永磁无刷直流电机转矩脉动抑制的SVPWM控制

1、28水出无电机转矩I*动抑制的SVPWM用制中小巾电机2003.30（2）中小舉电机2003.30(2)水他无剧直流电机转矩穌动抑制的SVPWM控制2728水出无电机转矩I*动抑制的SVPWM用制中小巾电机2003.30（2）28水出无电机转矩I*动抑制的SVPWM用制中小巾电机2003.30（2）永磁无剧直流电机转矩脉动制的SVPWM控制邱建乗1974年6月 生,2002年毕业于浙江 大学电SIS学院，工 学京士，观为浙江大学 电气工程学睨讲师。研 究方向为电机及具控 制。浙江大学电气工程学院(杭州市310027)邱建琪史涔漱林瑞光摘要 本文对于反电动势波形接近正弦的永啟无刷直流电动机，提出

2、一种 基于六个囲散位買念号的自同步SVPWM控制方法，用于抑制电磁转矩脉动。 仿真和买验结果表明该种方法比传统的120。导通控制方式更能有效地抑制转 矩脉动。关词无刷直流电动机转矩脉动控制讣5SVPWM Control for Ibrque Ripple Attenuation28水出无电机转矩I*动抑制的SVPWM用制中小巾电机2003.30（2）of PM BrushlDC Motors28水出无电机转矩I*动抑制的SVPWM用制中小巾电机2003.30（2）Zhejiang University Qiu Jianqi, Shi Cenweit Lin RuiguanAbstract: F

3、or lhe BLDCM which has a sinusoidal back EMF, thift paper presents a selfsynchronous SVPWM control method using ftix discrete position signals for minimizing torque ripple. The simulation and experimental results indicate that SVPWM method is more efiective than lhe tradiliona 120° conduction c

4、ontrol method for the minimization of the torque ripple Key words: RniAhleHs DC motors Torque ripple <A)ntrol28水出无电机转矩I*动抑制的SVPWM用制中小巾电机2003.30（2）28水出无电机转矩I*动抑制的SVPWM用制中小巾电机2003.30（2）1引育无刷直流电动机的反电动势波形一般为梯形 波，但在实际应用中为了消除齿槽转矩常采用 斜槽、分数AL合理设计磁极形状和充磁方向等措 施这些措施往往使得电机的反电动势波形更接 近正弦 V 对于这类电机，采用正弦波电流激 动比采用

5、12(F导通型三相六状态方波駅动，更有 利于减小电磴转矩脉动。但是传统的正弦波驳动 无刷直流电动机的电流控制方法，不管是三相电 流跟踪法，还是i“i.型矢盘控制法，除了控制算 法复杂，都需要知道连续的转子位置倍号，一般通 过高分辨率的光电编码器来获取。釆用光码盘 一方面增加了系统的体积，在一些对体积要求比 较严格的场合无法使用，另一方面大大增加了系 冼的成本，而对于家电等消费类产品，成本是一个 很重饕的制约W«o舆此寻求利用方波型无剧宜 流电机三个左尔元件产生的六个离散位置信号， 来实现正弦波电潦驱动，具有重要的现实意义。2电压空间矢法(SVPWM)控 制2.1基本控制思頰图1所示是

6、典型的电压和逆变器结构由于 同一桥戦上下功率管不会冏时导通，因此可以仅 用三个变盘S.SSc来表示六个功率管的开关 状态.5X = 1时表示逆变器A相上桥臂通 =0时为A相下桥号通其余两相类推，这样一 来三相共有8种开关状态。图2所示是这8种 开关状态所对应的三相输出电压变换到“0坐标 系下的电压空间矢量如果控制逆变器，使其按 吋“，如网的顾序，每隔60°电角 切换一次开关状态、一个周期切换六次，这就盘典 型的i8(r导通眾六拍逆变器的运动方式由于常 用的无刷克流电机一般都提供六个离散的转子位 置信号，如果在位直佰号翻转的时刻切换电圧空 间矢量，就可以实现I妙导通罚的自控式运行。如果

