无刷直流电机调速系统转矩脉动抑制方法研究

2016-07-09李有凯蒋玲

现代电子技术 2016年7期

李有凯　蒋玲

摘要：通过对无刷直流电机开通期间的相电流和关断期间的相电流分析，经过实际计算得到电磁转矩的表达式，得到相应的电磁转矩脉动曲线。基于电流预测方法通过将预测模型分为模型建立、反馈调整和性能优化3步，通过控制换相电流保持在稳定的状态，从而实现对转矩脉动的抑制。通过仿真和实际实验表明，该无刷直流电机调速系统在实际运行中具有转矩脉动小、响应速度快等优点。

关键词：无刷直流电机；电流预测；转矩脉动；换相电流

中图分类号： TN911?34； TP212.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）07?0142?03

Abstract： The phase current of BLDCM during the opening period and shutdown period is analyzed. The electromagnetic torque expression is obtained by actual calculation， and then the corresponding electromagnetic torque ripple curve is obtained. The prediction model is divided into model establishment， feedback tuning and performance optimization with current prediction method. The phase commutation current is controlled in a stable state to suppress the torque ripple. The simulation and practical experiment results show that the BLDCM speed control system has the advantages of small torque ripple， fast response speed， etc.

Keywords： BLDCM； current prediction； torque ripple； phase commutation current

0 引言

无刷直流电机（BLDCM）由于具有输出转矩大、噪声低、效率高和稳定性好等优点被广泛应用在各种工业控制场合上。然而对于一些控制精度指标要求较高的场合，常常用转矩脉动作为衡量一个系统控制性能的好坏的重要标准。无刷直流电机作为工业生产中重要的动力来源，其调速性能与稳定性的好坏将直接影响到工业上能否安全、稳定和高效的生产[1]。

本文总结了以往无刷直流电机调速系统的优点与缺点，以控制非导通相的相电流作为基础，对无刷直流电机在换相期间非换相电流对转矩脉动产生的影响进行分析。通过仿真和实际实验表明，将定子电流预测控制方法应用在转矩脉动抑制的无刷直流电机调速系统具有转矩脉动低和稳定性好等优点[2?3]。

1 无刷直流电机数学模型

假定实验所用无刷直流电机为三相对称，无刷直流电机的等效模型及驱动电路如图1所示，定子换相时刻只与转子的位置有关。

抑制

基于电流预测控制算法的三个基本特征包括电流预测模型、反馈校正以及滚动优化，通过该算法对无刷直流电机的定子电流进行实时预测和控制[6?8]。

2.1 电流预测模型的建立

根据上述可知，决定电流变化率的因素有反电动势[E]和直流侧供电电压[Ud，]而反电动势和转速成正比，通过实时检测电机的转速，可以得到[E]的实时值。一般情况下，电机的直流供电电压[Ud]常常保持恒定，但是电机运行过程转速的波动会导致[E]的变化，不能保证电机调速期间[Ud]始终与[4E]保持相等，所以电机在换相时产生的转矩脉动会比较大。

3 仿真和实验验证

当调速系统给定转速分别为1 600 r/min和300 r/min时，采用电流预测控制前后的无刷直流电机转矩仿真波形分别如图3和图4所示。显然，无刷直流电机处于高速和低速运行区域时，电磁转矩的脉动方向不一样，但采用定子电流预测控制后，电机的转矩脉动获得了很好的抑制。

本仿真和实际实验所用无刷直流电机（BLDCM）的主要参数为：额定功率为160 W，额定电压为24 V，额定转速为3 000 r/min，极对数为4。实际实验和仿真表明，采用定子电流预测控制的无刷直流电机调速系统在很大程度上改善了由于换相而导致的非换相相电流的突变，从而可以很好地减小无刷直流电机的电磁转矩脉动问题。

4 结语

本文对无刷直流电机在换相过程中各相电流做出了非常详细的分析，并通过推导得出电磁转矩和脉动转矩的表达式，从而得出保证非换相相电流的恒定是减小换相转矩脉动的一项重要策略。与此同时，系统通过定子电流预测控制方法很好地对换相过程中产生的转矩脉动进行抑制，并通过仿真和实验验证了该方法的可行性和有效性。

参考文献

[1] 曹建波，曹秉刚，许鹏，等.无位置传感器无刷直流电机转矩脉动抑制研究[J].电机与控制学报，2008（3）：248?253.

[2] 冯翠萍.永磁无刷直流电机转矩脉动抑制的控制策略研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[3] 顾俊杰.无刷直流电机转矩脉动抑制的研究[D].杭州：浙江理工大学，2014.

[4] 杨龙.无位置传感器无刷直流电机转矩脉动抑制研究[D].株洲：中南林业科技大学，2014.

[5] 周美兰，李志，苏革航.无刷直流电机PWM调制方式对非换相期间转矩脉动的影响[J].哈尔滨理工大学学报，2014（6）：74?81.

[6] 夏鲲，朱琳玲，曾彦能，等.基于准Z源网络的永磁无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法[J].中国电机工程学报，2015（4）：971?978.

[7] 李珍国，章松发，周生海，等.考虑转矩脉动最小化的无刷直流电机直接转矩控制系统[J].电工技术学报，2014（1）：139?146.

[8] 王大方，卜德明，朱成，等.一种减小无刷直流电机换相转矩脉动的调制方法[J].电工技术学报，2014（5）：160?166.

[9] 袁题训，董升亮，耿丙群，等.无刷直流电机的保护电路[J].现代电子技术，2011，34（24）：41?44.