基于Buck—Boost的無刷直流電機換相轉矩脈動抑制研究

摘 要： 針對永磁無刷直流電機存在的傳統換相時轉矩脈動大的問題，提出基于Buck?Boost 變換器抑制無刷直流電機換相轉矩脈動的方法。首先分析換相轉矩脈動產生的原因，然后給出了在電機三相逆變器前加Buck?Boost 變換器的拓撲電路圖及調整直流母線電壓的原理，從而達到換相的關斷相與開通相的電流變化速率相同、抑制換相轉矩的目的。通過Simulink進行仿真，仿真結果表明，該方法能夠有效抑制永磁無刷直流電機換相轉矩脈動。

關鍵詞： 無刷直流電機； 換相轉矩脈動； Buck?Boost； 占空比

中圖分類號： TN911?34； TM301 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0167?04

Abstract： To reduce the high commutation torque ripple of the permanent?magnet brushless DC motor （BLDCM）， the method based on Buck?Boost converter to suppress commutation torque ripple of BLDCM is proposed. The cause of producing commutation torque ripple is analyzed. The topology circuit diagram for adding a Buck?Boost converter in front of the motor′s three?phase inverter and the principles for adjusting the DC bus voltage are given， so as to achieve the purposes of same current change rate of opening phase and closing phase， and suppression of the commutation torque. The simulation results show that the method can suppress the commutation torque ripple of the permanent?magnet brushless DC motor effectively.

Keywords： brushless DC motor； commutation torque ripple； Buck?Boost； duty cycle

0 引 言

永磁無刷直流電機（BLDCM）由于結構簡單、功率密度高、控制方法簡單等顯著優點，廣泛應用于航天航空、軍事、工業、民用電器等各個方面。BLDCM的結構決定了內部氣隙磁密沿空間呈梯形波分布，定子繞組感應電勢波形為梯形，理想換相時相電流為矩形波。由于電機定子齒槽對磁場分布影響，繞組存在電感使電流換相時繞組電流不能突變，導致電機在換相時產生轉矩脈動，這也是BLDCM相比于永磁同步電機（PMSM）的一個弱點，因此BLDCM往往被用于對轉矩脈動要求不太高的調速系統中。人們一直在研究抑制BLDCM轉矩脈動的方法，期望減小換相轉矩脈動使其得到更廣泛的應用。為此，眾多文獻都對永磁無刷直流電機換相轉矩脈動的抑制進行了大量的研究，文獻[1?2]都采用換相電流預測且輔以PWM 調制的方法，控制開通相的電流上升斜率和關斷相的電流下降斜率相等，從而減小換相轉矩脈動的。文獻[3]通過在每兩拍之間插入一小段緩沖區，使切入電流提前切入，要切出的電流延遲切出，并通過選取合適的PWM占空比以減小換相轉矩脈動。文獻[4?6]均基于不同的PWM調制算法，使開通相和關斷相的電流變化斜率相等，保證非換相相電流恒定，但以上方法通常都會造成換相時間的延長。文獻[7?9]采用了前置BUCK、準Z源網絡、雙向Buck?Boost變換器電路，通過調節直流母線電壓的方式減小轉矩脈動。本文針對無刷直流電機的轉矩脈動問題，在驅動三相逆變橋的輸入端加前級 Buck?Boost 變換器，應用時根據轉速變化情況選擇直流Buck?Boost 變換器輸出或是電壓源輸出采用PWM調制方式進行調速控制。通過Matlab/Simulink對該方法進行仿真，仿真結果驗證了該方法的可行性。

1 BLDCM轉矩脈動產生原因

[ea]隨時間變化公式為[deadt=-6VPωrπ]，因為[ea]的變化無法控制，若想得到[dTedt=0]，則必須有[ia=diadt=0]，[dibdt=dicdt]；但由于實際換相中由于二極管續流作用，非導通相出現電流拖尾現象。文獻[10]指出，拖尾現象不僅使輸出功率增大，而且會引起電機轉矩脈動。

Carlson在文獻[11]中有如下結論（假設從A相換到B相過程中）：在低速運行時，[Udc<4Em]，[ia]下降的速度比[ib]上升的慢；在高速運行時，[Udc>4Em]，[ia]下降的速度比[ib]上升的快；當[Udc=4Em]時，[ia]下降的速度恰好等于[ib]上升的速度，即兩相電流變化速率相等且方向相反，此時換相轉矩脈動最小。由此可知，保持直流側電壓[Udc=4Em]不變時，轉矩脈動最小。反電動勢正比于轉子角速度，即[Em=Keωr]，其中[Ke]為電勢常數，[ωr]為轉子電角速度。[Udc]通常保持不變，但當電機速度發生變化時，反電動勢[Em]隨之改變，因此很難確保[Udc=4Em]。

