及应用范围等方面得 到了广泛的拓展和提高。新材料的使用和新型半导体丌关器件的应用，出现了以 电子换向来替代电刷机械换向的宜流无刷电动机。1 9 5 5 年，美国d 哈利森等人 首次申请了应用晶体管换向替代电动机机械换向器换向的专利，这就是现代直流 无刷电动机的雏形。1 9 6 2 年，借助与霍尔元件来实现换向的直流无刷电动机问 世，从而开创了直流无刷电动机产品化的新纪元。1 9 7 8 年，原联邦德国 m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其m a c 永磁无 刷直流电机及其驱动系统，标志着无刷直流电机真正进入使用阶段“。 永磁无刷直流电动机按其空间气隙磁场的分布形式不同，可以分为方波型永 磁无刷直流电动机和正弦波型永磁无刷直流电动机。习惯上常常将方波型的称为 永磁无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，b l d c m ) ，正弦波型的称为永磁同步电 机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ， p m s m ) 。 与永磁无刷直流电机( b l d c m ) 相比，永磁同步电机( p m s m ) 结构较复杂、 成本较高；需要提供连续的转了位置信息，一般借助j ：价格较昂贵的光电编码盘 检溯转子位置；理沦上无转矩脉动，凋速比高，定位精度商。通常用于高精度的 位置控制场合，其控制相对复杂。永磁无刷直流电机电流波形为方波，通过控制 逆变器的输出电流使之和梯形波形反电动势的平顶部分相位致，电机一般工作 于1 2 0 。导通方式下，控制简单，一个电周期内只需要知道转子的六个位置即可， 对位置传感器要求低，因此成本也低。 在定位精度要求不高的传动领域，永磁无刷直流电机( b l d c m ) 因其控制简 单、运行效率高、无励磁损耗、调速性能好以及体积小等特点，又具备交流电动 机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，因此，在各行各业得到了广 泛的应用”、”1 。 1 2 、永磁无刷直流电机的工作原理 永磁无刷直流电机通常用三相桥式主电路驱动，如图1 1 所示。上桥臂元件 t 1 、t 3 、t 5 给各相绕组提供正向电流，产生正向电磁转矩；下桥臂元件t 2 、t 4 、 t 6 给各相绕组提供反向电流，在相同极性转子永磁磁场作用下产生反向电磁转 矩。功率开关元件的通电工作方式一般用两两通电( 1 2 0 。导通型) ，由霍尔位置 检测信号控制各个桥臂冗件的开通与关断。 图l1传统二相桥式驱动主电路 1 2 1 、霍尔位置传感器 霍尔位置传感器是利用电流的磁效应进行l ：作，由与电机同轴安装、多只空 间均匀分布的霍尔元件构成。由于永磁无刷直流电机的永磁转子多用钕铁硼等稀 上永磁材料，瓦片型永磁体直接粘贴在转子铁心上，故其气隙磁场在窄间呈矩形 分布。霍尔元器件在磁场作用下会产生霍尔电势，经整形、放大后即可输出所需 转子位置电平信号，构成了原始的位置信号”。幽卜2 为霍尔集成电路及其开关 型输出特性。 ( a ) 霍尔集成电路( b ) 开关型输出特性 图卜2 霍尔传感器 为了获得三组互差1 2 0 。屯角度、宽1 8 0 。电角度的方波原始位置信号，需要 只在空间瓦差2 石( 3 p ) 机械角度分布的霍尔元件，其中p 为电机极对数，实际 上霍尔有6 0 。电角度和l2 0 。电角度不同安装方式，6 0 。电角度安装的霍尔信弓 示意图如图l3 所示。 丰 ： ； ： ； ： f 二干寻 ：i 二乒千千_ li 、l l 7iit j ，膏寺甚霉 j l 一 ： ； ： ； 压丰二j 二杪f 二卜_ 兮寻= 幽_ 3 霍尔位置信号和反电动辨及帕电流时序咒系示意幽 卫r r，。，l 肌 h 帅卟 肌n m w 1 2 2 、1 2 0 。导通工作方式 1 2 0 。导通工作方式是每一瞬间各有不同相的上、下桥臂元件导通，每个功 率开关元件导通l 3 周期( 1 2 0 。电角度) ，每隔1 6 周期换流一次，导通元件由霍 尔位置信号决定，见图卜3 。其中霍尔位置信号h a 、 i b 、h c 为红色方波信号；反 电动势e a 、e b 、e c 为蓝色梯形波；相电流为方波，与对应相反电动势一致。 1 3 、永磁无刷直流电机( b l d 嘣) 的控制 随着数字电路、微机技术的发展，采用计算机软件实现各种控制规律己成为 可能。