基于双向buck—boost的无刷直流电动机转矩脉动抑制

  阚志忠，张海存

(燕山大学，河北秦皇岛066004)

    摘要：为提高无刷直流电动机的控制性能，减小电机换相区间转矩脉动，提出基于双向buck—boost供电的无刷直流电动机换相转矩脉动的抑制方法。分析了双同buck boost控制模式和该电路的输出电压控制算法，仿真结果验证了电压控制算法及抑制电磁转矩脉冲的有效性。

    关键词：无刷直流电动机；双向升降压电路；转矩脉动；占空比

    中图分类号：tm33  文献标识码：a  文章编号：1004—7018(2010)01—0040—05

0引言

    无刷直流电动机的转子采用永磁材料，在气隙中产生近似矩形分布的磁场，转子上没有绕组，因而无刷直流电动机转子无铜损耗，电机具有效率高、节能、控制简单、成本低等多项优点。随着永磁材料、大功率电力电子技术、计算机技术、控制技术的发展，无刷直流电动机广泛应用于航空航天、军事、工业、计算机硬盘、民用空调、冰箱、电动汽车等诸多领域。一般无刷直流电动机绕组采用两两导通每相导通120。三相六阶梯波供电方式，这种控制方式简单，电机能够获得****电磁转矩。因为电机定子齿槽对磁场分布影响、绕组存在电感导致电流换相时绕组电流不能突变，电机电磁转矩存在脉动等。在低速情况下，速度波动严重，以致不能满足速度或位置控制精度指标的要求。电机绕组电流换相时所产生的电磁转矩脉动会随电机转速的变化而变化，脉动幅度****达到50％。有文献提出，因为元刷直流电动机电磁转矩脉动问题，它的应用场合限制在对精度要求不高的场合。

    无刷直流电动机的转矩脉动与抑制问题一直是国内外在这一领域的研究方向之一。其中文献[1]提出，由于pwm的控制方式不同，无刷直流电动机非导通相产生了电流，并引起电机的电磁转矩脉动；文献[2]提出通过改变输入电压减小转矩脉动的方法；文献[3]提出采用电流控制算法减少转矩脉动。

    本文提出采用双向升降压斩波电路(bidirectionbuck boost circuit)改变直流母线电压减小转矩脉动的方法。实时跟随无刷直流电动机转速变化，调节其逆变器直流母线电压，可抑制电机换相时非换相相电流脉动，进而抑制电磁转矩脉动。改变升降压斩波电路开关管的占空比可以调节其输出电压，使输出电压或大于电源电压或小于等于电源电压，但是单向的升降压斩波电路的能量只能由输入到输出单方向传递，当电机工作在再生发电状态时，电机处于发电状态所产生的电能不能回馈到电源侧，不利于节能。我们采用双向升降压斩波电路实现逆变器的直流母线电压、电机反电势、电机定子绕组电压在数值上保持线性关系，不仅可以缓解无刷直流电动机转矩脉动问题，还可提高电机转速，降低作为电源的电池额定电压。元刷直流电动机主电路如图1所示。

1换相电磁转矩脉动分析

    无刷电动机由梯形波永磁电动机本体、逆变器及位置传感器组成，电机采用典型的星形接线。荆殴设：

(1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波)分布；

    (2)忽略定子齿槽的影响；

    (3)忽略电枢反应对气隙磁通的影响；

    (4)忽略电机中的磁滞和涡流损耗；

    (5)三相绕组完全对称。

    无刷直流电动机定子电压方程和电磁转矩方程如下:

式中：m。、u。、分别为a、b、c三相绕组电压；分别为定子a、b、c绕组相电动势瞬时值；分别为a、口、c三相绕组电流；r。、r。为定子绕组相电阻，凹为每两相绕组互感；为转子的机械角速度；t为电机的电磁转矩，l。=l—m，无刷直流电动机的等效电路如图2所示。

无刷电动机转动时，根据位置检测器输出信号，通过逻辑电路控制开关管sl～s6的导通和截止。为使电磁转矩脉动尽量小，选择开关管的控制方式即每个开关导通时间电角度，年亨形图如图3所示。

 由于各个开关管轮流导通，换相时等效电路结构相同，分析某一相的换相时