基于PWM控制的无刷直流电机设计

基于ＰＷＭ控制的无刷直流电机设计石山Ｉ励庆孚２空军工程大学，陕西省西安市，７１００３８西安交通大学，陕西省西安市，７１００４９摘要：提出ＰＷＭ控制方式下无刷直流电动机设计方法，对无刷直流电动机工作在ＰＷＭ控制模式及换相控制时的电流作了分析计算，区分了直流母线侧电流和电枢相电流的不同。在ＰＷＭ控制模式时的直流母线侧电流小于电枢相电流，转速越低、占空比越小、电流增加，直流母线侧电流与电枢相电流的差值越大。电机的电磁设计和保护电路的设计应主要依据电枢相电流。实际结果表明，该方法提高了设计的准确性，便于工程应用，尤其是解决了低转速、大转矩情况下的设计与实际结果误差较大的问题，体现了机电一体化的设计思想。关Ｉ．引言”词’无刷直“电动机：婀火　　　　由于永磁材料性能不断提高，控制驱动线路集成化和模块化，永磁无刷直流电动机较好地满足不同领域的使用要求，是微特电机的发展方向。无刷直流电动机的电磁设计程序是电机ＣＡＤ的重要内容，目前无刷直流电动机的电磁程序设计并不完善，其中大多程序是在已有的植形尺寸、绕组参数和定转子尺寸及转子磁钢尺寸情况下对电机性能进行校核，鲜见一套完整的设计程序。文献０１进行了无刷直流电动机ＣＡＤ设计和驱动系统得仿真分析，并用二维有限元软件进行了电机电磁场分析。无刷直流电动机是典型机电一体化产品，其工作与ＰＷＭ控制密切联系在一起，在调速、限流等情况下，ＰＷＭ控制模式不同，主电路的拓扑结构相应地发生变化，电流的变化也不同。无刷直流电动机的电流主要是直流母线侧电流和电枢相电流，电枢相电流与转矩成正比，关系到绕组的发热：直流母线侧电流则与输入功率的大小联系在一起。通常，无刷直流电动机在设计时不考虑ＰＷＭ控制，直流母线侧电流和电枢相电流相等。考虑ＰＷＭ控制时，某些情况下，直流母线侧电流和电枢相电流不相等。设计的结果与实际值存在一定误差。为解决这些问题，本文提出了设计中考虑ＰＷＭ控制的设计方法，对电流公式进行修正。通过样机实验，实验结果与设计数据二者吻合较好。２．基于ＰＷＭ控制的无刷直流电动机电流分析　　　　无刷直流电动机系统主要由电动机本体、逆变器及控制器等部分组成。无刷直流电动机作为一种自控式换流的永磁电动机，具有很好的起动特性和调速特性．本体结构简单、功率密度高，是一种应用前景广泛的电机。整个系统中，本体是被控制对象，逆变器为执行机构，电动机的各种运行状态均由控制器通过对主电路逆变器的控制来实现。对于图１、图２和图３所示的无刷直流电动机　　　　运行状态，如果各相电阻为Ｒ、各相电感为Ｌ、各相反电势为Ｅ，（、管压降为△。，并且忽略检流电阻Ｒ，和滤波电容，那么，在ＰＷＭ模式调节运行状态，有２　　　　Ｌ三＋２ｄｔ　　　　　　　　　　　　Ｒｉ，十２Ｅ．＋２Ａｕ＝。（１）２Ｌ竺＋　ｄｔ　　　　２Ｒｉ，　＋　２Ｅ，＊２０ｕ＝一。（２）　Ｌ　ｄｉｓ一ｄｔ＋　２Ｒｉ３＋２凡＋　２０ｕ＝０　　　　　（３）式中，ｔ，　，ｉ２和ｉ３分别代表图１，图２和图３所示的回路的电流；用Ｔ表示ＰＷＭ的周期；Ｄ＝ｔｌ一Ｔ表示占空比。对于半控桥型ＰＷＭ调制，求解微分方程（１）和（（３），并注意到ｉｌ　（０）ｉ３　（Ｔ一ｔｌ）１３　（０）ｉｉ　（ｔｉ　）以及电枢平均相电流为Ｉ．ｉ，ｄｔ＋〔一“ｉ，ｄｔ）４（）直流母线侧平均电流为、＝奋（ｆ　ｉ，ｄｔ）求解微分方程（１）和（３）的计算结果为　　对于全控桥型ＰＷＭ调制，求解微分方程（１）和（２），并注意到（５）ｉｉ　（０）＝ｉ，（Ｔ一ｔ，　）ｉ　　２（０）＝ｉ，（ｔ，）电枢平均相电流为了。一命１２Ｒ　ＩＴ一‘２０ｕ　＋　２Ｅ４　）］今（６）Ｉ　，ｐ＝２ＲＩ　Ｔ，一，“一’Ｅｄ）一ｕ］Ｉ。