無刷直流電機回饋制動的PWM調制方式研究

1、第44卷2011年第9期9月MICROMOTORS 收稿日期:2010-11-12作者簡介:王結飛(1984,男,碩士,研究方向計算機控制與系統(tǒng)集成。郭前崗(1960,男,教授,研究方向電力電子與電氣傳動。無刷直流電機回饋制動的PWM 調制方式研究王結飛,郭前崗,周西峰(南京郵電大學自動化學院,南京210003摘要:介紹了無刷直流電機回饋制動時的四種PWM 調制方式,詳細分析了四種不同的調制方式對無刷直流電機換相過程及換相轉矩脈動的影響。通過分析得出,當回饋制動時,采用PWM_OFF 型調制方式時,無刷直流電機的換相過程最短、換相轉矩脈動最小。仿真結果證明了結論的正確性和實用性。關鍵詞:無刷直

2、流電機;回饋制動;PWM 調制方式;轉矩脈動中圖分類號:TM36+1文獻標志碼:A文章編號:1001-6848(201109-0058-04Study on PWM Modes of Regenerative Break for Brushless DC MotorWANG Jiefei ,GUO Qiangang ,ZHOU Xifeng(Automation Institute ,Nanjing University of Posts Telecommunications ,Nanjing 210003,China Abstract :Four PWM modes used in rege

3、nerative break for BLDCM were introduced and the different influ-ences on the commutation progress and the commutation torque ripple of BLDC motors at the state of regener-ative break were analyzedIt pointsed out the PWM-OFF type is the best PWM mode to reduce the time ofcommutation and commutation

4、torque rippleThe simulation results show that the PWM-OFF type is correctand practicalKey words :BLDCM ;regenerative break ;PWM mode ;torque ripple0引言無刷直流電動機轉子采用永磁材料勵磁,體積小、重量輕、結構簡單、運行可靠,且具有高效節(jié)能、易于控制等一系列優(yōu)點,已廣泛應用于辦公自動化設備、計算機外圍設備、儀器儀表和家用電器等領域,尤其在電動車領域,BLDCM 已經成為電動汽車驅動的首選電機12。無刷直流電機的制動方式分為機械制動和電氣制動,機械制動

5、直接將機械能轉化為熱能,制動方式簡單可靠有效。電氣制動分為回饋制動和反接制動,反接制動效果明顯,但是制動過程中不但沒有將機械能轉化為電能回饋到供電電源,而且還需要電源提供制動電流3;而回饋制動時,制動電流由電機自身提供,即將機械能轉化為電能,同時將電能回饋至蓄電池,不僅經濟環(huán)保,而且延長電池的使用時間2。在回饋制動的過程中,由于相電感的存在,無刷直流電機在換相過程中,相間換流存在延遲,換相相電流不可能瞬間降為零1,4,且由于不同的調制方式會帶來不同中性點電壓5,非導通相的電流降落速度也會發(fā)生變化,進而影響電機換相期間的轉矩脈動。下面將具體分析不同的調制方式對換相相電流和換相轉矩的影響。1電動運

6、行系統(tǒng)主電路拓撲如圖1所示。電動運行時,相電流的導通方式采用120導通方式,每個功率管導通時間均為120電角度。當采用H_PWM-L_ON 調制方式時,即僅對導通期內的上橋臂功率管進行PWM 調制,而另下橋臂功率管常通。功率管的開關狀態(tài)取決于無刷直流電機轉子的位置,轉子位置通常由霍爾位置傳感器獲得。圖1主電路拓撲設電機電動運行時,霍爾位置傳感器信號與功9期王結飛等:無刷直流電機回饋制動的PWM 調制方式研究率管導通狀態(tài)的關系如表1所示 表1電動運行時霍爾信號與功率管導通狀態(tài)關系HALL001T 1T 6T 3T 6T 3T 2T 5T 2T 5T 4電動時,相電流、反電動勢波形如圖2所示。由圖

7、2可以看出,電動運行狀態(tài)下,當AB 相導通時,若采用H_PWM-L_ON 調制方式,則僅T 1接受PWM 調制,T 4為常通狀態(tài),此時有e a =e b =E ,i a =i b =I ,E 為反電動勢幅值,I 為相電流大小,e c 從E 變化到+E 。當T 1導通時,電流流向為電源正極T 1A 相B 相T 4電源負極;當T 1關斷時,電流流向為T 1A 相B 相T 4T 1。 圖2電流及反電動勢波形無刷直流電機產生的電磁轉矩為T e =e a i a +e b i b +e c i c(1式中,為電機角速度;電動運行時,反電勢與相電流同向,T e 0。電機消耗直流側電能轉化成機械能。2回饋制

