四相平板式TFPM正弦波驱动研究

王焕新，史仪凯，崔文峰

(西北工业大学，陕西西安710072)

0 引 言

1986年德国Herber Weh教授提出了一种横向磁场永磁电机(Transverse Flux Permanent－Magnet Motor，以下简称TFPM)结构思想，TFPM经历了各种改进，至今已经出现了大功率三相轮毂式外转子TFPM、两相聚磁式 TFPM［1］等几种类型，但依然存在漏磁大、结构复杂、加工工艺要求高的问题。本课题组提出一种小型四相平板式TFPM［2］，如图1所示，与传统电机相比，具有以下特点:电路结构和磁路结构无耦合，结构模块化，四相之间完全独立控制，低速性能好，单相控制简单，易于实现。

图1 四相平板式TFPM样机

目前，四相平板式TFPM的研究主要集中在电动机的结构和磁场分析方面［3］，对电动机控制系统的研究仅停留在可以运转的基础上，很少涉及电动机运转的平稳性、转矩脉动以及转换效率。

本文通过对四相平板式TFPM空载反电势的分析，在综合四相平板式TFPM电机模型的基础上，采用正弦波(SPWM)［4］驱动方式，单独设计四相平板式TFPM驱动系统，完成整个系统的实验研究。

1 SPWM方法的建立及实现

用一台800 W直流电机作为原动机，带动样机转子旋转至额定转速120 r/min，实际测出四相平板式TFPM的空载反电动势，如图2所示。从图中可以看出，TFPM空载反电势近似于正弦波。因此，电压采用正弦波驱动将比PWM能更好地适应该四相平板式TFPM的驱动，同时电流波动、转矩脉动［5］都将减小，有利于电机转换效率的提高，降低绕组的谐波损耗。

图2 四相平板式TFPM空载反电势

综合上述原因，本文采用正弦波脉宽调制SPWM对四相外转子平板式TFPM进行控制，并设计相应的驱动电路，并通过以DSP为控制器的数字控制策略，保证快速的控制系统实时响应，充足的接口，进而发挥电机的最优性能。

SPWM是一种调制波为正弦波、载波为三角波或锯齿波的脉宽调制法，在PWM的基础上，按照一定的占空比变化，得到的一组幅值相等而宽度不等矩形波。其特点是通用性强、控制调节性能好。实验利用载波为半波三角波的三阶SPWM逆变器，即以半波三角波为载波的规则采样法作为SPWM波形的开关点算法，以正弦波为被调制波，它包括+E、0和－E三个电平，因此称作三阶，其频率与载波相同。衡量SPWM的参数有调制度 M［6］、载波比 N、载波频率fc，其生成原理如图3所示。

图3 SPWM生成原理

经过对图3的分析，则载波频率为:

式中:tc为载波周期。在图3中，由正弦波和载波三角波围成的阴影部分的面积:

式中:ωr为需要调制的正弦波角频率;tq为采样周期。为了输出正弦SPWM波，必须将图3的阴影面积转换为面积相同、幅值相等矩形脉冲波，因而需要对式(2)进行离散化处理，并对PWM的幅值进行标准化。令幅值为1，得到求占空比q的表达式:

式中:q为占空比;ts为正弦波周期;I为当前第I个PWM脉冲波;N为一个正弦波周期共需要N个PWM 脉冲，I∈［0，N］。

在程序中可通过输入I值和N值，通过式(3)可计算当前时刻SPWM波的占空比。

2 四相平板式TFPM的驱动

四相平板式TFPM驱动控制系统首先由DSP主控器发出信号，经过光电隔离送入至四相功率逆变器，最后驱动电机进行起动、加速、减速、停止以及反转等动作。考虑到样机的各相的定子、转子相对位置错开1/4个极距(45°电角度)以及各相绕组电流在换相时需要一定的时间，不适合采用180°导电模式，因此将导通角度适当调整到 135°［7］，更利于横向磁场永磁电机工作时的稳定性，抑制转矩脉动。135°的SPWM导电模式如图4所示。

四相平板式TFPM的逆变电路为四相H型逆变桥电路，如图5所示。

单相H桥不能正向或者反向同时通断(如在第一相中，U1、U4不能同时通断，U2、U3不能同时通断)，否则输出SPWM会出现以下现象。当某一相正向输出SPWM时，若反向下臂关断，则该时间段内无法实现电平转换。由于H桥的上半臂有自举功能，即使关断正向上臂的MOSFET，输出电压仍然被自举电压［8］拉高。为此，通过打开相应的反向下臂，使自举电压得到释放，才能实现正向电压的关断，最终形成SPWM。