7、要使输出相电压更緩近正弦波可以按照SVPWM的幣制方法把毎个60°区间进行N等 分，毎个小区间通过相邻两基本矢It和零矢然的 组合来合成该区间的电压空间矢量这样一个周 期将有6N个电压空间矢6L每隔N电角切换 一次。为了实现无刷宜流电机的自控式运行，切 换时刻仍必须由转子位置信号决定，即转子转过 60/N电角，电压空间矢St切换一次°问題是总共 只有6个扁定的离散位賈信号如何确定两个位 覽信号之间转子的实际位置，是保证无刷宜流电 机自同步运行的关犍。图2基本电压空间矢按照电机学理论无刷直流电动机的电恵转 矩可浪示为T.二 k F. x F. = k F. F. 血0 （J）

8、 式中F,定子励磁磁动势Ft转子励磁恿动势0F.和尺之间的夹角k比例系数从上式可见，有两个因素可引起电磁转矩脉 动，一是定子励8S磁动势F.福值的变化,二足定 子更动势弓转子80动势夹角的变化。而上面所提 的SVPWM控制方法能够保证电压空间矢悽和转 子以恒定的夹角同步址转，由于定子电流空间矢 載以恒定的夹角与电压空间欠竜同步旌转而定 子磁动势又由定子电流产生最终使定子磁动势 与转子以怛定的夹角同步旋转。这种控制方法能 够消除因定、转子夹角变化而引起的电磁转矩脉 动英最大的优点妊硬件结构软件算法祁比真正 的PMSM矢录控制要简单。2.2电压空间矢初始定位为了实现自同步运行并顺利起动采用电压 空

9、间矢最控制必须进行初始定位即在电机停转 时，根据当前转了的实际位置确定电压空间矢试 的初始相位。根据式（1）,为了使产生的电磁转矩 最大，必须保持定.转子磁动势之间的夹角为90 电角设定子电压空间欠最趙前定子电流空间矢 虽为0z电角，而定子电流空间矢童与定子就动势 同相位，因此必须使定子电压空何欠锻超前转子 磋动势90+色电角。如果三相位艮传感器的安 装定位使得当转子磁极轴线位于A相反电动势 的过零点处时 A相位?t传感器输岀信号发生跳 变，.触发A相绕组导通则可以锚定转子位于某 个60°区间时，电压空间矢量的初始相位角。，此 处侏代舉“坐标系F电圧空间矢册与a轴 （即A相轴）之间的

10、夹角，如图2所示，当莅尔传 感器输岀如图3所示的三相位置佰号时根据以 上原则确定的三相位気信号与电止空间矢俄的切 始相位角如表1所示。1114IHAi'11111111111111HB1111111111a Ii11 a aHCji11II11 1i10* 60° 120* 180° 240° 300° 0° 60° 120* 180*图3霍尔传感器输岀的三相位58伯号«1三相号与电压空同矢的初绐定位相位角三相位位号初谢相位冊HAHBIK%（电角度）10】-270 4 务!00330 典11030501090 %01

11、11500012105(中小取电机2003.30(2)水絶无刷直滾电机转矩脉动抑制的SVWM控制292.3转子位的估计采用电压空间欠址法来控制无刷直流电动 机实现自同步运行，与控制异步电动机的本质区 别在于电压空何欠量的施转频率受位蛙检测器的 控制即定子施转磁场的转速和转子的转速始终 相等三相需尔元件输出的位世倍号如图3所 示毎隔60。电角便有一个位匱信号发生跳变这 样在一个周期内有6个转于位置可以被确定。当 逆变器采用六拍运行方式时电压空间矢盘毎隔 60。电角切换-伙，以三相位艮信号的跳变时刻做 为电压空间欠厳的切换时刻就可以实现无刷直 流电动机的自同步运行不再需要额外的转子位 胃信息。为了

