摘    要：为了解决无刷直流电机换向过程中转矩脉动较大的问题，提出了一种优化的脉冲宽度调制方法。为了分析直流无刷电机运行时脉冲宽度调制方法对电机换相转矩的影响，在理论上，从直流无刷电机方程入手，推导了直流无刷电机换相时的电磁转矩大小，分析了产生换相转矩的原因。针对使用传统脉冲宽度调制方法时电机转矩脉动较大的缺点，提出了一种新的脉冲宽度调制方法PWM-OiV脉冲宽度调制。并从理论上证明了在直流无刷电机控制中，所提出的PWM-ON脉冲宽度调制方法产生的转矩脉动相比较小：在试验中使用了基于TMS32,OLD,8016芯片的具有高可靠性与高灵敏的DSP控制系统，通过实验证明，所提出的脉冲宽度调制方法有效地抑制了直流无刷电机换相时的转矩脉动．

关键词：无刷直流电机；换向转矩脉动；脉冲宽度调制

中图分类号：TP 27    文献标识码：A

    无刷直流电机是具有梯形反电势波的永磁电机。永磁电机转子采用永磁材料，具有体积小，重量轻，结构简单，运行可靠，效率高等一系列优点，其中，无刷直流电机更因其控制简单的优势在各方面都得到了越来越广泛的应用。但是，无刷直流电机固有的电磁转矩脉动问题会较大影响电机的转速和伺服性能，制约了其进一步的发展。因此，无刷直流电机转矩脉动的抑制，成为了一个重要的研究方向。

    试验中控制系统采用了德州仪器公司****的DSP芯片TMS320LF28016，通过实验证明，该芯片构成的无刷直流电机调速系统具有高灵敏性和高可靠性的优点，并通过新的PWM凋制方式有效的抑制了换向转矩脉动。

  1)直流无刷电机数学模型以星形三相六状态的120度导通的直流无刷电机为例。主电路采用三相半桥式逆变器，主电路和电机等效模型，如图1所示。

   

  可以使用如下三相端电压平衡方程式来描述图l中的无刷直流电机高效率高密度电力电子变换器，逆变器先进控制技术，电力电子技术在太阳能、风能等新型能源中的应用等方面的教学与科研工作。

 

    假设电机三相对称，具有120度梯形波反电动势，忽略凸极效应，设绕组特性和参数相同且为常数。

    电机电磁转矩公式为

    稳态时电机只有两相通电，电磁转矩为

    无刷直流电机在工作时，每次换相相隔60度电角度。在换相期间，尽管关断相上的开关管已经关断，但由于电机绕组电感的存在，电流不可能一下减为零，总是会通过相应的续流二极管进行续流，随之再衰减为零。这就是产生换向转矩脉动的主要原因。关断相的反电动势波形为一个斜坡函数，如图2，图3所示。

   

    因为换向过程很短，在下面的计算中假设换向期间e=±E（E为反电动势幅值）。

    针对无刷直流电机换相的特性，产生了两种不同的调制方式：

1、 通管进行PWM调制，非换相开关管恒通( PWM-ON)各开关状态，见图2。

2、开通管恒通，非换相开关管进行PWM调制( ON-PWM)，各开关状态，见图3。

    下面就具体来分析一下两种不同PWM调制方式对转矩脉动的影响。

  2)开通管进行PWIVI调制方式（PWM-ON）对转矩脉动的影响  以图1主电路为例，假设电流从U相切换到L2相，此段换相期间波形见图2，T1为关断开关管，T1为开通开关管，而T2为非换相开关管。此种调制方式下由开通开关管T3进行PWM调制，非换相开关管T2恒通。换相期间D4导通续流，图l中Ll点与地相连，电机端电压UL3=0；T3进行pWM调制，占空比为D，直流母线电压为Ud，因此UL2=Ud×D;T2恒通，UL3=0。其中，Ud为直流母线电压，D为占空比。将电机端电压代入式(1)可解得：