2 抑制轉矩脈動策略

在無刷直流電機調速系統中，通常使用調節PWM波的占空比的方式進行調速，其硬件結構簡單，軟件實現成熟，但工作頻率有上限，且在高速時有局限；變母線電壓策略雖然硬件復雜，但大大降低了逆變器開關管的通斷次數，在高速運轉時有優勢，且穩定性更好。傳統的變換器拓撲結構為電流控制，電動機產生的反電動勢不能超過電機母線的60%～80%，Buck?Boost變換器為升降壓式變換器，可將電機直流母線電壓調節范圍擴大為電源電壓的0～2倍。

2.1 Buck?Boost變換器控制原理

基于Buck?Boost變換器調制直流母線電壓的電路拓撲圖如圖2 所示。

在該拓撲中，三相逆變器前側并聯了一個Buck?Boost直流變換器及開關器件，形成了可選擇直接導通三相逆變器或是經過Buck?Boost直流變換器再導通的兩種方式。根據無刷直流電機內部的霍爾信號獲得換相時刻，在換相前判斷[K1]和[K2]的通斷，根據實際情況通過合理的開關通、斷及通斷時間的控制來達到有效抑制轉矩脈動的目的。[K1]閉合[K2]斷開時，選擇電源電壓作為三相逆變器的電源；[K1]斷開[K2]閉合時，選擇Buck?Boost直流變換器輸出電壓作為三相逆變器的電源。Buck?Boost變換器輸出電壓極性與輸入電壓相反， MOSFET開關管[Q]采用PWM控制方式，占空比為[D]。當[Q]導通時，電源電壓[US]到了電感[L]兩側，電感開始儲能，二極管截止，負載由電容[C]供電；當[Q]關斷時，二極管導通，電感能量向負載和電容[C]轉移。穩態工作時，[Q]導通期間電感電流的增長量等于[Q]關斷期間的減小量，則當[K1]斷開[K2]閉合時，Buck?Boost直流變換器的輸入電源電壓與輸出端電壓可推導出關系式如下：

2.2 基于Buck?Boost調制母線電壓

由于Buck?Boost變換器電路中有儲能元件電容和電感，充放電時間取決于時間常數，當速度變化明顯時，響應速度低于PWM調速。無刷直流電機的調速系統常常在給定速度參量的基礎上，使電機跟隨給定值進行控制，為了良好跟隨性能，通常采用閉環控制方式。在系統設定閾值[eΔ]，當給定轉速與電機轉速的誤差[eeΔ]時，切換成PWM調速方式。此時無刷直流電機的調速系統流程圖如圖3所示。

3 仿真實驗結果

在Matlab/Simulink 環境下，搭建基于Buck?Boost變換器的無刷直流電機驅動部分仿真系統，三相無刷直流電機仿真模型的參數如下：額定電壓[UN=48 V]；額定轉速[nN=1 500 r/min]；額定轉矩[TN=0.5 N?m]；相電阻[R=0.36 Ω]；電樞電感[L=0.16 mH]；轉動慣量[J=0.000 6 kg?m2]；極對數[p=2]。仿真系統速度環采用PI控制算法，比例系數取10，積分系數取0.8。為驗證基于Buck?Boost變換器調制直流母線的電壓以削弱換相轉矩脈動的有效性，分別對傳統控制模型和基于Buck?Boost調制時模型進行了仿真，實驗轉速為[1 500 r/min]。實驗仿真圖如圖4～圖7所示。

從上述仿真可以看到，采用Buck?Boost變換器調制直流母線電壓的方法對于減小換相時轉矩脈動有顯著地效果，從圖4、圖5可知，傳統控制模型換相時關斷相與開通相電流變化速率不同，而基于Buck?Boost調制換相電流的開通相和關斷相電流變換率趨于相同，從而減小了換相轉矩脈動。由圖6、圖7可知，基于Buck?Boost調制時轉矩脈動確實明顯小于傳統控制模型的轉矩脈動。

4 結 語

本文介紹了基于Buck?Boost變換器調制無刷直流電機直流母線電壓抑制換相電磁轉矩脈動的方法。分析了該方法的調制原理及方法，仿真結果驗證了采用調制直流母線電壓方法及抑制電磁轉矩的有效性。

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