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王正仕，張朝立，陳輝明
（浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027）
摘 要：為了解決 無刷直流電機換向過程中轉矩脈動較大的問題，提出了一種優化的脈沖寬度調制方法。為了分析直流無刷電機運行時脈沖寬度調制方法對電機換相轉矩的影響，在理論上，從直流無刷電機方程入手，推導了直流無刷電機換相時的電磁轉矩大小，分析了產生換相轉矩的原因。針對使用傳統脈沖寬度調制方法時電機轉矩脈動較大的缺點，提出了一種新的脈沖寬度調制方法PWM-OiV脈沖寬度調制。并從理論上證明了在直流無刷電機控制中，所提出的PWM-ON脈沖寬度調制方法產生的轉矩脈動相比較小：在試驗中使用了基于TMS32,OLD,8016芯片的具有高可靠性與高靈敏的DSP控制系統，通過實驗證明，所提出的脈沖寬度調制方法有效地抑制了直流無刷電機換相時的轉矩脈動． 中圖分類號：TP 27 文獻標識碼：A
1引言
無刷直流電機是具有梯形反電勢波的永磁電機。永磁電機轉子采用永磁材料，具有體積小，重量輕，結構簡單，運行可靠，效率高等一系列優點，其中，無刷直流電機更因其控制簡單的優勢在各方面都得到了越來越廣泛的應用。但是，無刷直流電機固有的電磁轉矩脈動問題會較大影響電機的轉速和伺服性能，制約了其進一步的發展。因此，無刷直流電機轉矩脈動的抑制，成為了一個重要的研究方向。
試驗中控制系統采用了德州儀器公司****的DSP芯片TMS320LF28016，通過實驗證明，該芯片構成的無刷直流電機調速系統具有高靈敏性和高可靠性的優點，并通過新的PWM凋制方式有效的抑制了換向轉矩脈動。
2直流無刷電機換向轉矩脈動分析
1)直流無刷電機數學模型以星形三相六狀態的120度導通的直流無刷電機為例。主電路采用三相半橋式逆變器，主電路和電機等效模型，如圖1所示。
可以使用如下三相端電壓平衡方程式來描述圖l中的無刷直流電機高效率高密度電力電子變換器，逆變器先進控制技術，電力電子技術在太陽能、風能等新型能源中的應用等方面的教學與科研工作。
假設電機三相對稱，具有120度梯形波反電動勢，忽略凸極效應，設繞組特性和參數相同且為常數。
電機電磁轉矩公式為
穩態時電機只有兩相通電，電磁轉矩為
無刷直流電機在工作時，每次換相相隔60度電角度。在換相期間，盡管關斷相上的開關管已經關斷，但由于電機繞組電感的存在，電流不可能一下減為零，總是會通過相應的續流二極管進行續流，隨之再衰減為零。這就是產生換向轉矩脈動的主要原因。關斷相的反電動勢波形為一個斜坡函數，如圖2，圖3所示。
因為換向過程很短，在下面的計算中假設換向期間e=±E（E為反電動勢幅值）。
針對無刷直流電機換相的特性，產生了兩種不同的調制方式：
1、 通管進行PWM調制，非換相開關管恒通( PWM-ON)各開關狀態，見圖2。
2、開通管恒通，非換相開關管進行PWM調制( ON-PWM)，各開關狀態，見圖3。
下面就具體來分析一下兩種不同PWM調制方式對轉矩脈動的影響。
2)開通管進行PWIVI調制方式（PWM-ON）對轉矩脈動的影響 以圖1主電路為例，假設電流從U相切換到L2相，此段換相期間波形見圖2，T1為關斷開關管，T1為開通開關管，而T2為非換相開關管。此種調制方式下由開通開關管T3進行PWM調制，非換相開關管T2恒通。換相期間D4導通續流，圖l中Ll點與地相連，電機端電壓UL3=0；T3進行pWM調制，占空比為D，直流母線電壓為Ud，因此UL2=Ud×D;T2恒通，UL3=0。其中，Ud為直流母線電壓，D為占空比。將電機端電壓代入式(1)可解得：