8、動當無刷直流電機處在回饋制動狀態(tài)時,相電流的采用120導通方式,采用的調制方式有:方式(H _OFF-L_PWM ;方式(H_PWM-L_OFF ;方式(OFF-PWM ;方式(PWM-OFF 。表2列出了各調制方式中功率管的開通狀態(tài)與霍爾信號的對應關系。T 2T 5T 4T 1T 6T 3回饋制動時,理想的反電動勢、相電流波形如圖3所示。當回饋制動時,反電動勢與相電流反向,由式(1可知,此時的T e 0。由圖3可得理想回饋制動狀態(tài)下無刷直流電機的制動轉矩為T e =2EI。圖3回饋制動時反電動勢及相電流理想波形但是,由于相電感的存在,在換相過程中相間換流存在延遲,換相相電流不可能瞬間降為零,

9、換相過程中將出現轉矩脈動。假設AB AC 換相時刻e a =E ,e b =e c =E ,若i a 恒為I ,則i b +i c =I ;那么進過換相點后e b 從E 線性變化到+E ,i b 將從I 變化到0。將以上各量代入式(1整理后可得T e =2EI +(E +e b i b(2其中e b 和i b 是隨時間變化的量。則可得換相轉矩脈動為T e =(E +e b i b換相期間i b 0,E +e b 0,可見,在e b 不變的情況下,i b 越小,制動轉矩越大,即i b 越快減小為零,制動轉矩脈動T e 越小。下面對四種調制方式進行具體分析,為了簡便,文中不考慮定子繞組電阻。下橋換

10、相下橋換相AB AC ,電動狀態(tài)下,對T 1進行PWM 調制,T 4關斷,T 6導通?；仞佒苿訝顟B(tài)下,方式和方式有相同的續(xù)流過程,方式和方式有相同的續(xù)流過程。由圖3可知,換相點處e a =E ,e b =e c =E ,i b =i a =I ;經過換相點后,e b 開始從E 變化到+E ,i b 從I 變化到0。方式和方式:對T 2進行PWM 調制且占空比為D ,D 1在T 2關斷時導通其占空比為1D ;D 4由續(xù)流逐漸變?yōu)榻刂?D 6開始導通。當E e b 0,對應的電壓方程式為(1D U d =U La +e a +U N 0=U Lb +e b +U N 0=U Lc +e c +U

11、N(3式中,U La =Ld i a d t ,U Lb =L d i b d t ,U Lc =L d i cd t;U N 為無刷直流電機中性點電壓;由i a +i b +i c =0,可得U La +U Lb +U Lc =0所以得U N =(1D U d e b3,則·95· 44卷ULa =2(1DUd+eb3E(4ULb =(1DUd+2eb3(5ULc =(D1Ud+eb3+E(6由式(2,為了減小換相轉矩脈動,需要令B 相電流盡快減小為零,由式(5可知,只能通過減小占空比的方法,但同時也使C相電流增速變慢。方式和方式:對上管T5進行PWM調制且占空比為D,D

12、1常通,D4續(xù)流,D6在D5關斷時導通其占空比為1D。當Ee b0,對應的電壓方程式為Ud =U'La+ea+U'N0=U'Lb +eb+U'NDUd =U'Lc+ec+U'N(7同理可得U'N=(1+DUdeb3U'La =(2DUd+eb3E(8U'Lb =(1+DUd+2eb3(9U'Lc =(2D1Ud+eb3+E(10由式(9可知,為了讓B相電流盡快減小為零,只能通過增大占空比的方法,同時也令C相電流增速變快。當對電流進行閉環(huán)控制時,需要式(4和式(8中方程等號兩邊都等于零,即U La=0,U'L

13、a=0a若ULa=0,則得D=13Eeb2Ud,由于0EUd2,Eeb0所以0D1,從而可以保證換相過程中i a=I。b若U'La=0,則得D=23Eeb Ud當0EUd4時,D將大于1,并隨續(xù)流過程的進行逐漸變大,直到續(xù)流結束。因此,當0EUd4時,U'La無法保證為零,也即U'La將大于零,使得i aI。由上可知,在e b和D相同的條件下,U'LbULb ,U'LcULc,所以當對C相橋臂的上管T5調制時,i b將更快的減小至0,i c將更快的達到I,換相過程可以更快地結束,換相轉矩脈動也就越小。但是當0EUd4,也即轉速較慢時,非換相相電流將無法保