一Ｉｐｌ＝２Ｒ（ｕ　－２Ａｕ　－２Ｅ０　）导图１　　Ｔ，和Ｔ２导通（状态１）图２　　Ｄ。和ＤＳ导通傲态２）图３　　Ｔ，和ＤＳ导通（状态３）（７）〔：）几ｒｉ，ｄｔ　＋乒ｄｔ）（９）直流母线侧平均电流为、－ＩＴ工（‘、‘卜ｆ　ｉｌｄｔ）（１０）计算结果为，。＝命夸一（（ｕ　＋２Ａｕ　＋２Ｅ＋）］、＿Ｉｌｐ＿２１Ｒ　心＊一“一、）－（３ｕ－２Ａｕ－２ＥＯ）］　　　　　（１２）Ｉ　　，　－Ｉ９＝命（２　　　　　　　　　　　　　　ｕ一２＿Ａｕ一２＿＿、Ｔ一ｔＥｄ）－犷，（１３）　　　　同样大的占空比，比较式（８）和式（１３），半控桥型ＰＷＭ调制较全控桥型ＰＷＭ调制的相电流和直流侧母线电流的差值要小；比较式（（６）、式（７）和式（１１）、式（１２），半控桥型ＰＷＭ调制较全控桥型ＰＷＭ调制的相电流和直流侧母线电流要大。利用所推导出的直流侧母线电流、相电流的计　　　　算公式，对一台外转子无刷直流电动机进行了实算，其额定转矩为兀＝８．２Ｎ．ｍ．额定转速为戈＝１７５ｒ／ｍｉｎ、额定电流为几＝　５Ａ，在线性变化的占空比情况下，结果如图４所示．图中，１ａ代表的曲线由ＰＷＭ下半桥调制的无刷直流电动机相电流计算公式（（５）得到；Ｉ二代表的曲线由直流侧母线电流。计算公式（　　　　（６）得到；粗的点线是实验侧得的直流侧母线电流．可见，理论计算和实验结果符合的很好．由图４可知，在高速低转矩阶段，１，、场接近，尤其是１，、Ｉｗ更为接近：在低速高转矩阶段，Ｉｐ、Ｉ，，差别大，尤其是随转矩的增加，其差别越来越大。另外，图中Ｄ曲线代表ＰＷＭ占空比的变化：ｎ代表转速的变化。ｔ　ａ　，０　７５００日ｎＴＣＣ才口日ｅ脚矛宜七毛１内Ｕ奋，月百伽ｏｚ　２倪ｎｏ　ａ　　ｏ。“”ｓ／（Ｎ．ｍ＇０　　　　　　　　１０图４工作特性的比较　　　　　　　　　　　　　　无刷直流电动机的电流包括直流母线侧电流和　　　　电枢相电流。对无刷直流电动机工作在ＰＷＭ控制模式及换相控制时的电流作了分析计算，结果表明，逆变器运行在ＰＷＭ控制模式时的直流母线侧电流小于电枢相电流．转速越低、占空比越小、电流增加，直流母线侧电流与电枢相电流的差值越大。电机的电磁设计和保护电路的设计应主要依据电枢相电流。分析结果对ＰＷＭ控制的其他电机的电流分析具有参考作用。３．考虑控制器作用的电机设计　　　　　　无刷直流电动机是机电一体化的电动机，驱动控制电路的设计必须结合电机的设计进行。图５　　为采用ＤＳＰ的无位置传感器的控制系统。该电路　　具有较强的实时运算能力，且集成了电机控制的外　　围芯片，组成的电路简单，抗干扰能力强，通常采　　用ＰＷＭ方式工作。　　图５无位置传感器无刷直流电动机系统同样无刷直流电动机的设计也要考虑驱动控制的作用。ＴＭＳ３２０Ｆ２４０有ＰＷＭ波形输出功能，在无刷直流电动机的工作过程中，除非由于过电流或故障状态使六个功率开关管关闭，正常情况下，电机的转速转向最终体现为功率开关管的触发频率及触发顺序。同时，导通的开关管进行ＰＡＮ控制。改变脉冲宽度（或改变占空比），相当于改变供给电动机绕组的平均电压，绕组相电流随之改变，从而控制无刷直流电动机的转矩和转速。考虑ＰＷＭ控制的电机设计，一方面是考虑随电机给定速度的不同，供给电动机绕组的平均电压会改变；另一方面是考虑随电机工作状态的改变，所检测电流值的大小会通过ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的ＰＷＭ作用，自动进行过流保护。也就是在新ＰＷＭ波产生之初，载入电流检测值，与给定的参考电流值一起来控制ＰＷＭ波宽度，从而产生新的ＰＷＭ波，同时，当电流检测值超过所允许的最大值，即主电路过电流的时候，发出中断信号，产生中断，执行相应的中断处理程序起动过流保护程序，封锁所有驱动信号的输出，直至故障解除。