高功率因數的無刷直流電機驅動器設計

于仲安，葛庭宇，梁建偉

（江西理工大學 電氣工程與自動化學院，贛州 341000）

0 引言

無刷直流電機（BLDCM）隨著電力電子技術的發展而得到迅速發展，逐漸成為現代工業設備中的重要組成部分。它們具有效率高，轉矩慣量比大，能量密度高，維護要求低，速度控制范圍寬等特點[1,2]。BLDCM以電子換相器取代了直流電機中的機械換相器和電刷，避免了機械接觸，沒有換相火花，具有壽命長，運行可靠，維護簡便的優點[3,4]。BLDCM由單相交流電源通過二極管整流橋（DBR）供電，然后通過直流電路上的電容供電。由于直流母線電容的不受控制的充電，會導致高度失真的輸入電流，這會超過國際電能質量標準（如IEC-61000-3-2）[5]。因此，使用一個功率因數校正（PFC）變換器提高BLDCM輸入交流電源的效率是很有必要的。PFC變換器有連續導通模式（CCM）和不連續導通模式（DCM）兩種基本工作模式，在實踐中被廣泛使用[6]。在CCM或DCM中，PFC變換器的電感電流或PFC變換器中間電容兩端電壓分別在開關周期內保持連續或不連續。在CCM中工作的PFC變換器，需要兩個電壓和一個電流傳感器，而在DCM中工作的PFC轉換器只需單個電壓傳感器作為控制信號源，但在DCM中工作的PFC變換器開關上的應力相對于其在CCM中的操作相對較高[7]。

有學者提出了一種PFC升壓變換器，用于基于直接變矩控制（DTC）的BLDCM驅動器，但其需要用于DTC控制的更多數量的傳感器，在電壓源逆變器（VSI）中具有更高的開關損耗并且增加了控制電路的復雜性[8]。文獻[9]中提出了一種使用單端初級電感變換器（SEPIC）的PFC變換器，SEPIC變換器BLDCM驅動器利用PWM控制的電壓源逆變器來控制BLDCM的速度，但有較高開關頻率的損耗。有學者提出一種在CCM中工作的PFC Cuk變換器，但是它需要三個傳感器用于直流電路電壓控制和PFC，該電路結構適用于高功率應用[10]。

本文提出一種運行在不連續電感電流模式（DICM）中的無橋Cuk變換器BLDCM驅動器，提高了電路的功率因數和電源設備的電能質量，實現對無刷直流電機轉速的有效控制。該驅動器是低成本驅動器，適合于低功率和中等功率的應用，不需要精確的速度控制。空調系統、制冷、泵、醫療設備和各種其他工業工具等應用需要這種類型的驅動。文中詳細分析了驅動器的工作原理、參數設計和控制方法，仿真結果證明了所提驅動器的有效性與正確性。

1 無橋Cuk變換器的BLDCM驅動器

本文提出的無橋Cuk變換器BLDCM驅動器，如圖1所示。無刷直流電機的速度控制是通過使用單個電壓傳感器控制VSI的直流電壓，通過BLDCM的電子換向技術來降低電壓源逆變器的開關損耗。由于沒有二極管整流橋，變換器在二極管中的傳導損耗較低，以實現無刷直流電機高效率運行。

圖1 無橋Cuk變換器無刷直流電機驅動器

無橋Cuk變換器工作在不連續電感電流模式（DICM）用于功率因數校正和電壓控制。通過單周期控制策略使得無橋Cuk變換器在較寬的速度控制范圍內保持較高的功率因數，并降低輸入電流總諧波畸變。

