前置電流型兩象限斬波器的無刷直流電機控制器研究
徐蕾，馬瑞卿，李虛懷，曹濤
(西北工業(yè)大學自動化學院，西安710072)
摘要：研究了基于前置電流型兩象限斬波器的無刷直流電機控制方法。介紹了電路的硬件結構，分析了利用該方法抑制電機的電流和轉矩波動，改善電機制動特性的原理。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了控制系統(tǒng)的仿真模型，給出了仿真結果并與傳統(tǒng)結構下的仿真結果進行了對比。結果表明，電流型兩象限斬波器能夠明顯減少無刷直流電機電流和轉矩波動，改善電機制動特性。
關鍵詞：無刷直流電機；斬波器；電流波動；仿真模型
中圖分類號：TM36+1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-6848(2010)02-0062-04
0引 言
本文對無刷直流電機電流波動進行了詳細的分析。提出采用前置電流型兩象限斬波器的方法減少電機電流和轉矩波動，同時改善電機制動特性。
在Matlab/Simulink壞境下建立了電流型兩象限斬波器的仿真模型并將其應用于無刷直流電機控制系統(tǒng)。通過與傳統(tǒng)方式下仿真結果的對比，證明了通過前囂電流型兩象限斬波器能夠有效抑制無刷直流電機轉矩和電流波動，同時改善電機制動性能。
1主電路結構
采用前置電流型兩象限斬波器的無刷直流電機控制系統(tǒng)主電路結構如圖1所示。主電路由電流型兩象限斬波器和三相全橋逆變器組成。
傳統(tǒng)的三相全橋逆變器在工作時，六個功率開關管全部（雙極性調制）或部分（單極性調制）工作在PWM狀態(tài)。而圖l所示系統(tǒng)中，功率開關管Tl~ T6工作在120度導通方式下，其開通和關斷由控制器根據位置傳感器信號確定。功率開關管T7和T8工作在互補PWM狀態(tài)。由于Tl~ T6工作在低頻狀態(tài)，開關損耗大大減小。電機起動時，以T7、D7為主，構成降壓型斬波電路，實現電機調壓調速。制動時，以T8、D8為主，它們與L構成Boost電路，使電機能量回饋電源。二極管D9主要用于換相保護，防止逆變器功率管關斷時電感電流無續(xù)流回路而產生大的損壞功率管。
2電流波動分析
當電機運行在電動狀態(tài)下時．忽略功率管導通壓降，則等效電路如圖2所示。當T7導通時，電源向電機供電，電路中電流上升；當T7關斷時，電流通過二極管D7續(xù)流。為了使負載電流連續(xù)且波動小，通常L較大。如果斬波器中的電感L較小，負載電流可能出現斷續(xù)。一般不希望出現電[3]斷續(xù)的情況，所以本文只討論電流連續(xù)的情況。電流連續(xù)時的電流波形如圖3所示。
忽略功率開關管和二極管的導通壓降，當17處于開通狀態(tài)時，回路電壓平衡方程為：
式中，Ud為電源電壓(V)；id為電機電流(A)；L為斬波器電感(H)；R為電機每相繞組電阻(Ω)；Lc為電機每相繞組電感(H)；M為電機每相繞組互感(H)。
設這一階段電流初始值為I20，解上式可得：
當T7處于關斷狀態(tài)時，同路的電壓平衡方程為：
設這一階段的初始電流為kI20則解主式可得：
當電路處于穩(wěn)態(tài)時，可認為：
也即T7進入通態(tài)時的電流初始值就是T7關斷階段結束時的電流值，反過來，T7進入斷態(tài)時的電流初始值就是T7在通態(tài)階段結束時的電流值。
由以上各式可得：
電流波動量為：
當占空比為百分之50，即ton=0. 5，時電流波動****。此時的電流波動為：
將式(11)用泰勒級數近似，可得：
一般情況下，稀土永磁無刷直流電機繞組等效電感Le-M較小，所以電流波動較大。而斬波器中濾波電感L，可以作為電機繞組電感的補充。由式(12)可以看出，由于L的加入使得回路的電感增大，從而減少了電流波動，這也就減小了電機的轉矩波動，提高了系統(tǒng)的靜態(tài)性能。
