無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)PWM斬波方式分析

白利飛，馬瑞卿，張慶超

(西北工業(yè)大學(xué)院，陜西西安710072)

0 引 言

稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)BLDCM)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度大、控制方法靈活多變、運(yùn)行可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，在眾多行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，BLDCM控制技術(shù)較為成熟，PWM調(diào)制技術(shù)依然是其轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)中最常用的手段［1］。不同的PWM斬波方式對(duì)電機(jī)電樞電流、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及控制系統(tǒng)逆變器損耗等性能的影響是不同的［2］。而不同的控制系統(tǒng)有著不同的性能要求，因此，有針對(duì)性的為BLDCM控制系統(tǒng)選取合適的PWM斬波方式，對(duì)提高系統(tǒng)的性能有著重要意義。

本文從直流母線回饋電流、換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、逆變器功率損耗及其輸出電壓極性四個(gè)方面，仿真、分析了不同的PWM斬波方式對(duì)BLDCM性能的影響，并根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)各種斬波方式的優(yōu)劣作出了評(píng)價(jià)，指出了該斬波方式的適用場(chǎng)合，旨在為BLDCM控制系統(tǒng)PWM斬波方式的選取提供一定的依據(jù)。

1 五種PWM斬波方式

BLDCM控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、功率及控制電路等組成部分。

圖1 BLDCM控制系統(tǒng)框圖

BLDCM通常采用120°導(dǎo)通型工作模式，即一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通120°電角度。根據(jù)每個(gè)開(kāi)關(guān)管在120°導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)PWM波工作方式的不同，BLDCM的PWM斬波方式可分為五種［3］，如圖2所示。①PWM_ON方式:前60°PWM斬波，后60°恒通;②ON_PWM 方式:前60°恒通，后60°PWM 斬波;③HPWM_LON方式:上橋臂PWM斬波，下橋臂恒通;④HON_LPWM方式:上橋臂恒通，下橋臂PWM斬波;⑤HPWM_LPWM方式:導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)開(kāi)關(guān)管全部進(jìn)行PWM斬波。圖2中，G1和G4分別表示功率管Q1和Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖2 五種PWM斬波方式示意圖

2 PWM斬波方式分析

直流母線回饋電流和換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的分析需搭建系統(tǒng)的仿真模型，因此，在Simulink環(huán)境下建立了BLDCM控制系統(tǒng)的仿真模型。仿真所針對(duì)的BLDCM主要額定參數(shù):額定電壓270 V、額定功率2 kW、額定轉(zhuǎn)速10 000 r/min、額定轉(zhuǎn)矩1.75 N·m、極對(duì)數(shù)為2。

2.1 母線回饋電流仿真分析

通常，BLDCM在任一時(shí)刻，電機(jī)兩相導(dǎo)通，在該階段，通過(guò)對(duì)導(dǎo)通的兩相對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管實(shí)施PWM斬波控制，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)BLDCM控制的目的。

以A、B兩相導(dǎo)通為例，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管 Q1、Q6開(kāi)通，如圖3所示，直流母線濾波電容C與逆變器之間的電流用Id來(lái)表示。進(jìn)行PWM斬波控制時(shí)，根據(jù)Q1、Q6的通斷狀態(tài)，可分為三種情況:Q1、Q6均開(kāi)通;Q1、Q6其中一個(gè)開(kāi)通、另一個(gè)關(guān)斷;Q1、Q6均關(guān)斷。以下對(duì)這三種情況下的電流Id進(jìn)行分析。

(1)Q1、Q6均開(kāi)通時(shí)，Id的電流通路如圖3(a)所示，電流流向:電源正→Q1→A相→B相→Q6→電源負(fù)，這種情況下，電流Id與母線電流方向相同;

(2)第二種情況以Q1關(guān)斷、Q6導(dǎo)通為例，這種情況下，Q4處于續(xù)流狀態(tài)，電流通路如圖3(b)所示，Id=0，電流流向:Q4續(xù)流二極管→A相→B相→Q6，電流通路不經(jīng)過(guò)直流母線;

(3)Q1、Q6均關(guān)斷時(shí)，A、B相相電流通過(guò) Q3、Q4的續(xù)流二極管續(xù)流，電流通路如圖3(c)所示，電流Id的方向與母線電流相反，電流向:Q4續(xù)流二極管→A相→B相→Q3續(xù)流二極管→濾波電容C，即向?yàn)V波電容充電，這種情況下，直流母線存在電流回饋現(xiàn)象，即存在文中所述的直流母線回饋電流。