無橋Cuk變換器正、負半周期的運行電路分別如圖2所示。如圖2(a)所示，在電源電壓的正半周時，開關Sw通過L1和DP導通電路L1-Sw-C1-L0-D0通過二極管DN，二極管DN將輸入交流電源連接到輸出。類似地，在電源電壓的負半周時，開關Sw通過L2和DN導通電路L2-D2-Sw-C2-L0-D0通過二極管DP，二極管DP將輸入交流電源連接到輸出。另外，圖2所示輸出電壓總是通過二極管DP和DN直接連接到輸入交流線路，因此，所提出的拓撲結構不受共模電磁干擾噪聲發射問題的影響。

2 無橋Cuk變換器的參數設計

在DICM中工作的一個無橋Cuk變換器，具有寬電壓變換比的功率因數調節的功能。在這種模式下，輸入電感（L1和L2）和中間電容（C1和C2）設計為連續工作，輸出電感（L0）中的電流在完整的開關周期內變得不連續。對于220V的電源電壓（Vac），輸入平均電壓Vinav為：

圖2 無橋Cuk 變換器工作狀態

該無橋Cuk變換器設計用于70V（Vdcmin）～310V（Vdcmax）的直流輸出電壓控制，標稱值的直流輸出電壓為190V（Vdcdes）。對于作為升降壓的Cuk變換器的占空比d由下式給出：

因此，使式(2)分別計算對應于Vdcdes，Vdcmax和Vdcmin的占空比d，最大（dmax）和最小（dmin）的占空比分別為0.4897，0.6103和0.2612。

在DICM中，為了有效控制，所選用的占空比（dnom）小于ddes，因此dnom取為0.2。

如果在兩個電感L1和L2中允許紋波電流的量是ΔiL（Iin的30%，其中Iin=2P/Vin=3.215A），則L1和L2的值被表示為：

其中Vm是電源電壓的峰值（即），TS是開關周期（即1/fs，其中fS是開關頻率=20kHz）。

因此，電感L1和L2選擇3mH的值。臨界臨界傳導參數Kacrit被給出為：

其中M=Vdc/Vm，n是隔離式變換器的匝數比，當n=1時表示非隔離式變換器。

現在，DICM中操作的傳導參數Ka為：

為了在DICM中進行有效的控制，Ka的值約為Ka（critical）的2/3。所以Ka取0.13。

現在，等效電感Leq被計算為：

其中R0是等效的負載電阻。

現在輸出端電感值L0給出為：

因此，確保達到DICM條件L0的值選擇100μ H。

電容器C1和C2的電容由下式給出：

直流母線電容C0由下式給出：

其中I0是直流母線電流，ω是線路頻率，ΔV0是在直流母線電容器中允許的紋波電壓，取直流母線電壓的1%。

3 無橋Cuk變換器BLDCM的控制策略

3.1 無橋Cuk 變換器的控制策略

無橋Cuk變換器的控制策略用于產生用于開關Sw的PWM信號以保持VSI的期望的直流電壓。該變換器設計用于DICM工作，實現了固有的功率因數校正。電壓跟隨器用于實現此PFC操作。無橋Cuk變換器BLDCM驅動的控制策略包括參考電壓發生器，電壓誤差發生器，電壓控制器和PWM發生器，其控制原理圖如圖5所示。

3.1.1 參考電壓發生器

將參考直流電壓Vdc*通過將參考速度N*與電機的電壓常數kv相乘，從參考速度生成參考直流母線電壓為：

3.1.2 電壓誤差發生器

將參考直流電壓Vdc*與檢測到的Cuk變換器的輸出電壓Vdc進行比較以生成電壓誤差信號Ve。該誤差電壓將被用于控制動作的電壓PI控制器。誤差電壓Ve表示為：

3.1.3 電壓控制器

直流電壓控制器是比例積分（PI）控制器，其根據電壓誤差Ve產生受控輸出Vc。在任何時刻k的控制器輸出Vc被給出為：

其中Kp和Ki分別表示電壓控制器的比例增益和積分增益。

3.1.4 單周期控制器

由直流電壓控制器得到Vc經過復位開關、積分器、觸發電路和比較器使得PWM控制信號。單周期控制的電路能在一個開關周期內消除誤差，動態響應更快，也更易于實現，單周控制的控制方程為[11]。

