- 直流永磁無刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性
- 電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的原因
- 針對換相電流引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)
- 電磁和齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以優(yōu)化電機(jī)的設(shè)計(jì)來解決
- 通過電流補(bǔ)償法來減小電機(jī)在換相過程中電流引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
直流永磁無刷電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、低速大扭矩等特點(diǎn)而得到了越來越廣泛的應(yīng)用,尤其是近年來在電動(dòng)自行車中得到了廣泛應(yīng)用。由于電動(dòng)自行車是人們的日常代步工具,因此人們對整車的啟動(dòng)平穩(wěn)性,噪音等指標(biāo)提出了較高的要求。現(xiàn)有電動(dòng)車電機(jī)大部分采用直流永磁無刷電機(jī),電機(jī)的鐵芯為直槽結(jié)構(gòu),繞組為三相星形連接,逆變器一般工作在兩兩導(dǎo)通狀態(tài)。由于直槽電機(jī)在工作時(shí)扭矩波動(dòng)較大,因此我們必須優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)并配合經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制器才能獲得比較滿意的效果。本文就如何設(shè)計(jì)直流永磁無刷電機(jī)超靜音控制器作一些探討。
2. 直流永磁無刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析
永磁無刷電動(dòng)機(jī)由于電磁因素、齒槽的影響、電流換向、電樞反應(yīng)等會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在設(shè)計(jì)電機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)認(rèn)真考慮,采取措施,避免轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大。
2.1電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由于定子電流和轉(zhuǎn)子磁場相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),它與電流波形、反電動(dòng)勢波形、氣隙磁通密度的分布有直接關(guān)系。理想情況下,定子電流為方波,反電動(dòng)勢波形為梯形波,平頂寬度為120°電角度,電磁轉(zhuǎn)矩為恒值。而實(shí)際電機(jī)中,由于設(shè)計(jì)和制造方面的原因,可能使反電動(dòng)勢波形不是梯形波,或波頂寬度不為120°電角度,這樣就會(huì)造成電機(jī)的扭矩脈動(dòng)。
2.2齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
由于定子鐵心槽齒的存在,使得永磁體與對應(yīng)的電樞表面的氣隙磁導(dǎo)不均勻,當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),使得在一個(gè)磁狀態(tài)內(nèi),磁路磁阻發(fā)生變化,從而引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的,與定子電流無關(guān)。因此抑制由齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要集中于優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)上,如斜槽法。
2.3電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
圖1為電動(dòng)車電機(jī)控制系統(tǒng)的框圖,控制器工作在兩兩導(dǎo)通的狀態(tài)。每隔60°電角度MOSFET換一次相。假如當(dāng)前為Q1和Q5導(dǎo)通,則經(jīng)過60°電角度,Q1和Q6導(dǎo)通。在Q1,Q5導(dǎo)通期間,電流流經(jīng)AB線圈,換相后電流流經(jīng)AC線圈。由于電機(jī)的線圈為電感,在切換過程中,B相的電流會(huì)以指數(shù)下降,C相的電流會(huì)以指數(shù)上升。當(dāng)Q5關(guān)斷后,AB相線圈的電流經(jīng)過Q1→AB相線圈→Q2的體二極管續(xù)流,AB相線圈電流很快衰減為零,但是AC相的電流就需要相對較長的時(shí)間才能上升到換相前的大小。因此電機(jī)的電流出現(xiàn)較大的脈動(dòng)。如圖2a中的CH3所示。其中的電流脈動(dòng)已達(dá)到12A。換相期間的電磁轉(zhuǎn)矩為: 其中Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,ea,eb,ec為相繞組電動(dòng)勢,ia,ib,ic 為相繞組電流。