12、使输出的相电压更逼近1E弦波按 照SVPWM的控制方法把毎个60。区间进行N等 分，每个小风间通过相邻两基本矢试和苓矢fit的 组合来合成该区间的电压空间矢鱼，这样一个周 期将有6/V个电压空间矢最每隔60/N电角切换 一次，为了实现自同步运行必须知道每个60/V 电角所持续的时间考虑到系统的机械时间常数 大于电气时间常数可以假设一个60°区间内转子 的转速不发生变化这样如果知道毎个砂区间所 持续的时间除以N等分,就可得到毎个60/"电 角所持续的时间但是当前6(F区间持续的时间不电斥空闾矢转过60。所需时间 可能事先得到，实际实现时只能用上一个积尸区间 所持续的时间来近似

13、代替当前60。区间的持续时 间。电机实际运行时由干转速的波动相邻两个 6(T区间持续的时间不一定相同当用上一个60° 区间所持续的时间来估算当前妙区间内每个60/ "电角所持续的时间必然会有一定的溟蛙如 果不进行位置校正，当谋差积累超过一定和度时. 电压空间矢量与转子d轴之间的实际相位角将 发生错位造成电机的失步振荡直至停转。利用 三相位豐信号提供的6个确定的转了位宜每隔 60。电角对电压空间矢诫的相位进行一次校正，可 以消除位置误理的积累。系统实际运行时当60° 位世校正信号来临时电压空间矢量的实际相位 角可能超前或滞启基准位豊如图4所示，对于图 4(h)所示悄

14、况，电压空间矢&已经转过妙电角， 但实际转子还没有转完60。电角此时应保持电斥 空间矢量的相位不变直到转子转过60。电角产生 校准信号才做切换对千图4(b)所示悄况刚好 相反转子已经转过60°电角，但电压空间矢试还 没有转完抄电角此时应立即将电压空间矢址的 相位切换至枝正相位。经过上述位置信号的预估 校正后可以便电压空间矢吐与转子位逍同步旋 转保证无刷直流电动机的自同步运行：电圧空间欠转过厲/所需时间(中小取电机2003.30(2)水絶无刷直滾电机转矩脉动抑制的SVWM控制29(中小取电机2003.30(2)水絶无刷直滾电机转矩脉动抑制的SVWM控制29(中小取电机2003.

15、30(2)水絶无刷直滾电机转矩脉动抑制的SVWM控制29IH4位登校正时电压空何矢it相位超前或淹两示意图(中小取电机2003.30(2)水絶无刷直滾电机转矩脉动抑制的SVWM控制292.4仿真及实验结黑本文对一台300W三相Y型水磁无刷直谁电 动机进行仿真及实聯研究样机的具体参数为：极 对数p=4,相电感L = 2.4mH,相电阻« =0.452 调速范Bl0-1300r/min.实测反电势波形接近 正兹。惮机在传统三相六状态120°导通方式及 SVPWM控制方式下的相电流及电磁转矩的仿真 结果如图5所示由图所ZK SVPWM控制方式下 的转矩脉动明显小于传统120。辱通

16、方式。样机在 两种控制方式下的相电流及电磁转矩实测波形如 图6所示由图可知，三相六状杰1亦导通方式下 绕组相电流有效值为3.2A时，产生的平均电磁 转矩约为1.25N-m,转矩电流比为039转矩脉 动系数为50%。白同步SVPWM控制方式下,在绕(中小取电机2003.30(2)水絶无刷直滾电机转矩脉动抑制的SVWM控制2930永破无刷Hit电机转矩制的SVPUM控制中小S!电机2003.30(2)30永破无刷Hit电机转矩制的SVPUM控制中小S!电机2003.30(2)5.0o<、J*m»4060时间i/ms5.0rtvmww0 204060时间I /ms(a)三相六状杏)2

17、0° 方式<、*m«时闻f/m$J.5.o.51 oE.z2060时间f / ms(b)自同步SVTWM «制方式图5疋弦波反电势无刷貢流电机两种控制方式下的电流、转矩仿真波形(ftA 750r/min)时间 i/(Sms/div)时间 /(5ms/div)(>p、ulNpoy JWffl/(2.5m$/div)(b) QMitSVPWM 方式>!p、ENPe、JvftstfW Mr/(2.5ms/div) (a)三4flAU«12O*«方氏图6两种轮制方式下相电流和电空转矩实测波形(转連750r/min)(下转第33页)中小

