无刷直流电机在脉宽调制下的转矩脉动抑制

    孟光伟，李槐树，  熊浩

(海军工程大学电气工程系，湖北武汉430033)

     摘要：分析无刷直流电机(BLDcM)稳态换相转矩脉动与转速的关系，确定换相叫问与电枢电流及反电势之间的关系。分析脉宽捅制(PwM)方式对i相六状态二二导通Bl肌cM控制系统的影响，提出了在PwM ON—PwM(前30。和后30。进行PwM控制，中间60。保持恒通)方式下的转矩脉动补偿控制。该控制不仍能够完全消除非换相期削由于关断桶出现电流l缸引起的电磁转矩脉动，还能够完全补偿由于换相而引起的转矩脉动，实现电机在低速和高速时的无转矩脉动控制。

    关键词：无刷直流电机；转矩脉动；脉宽调制中图分类号：TM 33文献标志码：A文章编号

0 引言

    无刷直流电机(Bmshless Dc M0tor，BLDcM)因其结构简单、调速性能好、功率密度高、低噪声、控制简单等特点，得到了越来越广泛的应用。具有梯形波反电动势(平顶宽度≥120。)BLDcM转矩脉动的抑制及控制性能的改善一直是研究的热点。

    BLDcM可以工作在各种脉宽调制(Pulsewidth M0dulaLion，PwM)模式下，不同的PwM模式，不但影响功率开关管的动态损耗与散热均匀性，而且对转矩脉动的影响也很大。通过改变直流母线斩波控制”，保持非换相相电流的恒定，能有效抑制换相转矩脉动，但会使其拓扑结构复杂。低速时可通过控制非换相相电流的大小来调节换相转矩脉动[4]。文献[5]仅针对PwM ON方式对转矩脉动的影响进行分析。文献[6—8]对电机不同速度区采用不同的换相转矩脉动抑制方法，但未考虑PwM对系统的影响。文献[9一12]引入预测电流控制、神经网络控制、自抗扰控制等来抑制转矩脉动，控制算法复杂，不便于实现。

    针对BLDCM的换相过程，以及PwM对控制系统的影响，本文在保持PwM一0N中PwM优良性能的基础上，在电机低速、高速时，通过对换相期间PwM调制比的求取，提出，在不同速度时的换相转矩脉动补偿控制，在原有拓扑结构不变的基础上，大大提高了系统的控制性能，电利于实现。

1换相过程分析

    设BLDcM三相对称，星型连接，忽略电枢反应，不计涡流和磁滞损耗，则其等效电路及其驱动主电路如图1所示。图中：R、L分别定子绕组电阻和电感，eA、eB、eC分别为三相绕组上的反电动势。当电机工作在三相六状态120。导通方式时，由于电枢绕组电感的影响，电流换相不是瞬时完成的，功率开炎管由T1、T2导通变为T2、T3导通，即电路状态由A、c两相绕组导通切换为B、c两相绕组导通为例来分析换相过程。在换相过程中，A相电流由D4续流，逐渐减小为0，B相电流逐渐增大达到稳态值，换相过程的电路方程为

     考虑电机各相绕组的反电动势为平顶宽度≥120。电角度的梯形波，幅值为Em,则换相过程中：eA=eB=一eC=Em。与BLDcM的绕组时间常数L／R相比，可以认为PwM的周期足够小，则：|Rix|=|LdiX／dit|，X=A，B，c，可忽略电枢绕组电阻的影响[6]，并考虑各相电流的初值和终值为换柏前后各电流的稳态值I0，由式(1)可得换相期间的各相电流：

   由式(2)可得，换相期间A相绕组的关断时间t1和B相绕组的开通时间t2分别为

 设转子机械角速度为ω，则换相期间的电磁转矩为

    由式(2)～(5)可知：

    当Ud>4Em时，即电机转速小于一定值时，两相电流换相不能同时完成，在iA降为0之前，iB已达到稳态值，如图2中换相情形I，且换相引起转矩增加，转矩脉动为

    当Ud=4Em时，即电机在一定转速下运行时，两相绕组的换相可以同时完成，在iA降为O的同时iB达到稳态值，如图2中换相情形Ⅱ，且换相过程中转矩保持恒定，其值等于非换相期问的电磁转矩：     当Ud<4Em时，即电机转速大于一定值时，两相电流换相不能同时完成，在iA已降为0时，iB还没有达到稳态值，如图2中换相情形Ⅲ