在驱动电路设计中需要注意两点:(1)反向的上臂必须关断，否则将导致短路;(2)必须考虑同一侧上下MOSFET导通时的死区时间，以保证上管导通快，下管导通慢;当MOSFET反向导通时，与正向导通情况一致。若输出SPWM，每一相的四个开关管需单独控制，因此控制四相平板式TFPM共需要16路开关信号。

3 实验结果

当四相平板式TFPM在135°导电模式下运行，电机运行在PWM方式下控制端口的波形，如图6(a)所示。电机运行在SPWM方式下控制端口的波形如图6(b)所示。对于PWM方式，设定占空比为80%;对于SPWM方式，设定频率为142 Hz，载波频率为 18.75 kHz，调制比为 0.9。

图6 四相平板式TFPM控制端口波形

通过实验分别可以测出四相平板式TFPM电机在PWM和SPWM方式下的单相电流的波形图。四相平板式TFPM电机运行在转速30 r/min时，两种通电方式下单相电流的波形图如图7所示;电机运行在额定转速120 r/min时，两种通电方式下单相电流的波形，如图8所示。

图8 四相平板式TFPM 120 r/min下单相电流波形图

分别采用图7和图8中PWM和SPWM的通电方式，两种通电方式下的实验结果如表1和表2所示。

表1 低转速为30 r/min时，PWM和SPWM两种通电方式对比结果

表2 额定转速为120 r/min时，PWM和SPWM两种通电方式对比结果

由于无法直接测量输出转矩，因此转换效率［9］无法直接获得。但是可采取SPWM和PWM转换效率对比的方法来比较两种控制方式在样机的运行时的优劣性。转换效率=输出功率/输入功率，输出功率用输出转速来代替，此时转速相同，即输出功率相等，输入功率是输入电压和输入电流的乘积，而输入电压相同，通过对比电流的变化比较转换效率的高低。两种方式下的转换效率比:

式中:ηS为SPWM方式下的转换效率;ηP为PWM方式下的转换效率;TS为SPWM方式下的输出转矩;TP为PWM方式下的输出转矩;IS为SPWM方式下的输入电流;IP为PWM方式下的输入电流;Ui为输入电压。

通过对比两种通电方式下的电流波形，SPWM方式下的电流突变小，电流变化一致性好，进而直接影响转矩脉动，使转矩脉动变小，降低绕组的谐波损耗。

4 结 论

相比PWM控制方式，四相平板式TFPM采用SPWM控制方式的优点:

(1)实验结果表明，当电压、转速相同情况下，SPWM控制方式能有效提高四相平板式TFPM的转换效率，在低转速30 r/min时，效率提高8%，而在额定转速120 r/min下，效率提高11%，其带负载能力更好。

(2)通过对比电流的变化，SPWM控制方式的转矩脉动更小，电机工作更平稳。该方式对后续的闭环控制提供了良好的控制方法。

因此，四相平板式TFPM很适合应用到控制灵活性高、低速大功率场合，例如船舶或者工业机床方面。

［1］ Schuttler J，Orlik B.Analytical model describing the operation behaviour of Transverse Flux Machines in flat magnet configuration［C］//European Conference on Power Electronics and Applications，2007:1 －10.

［2］ 王萑，史仪凯，唐博，等.新型小功率平板式TFPM设计研究［J］.机械科学与技术，2010(3):308 －311.

［3］ Wang Huan，Shi Yi－ kai.An Investigation of Four－ Phase Flattype TFPM and Control System［C］//ICICIC －2009，326:476 －479.

［4］ Konstantinos G，Athanasios S.Switching frequency determination of a bidirectional AC－DC converter to improve both power factor and efficiency［J］.Electric Power Systems Research，2011，81(7):1572－1582.

［5］ Zhang Cun － shan，Bian Dun － xin.A PWM control algorithm for eliminating torque ripple caused by stator magnetic field jump of brushless DC motors［C］//Proceedings of the World Congress on Intelligent Control and Automation.2008:6547 －6549.

［6］ 张月芹.基于TMS320F2812的SPWM波的实现研究.常州工学院学报.2009，22(6):29 －32.

［7］ 王萑.四相平板式横向磁场永磁电机设计与控制系统研究［D］.西北工业大学，2010:62－64.

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