其中L1輸入電感，Vac為交流輸入電壓，Ts為開關周期，D1為一個開關周期內占空比，a是一個常數。

3.2 直流無刷電機控制策略

無刷直流電機的電壓源逆變器的開關切換順序是按照霍爾位置傳感器檢測到的BLDCM的轉子位置進行開關狀態的切換。霍爾位置傳感器用于檢測60°范圍內的轉子位置，這是BLDCM的電子換向所需要的。兩個開關（S2和S3）的導通狀態如圖6所示。線電流iab從直流電路電容中得到，直流電路電容的大小取決于施加的直流電路電壓（Vdc），反向電動勢（ean和ebn）和電阻（Ra和Rb）以及定子繞組的自感和互感（La，Lb和M）。IGBT的導通和關斷條件分別表示為“1”或“0”。表1列出了轉子不同位置的電壓源逆變器的開關的切換順序和相應的相電壓。

圖3 無橋Cuk控制原理圖

圖4 電壓源逆變器的BLDCM原理圖

4 仿真驗證

為了對提出的無橋Cuk變換器BLDCM的工作原理進行驗證，根據前面分析的電路元件參數設計，用MATLAB/ Simulink對所研究電路進行了仿真，仿真結果如圖5所示。無橋Cuk變換器BLDCM的性能是根據電源電流的總諧波畸變（THD），功率因數（PF）等功率指標評估的。如圖5(a)所示，無橋Cuk變換器的輸入電壓和輸入電流是同頻同相，實現功率校正的目的，并且輸入電流波紋很小，THD=5.29%，PF=99.8%。因此，無橋Cuk變換器提高驅動器的功率因數。圖5(b)是無橋Cuk變換器的輸出電壓一直穩定在260V，這樣就能給無刷直流電機提供穩定恒定輸入電壓。圖5(c)是BLDCM的轉速基本恒定且可達到1700r/min。圖5(d)是無刷直流電機a相的相電流波形。圖5(e)是BLDCM的電磁轉矩，其值達到3.5Nm。圖5(f)是無刷直流電機a相EMF的波形。由此，可以看出該驅動器使用較少數量的傳感器的處理器的簡單控制方案來降低驅動器的成本，適合于低功率和中等功率的應用。

表1 實現霍爾效應位置信號的BLDCM電子換向的開關狀態

圖5 無橋Cuk變換器BLDCM的仿真波形

圖6顯示了額定電壓下的電源電流及其諧波頻譜。當額定電壓遠低于IEC 61000-3-2建議的功率質量限值時，可獲得5.29%的THD和99.8%的功率因數。此外，提出的驅動器方案的性能也通過改變電源電壓來驗證，以證明實際電源電壓下驅動器的性能。表2顯示了驅動器在190～240V范圍內變化的電源電壓的性能指標，表明驅動器的電源設備有較高的電源質量。

圖6 額定電壓下的電源電流及其諧波頻譜

表2 在不同輸入電壓下的無橋Cuk變換器BLDCM驅動的性能指標

5 結論

本文提出了一種適用于逆變技術的空調應用的無橋Cuk轉換器的無刷直流電機驅動器。逆變器技術是空調壓縮機電機技術的最新發展，在空調系統中使用逆變器來控制壓縮機電機的速度，以便連續調節溫度。在該驅動器中，使用以不連續電感器電流模式（DICM）工作的無橋Cuk轉換器提高功率因數并提高交流電源的電能質量。該無橋變流器拓撲結構設計用于以最少的元件數量獲得低傳導損耗，電壓源逆變器的可變直流電路電壓（VSI）正在為其BLDCM進行速度控制。無橋Cuk轉換器是為了消除二極管整流橋（DBR）以減少其中的傳導損耗。它的性能主要適用于空調系統對有效速度控制下運行，并提高了交流電源的功率因數。