摘要：针对常规无刷直流电动机设计方法存在的不足，通过对工作在PwM控制模式时无刷直流电动机电流的分析计算，区分了母线电流和电枢相电流的不同，指出无刷直流电动机的设计应主要依据电枢相电流，并提出一种PwM控制方式下无刷直流电动机设计的方法。样机实验结果表明，该方法显著提高了无刷直流电动机没训的准确性，验证了该方法的有效性和可行性。
    关键词：PwM；无刷直流电动机；设计

    O引  言无刷直流电动机以其结构简单、运行可靠、功率密度高及转矩控制特性良好等诸多优点，被广泛应用在工业制造、航夺航天、船舶推进等领域。然而，目前无刷直流电动机的设计方法并不完善，改进兀刷直流电动机的没计方法，对于提高系统的性能，进一步扩大无刷自：流电动机的应用领域具有苇要的意义。目前在无刷直流电动机设计的过程中通常以计算得到的固定的电机定转子、槽形、转子磁钢尺寸及绕组参数，采用cAD电机设计程序进行无刷直流电动机的设计，未将无刷直流电动机实际工作运行状态考虑存内。无刷直流电动机作为一种典型的控制电机，工作过程巾多采用PwM控制模式，不同的控制模式下电机的运行状态差别较大，电机设计过程中不考虑控制模式，势必会造成电机设计的偏差。为解决这一问题，本文提出了在无刷直流电动机设计的过程巾考虑电机实际运行状态——PwM控制模式的电机设汁方法，样机实验结果表明，该方法简单可行，便丁工程应用，显著提高了无刷直流电动机设计的准确性。
    1无刷直流电动机电流分析无刷直流电动机系统主要由直流电源、电动机本体、功率驱动电路及控制器等部分组成，具体连接关系如图l所示。控制器通过检测电动机转子位置信号，产生驱动控制信号，通过功率驱动电路控制电动机进行转动。
    图2、图3和图4分别为无刷直流电动机工作在PwM全控桥和半控桥下的运行状态。通过分析可以得到，母线电流只在开关管上、下同时导通时才等于电枢相电流，在PwM调制时，开关管关断产生的短暂续流过程，回路电流不流经母线，引起母线电流与电枢相电流的不同。针对图2、图3和图4所示的无刷直流电动机运行状态，有：式中：i1和i2，分别为图2、图3和图4所示无刷直流电动机运行状态回路的电流；R为相绕组电阻μ为直流电源；△μ“为管压降；L为相电感；E为相反电动势。
    通过对PwM调制下无刷直流电动机母线电流和电枢相电流的区分计算：半控桥型PwM调制和全控桥型PwM调制下的平均电枢相电流均大于平均母线电流，且全控桥型PwM调制下两者的差值更大；比较式(7)、式(8)和式(13)、式(14)，全控桥型PwM调制下的平均电枢相电流和母线电流较全控桥型PwM调制下的平均电枢相电流和母线电流都要小。
    为验证上述分析计算的正确性，对一台额定功率P=150 w、额定转速n=175r/min、额定转矩T=8．2 N·m，额定电流I=5 A，额定电压μ=36 v的外转子尢刷直流电动机进行了实算。实验中无刷直流电动机采用半控桥PwM控制方式，在占空比线性变化的条件下，对电机的母线电流进行实际测算，并与推导出的平均母线电流、电枢相电流的计算公式计算得到的曲线进行比较，实验结果如图5所示：
    图中，粗的点线即为实际测得的无刷直流电动机平均母线电流曲线；PwM占空比的变化曲线；n为电机转速的变化曲线。
    从图5中可以看出，考虑PwM控制方式时的无刷直流电动机母线电流计算结果与实际测得的母线电流基本吻合；电枢相电流始终大于母线电流，尤其是在小转速、大转矩，占空比较小的情况下，两者相差较大，与理论分析相一致。
    2考虑PwM控制的电机设计考虑PwM控制的无刷直流电动机设计方法，一方面是区分电枢相电流和母线电流的不同，电枢相电流始终大于母线电流，且电枢相电流与电磁转矩成正比，母线电流与输入功率大小有关，电机设计应主要依据电枢相电流。另一方而是考虑电机工作过程中PwM调制占空比变化对电枢相电流的影响，电枢相电流随占空比的变化而变化。
    对于半控桥型逆变电路，不考虑PwM控制及考虑PwM控制的情况下，无刷直流电动机设计时的平均电枢相电流分别：
    比较以上两式可得，只有在占空比接近于1的情况下，Ia和Ib才近似相等，随着占空比的减小，两者相差变大，考虑PwM控制的电枢相电流更能反映无刷直流电动机的工作状态，电机设计具有更高的准确性。
    3实验及结果分析为验证方法的有效性，实验过程中对同一台无刷直流电动机，采用半控桥PwM控制方式，进行了电机设计与样机对比实验，结果如图6所示。
    由图6可知，在小转矩、高转速、占空比较火的情况下，考虑PwM控制与否对电机的没计结果没有显著影响，设计结果与实验结果相近；在大转矩、小转速的情况下，未考虑PwM控制的设计结果和实验结果的误差较大，而考虑PwM控制的设计结果和实验结果基本吻合。
    4结语本文在讨论无刷直流电动机PwM控制时的驱动电路拓扑结构的基础上，区分了母线电流和电枢相电流的不同，得出了考虑PwM控制时，电枢相电流始终大于母线电流的结论，提出了依据电枢相电流并结合PwM控制模式的无刷直流电动机没汁方法。实验结果表明，该方法能够有效地提高无刷直流电动机的设计准确性，对于无刷直流电动机的设计及工作特性分析、测量方法的改进有积极意义。