無刷直流電動機(jī)基于通電相位和通電角度最優(yōu)化的PWM控制

1、無刷直流電動機(jī)基于通電相位和通電角度最優(yōu)化的PWM控制電氣傳動2006年第36卷第2期無刷直流電動機(jī)基于通電相位和通電角度最優(yōu)化的PWM控制張忠銀楊向宇華南理工大學(xué)摘要:研究了一種無位置傳感器無刷直流電動機(jī)基于通電相位和通電角度最優(yōu)化的PWM控制方法,該控制方法采用反電勢過零檢測和預(yù)定位起動方式,同時在PWM調(diào)制時通電相位和通電角度分別選用0°30°,120°180°之間的合適值,這樣不僅可以提高無刷直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,而且可以提高電機(jī)的工作效率。關(guān)鍵詞:無刷直流電動機(jī)通電相位通電角度PWMBrushlessDCMotorPWMControlBa

2、sedonOptimizingPhaseAngleandConductionAngleZhangZhongyinYangXiangyuAbstract:ThecontrolmethodforsensorlessbrushlessDCmotorbyPWMoptimizingphaseangleandconductionangleispresentedinthispaper.Theback-EMFcommunicationmethodandrotorpre-settingmethodareusedinthecontrolmethod.InPWMcontrolitgivesphaseangleana

3、daptivevaluebetween0°and30°,andconductionangleanadaptivevaluebetween120°and180°.SoitcannotonlyincreasethetorqueandspeedtheofbrushlessDCmotor,butalsoimprovetheefficiency.Keywords:brushlessDCmotorphaseangleconductionanglePWM1引言無刷直流電動機(jī)具有調(diào)速性能好、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點。為實現(xiàn)無刷直流電動機(jī)的速度和位置控制,需要知道轉(zhuǎn)子的速

4、度和位置信息,轉(zhuǎn)子位置信號通常由一個光學(xué)或霍爾位置傳感器來檢測。但隨著電動機(jī)尺寸的進(jìn)一步縮小,使用霍爾傳感器的弊端日益明顯,增加一個速度傳感器,不僅會增加電機(jī)的體積和成本,而且霍爾元件對溫度變化以及工作環(huán)境中的各種噪聲比較敏感。因而在小型輕載場合,使用無位置傳感器的無刷直流電動機(jī)已成為今后的發(fā)展趨勢。本文采用反電勢過零檢測方法檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置,用預(yù)定位方式起動。在對電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)制時通電相位和通電角度分別變?yōu)?°30°,120°180°之間的合適值,這樣既提高了無刷直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,又提高了電機(jī)的工作效率。2無位置傳感器無刷直流電動機(jī)控制策略

5、分析2.1無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的位置檢測無刷直流電動機(jī)的位置檢測方法主要有:反電勢過零檢測法,端電壓積分法,電流檢測法,3次諧波電壓檢測法,卡爾曼濾波法,狀態(tài)觀測器法及根據(jù)開路相二極管開關(guān)狀態(tài)的位置檢測法等。本文采用反電勢過零檢測方法檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。其原理是當(dāng)反電勢瞬時過零時,開路相的端電壓等于三相的中點電壓,檢測出該時刻并經(jīng)過30°延遲后作為功率管的驅(qū)動信號。圖1為無位置傳感器無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖。電動機(jī)本體為三相一對極結(jié)構(gòu),定子電樞繞組為三相星形橋式接法,電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時反電勢波形為梯形波。無刷直流電動機(jī)的三相端電壓方程為電氣傳動2006年第36卷第2期無刷直流電動機(jī)

6、基于通電相位和通電角度最優(yōu)化的PWM控制繞組通以持續(xù)的電流,經(jīng)過一定的時間后轉(zhuǎn)子磁極就會固定在該兩相繞組所產(chǎn)生磁場的軸線上。根據(jù)此確定位置,就能得出三相橋式逆變電路各相導(dǎo)通次序,使無刷直流電動機(jī)正常起動。預(yù)定位起動方式需要一定延時來等待電動機(jī)軸停止振蕩,該延遲時間可由下面的方法確定。由電機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)方程圖1無位置傳感器無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖aVa=iaR+Ldt+Ea+VnbVb=ibR+Ldt+Eb+VncVc=icR+Ldt+Ec+Vn(1)(2)(3)2Jdt=󰀁Ti式中:J,Ti分別為常數(shù)值。可得電動機(jī)轉(zhuǎn)完第一轉(zhuǎn)所用時間為t=i(7)(8)式中:Va,Vb,Vc分別

7、為a,b,c三相端電壓;ia,ib,ic分別為a,b,c三相電流;Ea,Eb,Ec分別為a,b,c三相反電勢;R為繞組電阻;L為繞組電感;Vn為中點電壓。又因為電機(jī)繞組采用星形連接,故ia+ib+ic=0,將前面3個端電壓方程相加并代入此電流方程得Vn=3(Va+Vb+Vc)-(Ea+Eb+Ec)(4)由反電勢過零檢測原理,假設(shè)此時c相繞組電流為零,反電勢Ec也為零,則Vc=Vn式(4)可變?yōu)?Va+Vb+Vc)(6)3由式(5),式(6)可以確定c相的換相點。其它Vn=a,b相的換相點用同樣的方法確定。繞組相電流可以通過檢測電阻Rs的電流得出,然后根據(jù)換相關(guān)系確定各相電流的大小和幅值。2.2