14、持為I。電動運行狀態(tài)下,上橋換相ACBC,T1關斷,T3進行PWM調制,T6常通?；仞佒苿訝顟B(tài)下,上橋換相時,方式和方式有相同的續(xù)流過程,方式和方式有相同的續(xù)流過程。由圖3可得,換相點處ea=eb=E,ec=E,ic=ia=I,經過換相點后,ea開始從+E到E變化,i a從I到0變化,i b從0到I變化。方式和方式:換相時刻對T4進行PWM調制,D1續(xù)流至截止,D6常通,D4以1D占空比導通。當0e aE,對應的電壓方程式為Ud=ULa+ea+UN(1DUd=ULb+eb+UN0=ULc+ec+UN(11同理可得U N=(2DUdea3ULa=(1+DUd2ea3(12ULb=(12DUd+e

15、a3E(13ULc=(D2Ud+ea3+E(14方式和方式:換相時刻對T5進行PWM調制,D1續(xù)流至截止,D3導通。當0e aE,對應的電壓方程式為Ud=U'La+ea+U'NUd=U'Lb+eb+U'NDUd=U'Lc+ec+U'N(15同理可得U'N=(2+DUdea3U'La=(1DUd2ea3(16U'Lb=(1DUd+ea3E(17U'Lc=2(D1Ud+ea3+E(18可見在同樣的e a和D下,U LaU'La,U LbU'Lb采用下管調制的效果將優(yōu)于采用上管調制,且采用下管調制可通過調

16、節(jié)占空比來縮短換相過程,減小轉矩脈動。對比式(4和式(18,式(8和式(14可以看出,上橋換相時且0EUd4,對T4進行PWM調制,非換相相電流將無法保持為I。通過以上分析可知,下橋換相時,采用對下管調制,將延長換相過程,且關斷相電流可控性較差,轉矩脈動較大,隨著轉速的下降,D將增大,換相·06·9期王結飛等:無刷直流電機回饋制動的PWM 調制方式研究 過程也將惡化;采用上管調制,可加快關斷相電流的下降,將得到更好的換相效果。而上橋換相時,采用下管調制可以縮短換相過程,提高關斷相電流的可控性,減小轉矩脈動。但在速度較慢時,無法保證非換相相電流不變。3仿真實驗在Matlab

17、/simulink 下對無刷直流電機進行回饋制動仿真,本文僅對中速情況下進行仿真。實驗中使用的無刷直流電機,其電阻為1.0,電感為7.6mH ,4對極,額定轉速為2500r /min ,額定電流6.5A ,額定轉矩6Nm ,額定電壓為310V ,反電動勢常數為62V /kr ·min 1。仿真時,PWM 調制頻率為10kHz ,直流側電壓為300V 。仿真中用比例調節(jié)器對電流進行了閉環(huán)控制,電流給定值為5A 。方式 方式對應電機轉速為1200r /min 時的反電動勢及電流波形如圖4所示;方式對應電機轉速分別為1200r /min 和1800r /min 時的反電動勢及電流波形如圖6

18、所示。從仿真結果中可以看出,當下橋換相時,采用方式和方式,轉矩脈動較大,但非換相相電流保持不變;采用方式和方式,轉矩脈動較小,但非換相相電流出現波動。當上橋換相時,采用方式和方式轉矩脈動較大,但非換相相電流保持不變;采用方式和方式,轉矩脈動較小,但非換相相電流出現波動。另外,當采用方式,在1200r /min 時,不論上橋換相還是下橋換相都存在換相過程中電流變化的情況;而在1800r /min 時,電流波動較小。仿真結果與研究結果一致。 圖4反電動勢、電流、轉矩波形(方式1、2、3圖5反電動勢、電流及轉矩波形(方式44結論本文對無刷直流電機回饋制動時的幾種調制方式進行了比較研究,從研究中可以看到,當下(上橋換相時,采用上(下管調制可以有效地減少換相時間,抑制非導通相續(xù)流,減小換相期間的轉矩脈動。研究及仿真結果均表明PWM-OFF 調制方式在相同大小的相電流下,可以得到更大更穩(wěn)定的制動轉矩。在電動汽車電氣制動過程中,采用PWM-OFF 調制方式進行電氣制動時,不僅可以有效改善蓄電池充電環(huán)境,延長電池使用時間,而且明顯提高了制動電流的制動效