相位超前角在无刷直流电动机调速中的应用

陶泽安，王辉，李孟秋，徐明明

    (湖南大学，湖南长沙410082)

    摘要：针对无刷直流电动机在高速运行中存在的问题，提出一种能提高无刷直流电动机调速范围的新方法，称之为相位超前法。该方法能使无刷直流电动机在高速运行时实现恒功率控制。最后建立了带相位超前角的无刷直流电动机双闭环控制系统模型，仿真结果证明了该方法的可行眭。

    关键词：无刷直流电动机；相位超前；恒功率控制；仿真

    中图分类号：tm33  文献标识码：a  文章编号：1004—7018(2010)01—0024—03

  

0引言

    永磁无刷直流电动机既有交流电动机结构简单、运行可靠和维护方便等一系列优点，又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗及调速性能好、起动转矩较大等特点，在工业领域得到了广泛应用^[1]。但是，在高速运行时，无刷直流电动机在以下两方面发生了变化：(1)转矩脉动比较大；(2)调速范围受到限制，无法实现恒功率控制。

    文献[2]分析了这一现象，其出发点是如何降低电机在高速状态下的转矩脉动，该文献通过对换相期间相电流的分析得出电机在高速状态下转矩下降的原因，然后提出一种提前导通的方法，即功率器件的导通较常规提前一个小角度θ。，称为超前导通角，从而使电机在换相时导通角大幅减小，最终达到减少转矩脉动的目的，并进行了仿真分析^[2]。但该文献并未对提前导通角(本文称之为相位超前角)的计算做具体说明，而是在假定相位超前角与机角速度成线性的前提下得出一个简单的计算公式。文献[3]中也提到过相位超前的概念，将相位超前角这一变量加入电机控制中，供我们调试时直接使用，并指出适当的相位超前可以提高电机的调速范围^[3]。但该文没有给出电机速度与相位超前角的具体关系函数，也没有对提高调速范围的原因做深入分析。

    本文对无刷直流电动机(以下简称bldcm)在高速运行时如何提高电机的调速范围，从而实现系统的恒功率控制进行了论述。首先在理论上分bldcm在高速运行时存在的问题，在此基础上提出相位超前法，在功率管导通的不同阶段，分析出相应的相电流表达式，推导出相位超前角的计算方法然后采用matlab仿真分析与验证，该方法可以提高bldcm的调速范围。

1 bldcm在高速运行时存在的问题分析

    bldcm一般采用电流及速度双闭环控制。此种控制方案能让bldcm在额定转速以下时实现恒转矩控制。然而，在电动车及电动工具等实际应用中，系统要求电机在很高的速度下运行(甚至高于额定转速)。理想状态下，当bldcm转速高于额定转速时，电机转矩会随着电机速度的增大而减小，电机由恒转矩控制变为恒功率控制。图1说明了这一特点，其中曲线bcd称为功率限制曲线。然而由于党到电压饱和的限制，不用任何特殊控制方法的bld一cm无法工作在功率限制曲线上。曲线6矿是电机在无任何特殊控制方法下的工作轨迹。下面我们对此现象做

分析.

式中:r为每相定子电阻;l为每相定子电感;m为定子间互感,在此忽略了转子位置对电感的影响,p=di/dt.其中一相的电压可以表示为:

    额定转速以上时，电机电流为了满足给定转矩的要求，会一直增大，而给电机的给定电压却是个有限值，所以当电流增大到一定程度时，电机的反电参势就不再增加了。而反电动势是和电机速度成正比的，假定给定转矩是t1，理想情况下，达到这一转矩时的电机速度为,但是由于受到反电势的限制电机速度只能达到(即e点). 同样,如果把电机转速提高到(即f点),那么电机转矩就会不法实现恒功率控制的.

2对相位超前角的研究

2．1相位超前法的提出

    从前面的分析可以看出，bldcm在额定转速以上运行时的调速范围受到限制，从而导致兀法实现恒功率控制。本文介绍一种相位超前的方法来解决上述问题。以bldcm单相等价电路图为例，如图2所示，图中q₁、q₂是功率开关，d₁、d₂是反馈二极管。当电机运行在额定转速以上时，使q₁的导通周期提前于反电动势一个电角度