摘要：針對常規無刷直流電動機設計方法存在的不足，通過對工作在PwM控制模式時無刷直流電動機電流的分析計算，區分了母線電流和電樞相電流的不同，指出無刷直流電動機的設計應主要依據電樞相電流，并提出一種PwM控制方式下無刷直流電動機設計的方法。樣機實驗結果表明，該方法顯著提高了無刷直流電動機沒訓的準確性，驗證了該方法的有效性和可行性。
關鍵詞：PwM；無刷直流電動機；設計
O引 言無刷直流電動機以其結構簡單、運行可靠、功率密度高及轉矩控制特性良好等諸多優點，被廣泛應用在工業制造、航奪航天、船舶推進等領域。然而，目前無刷直流電動機的設計方法并不完善，改進兀刷直流電動機的沒計方法，對于提高系統的性能，進一步擴大無刷自：流電動機的應用領域具有葦要的意義。目前在無刷直流電動機設計的過程中通常以計算得到的固定的電機定轉子、槽形、轉子磁鋼尺寸及繞組參數，采用cAD電機設計程序進行無刷直流電動機的設計，未將無刷直流電動機實際工作運行狀態考慮存內。無刷直流電動機作為一種典型的控制電機，工作過程巾多采用PwM控制模式，不同的控制模式下電機的運行狀態差別較大，電機設計過程中不考慮控制模式，勢必會造成電機設計的偏差。為解決這一問題，本文提出了在無刷直流電動機設計的過程巾考慮電機實際運行狀態——PwM控制模式的電機設汁方法，樣機實驗結果表明，該方法簡單可行，便丁工程應用，顯著提高了無刷直流電動機設計的準確性。
1無刷直流電動機電流分析無刷直流電動機系統主要由直流電源、電動機本體、功率驅動電路及控制器等部分組成，具體連接關系如圖l所示�？刂破魍ㄟ^檢測電動機轉子位置信號，產生驅動控制信號，通過功率驅動電路控制電動機進行轉動。
圖2、圖3和圖4分別為無刷直流電動機工作在PwM全控橋和半控橋下的運行狀態。通過分析可以得到，母線電流只在開關管上、下同時導通時才等于電樞相電流，在PwM調制時，開關管關斷產生的短暫續流過程，回路電流不流經母線，引起母線電流與電樞相電流的不同。針對圖2、圖3和圖4所示的無刷直流電動機運行狀態，有：式中：i1和i2，分別為圖2、圖3和圖4所示無刷直流電動機運行狀態回路的電流；R為相繞組電阻μ為直流電源；△μ“為管壓降；L為相電感；E為相反電動勢。
通過對PwM調制下無刷直流電動機母線電流和電樞相電流的區分計算：半控橋型PwM調制和全控橋型PwM調制下的平均電樞相電流均大于平均母線電流，且全控橋型PwM調制下兩者的差值更大；比較式(7)、式(8)和式(13)、式(14)，全控橋型PwM調制下的平均電樞相電流和母線電流較全控橋型PwM調制下的平均電樞相電流和母線電流都要小。
為驗證上述分析計算的正確性，對一臺額定功率P=150 w、額定轉速n=175r/min、額定轉矩T=8．2 N·m，額定電流I=5 A，額定電壓μ=36 v的外轉子尢刷直流電動機進行了實算。實驗中無刷直流電動機采用半控橋PwM控制方式，在占空比線性變化的條件下，對電機的母線電流進行實際測算，并與推導出的平均母線電流、電樞相電流的計算公式計算得到的曲線進行比較，實驗結果如圖5所示：
圖中，粗的點線即為實際測得的無刷直流電動機平均母線電流曲線；PwM占空比的變化曲線；n為電機轉速的變化曲線。
從圖5中可以看出，考慮PwM控制方式時的無刷直流電動機母線電流計算結果與實際測得的母線電流基本吻合；電樞相電流始終大于母線電流，尤其是在小轉速、大轉矩，占空比較小的情況下，兩者相差較大，與理論分析相一致。
2考慮PwM控制的電機設計考慮PwM控制的無刷直流電動機設計方法，一方面是區分電樞相電流和母線電流的不同，電樞相電流始終大于母線電流，且電樞相電流與電磁轉矩成正比，母線電流與輸入功率大小有關，電機設計應主要依據電樞相電流。另一方而是考慮電機工作過程中PwM調制占空比變化對電樞相電流的影響，電樞相電流隨占空比的變化而變化。
對于半控橋型逆變電路，不考慮PwM控制及考慮PwM控制的情況下，無刷直流電動機設計時的平均電樞相電流分別：
比較以上兩式可得，只有在占空比接近于1的情況下，Ia和Ib才近似相等，隨著占空比的減小，兩者相差變大，考慮PwM控制的電樞相電流更能反映無刷直流電動機的工作狀態，電機設計具有更高的準確性。
3實驗及結果分析為驗證方法的有效性，實驗過程中對同一臺無刷直流電動機，采用半控橋PwM控制方式，進行了電機設計與樣機對比實驗，結果如圖6所示。
由圖6可知，在小轉矩、高轉速、占空比較火的情況下，考慮PwM控制與否對電機的沒計結果沒有顯著影響，設計結果與實驗結果相近；在大轉矩、小轉速的情況下，未考慮PwM控制的設計結果和實驗結果的誤差較大，而考慮PwM控制的設計結果和實驗結果基本吻合。
4結語本文在討論無刷直流電動機PwM控制時的驅動電路拓撲結構的基礎上，區分了母線電流和電樞相電流的不同，得出了考慮PwM控制時，電樞相電流始終大于母線電流的結論，提出了依據電樞相電流并結合PwM控制模式的無刷直流電動機沒汁方法。實驗結果表明，該方法能夠有效地提高無刷直流電動機的設計準確性，對于無刷直流電動機的設計及工作特性分析、測量方法的改進有積極意義。 |