大规模集成电路技术的成熟出现了微处理器、微控制器，使得电机的电子 控制又走入了一个崭新的数字化阶段。目前，d s p 逐步成为调速系统数字控制的 核心，展现出十分优越的控制性能： a ) 、数字控制器硬件标准、简洁，成本低，可靠性高； b ) 、数字控制实现灵活，功能齐全，可以按需求编写、更换软件，具有极大 的柔性； c ) 、可以实现复杂的逻辑判断、数字运算，使得新型、复杂的控制策略能得 以实现。 与模拟控制相比数字控制实时性较差，模拟量数字化时引入的量化误差影响 控制精度和平稳性，但随着微机运算速度和字长的提高，这些障碍将得到克服。 目前广泛采用的d s p 处理器有t i 公司1 6 位t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列控制器，其工作频率 有4 0 m ，单周期指令为2 5 n s ，累加器和乘法器精度达到3 2 位，它们的应用大幅度 地提高了调速系统的控制性能。本文在永磁无刷直流电机驱动器的控制系统中就 是采用t i 公司的f 2 4 0 7 a 微处理器，用于做大量的数据运算和复杂的控制。 永磁无刷直流电机具有有刷直流电动机那样优良的调速性能，却没有电刷和 换相器，这主要是它用位置检测器代替了电刷，用电子换向电路( 逆变器) 替代 了机械式换向器之故。因此永磁无刷直流电机的电子控制系统是这种电机不可缺 少的必要组成部分，否则不能运行，这是有别于其他调速电机之处。这样，无论 是丌环运行还是闭环控制，永磁无刷直流电机都有相应的控制方法和控制系统问 题。 1 3 1 、开环控制系统 永磁无刷直流电机开环控制系统框图如图l 一4 所示h 。其基本原理是按照图 l 2 所示的相电流和霍尔位置信号之间的关系，对三相桥的各个开关管进行控制 其通断，从而让电机运行，通过调节开关管占空比达到调速的目的。这种开环调 速方法系统结构简单，一般使用在调速性能要求不高的场合。 图卜4b l d c m 开环控制示意图 1 3 2 、闭环控制系统 典型的速度、电流双闭环系统框图如图卜5 ，系统模型如图卜6 所示“。 图卜j b l d 典型速度、电流双环系统 图卜6b l d c m 典型速度、电流双环系统模型 其中 “，是系统的速度给定； g s ( s ) 是比例积分( p i ) 型速度调节器： g j ( s ) 为比例积分型电流调节器； 吒，( s ) 为三相全桥逆变器传递函数，是个惯性环节； g l ( s ) 为电枢回路，是一个惯性环节，其时间常数由相绕组的电感值 l 和电阻值r 确定； g 2 ( s ) 为电流环输入端的滤波环节； g ( s ) 代表电机( 包括轴上机械负载) 转动部分的惯性； g 4 ( s ) 是速度反馈环节。 在速度环的输入端往往还加上一个给定缓冲( 滤波) 环节，其目的在于减少 当给定突变时转速调节过程中可能出现的转速超调量。如果转速给定信号不是直 接输入速度调节器，而是通过一个给定积分器输入到速度调节器，则速度调节器 的输入不会发生阶跃突变，在这种情况下，缓冲环节可以省略。 速度反馈采用脉冲测速以适应微机的数字控制，速度调节器的输出作为电流 给定，电机电流经a d c 采样后在d s p 中构成电流反馈。由于永磁无刷直流电机采用 1 2 0 。导通方式工作时，相电流为矩形方波，波形确定，所需控制的只是电流幅 值，故可用p w m 控制来实现。即用电流调节器输出的电压信号蜥与三角波电压信 号坼相比较，产生等幅、等脉宽、定周期的脉宽调制信号，控制功率器件的。i i 作。 当坼值大时，p w m 波形的f 吁空比大，电机电枢电压高，绕组电流大；反之则小。 电磁转矩与电流成正比，由此实现了对转矩的控制，进而对速度实现闭环。 1 4 、永磁无刷直流电机转矩脉动问题 永磁无刷直流电机由于具有一系列的优点，使其在工业、交通、航空航天、 军工、家电等各个领域和行业都有广泛运用。但是，永磁无刷直流电机存在固有 的转矩脉动缺陷，会引起转速波动、电磁振动和噪声，限制了其应用范围。 转矩特性是电动机重要的性能指标，最重要的是平均转矩和转矩的平稳性。 永磁无刷直流电机由于本身的结构特点，平均转矩可以做的比其它类型的电机 高，但是转矩的平稳性不如其它电机。相对与永磁同步电机而言，永磁无刷直流 电机最突出的问题就在于有电磁转矩脉动，降低了电力传动系统控制特性和驱动 系统运行质量。 1 4 1 、永磁无刷直流电机转矩脉动的成因 引起永磁无刷直流电机电磁转矩脉动的原因主要有三个：首先是齿槽转矩脉 动；其次是非理想反电动势引起的转矩脉动( 相当于谐波转矩) ；最后是换相转 矩脉动。