3制動過程分析
前置電流型兩象限斬波器的無刷直流電機控制系統(tǒng)如果采用常規(guī)的反接制動方法，將會出現電流失控現象，有可能損毀逆變器。所以，應該采取不同制動方式[4,5]。
假設制動開始前T1和T6兩個開關管導通。制動開姑時，現將斬波器中的T7關斷，T8開通，逆變器中的開關管繼續(xù)保持電動運行時的導通和關斷順序。Tl和T6仍然開通，這時電流回路為：L—Tl—a—b—D7一L當電流減小到0之后開始反向增加，這時電流回路為：L—T8— D6—b—a_Dl一L。當反向電流增大到限幅值時，由于電流調節(jié)器的作用，使T7和T8進入PWM狀態(tài)。當T7開通、T8關斷時，斬波器工作在Boost狀態(tài)，將電機中的能量回饋到電源，這時的電流回路為：L—D8-—電源—D6—b—a—Dl—L。由于電流反向，產生的反向制動力矩能夠使電機快速制動。此時電機處于發(fā)電狀態(tài)，通過Dl~ D6進行整流。
4仿真分析
4.1仿真模型的建立
在Matlab7．O的Simulink環(huán)境下，利用Simunlink及SimPowerSystem豐富的模塊建立了如恩4所示的電流型二象限斬波器的仿真模型。其中，PWM1和PWM2分別為T7和T8的驅動信號，功率開關管采用MOSFET。
圖5是無刷直流電機電流閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型
其中：Currentpi為電流環(huán)調節(jié)器，采用PI控制；PWM為PWM發(fā)生模塊，作用是產生T7和T8的驅動信號；Tow_ qra是電流型兩象限斬波器；Universal Bridge是三相全橋逆變器，其中功率器件類型選擇MOSFET/Diodes; BLDCM為無刷直流電機本體模型；I—Measue的作用是將三相相電流合成為線電流；TL是負載轉矩。
圖5無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真模型
4.2仿真結果與分析
本模型所選取的電機參數如為：額定電壓為28 V DC，額定電流為1.5 A，電機極對數為1，定子每相繞組電阻為lΩ，電感為0.14 mH，互感為0.05 mH，轉子轉動慣量為4.045×10kg．m2，PWM載波頻率為20 kH。斬波器電感L取為2 mH。
圖6—圖8分別是無刷直流電機相電流、母線電流和轉矩在使用前置電流墅兩象限斬波器和使用常規(guī)方法下的對比波形。可以看出，由于斬波器電感L的作用，電機相電流、母線電流以及轉矩的波動較采用常規(guī)方法時均有了明顯減小。可見電流型兩象限斬波器有效的抑制電機電流和轉矩波動。
圖9是電機制動特性對比波形。在0. 03 s時將電機的給定轉速由4 000 r/min變?yōu)? 000 r/min。可以看出，采用前置電流型兩象限斬波器能有效的加快電機的制動過程，改善制動性能。
5結論
本文介紹了前置電流型兩象限斬波器的無刷直流電機控制系統(tǒng)主電路構成及工作過程。對無刷直流電機電流波動進行了定量分析，通過分析，證明了采用電流型豫象限斬波器能夠減少電流波動。分析了采用電流型兩象限斬波器控制時電機制動過程。
在Matlab7.0/ Simulink環(huán)境下建立了電流型兩象限斬波器及無刷直流電機系統(tǒng)的仿真模型，給 出了仿真結果。通過與常規(guī)方法下仿真結果的對比，證明了前置電流型兩象限斬波器能夠明顯減小無刷直流電機電流和轉矩波動，并有效改善電 機的制動特性，加快制動過程。
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