18、脱电机2003.30舁步电机取DSP欠*控制系统的研兗量遏近岡周运动。转速测宦用该芯片的脉冲捕获 单元°如图4所示为E240的程序流程图)5实验结果本文针对上述的控剧方案进行了实验研究。通过整流桥对三相交流电整流、滤波产生的电 机额定参数为：P、= 1.5kWj UH = 220V；厶= 3.55A;/v = 501k;= 1400r/min。图 5 是电机隐念运行时逆变器的驱动波形，定子电流、电压的 波形，实脸结果表明了控制方案的优良性能。中小脱电机2003.30舁步电机取DSP欠*控制系统的研兗电机为2对极三相龙取异步电机流侧电源是中小脱电机2003.30舁步电机取DSP欠*控制

19、系统的研兗(1)便受发冲诅用(2)定子相电海枚恳jhlljJ计i 1 fr c 1.4 -1 小川1' t-"，11 (3)定子相电压恳(4)宝子&电压枝晨中小脱电机2003.30舁步电机取DSP欠*控制系统的研兗中小脱电机2003.30舁步电机取DSP欠*控制系统的研兗6结论由上述结果可得岀以下结论：(1) 本文所设计的双DSP结构矢量控制系统 中各子系统分工明确能可靠完成各自功能且设 计合理。(2) 实荻表明系统控制精度高、实时性好、 动态响应快。參考文献)Marian P. Kaxmierkonski And Waldemar Suikowski. A Nove

20、lVector Control Scheme for TranAutor PWM Inverter Fed Induction Motor Dnve. IEEE Tr<n» on IE. 19911 38( I) ：41 -452陈伯时陈敏ift交流阖速集统！MJ.机械工业出版社 1999.3胡崇届.现代交流斶逮技术M) 机械工业出版社. 1998.4TMS320R40 DSP Control Refcrrnco Guide M . Texas lnHtmment, 1997.收槁日期：2OO248I4中小脱电机2003.30舁步电机取DSP欠*控制系统的研兗中小脱电机2003

21、.30舁步电机取DSP欠*控制系统的研兗(上接第30頁)组相电流有效值为3 8A时产生的电磁转矩约 为l5Nm.转矩电流比达0.393,与120°导通方式 墓本相同，但转矩脉动系数仅为18.67c.与】疔 导通方式相比减小很多。仿真及实验结果证明 采用自同步SVPWM控制正弦波无剧直流电动 机可以在不损失平均电磁转矩的条件下,有效地 抑制电磁转矩脉动c參考文IttI叶金虎等无刷(淹电动机机械工业出版HJ9902唐任iS等现代水贯电机理论与设计机械工业出版 社 J997 3郭庆鼎王成元交机域工业出版社. 1994.4张琛直流无呦电动机原理及歳用机械工业岀版 tt J997.收稿日期:2

22、002-08-14中小脱电机2003.30舁步电机取DSP欠*控制系统的研兗永磁无刷直流电机转矩脉动抑制的SVPWM制戸方翰据作者：邱建琪，史涔溦，林瑞光作者单位：浙江大学电气工程学院杭州市,310027刊名：中小型电机一 |英文干刊名：SMALL & MEDIUM ELECTRIC MACHINES年，卷(勒：2003,30(2)被引用次数：17次参考文献(4条)1. 叶金虎 无刷直流电动机19902. 唐任远现代永磁电机理论与设计19973. 郭庆鼎;王成元 交流伺服系统19944. 张琛直流无刷电动机原理及应用1997本文读者也读过3条)1. 邱建琪.史涔溦.陈永校 电动自行车用永磁无刷直流电机电磁转矩控制期刊论文-微电机2004,37(4)2. 金孟加.邱建琪.史涔溦.林瑞光.JIN Meng-jia . QIU Jian-qi . SHI Cen-wei . LIN Rui-guang基于磁链误差矢量预 测的PMS直接转矩控制期刊论文-浙江大学学报(工学版)2005,39(10)3. 邱建琪.史涔溦.林瑞光 永磁无刷直流电机转矩脉动抑制的分析与仿真期刊论文-中小型电机2003,30(1)引证文献(17条)1. 王宏民.全吉男.白玉成 基于