无刷直流电机新型弱磁控制的仿真研究-

1、中图分类号:TM361文献标识码:A文章编号:100126848(20060320003204无刷直流电机新型弱磁控制的仿真研究收稿日期:2005-08-15熊志学,邱建琪,林瑞光(浙江大学,杭州310027摘要:针对双模式逆变拓朴结构可达到较好弱磁扩速效果的目的,对一种新型逆变器结构的无刷直流电机弱磁扩速系统进行了仿真。仿真结果表明,在保持逆变器容量不变的情况下,基于新型逆变器的无刷直流电机系统具有更宽广的扩速范围,并且还具有结构简单的特点,应用前景广阔。关键词:无刷直流电动机;弱磁控制;电流超前角F ield W eaken i ng Research of B LDC M Ba sed

2、on Novel I nverter TopologyX I ON G Zh i-xue,Q I U J ian-qi,L I N R u i-guang(Zhejiang U niversity,H angzhou310027,Ch inaABSTRACT:T h is paper p resents a new contro l m ethod of BLDC M in o rder to get a w ide speed range.T he si m ulati on models of the tw o contro l system s are built w ith M A T

3、LAB S I M UL I N K.F rom the si m ulati on result, its easy to find th is new m ethod can get a better CPSR than traditi onal m ethod w ithout any changing of the mo to r ro to r.KEY WOR D S:BLDC M;F ield w eakening;Current;Phase advance;CPA0引言永磁无刷直流电动机(简称BLDC M由于结构简单,控制方便,调速特性好,具有适合电动车驱动等优点。但是由于永磁体

4、励磁不可调节,无刷直流电机的弱磁扩速显得相当有难度,引起国内外学者的广泛关注。最早被提出的BLDC M的弱磁扩速方法是调节电流超前反电势的角度(即CPA电流超前角法。通过增大电流超前角,可以减小与永磁磁场交链的定子导体匝数,从而减小了与永磁磁场交链的定子绕组磁链,实现等效弱磁。但是实验表明,随着超前角的增大,电流急剧上升,限制了扩速倍数。文献1中分析指出,CPA方法的最大扩速倍数只有1.125倍基速。此外还有学者提出对无刷直流电机本体改造,文献2提出在内嵌式永磁体结构(IPM的两个永磁体间加入磁障方法。还有其他类似的想法,但是扩速效果都不理想。文献3中,作者借鉴永磁同步电机中的转子两段式结构弱

5、磁方法,采用了两段式混合转子,最大扩速倍数有2.89倍,但增加了电机结构的复杂性。文献4作者提出了一种适用于普通面贴式无刷直流电机双模式新型逆变拓扑结构。文章称可以达到很好的弱磁扩速效果。基于文献4,本文对新型逆变器结构的调速系统进行仿真研究,分析其最大扩速倍数,以期为BLDC M的弱磁扩速开辟新的途径。1基于新型逆变器拓扑的BLDCM 新型逆变器电路结构如图1(称之为DM I C逆变器。这种结构在普通逆变器和电机之间加入了反并联晶闸管,在控制逆变器开关器件开通的同时触发导通该相上反并联的SCR。电机运行到基速以上后仍然按照CPA的方法进行电流超前控制,当电流过零时,晶闸管自然关断 。图1基于

6、双模式逆变器拓扑结构的BLDC M2新型逆变器BLDCM系统的仿真建模32.1BLDC M的数学模型对于面贴式BLDC M为隐极型的电机,电感不随空间位置变化,且各相绕组空间位置对称,其定子电压方程式为:V anV bn V cn =R s00 0R s 00R si ai bi c+dd tL s00 0L s0 00L s i ai bi c+e ae be c(1式中,V an等为相电压,i a等为相电流,R s为绕组相电阻,L s为每相等效的自电感,e a等为相反电势。转矩方程和运动方程分别为:T e m=p2e a i a+e b i b+e c i cr=p23j=1K r(2J2

7、pdrd t=T e m-T L(3式中,T e m为电磁转矩,p为极数,J为转动惯量,r为转子转速,T L为负载转矩,K r(为随转子位置变化的反电势系数函数。电机的总瞬时功率表达式为:P e m=e a i a+e b i b+e c i=T e mm(4式中,m=r(2 p,为转子机械转速。2.2仿真模型根据上述BLDC M数学模型,在M atlab Si m u link环境下搭建的新型逆变器结构的BLDC M仿真系统如图2所示。图2仿真系统整体框图1BLDC M本体模块此模块根据前面所描述的BLDC M数学模型的等效电路而构建,仅考虑普通的面贴式BLDC M,并且假定BLDC M的气

8、隙磁密为方波分布,反电动势波形为梯形波。反电势通过压控电压源送入等效电路。2逆变器模块采用Si m u link库里的逆变器模块和晶闸管器件来实现电压逆变模块。逆变器和晶闸管的触发信号通过m函数编程来实现。通过位置信号判断电机所处的运行阶段,给出相应的触发信号。图2中的“计算及映射模块”是用来计算电机所处的位置的。在由转速积分获得转子位置角,将其映射到0到2内,便于查反电势表。这个功能也是由m函数实现的。3其他部分说明图2中的转矩计算模块的实现如图3所示。“负载切换”子模块利用m函数实现了在电机达到基速后某时刻按照给定的超前角切换。电机在基速以下4 图3转矩计算模块是恒转矩负载,基速以上是恒功