前两个是电机设计和制造上的问题，需要设计和制造工艺来限制；换相 转矩脉动是采用两两导通方式( 1 2 0 。导通型) 所特有的问题。在换相过程中， 退出相电流由工作电流减至0 ，进入相电流由0 增加到工作电流，由于电机绕组带 有感性，使这两相电流变化不一致从而造成换相时有转矩脉动的问题。 对于一台制造质量良好的永磁无刷直流电机而言，齿槽转矩脉动和谐波转矩 造成的脉动均较小，而换相转矩脉动就成为主要存在的问题。有研究表明，换相 转矩脉动可以达到平均转矩的5 0 以上”1 。，冈此，对永磁无刷直流电机的换相转 矩脉动的抑制直足人们研究的热点问题之一。 1 4 2 、永磁无刷直流电机转矩脉动抑制技术的现状 永磁无刷直流电机在1 2 0 。导通方式驱动时，由于存存固有的换相转矩脉动 问题，抑制换相转矩脉动成为人们关心的内容之一。r e n a t oc a r l s o n 首先对三相 桥式六拍控制的无刷直流电机在换相时刻三相绕组电流的变化规律作了详尽的 分析1 。指出了在电机不同的转速下，存在退出相、进入相和非换相相的电流 的三种不同变化情况，见图卜7 所示，并得出转矩脉动的成因。 。o u 培o i l l g i 1 1 c o m i ： w 7 f li ： 非换相相 图卜7换向时各相电流三种不同的变化状态 有文献“采用三个传感器对电机三相电流实时榆测的方法来控制换相时非 换相相电流脉动，但这无疑会增加系统的成本。为保持无刷直流电机控制器成本 低、控制简甲的优点，很多学者致力于单电流传感器来抑制电机换相时的转矩脉 动研究。单电流传感器一般实时检测直流母线电流，采用特定的控制方法来达 到对换相时转矩脉动的抑制。c r o s 等“采用直流母线电压等于四倍反电动势幅 值时，换相转矩脉动为零的控制策略，通过在换相时刻对母线电压进行p w m 调制， 控制母线电压至符合上述条件时，可以有效地抑制换相时的转矩脉动问题。 其它的抑制换相转矩脉动的策略还有如重叠换相法，其基本思路是：通过人 为地延长换相过程和时间，使换相相的电流变化率被控制，从而控制非换相相电 流不变，达到对换相时转矩脉动的抑制。重叠换相法可以分为延迟换相和超前换 相，或者两者可以结合起来使用。延迟换相是指当换相信号到达以后，退出相并 不立即关断电流，而是延迟一个特定的时问再关断电流，达到补偿换相时电流的 跌落；超前换相是在换相信号到达之前，进入相提前开通一个特定的时间，达到 补偿换相时电流的跌落。不管是延迟换相法还是超前换相法，实现起来比较困难， 原因在于这个特定的延迟时间或超前时间很难确定。 1 5 、研究的主要内容 本文研究永磁无刷直流电机的驱动器，见图l - 8 所示。此电路在传统的三相 桥前级加了一级双向d c d c 电路，可以实现双向b u c k b o o s t 功能，当电路工作于 正向b u c k 状态时，电池v d c 供电，t 1 管进行p _ l v m 调制，d 2 为续流二极管，它们和l 及c 2 一起组成了正向b u c k 对后级变频器供电，本文主要研究的是正向工作状态的 b u c k 模式。 v d c 图卜8 前级双向d c d c 电路 v d 在无刷直流电机驱动系统中，当转速比较低的时候，有些应用场合系统对转 矩脉动比较敏感，需要加以抑制。同时，永磁无刷直流电机低速_ f 转矩脉动的抑 制方法对于永磁无刷直流电机的其他应用场合也具有普遍性指导意义。 1 ) 、结合带有前级双向d c d c 电路的电机驱动器提出了采用电感电流作为控 制变量，进行速度开环和闭环控制，并对双向d cd c 电路带电机负载时采用电感 电流为反馈量进行建模和分析。 2 ) 、本文埘转矩脉动的形成进行了理论分析，并对带有新型d c d c 电路的电 机驱动器在的转矩脉动的抑制提出。种新方法，即在三相桥用占空比为o 5 的p w m 调制方式，达到直流母线电压v d 为电机反电动势峰值e 的四倍( v d = 4 e ) 。 3 ) 在高速数字控制系统中，抗干扰的设计4 i 容忽视，本文就系统的抗干扰 性设计分析了控制电路和软件控制中的几个般性原则。 参考文献 1 许大中，贺益康，电机控制，浙江大学出版社，第2 版。 2 张琛直流无刷电动机原理及应用 m 北京：机械工业出版社，2 0 0 4 3 陈伯时电力托动自动控制系统 m 北京：机械工业出版社，1 9 9 7 4 曾丽，吴浩烈，永磁无刷直流电机系统仿真研究，贵州工业大学学报，2 0 0 4 ， v 0 1 3 3n o 6 。 5 陈伯时，陈敏逊，交流调速系统，机械工业出版社，2 0 0 3 年第一版：2 2 2 。 