8、無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的起動由于無刷直流電動機(jī)在靜止時電動勢為零,用電樞繞組中的反電勢不能間接得到轉(zhuǎn)子的位置信號,為保證電機(jī)運(yùn)行,必須采用其它方法起動。常用的無刷直流電動機(jī)起動方法有外同步起動和預(yù)定位起動。無刷直流電動機(jī)外同步起動時需要給電機(jī)施加一由低頻到高頻不斷加速的外同步切換信號,使電機(jī)以外同步方式從靜止開始加速,直到電機(jī)被加速到足夠的速度,在一定條件下再切換到自控式狀態(tài)。這種方法實現(xiàn)電路較為復(fù)雜。預(yù)定位起動方式則是給預(yù)先設(shè)定的兩相電樞(5)3無刷直流電動機(jī)通電相位和通電角度控制以圖1所示三相星形連接直流無刷電機(jī)為例,若采用120°PWM方式,即每隔60°(電角度)

9、換相一次,每個功率管的通電角度為120°,各功率管的導(dǎo)通順序為G1G2,G2G3,G3G4,G4G5,G5G6,G6G1,。當(dāng)功率管G1和G2導(dǎo)通時,電流從G1流經(jīng)a相繞組,再經(jīng)過c相繞組和G2,最后回到電源。以流入繞組電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正方向,可得合成轉(zhuǎn)矩為3T0。其余各功率管換相導(dǎo)通時,合成轉(zhuǎn)矩大小仍為3T0,只是方向依次旋轉(zhuǎn)60°。3.1120°+2×30°PWM方式如圖2所示,無刷直流電動機(jī)在120°通電輸出不足的情況下,采用通電相位提前30°,通電角度120°+2×30°PWM方式。各功

10、率管導(dǎo)通順序為G1G2G3,G2G3G4,G3G4G5,G4G5G6,G5G6G1,G6G1G2,。當(dāng)a相通電相位提前30°,通電角度擴(kuò)大為180°亦即G5G6G1導(dǎo)通時,電流分別經(jīng)過G1,a相繞組,G5和c相繞組(此時a,c相繞組并聯(lián)),再經(jīng)過b相和G6后流回電源。圖2120°+2×30°PWM方式無刷直流電動機(jī)與直流電機(jī)近似等效,轉(zhuǎn)矩方程為T=KT󰀁I,若忽略電樞反應(yīng),則󰀁為常數(shù),又因為a,c相繞組并聯(lián),故a,c相繞組的電流分別是b無刷直流電動機(jī)基于通電相位和通電角度最優(yōu)化的PWM控制電氣傳動2006年第36

11、卷第2期相的1/2,可求得合成轉(zhuǎn)矩大小為1.5T0,方向與a相成60°夾角。其余各功率管換相導(dǎo)通時,合成轉(zhuǎn)矩大小仍為1.5T0,方向依次旋轉(zhuǎn)60°。120°+2×30°PWM方式時總電流I即b相電流為120°PWM方式時的4/3倍,轉(zhuǎn)矩為120°PWM方式時的23/3倍。無刷直流電機(jī)的繞組電阻和電感都很小,故無刷直流電機(jī)相對120°PWM方式時的輸出功率和轉(zhuǎn)速也會增加。3.2120°+2󰀁PWM方式為了使無刷直流電機(jī)有更高的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和輸出功率,可采用通電相位提前󰀁,通電角

12、度為120°+2󰀁PWM方式,如圖3所示。采用這種方式與120°+2×30°PWM方式相比,可以降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪音,同時更好地避免出現(xiàn)同一橋臂2個功率管同時導(dǎo)通,發(fā)生短路的情況。效率為83%,電機(jī)相電流為91A。圖4直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩速度及相電流測試圖5無刷直流電動機(jī)通電角度效率特性(負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3Nm)圖3120°+2󰀁PWM方式5結(jié)論通過以上對無位置傳感器的無刷直流電動機(jī)在PWM調(diào)制時通電相位和通電角度最優(yōu)化控制,無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)不僅具有較好的控制性能和動態(tài)特性,而且電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和工作效率都有所提

13、高。這對于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)要求輸出最大如車輛停車或者極低速行駛等情況是有意義的。參考文獻(xiàn)出版社,19964王曉明,王玲.電動機(jī)的DSP控制TI公司DSP應(yīng)用.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20045SatoshiOgasawara,HirofumiAkagi.AnApproachtoPositionSensorlessDriveforBrushlessDCMotorC.IEEE-IASConf.Rec,1990:443447收稿日期:2005-03-14修改稿日期:2005-11-16IEEE這里的󰀁可以根據(jù)電機(jī)的具體參數(shù)和性能指標(biāo),進(jìn)行試驗并選出最合適的值。但當(dāng)通電角度接近180

14、°(如170°)時,轉(zhuǎn)子位置檢測誤差的影響比120°,160°通電角度時大,故這種情況下必須注意轉(zhuǎn)子位置檢測精度。4實驗結(jié)果試驗電機(jī)參數(shù):額定電壓13.5V,繞組電阻13m󰀁,繞組電感65󰀁H,反電勢3.35V,匝數(shù)為25匝。通過DSP芯片對該電機(jī)分別實現(xiàn)120°+2×30°+2󰀁PWM方式,120°PWM方式和120°PWM方式控制,實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖4可知,采用120°+2×30°PWM方式和120°+2󰀁PWM方式