无刷直流电动机斩波方式与电磁转矩脉动关系

贺安超，刘卫国，郭志大

(西北工业大学，陕西西安7101291

摘要：以换相过程绕组的统一嗽态方程为基础，统一近似解析表达了在斩波方式下的换相过程电磁转矩，并分析了靳波方式影响转矩脉动的根本原因，从理论k得到了****的斩波方式；同时．对各种斩波方式的换相时刻电磁转矩分别进行了计算比较，其结果与理论分析一致；为分析目前和新的斩波方式和补偿方法对转矩脉动的影响提供了理论依据和表达式计算。最后得出对转矩脉动****的斩波方式为PWM-ON-PWM。并在三个位置传感器的条件运用位置预测法实现。试验结果表明，PWM ON PWM的转矩脉动最小，目没有不导通相电流。

    关键词：无刷直流电动机；斩波方式；转矩脉动；PWM-ON—PWM

    中图分类号：TM33  文献标识码：A  文章绵号：1004-7018(2010)05—0012—04

0引言

    具有梯形波反电动势的无刷直流电动机具有高功率密度、控制简单等特点，应用非常广泛.但是因其电磁转矩脉动问题以及由此造成的控制性能问题，限制了其在高定位精度、高稳定性等场合的应用^[1]。驱动逆变器多采用三相半桥驱动结构，绕组工作于星型连接两相导通六状态方式。一般采用刷PWM调制方式进行速度及电流的调节。采用的PWM调制方式不同．其对性能的影响也不同。

    无刷电动机转矩脉动的抑制及控制性能的改善一直是研究的热点。在文献[11]中，对无刷直流电动机不斩波的情况下的相电流给出了解析计算。文献[2]对几种斩波方式的换相过程电磁转矩分别进行了计算。文献[3]为消除不导通相电流提出了一种PWM—ON—PwM斩波方式，但这种斩波方式需要6个霍尔传感器。文献[4—5]提出了一种两倍提高极限斩波频率的斩波方法。本文以统一的状态方程解析计算了目前出现的各种斩波方式下的转矩脉动表达式,并分析了斩波方式与转矩脉动大小的根本联系。最后，根据位置预测法给出了一种PWM-ON—PWM斩波方式的实现方法。

    目前，电机控制通常采用以下几种调制方式：无斩波(不调制或其它调制方式占空比为1时)，H_pwm-1一L pwm，H oD—L—pwm，H—pwm—L oil，PWM—ON，ON—PWM。近年提出了 PWM—ON—PWMi。、倍频PWM调制方法等，各种斩波方式与反电动势波形如图1所示。

1换相过程统一电压平衡方程的建立和电磁转矩的解析表达

    为了说明简单，以AC导通换Bc导通的换相过程作为研究对象，E桥换相时为A+c一换为B+C一，下桥换相时为A—c+换为B—c+。研究假设的条件：电机三相对称且参数相等；电机具有理想的120。梯形反电动势；驱动电源及电机等效电路如图2所示。换相过程的起始是A相的电流开始衰减，同时B相的电流开始增加，直到4相的电流衰减到零，换相过程结束。由此可见，在换相过程中三相绕组都有电流存在。因此，根据图2的绕组等效电路模型可以建立在以下的电机三相端电压平衡方程：

式中：Us为直流端电压；x、y、Z分别每相绕组在不同斩波方式下的等效电压系数，其值等于等效电压除以Us；e_a、e_b、e_c屯为三相绕组反电势；i_a、i_b,i_c为三相绕组电流；R、L分别表示每相绕组的电阻和电感(电感为每相自感与互感的差值)。根据电机统一理论，电机电磁转矩可表示为：

式中：TM为电机转矩；Pe为电磁功率；Ω为电机机械角频率；ω为电机转子电角频率；P为极对数。

由式(3)可得，电机换相过程电磁转矩与非换相绕组的电流成正比，其变化趋势相同。

2由统一转矩表达式分析斩波方式对电磁转矩的影响

    由上述的解析表达式可以得出：在任何斩波形式下，只要计算出kil值，就可以近似解析出换相过程结束的时间；只要计算出k_i2值，就可以近似解析出电磁转矩的大小。在不同的斩波方