無刷直流電動機(jī)驅(qū)動控制方法研究

趙志芳

(晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，晉中 030600)

0 引 言

無刷直流電動機(jī)采用電力電子器件構(gòu)成的電子換相方式替代機(jī)械換相，因此可以有效提高電機(jī)使用壽命，減少運(yùn)行噪聲，并且具有控制簡單、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注和重視。

傳統(tǒng)兩電平逆變器驅(qū)動無刷直流電動機(jī)的有位置傳感器控制方式，存在轉(zhuǎn)矩脈動大、對功率開關(guān)器件耐壓值要求較高等問題。本文提出采用中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器來代替兩電平逆變器的方法，并推導(dǎo)出了一種新的基于線電壓差值的無位置傳感器控制算法，該方法可以有效提高檢測精度[1-2]。最后基于MATLAB軟件和TMS320F28335硬件控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了所述方法的正確性和有效性。

1 三電平逆變器驅(qū)動無刷直流電動機(jī)分析

采用三電平逆變器驅(qū)動無刷直流電動機(jī)的接線圖如圖1所示。

圖1 三電平逆變器驅(qū)動無刷直流電動機(jī)接線圖

表1 A相橋臂的開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓關(guān)系

2 基于線電壓差值的無位置傳感器控制

無刷直流電動機(jī)無位置傳感器檢測技術(shù)可以降低電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和硬件成本,受到廣泛關(guān)注。本文在對無刷直流電動機(jī)無位置傳感器基于傳統(tǒng)反電動勢檢測分析的基礎(chǔ)上提出了線電壓差值檢測法[3]。

假設(shè)A，B相導(dǎo)通，C相關(guān)斷時，三電平逆變器驅(qū)動無刷直流電動機(jī)等效電路如圖2所示，可得無刷直流電機(jī)三相繞組端電壓表達(dá)式：

圖2 三電平逆變器驅(qū)動無刷直流電動機(jī)等效電路

(1)

式中：uAG,uBG,uCG為三相端電壓；UN為中性點(diǎn)電壓。

將式(1)兩兩相減得：

(2)

(3)

(4)

將式(2)、式(3)、式(4)兩兩相減得：

UAB-UBC=R(iA-2iB+iC)+

(5)

UBC-UCA=R(iB-2iC+iA)+

(6)

UCA-UAB=R(iC-2iA+iB)+

(7)

又有eA+eB+eC=0，iA+iB+iC=0，代入式(5)、式(6)、式(7)得：

(8)

(9)

(10)

C相懸空時,iC=0，由式(10)可得線電壓差值UCA-UBC只與反電動勢eC有關(guān)，其過零點(diǎn)時刻也是反電動勢eC的過零點(diǎn)時刻。反電動勢與兩兩導(dǎo)通方式下功率管的導(dǎo)通規(guī)律[4]如圖3所示。圖3中VT1代表Qa1,Qa2導(dǎo)通；VT2代表Qc3，Qc4導(dǎo)通，VT3代表Qb1，Qb2導(dǎo)通；VT4代表Qa3,Qa4導(dǎo)通；VT5代表Qc1,Qc2導(dǎo)通；VT6代表Qb3,Qb4導(dǎo)通。由于線電壓差值是相電壓的2～4倍，因此可以有效提高檢測的精度，其MATLAB仿真分壓濾波檢測電路如圖4所示。

圖3 反電動勢波形與功率管通斷波形關(guān)系

圖4 分壓濾波和線電壓輸出電路

由圖4可見，由于電容濾波的原因，檢測到的線電壓差值會產(chǎn)生延遲。如果延遲電角度α超過30°，上面介紹的方法將出現(xiàn)較大誤差。因此，本文在線電壓經(jīng)過圖4的電路濾波延遲α電角度后再延遲90°-α的電角度，得到的線電壓的差值與反電動勢的波形關(guān)系如圖5所示。由圖5可見，采用上述方法補(bǔ)償后，UCA-UBC過零點(diǎn)時刻比eC延遲90°電角度。