直流母線回饋電流的存在會(huì)加大母線電壓的波動(dòng)［4］，同時(shí)回饋電流的頻率和幅值越高，所需母線濾波電容容量就越大，而濾波電容容量的增大又會(huì)進(jìn)一步增大控制器的整體體積，對(duì)縮減控制器的體積不利。

圖3 在不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下逆變器的電流通路

不同PWM斬波方式對(duì)應(yīng)的上述三種情況也不盡相同，圖4分別為5種PWM斬波方式條件下母線回饋電流的仿真波形。仿真過(guò)程中，PWM占空比為80%，頻率為10 kHz，其他條件均相同。圖中，“1”表示高電平，“0”表示低電平;CH1為Q1驅(qū)動(dòng)信號(hào);CH2為Q4驅(qū)動(dòng)信號(hào);CH3為母線回饋電流;CH4為直流母線電壓。

圖4 不同斬波方式下母線回饋電流仿真波形

圖4中，虛線框內(nèi)波形即顯示了直流母線電流回饋現(xiàn)象，從仿真結(jié)果可以看出，PWM_ON斬波方式不存在母線電流回饋現(xiàn)象，母線電壓波動(dòng)最小;ON_PWM斬波方式每次換相均存在母線電流回饋現(xiàn)象，即一個(gè)換相周期內(nèi)出現(xiàn)6次回饋現(xiàn)象，且每次換相時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的母線電壓波動(dòng);HPWM_LON斬波方式在每個(gè)橋臂下管換相時(shí)也存在母線電流回饋現(xiàn)象，一個(gè)換相周期內(nèi)出現(xiàn)3次，母線電壓波動(dòng)范圍也較PWM_ON斬波方式大;HON_LPWM斬波方式在每個(gè)橋臂上管換相時(shí)存在母線電流回饋現(xiàn)象，一個(gè)換相周期也出現(xiàn)3次，母線電壓波動(dòng)范圍與HPWM_LON相近;HPWM_LPWM斬波方式每次PWM斬波均會(huì)出現(xiàn)母線電流回饋現(xiàn)象，即母線電流回饋次數(shù)與PWM斬波頻率相同，母線電壓波動(dòng)是5種斬波方式中最大的。而當(dāng)PWM占空比為100%，即不存在PWM斬波時(shí)，導(dǎo)通兩相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管均處于開(kāi)通狀態(tài)，各種斬波方式均不存在母線電流回流現(xiàn)象。因此，從母線回流電流的角度去分析，PWM_ON斬波方式較其他斬波方式要更好一些。

2.2 換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的仿真分析

BLDCM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制是其在高性能領(lǐng)域應(yīng)用的重要因素之一，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因是多方面的，主要包括:電磁和齒槽因素、電流換相、機(jī)械工藝等，本文從電機(jī)控制的角度出發(fā)，著重分析電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)［5］指出，在相電流換相期間，電磁轉(zhuǎn)矩與非換相繞組中的電流成正比，因此，分析非換相繞組的電流即可間接實(shí)現(xiàn)對(duì)換相過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩的分析。以換相發(fā)生在A、B兩相之間為例，換相前A、C兩相導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管Q1、Q2開(kāi)通;換相后B、C兩相導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管Q3、Q2開(kāi)通。假設(shè)三相繞組電流分別為 ia、ib、ic，換相過(guò)程中，由于進(jìn)行換相的兩相相電流變化率不同，可將換相過(guò)程分為三種情況［5］，如圖5所示:(a)ia、ib的變化率相同，即當(dāng)ia降為零時(shí)，ib也達(dá)到了穩(wěn)態(tài)值，如圖5(a)所示，這種情況下，ic處于穩(wěn)態(tài)值，電機(jī)不存在換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng);(b)ia的變化率大于ib，即當(dāng)ia降為零時(shí)，ib還未達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，如圖5(b)所示，這種情況下，換相期間ic的值會(huì)變小，該時(shí)刻電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)變小;(c)ia的變化率小于ib，即當(dāng)ib達(dá)到穩(wěn)態(tài)值時(shí)，ia還未降到零，如圖5(c)所示，這種情況下，換相期間ic的值會(huì)變大，該時(shí)刻電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)增大。