電流從Ll相切換到L2相前il1=i0，iL2=0，代人式(1)可近似求得換向過程中電機三相電流方程為
代人電磁轉矩公式，可以計算出換相過程中的電磁轉矩：
與穩態電磁轉矩式(3)相比可得此時轉矩脈動為
3)非換相開關管進行PWM調制方式(ON—PWM)對轉矩脈動的影響假設電流還是從Ll相切換到L2相，T1為關斷開關管，T3為開通開關管，而T2為非換相開關管。此種調制方式下由非換相開關管T2進行PWM調制，開通開關管T3恒通。換相期間D。導通續流，電機端電壓UL1=O；T3恒通，UL2=Ud×D;T2進行PWM調制，占空比為D，UL3=(l- D) Ud，將電機端電壓代人式(1)可解得：
電流從LI相切換到L2相前，iL1=i0，iL2=0，iL3= -i0，代人式(1)可近似求得換向過程中電機三相電流方程為
代人電磁轉矩公式，可以計算出換相過程中的電磁轉矩：
與穩態電磁轉矩式(3)相比可得此時轉矩脈動為
比較式(9)和式(15)：
因此在兩種調制方式下，對開通管進行PWM調制的方式( PWM-ON)換向轉矩脈動較小。
3 DSP控制系統設計
控制系統以TMS320F28016作為核心芯片，主要負責信號的采集，實現控制算法和控制策略，產生所需的PWM波，使電機穩定運行。同時采用RS232通信標準與上位機系統進行通信。電機位置由3個安裝在電機內部的霍爾傳感器給出信號，DSP由通用I/O口，使用查詢方式檢測，DSP首先通過檢測到的轉子位置，根據選擇的控制方式（PWM-OlN方式與ON-PWM方式）發送PWM開關信號。電流通過TMS320F28016內部的12位A/D模塊檢測。轉速通過正交編碼模塊檢測。根據檢測到的電流與轉速，通過PI調解器計算合適的PWM占空比，以使電機穩定運行。增強型PWM模塊( ePWM)給出逆變橋開關信號，經由光耦隔離控制ICBT。
使用TMS320F28016構成的直流無刷電機控制系統，幾乎不用再添加其他外圍電路，是一種良好的一片式解決方案。相比現在廣泛使用的2407，28016新一代的內核具有更高的工作頻率(60 M)；可以完成32×32的乘法操作；可以完成兩個16。16乘法操作；匯編程序代碼與C程序代碼效率大幅提高等。高效的性能可以完成各種復雜的控制算法，且價格相比電機控制中高端的2812又****優勢。28016勢必將成為新一代電機控制的****芯片之一。
4仿真和實驗結果
本文對兩種調制方法都進行了實驗驗證，采用功率為1 kW的4極直流無刷電機，逆變器采用三菱公司PS21869-P型號的IPM，三相6管電流為30 A，電壓為600 V。實驗中首先對相電流波形進行了觀測，采用兩種調割方式時電機的相電流波形，如圖4所示。(a)ON-PWWE方式
對比圖(a)與圖(b)可看出，采用PWM-ON調制方式時的相電流脈動明顯小于ON-PWM方式下的電流脈動。
由于轉矩的脈動最終影響的是電機的轉速，因此，實驗還對轉速波形進行了對比。DSP通過正交編碼電路對速度進行采樣，通過RS232接口傳送至計算機。再由計算機分析DSP所采集到的數據。速度波形，如圖5所示。
比較圖(a)和圖(b)，采用PWM-ON調制方式時轉速的脈動明顯小于ON-PWM調制方式。
實驗結果證明，采用PWM-ON調制方式控制的直流無刷電機，能有效地降低換相時的轉矩脈動。
5結語
本文提出的算法能有效地降低直流無刷電機的轉矩脈動，并且具有不改變硬件結構，只通過軟件算法降低轉矩脈動的優勢。基于TMS320F28016的控制系統具有高效的性能并具有成本優勢。該套系統已經成功地應用于采用無刷直流電機的工業縫紉機中，并得到了良好的性能，是一種十分實用的直流無刷電機控制算法與控制系統。
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