无刷直流电机PWM调制方式与转矩脉动关系研究

无刷直流电机PWM调制方式与转矩脉动关系研究

微电机　2006年　第39卷　第1期(总第148期)

无刷直流电机PWM调制方式与转矩脉动关系研究

齐　蓉,周素莹,林　辉,陈　明

(西北工业大学,西安　710072)

摘　要:针对无刷直流电机的双斩和四种单斩PWM调制方式,分析调制方式对电机稳态转矩脉动的影响,建立稳态及换向过程中电机相电流及电磁转矩的数学模型。基于Matlab无刷直流电机的仿真模型,研究换向转矩脉动与各种单斩PWM调制方式的关系。

关键词:无刷直流电动机;转矩脉动;仿真;脉宽调制;数学模型

中图分类号:TM361　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001-6848(2006)01-0058-04

TheRelationBetweenTorqueRipplesandPWMModesofBrushlessDCMotor

QIRong,ZHOUSu-ying,LINHui,CHENMing

(NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,China)

ABSTRACT:ThispaperanalyzesthedifferentPWMmodes(singlechopPWMmodesanddoublechopPWMmodes)influenceonthestatictorquerippleinBrushlessDCmotor(BLDCM)controlsystem.Themathematicmodelsofphasecurrentandelectromagnetictorquearederived.BasedonMatlabBLDCMmodules,therelationbetweenfourPWMmodes(Hripplesarediscussed.

KEYWORDS:BrushlessDCMotor;Torqueripples;Simulation;PWM;Mathematicmodels

pwm-L

on,H

on-L

pwm,on

pwm,pwm

on)andcommutationtorque

0　引　言

无刷直流电动机(BLDCM)由于转矩脉动较大地限制了其在高精度伺服系统中的进一步应用。因此,分析其转矩脉动产生的原因及过程,寻找抑制转矩脉动的解决办法成为提高BLDCM伺服性能的关键。

PWM调制方式通常分为双斩和单斩两大类型。换相转矩脉动及稳态转矩脉动都与PWM调制方式有关[1-4]。由于BLDCM相电感的存在使电机换相时产生换相延时,形成电机换向过程中的转矩脉动,称为换向转矩脉动。本文针对双斩及Hpwm-Lon、Hon-Lpwm、onpwm和pwmon四种单斩PWM调制方式,研究电机稳态和换向时的电流和电磁转矩,分析转矩脉动产生的过程,比较各种PWM调制方式对转矩脉动的影响。

[5]

(a)三相六状态　　　　　(b)

双斩调制

(c)Hpwm-Lon　　　　　(d)Hon-Lpw

m

1　PWM调制方式对稳态电流和转矩

的影响分析

收稿日期:2005-04-28

航空科学基金项目(项目编号:04F53036)

(e)onpwm　　　　　　　　　(f)pwm

图1　PWM调制方式的输出波形

on

当无刷直流电动机反电势为梯形波时,系统采用二二导通,三相六状态的120°导通方式如图1(a)所示,双斩调制方式如图1(b)所示。四种单斩PWM

无刷直流电机PWM调制方式与转矩脉动关系研究

无刷直流电机PWM调制方式与转矩脉动关系研究　齐蓉　周素莹　林辉　陈明

调制方式H

pwm-Lon、Hon-Lpwm、on

pwm及pwmon的输出波形如图1(c)～图1(f)所示。

以V6V1导通区间为例,当PWM信号为“ON”时,V1、V6导通,单斩和双斩PWM调制方式没有区别。当PWM信号为“OFF”时,双斩调制方式下绕组电流的续流回路如图2所示。单斩调制(以Hpwm-L

on为例)方式下续流回路如图3

所示。

磁转矩常数,则在V1、V6导通区间内有ea=E,eb=

-E,ia=-ib,ic=0,代入式(1)和式(3)中可得:dia

+E+UNdt

a

(1-SB)Udc=-Ria-Ldt-E+UNSAUdc=Ria+L

(4)

epp

T==(eaia+ebib)=2Eia=2npkeia(5)

对于双斩调制方式,V1与V6的斩波控制开关函数是相同的,即有SA=SB=1(对应PWM“)ON”或者SA=SB=0(对应PWM“),此时,绕组中OFF”的电流通过D4、D3续流,该方式下A相绕组的电流方程为:Ria+L

adc

=-E　SA=SB=1dt2

(6)

图2　双斩调制:V1、V6

同时关断

adc

Ria+L=--E　SA=SB=0

dt2对于H

pwm-L

on单斩调制方式,在

V1V6导通区间内,功率管V6恒通,SB=1,对V1进行PWM调制,有SA=1或者SA=0,该方式下的

A相绕组电流方程为:

图3　单斩调制:V1关断,V6导通

假设ia连续,不产生断流现象,则该区间内BLDCM的电压平衡方程为:

SAUdc

(1-SB)Udc0L+

0L

R=0

0ia

0R0

0ea

iaibiUNUNU(2)(1)

adc

Ria+Ldt=2-E　SA=1a

Ria+L=-E　　　SA=0

dtA相瞬时电流iad(t)为:

dciad(t)=Idmin+tL

0<t<DT　　SA=SB=1iad(t)=Idmin+

(7)

由于电机内阻R较小,忽略Ria,双斩方式下的

00L=LS-M

0 Pib+eb+Liec

(8)

式中,ia,ib,ic为定子绕组相电流;ea,eb,ec为定子绕组反电动势;R为每相绕组电阻;Ls为每相绕组的

自感;M为相邻两相绕组间的互感;P为微分算子;UN为电机中性点电压;Udc为直流母线电压;SA为V1的开关函数。SA=1,V1导通;SA=0,V1关断。SB为V6的开关函数。

电机电磁转矩为:

Penp

T==(eaia+ebib+ecic)=TAV+∑Tn(3)n=1

式中,T为转矩;Pe为电磁功率; 为机械角频率; 为转子电角频率;np为极对数;TAV为平均电磁转矩;i0为电流稳态值;Tn为第n次谐波电磁转矩。

假设电机反电势为120°平顶梯形波,其幅值为E=ke (假定单斩和双斩有相同的 )。式中,ke为电

∞

dcdcDT-(t-DT)

LL

DT<t<T　　SA=SB=0(9)

单斩方式下的A相瞬时电流ias(t)为:

dctL

0<t<DT　　SA=1(10)

dc-(t-DT)ias(t)=Ismin+DTLL

DT<t<T　　SA=0(11)式中,Idmin为双斩方式下A相稳态开始时的最小电ias(t)=Ismin+

流;Ismin为单斩方式下的A相稳态开始时的最小电流;D为当前PWM脉冲占空比。

由式(8)～式(11)可知,在PWM斩波信号为“ON”时,绕组电流方程是相同的,说明两种方式下绕组电流以相同的电流变化率上升。在PWM斩波信号为“时,对于双斩方式,绕组电流以(-OFF”

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微电机　2006年　第39卷　第1期(总第148期)

Udc/2-E)/L的电流变化率衰减;对于单斩方式,绕组电流以-E/L的电流变化率衰减。显见,单斩方式下绕组电流衰减要小于双斩方式。一个状态内的A相平均电流可表示为:

IAV=

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