6 权利，郭中醒，微特电机产业发展综述，微特电机，2 0 0 2 ( 6 ) 。 7 j i n w o oa h n ，h y u n s o os o n g ， d o n g h e el e e ， b r u s h l e s sd cm o t o rd r i v e f o rt r e a dm i l la d a l i c a t i o n 。 8 9 1 0 1 1 1 2 1 4 1 5 唐苏亚 叶京虎 王季秩 李朝东 钕铁硼永磁的发展现状与应用市场，微特电机，2 0 0 l ( 4 ) 。 徐思海，无刷直流电动机，北京：科学出版社，1 9 8 2 。 无刷电机的现在与将来，微特电机，1 9 9 9 ，5 。 微电机研究的最新动态与应用展望，微特电机，2 0 0 3 ( 1 ) 。 s a t o s h i0 9 a s a w a r a ，hir o f u m ia k a g i ，a na p p r o a c ht op o s i t i o ns e n s o r l e s s d r i v ef o rb r u s h l e s sd cm o t o r s i e e et r a n s a c t i o n so ni n d u s t r y a p p l i c a t i o n ，v o 】2 7 n o 5 ，s e p t e m b e r o c o t o b e r ，1 9 9 1 。 孙立志，赵辉，陆永平，电动汽车中的电机驱动系统，电工电能新技术， 1 9 9 7 ( 4 ) 邓隐北，娄炎珍，电动汽车的电机驱动系统，河南交通科技，1 9 9 9 ( 2 ) 。 王怡，胡元德，王义发等，国外电动汽车电机驱动系统发展评述，微电机， 1 9 9 7 ( 3 1 6 袁海林，施进浩，微特电机市场动向和发展对策，微特电机，2 0 0 l ( 6 ) 。 17 贡俊，陆国林，无刷直流电机在工业中的应用和发展，微特电机，2 0 0 0 ( 5 ) 。 1 8 李烨，严欣平，永磁无刷电动机技术发展水平及应用前景展望，2 0 0 1 ( 1 ) 。 1 9 郑吉，王学普，无刷直流电机控制技术综述，微特电机，2 0 0 2 ( 3 ) 。 2 0 g w a n gh e n ok i l i 】，s e o gj o ok a n g ，i 】o n gs o ow o n ，”a n a l y s jso ft h e c o m m u t a t i o nt o r q u er i f ) p 1ee f f e c tf o rb l d c mf e d b yh c p r w mv s i ”，i np r o c i e e ea p e c 9 2 1 9 9 2 。 2 1 _ 傅颖，周波，耿云亮，c d u m p 变换器供电的无刷直流电机换相转矩脉动的 分析，南京航空航天大学学报，2 0 0 0 ( 3 ) 。 2 2 s a t o s h io g a s a w a r a ，h i r o f u m ia k a g i ，a na p p r o a c ht op o s i t i o ns e n s o r l e s s d r i v ef o rb r u s h l e s sd cm o t o r s i e e et r a n s a c t i o n so ni n d u s t r v a p p li c a t i o n ， v o l + 2 7 n o 5 ，s e p t e m b e r o c o t o b e r ，1 9 9 1 。 2 3 h t a n ，s l h o ， an o v e ls i n 9 1 ec u r r e n ts e n s o rt e c h n i q u es u i t a b l ef o r b l d c md r i v e s i e e e1 9 9 9i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nd o w e re l e c t r o n i c s a n dd r i v es y s t e m s ，p e d s 9 9 ， j u l y1 9 9 9 ， h o n gk o n g 。 