无刷直流电动机换相转矩脉动控制

    师蔚¹，蔚兰¹，张舟云²，应红亮²

(1上海工程技术大学，上海201620；2上海安乃达驱动技术有限公司，上海200240)

    摘要：针对应用于轻型电动轮的无刷直流电动机的低转矩脉动的要求，提出了一种低成本、高可靠、简单易实现的换相转矩脉动控制方法。该方法依照不同电机转速控制换相过程PWM占空比，进而控制关断相电流和开通相电流在换相过程中的变化率，保持非换相相电流在换相过程中基本恒定，通过减小无刷直流电动机换相电流脉动来减小或消除换相转矩脉动。理论分析和实验验证了该方法的可行性，并已广泛应用于轻型电动车辆领域。

    关键词：无刷直流电动机；换相；转矩脉动；轻型电动车辆

    中图分类号：TM33  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)05—0025—05

0引言

    无刷直流电动机突出特点是电机本体空间小，功率密度高，过载能力强，控制方式简单可靠，在轻型电动车辆中得到了广泛的应用，但是其固有的转矩脉动缺点，限制了它在高精度速度、位置控制系统中的应用^[1]。无刷直流电动机的转矩脉动主要来源于电磁转矩脉动、齿槽转矩脉动和磁阻转矩脉动等几个方面。而齿槽转矩脉动和磁阻转矩脉动从电机本体设计人手，通过气隙磁场、定转子结构、绕组形式等的合理设计，可以得到很好的消除^[2-4]；换相转矩脉动是造成电磁转矩脉动的主要原因之一，而换相过程中开通相和关断相电流变化率的不同使得非换相相电流出现脉动是导致换相转矩脉动的根本原因^[1,5]。消除换相转矩脉动往往从控制策略人手，通过调整加在电机绕组上的电压或电流来弥补电机本体和逆变器与理想特性的偏差，从而抑制换相转矩脉动^[6-10]。电动自行车、电动摩托车、微型电动轿车等轻型电动车辆轮毂(或轮边带减速器) 用无刷直流电动机要求具有低转矩脉动，特别是在车辆起动和低速工况。

    本文针对车用工况对无刷直流电动机的低转矩脉动要求，提出一种低成本、高可靠、简单易实现的无刷直流电动机换相转矩脉动消除方法，该方法已广泛应用于电动车辆领域。

1无刷直流电动机电路模型与数学模型

1．1逆变器一无刷直流电动机电路模型

    三相两电平电压型逆变器供电的逆变器一无刷直流电动机系统如图1所示。图中，U_d为直流电源；C_d为中间直流回路支撑(滤波)电容；T1～T6为功率功率管，Dl～D6为续流二极管。对T1～T6分别在各自导通时间内根据不同的调制方式进行PwM控制。

当采用方波电流控制无刷直流电动机时,通常选用1200两两导通的调制方式,这种控制能够在一定转速和电流范围内很好地保持三相定子电流的峰值恒定，从而得到较为稳定的电磁转矩^[1]。

1.2逆变器-无刷直流电动机数学模型

    无刷直流电动机定子电流为理想的方波，反电动势为理想的梯形波，并作如下假设：(1)不计磁路饱和、涡流损耗和磁滞损耗；(2)忽略定子电流的电枢反应；(3)定子绕组采用无中线Y形接法，三相定子绕组的自感、互感均为常数。根据实际运用情况分析，电机定子绕组中点通常不引出，电机三相相电压通常不容易测到。无刷直流电动机的端电压表示为：

式中：u_AN、u_BN、u_CN分别为电机三相定子绕组端电压，端电压定义为电机的三相定子绕组的输入端A、B、c相对于直流母线负端之间的电压差；R为定子绕组电阻；p为微分算子；L为定子绕组等效自感，M为定子绕组等效互感；i_A、i_B、i_C为三相定子电流(相电流等于线电流)；e_A、e_B、e_C为三相定子绕组反电动势；u_ON为电机三相绕组中点对直流母线负端电压差，且u_ON、表示为：

式中：ω_r为元刷直流电动机电角速度；P为极对数；ω_m为机械角速度。

2无刷直流电动机换相转矩脉动分析

2.1换相电流脉动分析

    对应于图l逆变器一无刷直流电