圖5 線電壓的差值與反電動勢關(guān)系

3 無刷直流電動機(jī)雙閉環(huán)PWM控制

無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)PWM控制原理[5-6]如圖6所示。

圖6 無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電流控制原理框圖

轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，外環(huán)將檢測到的速度信號與給定值進(jìn)行比較后，輸入至速度調(diào)節(jié)器ASR，ASR輸出值與電流互感器檢測到的電機(jī)定子繞組電流值進(jìn)行比較，結(jié)果輸入到電流調(diào)節(jié)器ACR中。ACR輸出值與三角載波信號比較并通過正、反轉(zhuǎn)邏輯判斷后輸出驅(qū)動功率開關(guān)器件的脈沖，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

由以上分析可見，三電平逆變器雙閉環(huán)驅(qū)動控制無刷直流電動機(jī)與兩電平逆變器基本類似。由于三電平逆變器功率開關(guān)器件有12個，其PWM驅(qū)動方式將有所不同，如圖7所示，采用2個獨(dú)立的三角載波TP和TN分別控制開關(guān)的通斷。

圖7 三電平逆變器PWM脈沖驅(qū)動原理圖

(a)占空比>50%三電平逆變器的相電壓和線電壓

(b)占空比<50%三電平逆變器的相電壓和線電壓

4 仿真和實(shí)驗(yàn)研究

針對三電平逆變器驅(qū)動結(jié)構(gòu)及基于線電壓差值的無速度傳感器控制方法進(jìn)行了MATLAB仿真。為了驗(yàn)證三電平逆變器驅(qū)動無刷直流電動機(jī)的優(yōu)勢，分別搭建了兩電平和三電平驅(qū)動仿真模型，仿真參數(shù)和過程一致系統(tǒng)直流母線電壓為500V;0～0.1 s內(nèi)，電機(jī)空載運(yùn)行；0.1～0.35 s內(nèi)，電機(jī)負(fù)載運(yùn)行，負(fù)載大小為3 N·m。A相定子繞組相電流仿真結(jié)果分別如圖9所示。

(a)兩電平逆變器

(b)三電平逆變器

圖9(a)是兩電平逆變器驅(qū)動無刷直流電動機(jī)時定子繞組A相電流波形及其放大電流波形，圖9(b)是三電平逆變器驅(qū)動無刷直流電動機(jī)時A相定子繞組相電流波形及其放大電流波形。由圖9可見，采用三電平逆變器驅(qū)動無刷直流電動機(jī)時，起動電流明顯低于兩電平逆變器驅(qū)動方式，且負(fù)載時的電流波動也比兩電平要小，表明三電平逆變器在抑制轉(zhuǎn)矩脈動方面具有優(yōu)勢。

采用樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，控制板采用DSP28335為主控制芯片，三電平逆變器主電路功率開關(guān)器件采用IGBT，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示，實(shí)驗(yàn)波形如圖10、圖11所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

當(dāng)A，B相導(dǎo)通，C相關(guān)斷，PWM占空比為25%時，實(shí)驗(yàn)波形如圖10(a)所示。其中通道1是AB相線電壓波形；通道2和通道3分別是A，B相橋臂中性點(diǎn)的電流波形；通道4是直流側(cè)電容中點(diǎn)電流波形。

當(dāng)A，B相導(dǎo)通，C相關(guān)斷，PWM占空比為75%時，實(shí)驗(yàn)波形如圖10(b)所示。其中通道1是A，B相線電壓波形；通道2和通道3分別是A，B相橋臂中性點(diǎn)的電流波形；通道4是直流側(cè)電容中點(diǎn)電流波形。

由圖10可見，線電壓波形與圖8分析一致，其幅值波動小，能夠有效減小轉(zhuǎn)矩脈動；直流母線電容中點(diǎn)電流波形與A，B相橋臂中性點(diǎn)電流波形之和相一致，且在一個周期內(nèi)中點(diǎn)電流平均值接近零。

(a) PWM占空比25%

(b) PWM占空比75%

如圖11所示，通道1和通道3分別是直流母線電壓正、負(fù)極波形；通道2是A相電流波形，與圖9仿真結(jié)果一致。由圖10、圖11可見，實(shí)驗(yàn)波形與理論分析結(jié)果一致，證明了所述三電平驅(qū)動方案的可行性及控制策略的正確性。

圖11 A相電流波形和直流母線電壓波形

5 結(jié) 語

本文采用三電平逆變器驅(qū)動無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及基于線電壓差值的無位置傳感器控制策略，有效地減少了轉(zhuǎn)矩脈動及電流紋波，提高了無刷直流電動機(jī)的控制性能。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了所述控制策略的有效性和正確性，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

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