9、率负载。“转矩求解”子模块是利用BLDC M的转矩关系式实现的。图2中的“瞬时功率求解模块”是利用公式(4来实现的,用于观察三相瞬时功率的变化情况。3仿真结果分析基于以上建立的仿真系统,对1台参数为:三相12极,37k W,额定电压180V,额定电流245A,峰值电流300A,额定转速2600r m in,等效自电感为143H,相电阻0.28,反电势系数为0.04542,额定转矩为135N.m的无刷直流电机进行了研究。以额定运行点对应的转速为基速,基速以下为等于额定转矩的恒转矩负载,基速以上为等于额定功率下的恒功率负载。由于BLDC M在基速以下的控制策略在有关文献5等文章中已有详细描述,所以

10、本文重点研究BLDC M在基速以上的系统特性,即在保持额定电压、额定功率不变的条件下,分析不同超前角与转速、电流和瞬时功率的关系。文中0度超前角定义为相反电势过零后30度时刻。3.1普通逆变器结构的CPA方法扩速效果分析普通BLDC M的逆变器拓扑结构是不存在图1中的6只SCR的,如果在基速以上DM I C拓扑中将双向晶闸管永远导通,那么其基速以上的运行状况和普通逆变器基本一样。普通逆变器结构在基速以上采用CPA方法进行扩速,仿真结果如图4图6所示。图4为超前角分别为23°、39.9 °、45.5°时普通逆变器下的稳态电流波形。由图4可以看出在较小超前角下,稳态电

11、流峰值小于额定电流,电流波形与基速时相似。 当超前角较大时,电流波形发生变化。在40°左右时电流接近额定值。当超前角再增大时,电流迅速变大。图5为普通逆变器拓扑下扩速效果,电流大小和扩速倍数的基值分别为额定电流和额定图4普通逆变器下不同超前角时的电流波形转速。由图5可知,在保持逆变器容量不变条件下,普通逆变器拓扑能达到的最大扩速倍数约为1.27左右。图5普通逆变器拓扑下扩速效果图 6为超前角为39.9度电流时的电流、反电势和瞬时功率波形。可以看出在A相反电势还为正时,A相电流过零为负。由于反电势和电流符号相异,能量通过续流二极管回馈到电源。正是基于这一点,在新型DM I C逆变器中才

12、加入晶闸管,利用晶闸管电流过零自动关断的特点,截断负电流分量。图6超前角为39.9度时的电流、反电势和瞬时功率波形3.2基于DM I C逆变器结构的扩速效果分析图7与图8分别是DM I C拓扑下超前51.3度时的电流和转速波形。由图可知其电流波形与基速以下时电流波形类似,但电机相电流中没有了流过续流二极管的成分。如图8所示,电机在达到基速后在仿真时间为0.1s时切换为超前导通模式,并达到5扩速的目的。 由图9可知在相同超前角下,DM I C 逆变器的A 相瞬时功率中,负功率的成分明显减少。在恒功率负载下每相的瞬时功率峰值没有普通逆变器那么大,因此相电流可以得到抑制,从而允许更大的超前角,达到更

13、大的扩速范围。 图10和图11是DM I C 逆变器结构下,超前角与扩速倍数、相电流倍数大小的关系。当电机运行到较高转速时,可以将无刷直流电机从传统的120度导通型切换到160度导通型。由图可知切换到两两、三三混合导通型后有利于扩速范围的提升,对电流有更好的抑制效果。仿真结果表明,在保持逆变器容量不变的条件下,这台电机在DM I C 拓扑下其超前角为90度左右时,可以达到5.6倍的扩速效果。 图7超前51.3度时的A相电流波形(DM I C 拓扑 图8转速波形(DM I C 拓扑,超前51.3度 图9DM I C 逆变器和普通逆变器在超前45度时A 相瞬时功率对比4结语从仿真结果可以看到基于D

14、M I C 的无刷直流图10DM I C 拓扑下的扩速曲线图11DM I C 拓扑基速以上电流大小电机弱磁控制系统比基于普通逆变器结构的控制方法有更好的扩速效果,且不涉及电机本体的改造,适用于普通的面贴式无刷直流电机,从而降低了整个调速系统的成本,具有广阔的应用前景。参考文献1Tom as ,M .Jahns .To rque p roducti onin er m anent 2m agnet sy 2nch rono s mo to r drive w ith rectangular current excited J .IEEE T rans .O n Pow er electronic

15、s ,1984,20(4:803-813.2I onel ,D .M .F inite elem ent analysis of a novel brush less mo to rw ith flux barriers J .M agnetics ,IEEE T ransacti ons ,1995,131(6:3749-37513严岚.永磁无刷直流电机弱磁技术研究D .浙江大学博士论文,2004.4J .S .L aw ler ,J .M ilton Bailey ,John W .M cKeever ,Joao P into .Extending the Constant Pow er Speed R