2 4 r e n a t oc a r ls o n ， m i c h e ll a j o i em a z e n c ， j o a oc d o ss f a g u n d e s ， a n a l y s i so ft o r q u er i p p l ed u et op h a s ec o m m u t a t i o ni nb r u s h l e s sd c m a c h i n e s i e e et r a n s a c t i o n so ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n ，v 0 1 2 8 ，n o 3 ， m a y j u n e ， 1 9 9 2 。 2 5 j c r o s ，j v i n a s s as c 1 e n e t ，s as t i e r ，a n dm l a j o i e m a z e n e ，”an o v e l c u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yi nt r a p e z o i d a le m fa c t u a t o r st om i n i m i z e t o r q u er i p p l e sd u et op h a s ec o m m u t a t i o n s ，”i np r o c e u r c o n f p o w e r e l e c t r o n ， a p p l i c a t ( f p e ) b r i g h t o n ，1 9 9 3 。 2 6 y m u r a j ， y k a w a s e ， k o h a s h i ， k n a g a t a k e ， a n dk o k u y a m a ”t o r q u e r i p p l ei p r o v e m e n t sf o rb r u s h l e s sd c 】i l i n i a t u r em o t o r s ”i e e et r a n s i n d a p p l i c a t v 0 1 2 5 ，n o 3 ， 1 9 8 9 。 2 7 t h o m a s m j a h n s ， w e n l s o o n g ，”p u l s a t i n gt o r q u em i n l m j z a t i o n t e c h n i q u e sf o rp e r m a n e n tm a g n e ta cm o t o rd r jv e s ar e v i e w ”，i e e et r a n s i n d u s t r i a le 1 e c t r o n i c s ，v o 4 3 ，n o 2 ，1 9 9 6 。 第二章永磁无刷直流电机的数学模型和p 删调制方法 2 1 、引言 永磁无刷直流电机具有结构简单、可靠性高、功率密度大、便于控制等诸多 优点，已经在工业、农业、航空航天和家用电器等领域都得到广泛应用。通常使 用三相全桥、采用两两导通( 1 2 0 。导通方式) 方式来驱动永磁无刷直流电机1 。 由于永磁无刷直流电机在稳定运行时，其转速与输入的直流电压成正比，因此一 般都采用对三相全桥采用p w m 调制直流母线电压，以得到需要的电机转速1 。 2 2 、永磁无刷直流电机的数学模型 永磁无刷直流电机( b l d c m ) 具有梯形波的反电动势。b l d c m 较多采用磁钢表 面安装式转予结构，另外使用的钕铁硼( n b f e b ) 等稀土永磁材料具有与空气相 近的磁导率，因此可以认为电机的等效气隙长度为常数，电枢反应可以忽略不计， 电机定子三相绕组的自感为常数，相绕组之问的互感也不随转子的位置变化而变 化，两者都与转子的位置无关。这样可以作如下假设7 3 8 3 1 “： ( 1 ) 、电机磁路不饱和 ( 2 ) 、不计涡流和磁滞损耗 ( 3 ) 电机每相绕组的内阻相等，为兄= 咒= 咒 ( 21 ) ( 4 ) 、电机每相绕组的自感相等，为厶= 厶= t = ( 22 ) ( 5 ) 、电机每相绕组之间的互感相等，为心= 鸭。= 虬= m 。= 坛。= m 。 誊 = 毒善曼 i + 鲁 萎誊 ；1 + 季 + 荔 cza ， “。，屹，“。