    电流从Ll相切换到L2相前il1=i0，iL2=0，代人式(1)可近似求得换向过程中电机三相电流方程为

  代人电磁转矩公式，可以计算出换相过程中的电磁转矩：

  与稳态电磁转矩式(3)相比可得此时转矩脉动为

  3)非换相开关管进行PWM调制方式(ON—PWM)对转矩脉动的影响假设电流还是从Ll相切换到L2相，T1为关断开关管，T3为开通开关管，而T2为非换相开关管。此种调制方式下由非换相开关管T2进行PWM调制，开通开关管T3恒通。换相期间D。导通续流，电机端电压UL1=O；T3恒通，UL2=Ud×D;T2进行PWM调制，占空比为D，UL3=(l- D) Ud，将电机端电压代人式(1)可解得：

         

    电流从LI相切换到L2相前，iL1=i0，iL2=0，iL3= -i0，代人式(1)可近似求得换向过程中电机三相电流方程为

  代人电磁转矩公式，可以计算出换相过程中的电磁转矩：

    与稳态电磁转矩式(3)相比可得此时转矩脉动为

    比较式(9)和式(15)：

    

    因此在两种调制方式下，对开通管进行PWM调制的方式( PWM-ON)换向转矩脉动较小。

    控制系统以TMS320F28016作为核心芯片，主要负责信号的采集，实现控制算法和控制策略，产生所需的PWM波，使电机稳定运行。同时采用RS232通信标准与上位机系统进行通信。电机位置由3个安装在电机内部的霍尔传感器给出信号，DSP由通用I/O口，使用查询方式检测，DSP首先通过检测到的转子位置，根据选择的控制方式（PWM-OlN方式与ON-PWM方式）发送PWM开关信号。电流通过TMS320F28016内部的12位A/D模块检测。转速通过正交编码模块检测。根据检测到的电流与转速，通过PI调解器计算合适的PWM占空比，以使电机稳定运行。增强型PWM模块( ePWM)给出逆变桥开关信号，经由光耦隔离控制ICBT。

    使用TMS320F28016构成的直流无刷电机控制系统，几乎不用再添加其他外围电路，是一种良好的一片式解决方案。相比现在广泛使用的2407，28016新一代的内核具有更高的工作频率(60 M)；可以完成32×32的乘法操作；可以完成两个16。16乘法操作；汇编程序代码与C程序代码效率大幅提高等。高效的性能可以完成各种复杂的控制算法，且价格相比电机控制中高端的2812又****优势。28016势必将成为新一代电机控制的****芯片之一。

   本文对两种调制方法都进行了实验验证，采用功率为1 kW的4极直流无刷电机，逆变器采用三菱公司PS21869-P型号的IPM，三相6管电流为30 A，电压为600 V。实验中首先对相电流波形进行了观测，采用两种调割方式时电机的相电流波形，如图4所示。(a)ON-PWWE方式

   

    对比图(a)与图(b)可看出，采用PWM-ON调制方式时的相电流脉动明显小于ON-PWM方式下的电流脉动。

    由于转矩的脉动最终影响的是电机的转速，因此，实验还对转速波形进行了对比。DSP通过正交编码电路对速度进行采样，通过RS232接口传送至计算机。再由计算机分析DSP所采集到的数据。速度波形，如图5所示。

      

    比较图(a)和图(b)，采用PWM-ON调制方式时转速的脉动明显小于ON-PWM调制方式。

    实验结果证明，采用PWM-ON调制方式控制的直流无刷电机，能有效地降低换相时的转矩脉动。  

    本文提出的算法能有效地降低直流无刷电机的转矩脉动，并且具有不改变硬件结构，只通过软件算法降低转矩脉动的优势。基于TMS320F28016的控制系统具有高效的性能并具有成本优势。该套系统已经成功地应用于采用无刷直流电机的工业缝纫机中，并得到了良好的性能，是一种十分实用的直流无刷电机控制算法与控制系统。