圖5 電流換相過(guò)程中的三種情況

采用不同的斬波方式，換相過(guò)程中的換相電流會(huì)有所不同，從而導(dǎo)致不同的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，因此換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的大小也是評(píng)價(jià)一種斬波方式優(yōu)劣的重要依據(jù)。圖6(a)～圖6(e)分別是5種PWM斬波方式條件下，三相相電流與電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形。

在圖6中，虛線框內(nèi)的波形即為換相過(guò)程中三相相電流與電磁轉(zhuǎn)矩的波形，其中，ia、ib為換相的兩相電流，ic為非換相相電流。對(duì)比各斬波方式下電磁轉(zhuǎn)矩的波形可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩與非換相相電流波形基本一致，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了電磁轉(zhuǎn)矩與非換相相電流成比例的關(guān)系。在5種斬波方式中，PWM_ON斬波方式對(duì)應(yīng)的BLDCM換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，波動(dòng)范圍在1～2.5 N·m以?xún)?nèi);而ON_PWM、HPWM_LON、HON_LPWM三種斬波方式的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)基本相當(dāng)，波動(dòng)范圍為0.75～2.7 N·m;HPWM_LPWM斬波方式轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最大，波動(dòng)范圍為0.5～2.7 N·m。

圖6 不同斬波方式下三相相電流與電磁轉(zhuǎn)矩波形

2.3 逆變器功率損耗分析

對(duì)于功率較大或者控制器散熱條件較為惡劣的BLDCM控制系統(tǒng)，其熱設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

對(duì)于不同的PWM斬波方式，逆變器的功率損耗也不同。HPWM_LPWM斬波方式對(duì)應(yīng)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管均在進(jìn)行PWM斬波，其總的功率損耗是其他單管PWM斬波方式的兩倍;HPWM_LON、HON_LPWM屬于其中一個(gè)開(kāi)關(guān)管處于恒通狀態(tài)，而另一個(gè)開(kāi)關(guān)管處于PWM斬波狀態(tài)，六個(gè)開(kāi)關(guān)管的功率損耗分布不均，對(duì)控制系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間使用不利;PWM_ON、ON_PWM屬于單管斬波且六個(gè)開(kāi)關(guān)管輪流PWM調(diào)制的斬波方式，各個(gè)開(kāi)關(guān)管發(fā)熱均勻，有利于提高系統(tǒng)的可靠性。因此，從開(kāi)關(guān)管功率損耗的角度分析可以得出，PWM_ON和ON_PWM兩種斬波方式要優(yōu)于其他三種斬波方式。

2.4 逆變器輸出電壓極性分析

從逆變器輸出電壓的正負(fù)極性分析，PWM斬波方式又可分為雙極性與單極性斬波方式。HPWM_LPWM屬于雙極性斬波方式，即在PWM開(kāi)通和關(guān)斷的一個(gè)周期內(nèi)，主功率逆變電路的輸出電壓是雙極性的;其他四種屬于單極性斬波方式，即在PWM開(kāi)通和關(guān)斷的一個(gè)周期內(nèi)，主功率逆變電路的輸出電壓是單極性的，或者為正，或者為負(fù)。

雙極性PWM斬波方式只要通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比即可實(shí)現(xiàn)BLDCM的正反轉(zhuǎn)控制以及調(diào)速，多用于電機(jī)四象限運(yùn)行的系統(tǒng)中;而單極性PWM斬波方式只調(diào)節(jié)PWM占空比不能實(shí)現(xiàn)BLDCM的正反轉(zhuǎn)控制，需外部給定一個(gè)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向的信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從四個(gè)方面，分析了5種常見(jiàn)的斬波方式對(duì)BLDCM控制系統(tǒng)性能的影響，可得出以下結(jié)論:

(1)對(duì)母線回流電流的仿真分析可以得出，PWM_ON斬波方式不存在母線回饋電流，母線電壓波動(dòng)最小，所需的母線濾波電容也最小;

(2)對(duì)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的仿真分析可以得出，采取PWM_ON斬波方式的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，HPWM_LPWM的最大，其他3種介于兩者之間;

(3)對(duì)開(kāi)關(guān)管功率損耗的分析可以得出，PWM_ON和ON_PWM最有利于控制系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì);

(4)對(duì)逆變器輸出電壓的極性分析可得，雙極性斬波方式HPWM_LPWM調(diào)節(jié)占空比即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制，而其他四種斬波方式的轉(zhuǎn)向控制需外部給定轉(zhuǎn)向控制信號(hào)。

［1］韋鯤.永磁無(wú)刷直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制技術(shù)的研究［D］.浙江:浙江大學(xué)，2005.

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