为电机三相绕组的相电压； 屯，t 为电机三相绕组的相电流； 巳，p c 为电机三相绕组的相反电动势； 誊 = i ；1 f i + 鲁 i ；i i + f 圣 + 季i 且中点不连出去， ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由上式可以得出永磁无刷直流电机的等效电路模型，如图2 1 所示。其中v d 是直流母线电压，n 为电机三相绕组中点。 v d ：c 哗”肆”望“出墨善n =-= 。：矗。刘一 d l u u i v l 图2 1电机的等效电路及驱动电路 兀刷直流电机的电磁转矩为 z 。：型土坠堕 ( 2 7 ) 一 q 。 其巾咀，为电机的机械角速度。 设在理想情况下，永磁无刷直流电机1 ：作于i2 0 。导通方式下，每时刻只自 两相绕组导通，另+ 相绕组电流为零。导通两相的反电动势都在梯形波的幅值处， 即e 或一e ( 这两相反电动势绝对值相等，方向相反) ，相电流大小相等，反向也 丰h 反( i 或一i ) 。则由( 2 7 ) 式可以简化为： 乙：丝 ( 2 8 ) 各相绕组反电动势的幅值可以表示为： e ，m 屯 ( 2 _ 9 ) o u 其中： p 为电机极对数； 为电机每相总导通数； 丸为主磁通； 为电机机械角速度。 上式表明，在电机内主磁通以定的情况下，反电动势大小与电机转速成正比 关系。而式( 2 8 ) 表明在电机转速恒定时，电机的电磁转矩与流过电机的电流 大小成正比关系。 考虑到电机的运动方程为： j 等圾一瓦 ( 2 _ 1 0 ) 其中： j 为永磁无刷直流电机的转动惯量： z 为电机所加的负载转矩。 由上可以知道，永磁无刷卣流电机的数学模型由以上几个方程可以确定。 2 3 、永磁无刷直流电机的调制策略 三相永磁无刷卣流电机工作于两两开通方式( 1 2 0 。导通方式) 时，常见的 p w m 调制方法有以卜六种。：1 ) 、h p w m o k ；2 ) 、h o n 一【j _ p w m ；3 ) 、( ) n p _ l v m ； 4 ) 、p w m _ o n ；5 ) 、 | 一p w m lp w m ：6 ) 、叭o n 分别如下图2 2 所示。 可以知道对于h i 删一o n 的调制方法是三相全桥的上管采用p _ l v m 调制，而 下管则采用恒通的方式工作；对于h o n 一p w m 则采用上管恒通，而下管进行p w m 调制：对于o n p 1 v m 策略则是每个管子在开通1 2 0 。电角度的过程中，前6 0 。先 恒通，后6 0 。采用p w m 调制；对于p 州一0 n 控制策略是前6 0 。电角度进行p 1 i | m 调制，而后6 0 。为恒通方式；h - p _ l v m l p w m 的控制策略为不管上下臂，每个管子 都采用p w m 调制；而o n o n 控制策略则每个管子在驱动信号到来后恒通1 2 0 。电 角度，但在电机变速运行过程中这需要特殊措施实现。 l l n n n n 6 n n n n i lii i ii 卜h i ，t h m n n n n i i i ) 一 ii i 卜_ 一r t i l h n n n n h n nn n ir t 卜_ 叫_ 1 i iir t l _ h n n n n ii l 卜_ n n nn |j i 卜 n n 川j 1 n n n n i i - - - - - - 6 n 三 ir h n n n n ij r _ h n n n n if 三 o n p w m t l 1 n n n n 6 n n n n i ili l i 6 n n n n 6 n n n n ii ! 6 n n n n 6 n n n n i i1 1 n n n n i6 n n n n h n ! h n n n n h n n n n i ! h n n n n h n n n n li ：i hp w m 1 p w m t l hiii i 6 n n n n l n n n n li ! i 卜_ 一1 1 n n n n liiih n n n n i ! ii 卜hj h n n n n h n n n n i ii ! hn n t ，p w m t 2 ) l l n n n n hiiil i | m n n hi ! 6 n n n n h i j 一 i h n n n njj h n n n n h ! h n n n n hli1 4 ) l 十_ 1卜- 。 ii 卜hl ! i 卜_ 叫一i ! 