由于換相時(shí)間很短,可近似認(rèn)為ebaeca , 在換相區(qū)域內(nèi)不變化,因此扭矩與電流成正比關(guān)系,電流的波動(dòng)直接導(dǎo)致了電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。在低速大負(fù)載運(yùn)行的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)尤為明顯。
在直流無刷永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)原因中,前兩種主要靠優(yōu)化電機(jī)的設(shè)計(jì)來達(dá)到目的,對于第3種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),我們可以通過電流補(bǔ)償法來減小電機(jī)在換相過程中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本文將重點(diǎn)介紹這種方法。
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3.電流補(bǔ)償法減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
由于在低速大負(fù)載運(yùn)行時(shí),電機(jī)的旋轉(zhuǎn)反電勢很小,為了使電機(jī)的相電流不超過允許的最大值,PWM占空比通常比較小,這使得換相后新的相繞組電流上升緩慢。圖3中是電機(jī)換相時(shí)的電流仿真波形。電機(jī)兩相之間的電感為Lm=0.4mH,內(nèi)阻Rm=0.28歐姆(實(shí)際電機(jī)的參數(shù))。采用AOS(萬代半導(dǎo)體)生產(chǎn)的AOT460 MOSFET進(jìn)行仿真。MOSFET的PSPICE模型采用level3等級。由圖3中可以看出,如果PWM占空比為30%,則電流由零上升到30A需要約1.3ms。這與圖2a中實(shí)測的波形相仿。為了使換相后電流迅速上升,我們可以使換相后PWM占空比為100%來對電流進(jìn)行補(bǔ)償,直到電流上升到換相前的電流值,這樣可以使換相電流的波動(dòng)盡可能的小,時(shí)間盡可能地短。由仿真波形中I2可以看出,電流上升到30A的時(shí)間小于300us。
4.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
如何精準(zhǔn)控制換相后的補(bǔ)償電流,即如何精確控制PWM100%占空比的時(shí)間是超靜音控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵!這就要求控制系統(tǒng)的MCU具有以下的特點(diǎn):
1) 有很快的A/D轉(zhuǎn)換速度,能夠在換相后連續(xù)快速采樣;
2) 能夠在PWM的開通期間特定時(shí)刻觸發(fā)A/D采樣;因?yàn)樵赑WM逆變器帶感性負(fù)載的控制系統(tǒng)中,由于系統(tǒng)的一些寄生參數(shù)導(dǎo)致PWM在開通和關(guān)斷期間電機(jī)的相線上出現(xiàn)振鈴(如圖4所示),這些振鈴會(huì)耦合到A/D采樣的回路中,因此我們應(yīng)避開在PWM開關(guān)過程中進(jìn)行A/D采樣。如果我們在PWM開通期間的中點(diǎn)觸發(fā)電流采樣,我們將會(huì)得到電流的平均值,這將有利于我們對電流補(bǔ)償?shù)目刂啤?
事實(shí)上,找到這樣的MCU并不難,譬如英飛凌的馬達(dá)專用控制芯片XC866,CYPRESS的片上可編程控制芯片CY8C24533等。XC866的A/D轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到2us以內(nèi),加上程序的執(zhí)行時(shí)間,一次A/D轉(zhuǎn)換需要的總時(shí)間在8us以內(nèi),以這樣的時(shí)間間隔來判斷電流補(bǔ)償是否完成已經(jīng)足夠。CY8C24533是CYPRESS專為電機(jī)控制開發(fā)的帶高速A/D的芯片,其SAR8轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到3us以內(nèi),加上其自動(dòng)對齊觸發(fā)A/D模式,可以在PWM的任意時(shí)刻觸發(fā)電流A/D采樣,我們也很容易實(shí)現(xiàn)對電流的精準(zhǔn)控制。
圖2b是采用XC866控制芯片的系統(tǒng)在經(jīng)過上述方法優(yōu)化后測得的換相電流波形,由圖2b可以看出,換相時(shí)的電流脈動(dòng)基本消除,電機(jī)的相電流基本接近方波。用了這套控制系統(tǒng)的電動(dòng)車,起步加速以及運(yùn)行時(shí)的電機(jī)震動(dòng)已基本消除,實(shí)現(xiàn)了超靜音控制器的設(shè)計(jì)。
5. 結(jié)語
通過選用合適的MCU實(shí)現(xiàn)高速可觸發(fā)A/D采樣,對永磁無刷電機(jī)換相時(shí)的電流進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)償,可以達(dá)到消除換相電流脈動(dòng),減輕電機(jī)振動(dòng)的效果。