| 無刷直流電動機起動電流控制策略研究
李偉，竇滿峰
(西北工業大學，陜西西安710072)
摘要：在對11 kw稀土永磁無刷直流電動機起動過程研究中，針對起動電流過大，采用斜坡電壓的方法進行控制。通過分析得到采用斜坡電壓控制策略時影響起動電流的參數和電流峰值與斜坡控制時間的關系，同時提出了電動機的起動效率概念。仿真結果證實了采用斜坡電壓控制策略能有效的控制起動電流，并且能實現電動機快速起動。
0 引 言
稀土永磁無刷直流電動機起動過程的一個突出問題是起動時沖擊電流大，如果不采取一定的措施，過大的起動沖擊電流將會損壞功率器件，同時使電動機本身受到過大電磁力的沖擊，從而造成電動機內部有過熱的危險。通常采用電流負反饋的控制策略對起動電流進行抑制，這種策略是通過檢測電動機的電流，與限定的電流值相比較，從而改變起動過程中的施加電壓，實現抑制無刷直流電動機起動過程過大的起動電流。但是這種控制策略的不足是造成起動過程電流的波動，從而引起轉矩的波動。本文提出采用斜坡電壓控制起動電流，分析得到了斜坡控制時間與起動電流峰值的關系，并通過對研制的H kw稀土永磁無刷直流電動機起動過程進行仿真分析，證實采用斜坡電壓可以有效控制起動時的電流，并且實現電動機的快速起動。
1無刷直流電動機的起動
三相繞組對稱的無刷直流電動機，起動時的動態模型為：
式中：u、i、e、t分別為電動機動態過程中的電壓、電流、感應電動勢、電磁轉矩的瞬時值；L為電樞電感；R為電樞電阻；t為電磁轉矩，包括電動機軸上輸出轉矩和恒定阻力轉矩；T為輸出轉矩；K為電磁轉矩系數；ω為轉子機械角速度；J為轉子轉動慣量；n為轉子瞬時轉速。
不考慮飽和時，永磁無刷直流電動機在正常運行中，一般可以認為磁通φ不變，故K為一常數。若令全部初始條件為零，對式(1)～式(4)進行拉普拉斯變換，并整理可得到起動時電流為：
三相六狀態無刷直流電動機兩相繞組通電，起動時電動機轉速接近于零，全電壓加在功率晶閘管和兩相繞組上，將產生很大的沖擊電流。
式(5)可化為：
式中：r為電磁時間常數，τ為機電時間常數。2斜坡電壓控制起動電流方法原理
2 1直接起動
直接空載起動電流曲線如圖l所示，從圖中可以看出直接起動電流約為額定電流的20倍，必須進行抑制。
通過分析，采用斜坡電壓控制方法可以有效地抑制過大的起動電流。
2 2斜波電壓控制策略原理
對于大多數電機，特別是放大器內阻與電樞繞組相串聯的電機，其τi》τd,τd可忽略不計，式(6)可簡化為：
給電動機加載如圖2所示的斜坡有效電壓：其中：t稱為有效控制時間。
在斜坡控制階段，即：O<t≤tr時：
從式(9)可以看出，起動電流有一個****值
如果選擇tr≥τ1，則指數部分很快趨于零，電流為一個恒值：
起動電流包括  和負載穩態電流,I兩部分，其中前者受斜坡控制時間t，影響。 在t>tr階段：
可以看出：在t>tr時，起動電流成指數衰減變化，最后達到穩態L由電機本身決定。
結合以上的分析可以得到斜坡電壓作用下的起動電流，如圖3所示。
從圖3中可以看出通過給電動機加載斜坡電壓，實現了電動機起動電流的可控性。同時在整個起動過程中，起動電流一直保持****允許值，此時電動機以****轉矩起動，轉速迅速以直線規律上升也可以實現電動機的快速起動。
2 3起動效率
為了衡量不同斜坡控制時間下電動機起動過程的效率，引入起動效率概念。其定義為：起動過程中電動機輸出機械能與輸入電能之比。即為：
2 4斜坡電壓的實現母線電壓為u，占空比為δ時，平均電壓：
U=δU
有效值：
式(13)為電動機電壓與占空比關系，由此可知，可以通過按照斜坡規律調整PwM的占空比，實現對電動機的載入如圖2所示的電壓，不同的斜坡斜率對應不同的t．從而實現電動機不同的起動時間。
3應用實例
3 l實例
作者設計的一臺稀土永磁無刷直流電動機，三相六狀態工作，Pn=11 000 w，U=270 V，nN=8 000 r／min。定子繞組Y形連接，轉子兩對極結構。
電動機參數：相繞組電阻R=0．17 Ω，轉動慣量J=0．002 3kg·m，機電時間常數τ1=0.O174s，電磁轉矩系數K=0．15 N·m／A，負載T=0．5 N·m。
3．2起動過程仿真分析
tr=O 5 s時的起動電流和轉速仿真結果，如圖4所示。
圖4表明：起動電流峰值與tr有關；在整個起動過程中，起動電流可以一直保持****允許值，此時電動機以****轉矩起動，轉速迅速以直線規律上升，以縮短起動時間；起動結束后，電流從****值迅速下降為負載電流值且保持不變；tr=O. 5 s時的起動效率為百分之十一點九二。
4結語
(1) 起動電流的抑制是無刷直流電動機起動過程研究的重要內容，本文對斜坡電壓控制的電動機起動過程電流進行了分析，得到了影響起動電流的參數，同時得到了電流峰值與斜坡有效控制時間之間的關系。
(2)斜坡電壓控制方法有效地抑制了起動電流，實現了電動機快速起動。
(3)斜坡電壓可以通過軟件的編制調節PwM占空比實現，從而可以實現電動機的軟起動，不需要對系統的硬件進行改動。
(4)電動機的起動效率對應于起動過程的發熱，因此對于頻繁起動的電機可以根據實際選擇起動時間。
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