一lh ! ii 卜hj r 1 _ 1 i ii ! ( ) n o n t 5 ) 6 ) 图2 2 永磁无刷直流电机常用的六种p w m 调制策略 从开关损耗看，前四种工作方式只有一个开关管进行p w m 斩波调制，而第五 种有两个开关管同时斩波调制，因此开关损耗是前四种的两倍。而1 ) 和2 ) 的 调制方式总是在三个上桥臂或三个下桥臂管之问进行p w m 斩波，因此开关损耗没 有平均分配。 从逆变器输出电压极性的角度来看，前四种属于单极性p _ i 【m 调制方式，5 ) 属于双极性p w m 调制方式。一般认为，在单极性调制方式下，电流脉动小，在双 极性调制方式下，电流脉动大。 所以综合起来看，通常采用的调制方式是3 ) 和4 ) ，并且已有文献“指出在 这前五种p w m 调制方式下，p w m o n 的转矩脉动最小。6 ) 所采用的调制方式，对 于已给定的直流母线电压( 比如说电池供电) ，不能实现调速，在不增加直流调 压电路的情况下，一般不能采用这种调制方式。 2 4 、带有前级b u c k 电路拓扑结构的无刷直流电机驱动器 在无刷直流电机驱动器的开发中，使用电池作为电机驱动的供电电源，采用 双向d c d c 电路作为三相全桥的前级，如图23 。当电机在低速运行时电池供电 工作，此时电路i 作于b u c k 状态；当电机在高速运行时对电池充电，此时电路 工作于b o o s t 状态。 v d c 图2 3 前级双向d c d c 电路 v d 在本文的工作中，乇要研究电路工作于b l - c k 状态时，对电机的驱动问题。 因此为了方便将电路简化，并加上三相全桥电路，电路如图24 所示。当前级 b u c k 工作时，输出直流母线电压v d 供给三相全桥驱动电机，此时，电机的p w m 调制策略就叮以使用第六种控制方式：o n 一( ) n 方式。前级b u c k 电路实现调压调 流，从而对电机的转速和转矩进行控制，可以知道在电机稳定运行时，直流母线 电压约为反电动势幅值电压的两倍，即v d = 2 e 。由于三相桥上各个开关管几乎没 有开关损耗，所有的开关损耗基本卜都在b u c k 管上，同时b u c k 管所承受的开关 应力也最大。 网2 4 带前级b u c k 的三相无刷直流电机驱动器 典型的电机调速系统采用电机相电流来形成电流闭环，这样需要采集三相相 电流或者直流母线电流。在双向d c d c 电路中，需要对电感电流的双向控制，因 此在不增加采样信号的前提下，提出用控制电感电流的方法来替代控制三相电流 或直流母线电流，从而实现电机调速。采用前级b u c k 电路，本文将在下一章节 展开关于电机调速控制系统的建模和分析。 2 5 、本章小结 本章的主要内容是对永磁无刷直流电枫进行数学建模，给出其一般意义上的 数学模型。从数学模型中可以看出电机在稳定运行时，其机电运动方程与普通直 流电机一样，因此对直流电机的调速分析可以运用于无届直流电机驱动器的分 析，特别是在带有前级b u c k 而工作于o n o n 模式时。前级b u c k 电路用于调压， 当转速参考值给定时，直流母线电压就被调节到与转速对应的值，从而实现电机 凋速 本章另一个阐述到的内容是传统的三相桥式b l d c m 驱动电路的p w m 调制方 式，通过控制p w m 调制r 宁空比，实现电机的调速。但足由于p w m 调制，电机相电 流是在平均值上叠加了个由于p w m 调制而造成的纹波电流，电机的纹波脉动和 纹波损耗比较大。在无刷直流电机驱动器系统中使用了带前级b u c k 的主电路 三相桥不需要p _ l v m 调制，这样可以消除p w m 调制产生的纹波电流。 参考文献 1 李永东，交流数字控制系统，机械工业出版社 2 李志民，张遇杰，同步电动机调速系统，机械工业出版社，2 0 0 1 ，第一版。 3 b k 博斯主编，姜建国等译，电力电子学与变频传动技术和应用，中国矿业 大学出版社。 4 林渭勋，现代电力电子电路，浙江大学出版社，2 0 0 2 年7 月第一版：1 4 4 。 5 张崇巍，张兴，p _ l v m 整流器及其控制，机械工业出版社。 6 吴守箴等，电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社，第二版。 7 孙建波，龚世缨，董亚晖，永磁无刷直流电机调速系统的仿真研究，伺服技 术，2 0 0 1 年3 4 卷第2 期。 8 邓兵，潘俊民，无刷直流电机控制系统计算机仿真，计算机仿真，2 0 0 2 年， 1 9 卷第5 期。 9 刘文春，无刷直流电机电流环驱动控制技术应用，微特电机，2 0 0 2 年第5 期。 