对于半控桥型逆变电路，不考虑ＰＷＭ控制情　　　　况下，电机设计时的相电流为，口一２Ｒ：一‘，“＋２Ｅ｀）］式中，“为电源电压，Ｒ为相电阻，ＥＩ为相反电动势，八“为管压降。当考虑ＰＷＭ控制情况下，电机设计时的相电　　　　流应修正为，。＝去。孟　　　　　　　　　　　　」、令ｕ１一（２０ｕ　＋　２Ｅ；　）］式中ｔＴ，为占空比．　　　　考虑ＰＷＭ控制的电机设计，提高了设计的准确性，便于工程应用，尤其是解决了低转速、大转矩情况下的设计于实际结果误差较大的问题。体现了机电一体化的设计思想。以１５０Ｗ无刷直流电动机为例，设计结果和实验结果比较如图６和图７所示（ｔｅｓｔ代表实验结果；ｎ。代表未考虑控制的设计结果：ＰＷＭ代表考虑ＰＷＭ控制的设计结果）。由图６和图７可知，不考虑控制情况下，设　　　　计结果在高转速、小转矩时，设计结果和实验结果比较接近：在低转速，大转矩情况下，设计结果和实验结果的误差较大。当考虑ＰＷＭ控制时，设计结果和实验结果符合得较好。图６和图７说明，无刷直流电动机的机械特性不再是简单的直线，由于检测电流信号对功率开关管的作用，转矩不再随电流的增加而线性增大。额定工况时，考虑控制与否的设计结果和实验结果比较接近，误差很小；在负载增大，电流增加时，控制器进行限流，保护功率开关管。所以，低转速，大转矩工况时，考虑控制与否对设计结果有很大影响。一它曰的．咋Ｍ翻月万印　（ｕ一任　七）１七口，．国、　　　　　　　　，Ｕ，肠匆肠Ｔ，胡．ｍ）图６机械特性设计结果和实验结果比较ａ卜一一，，－－￣，￣，份曰，，卜，，，尸，０　　压ｍ　　　　　　　１弓ｍ　　　　　　ｓｅ兀搜Ｎ．ｍ）图７直流母线侧平均电流设计和实验结果比较４．结论　　　　综上所述，本文在永磁无刷直流电动机的设计过程中．着重考虑了机电一体化的设计思想，分析了ＰＷＭ控制的对电机设计的影响。该方法提高了设计的准确性，便于工程应用，尤其是解决了低转速、大转矩情况下的设计与实际结果误差较大的问题。　　　　本文对无刷直流电动机工作在ＰＷＭ控制模式及换相控制时的电流作了分析计算。结果表明，逆变器运行在ＰＷＭ控制模式时的直流母线侧电流小于电枢相电流，转速越低、占空比越小、电流增加，直流母线侧电流与电枢相电流的差值越大。电机的电磁设计和保护电路的设计应主要依据电枢相电流。　　　　实际的无刷直流电动机的电流随逆变器的拓扑结构的改变而变化，并且与电机的运行状态有关．在额定工作点附近及小转矩，占空比接近１．相电流和直流母线侧电流相近似，通常的电磁设计所用的电流与占空比等于Ｉ的直流母线侧电流相同。　　　　随着占空比的减小，相电流和直流母线侧电流增大增大，直流母线侧电流增大的幅度较小．相电流大于直流母线侧电流。这种情况下，通常的电机电磁设计结果会产生较大差值，此时的设计应主要考虑电枢相电流和直流母线侧电流的不同。参考文献［１］卢刚，李声晋，马瑞卿等．电机ＣＡＤ技术【Ｍ］．国防工业出版社，１　　　　９９７［２］　Ｐ．Ｐ．Ａｃａｍｌｅｙ．　Ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅｒｅ－ｐｈａｓｅ　　　　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｄｒｉｖｅｓ．　ＩＥＥ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ－Ｂ［Ｊ］．１　　　　９９３，１４０（１）：７１－７９［３」石山．永磁无刷直流电动机设计理论及其ＤＳＰ控制技术的研究．西安交通大学博士学位论　　　　文．　　　　２００３