1 0 魏金成，张祖嫒，永磁无刷直流电动机调速性能分析与优化，四川工业学院 报，1 8 卷第2 期。 1 1 许大中，贺益康，电机控制，浙江大学出版社，第2 版。 1 2 陈伯时电力拖动自动控制系统 m 北京：机械工业出版社，1 9 9 7 1 3 张琛直流无刷电动机原理及应用 m 北京：机械工业出版社，2 0 0 4 1 4 曾丽，吴浩烈，永磁无刷直流电机系统仿真研究，贵州工业大学学报，2 0 0 4 ， v 0 1 3 3n o 6 1 5 张相军，陈伯时，无刷直流电机控制系统中p w m 调制方式对换相转矩脉动的影 响，电机与控制学报，2 0 0 3 ( 2 ) 。 1 6 b y o u n g k u ki e e ，t a eh y u n gk i m ，m e h r d a de h s a n i ，o nt h ef e a s i b i l i t yo f f o u rs w i t c ht h r e e p h a s eb l d cm o t o rd r i v e sf o r1 o wc o s tc o m m e r c i a l a p p c a l i o n s ：t o p 0 1 0 9 ya n dc o n tr 0 1 ，t e e et r a n s a c t i o n s0 np o w e r e l e c t r o n i c s ，v o l 1 8 ，n o 1 ，j a n 瞰r y2 0 0 3 17 h w v a nd e rb r o e c ka n dj d v a n w y k ， “ac o n l p a r a t i v ei n v e s t i g a t i o n o fat h r e e p h a s ei n d u c t i o nm a c h jn ed r iv ew i t hac o m d o n e n tm jn i m i z e d v ( ) i i g e f e di n v e r t e i 、t j n ( 】e rd i f f e r e n tc o n t r o lo nli o n s ” i e e et r a n s i n d a p p l i c a t ，v 0 1 2 0 ， p p 3 0 9 3 2 0 ，m a r a d r 1 9 8 4 1 8 f b l a a b j e r g ， d o n e a c s u ， a n dj k p e d e r s e n ，t t a d a p t j v es v mt o c o i i l p e n s a t ed c 一】in kv o l t a g er i p p l ef o rf o u r s w i t c ht h r e ed h a s e v o l t a g e s o u r c ei n v e r t e r ，”i f e et r a n s p o w e re l e c t r o n ， v 0 1 1 4 ，p p 7 4 3 7 5 2 ， j u l y1 9 9 9 1 9 g t k i ma n dt a l i p o ， v s i p w mr e c t i f i e r i n v e r t e rs y s t e mw i t ha r e d u c e ds w i t c h c o u n t ，” i e e et r a n s i n d a p p l i c a t ， v 0 1 3 2 ，p p 1 3 3 1 1 3 3 7 ，n o v d e c 1 9 9 6 2 0 j i ，i t o ha n dk f u j n a ， n o v e lu n i t y p o e rf a c t o rc i r c u it su s i n 卫 z e r o v e c t o rc o n t r o lf o rs i n 9 1 e p h a s ei n p u ts y s t e m s ，” i e e et r a n s p o w e r e 】e c t r o n v 0 1 1 5 ， p p 3 6 4 3 ，j a n 2 0 0 0 2 l p p i l l a ya n dp f r e e r e ，“l i t e r a t u r es u r v e yo fp e r m a n e n ti 玎a g