三相直流无刷电机DSP控制系统的设计(5)

２．５直流无刷电机转矩脉动的分析及其抑制

２．５．１直流无刷电机的转矩特性

永磁无刷电动机的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生的。定子绕组产生的电磁转矩表达式为ｉ４２０１Ｊ

疋：』０。‘＋％ｌ‘ｂ＋ｅｃｆ。）∞（２．１２）

式中ｅ。、ｅ６、ｅ。为Ａ、Ｂ、Ｃ各相反电势 ‘、‘、‘为相应相的电流，ｍ为转子机械角速度。由上式可以看出，直流无刷电动机的电磁转矩方程与普通直流电机相似，其电磁转矩的大小与磁通和电流幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制直流无刷电动机的转矩。如图２－６所示，为产生恒定的电动势，要求电机定子相电流是矩形波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为１２０。，两者应严格同步。由于在任何时刻，定子相绕组只有两两导通，则电磁功率可表示为：

只＝ｅ，，ｉａ＋％厶＋ｅｃｉｃ＝２Ｅ‘

电磁转矩又可表示为：（２．１３）

ｔ＝％＝２Ｅ％（２…

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ｅｒａ

图２．６理想绕组的电流和反电势波形图

接下来，我们主要分析三相直流无刷电机换相时，引起的转矩脉动的成因和抑制方法。电机在换相过程中由于定子绕组电感的存在，限制了电流的瞬时变化，使得定子电流

本文设计了48V／800W直流无刷电机的DSP调速系统的硬件和软件。硬件包括系统电源、三相全桥逆变电路、以TMS320LF2407为核心的最小系统,对电力功率器件的选择和驱动电路的设计做了大量实验。本系统的控制软件包括PWM产生、传感器信号输入、速度调节器等。对SPWM的DSP产生,Pl调节器实现做了一些探讨。

东南大学硕士学位论文

不可能是理想的矩形波，而且相间换流存在延迟，造成换相转矩脉动。同时，未参与换相的那一相电流会出现很大的降落。研究发现，换相转矩脉动的大小以及未参与换相的那一相电流降落随着换相过程的不同而变化。

换流相的电流上升和Ｆ降的时间取决于直流电源电压和感应电势的大小，以及定子绕组参数。利用最佳换流时间，使转矩没有脉动是可以达到的理想情况；另外非换流相绕组定子电流在另两相换流过程中，实际的电流波形的顶部不是平坦的，而是有一个波谷，这个波谷也会引起转矩的脉动。下面是详细分析换流过程的电流变化情况及其引起的脉动。２．５．２换相时电流引起的脉动的过程分析

假设三相直流无刷电机采用两两导通的方式，每相导通为１２０。电角度，Ａ相转换到Ｂ相的换相过程如图２＿７。由图可知在换流过程有可能出现以下三种情况【２４ｌ：

１．电流‘和‘变化率相同，即电流乇在电流‘到达额定值，时，恰好消失，此对，

转矩无脉动，下一步过程如图２．７ａ，换流结束。

２．电流‘己消失，但电流厶尚未达到额定值，转矩减小。下一个过程如图２－７ｂ，当

ｉｂ到达额定值，，换流结束。

３．电流屯消失前，电流‘已经达到额定值，，转矩增大。下一个过程如图２－７ｃ，开

关２和６都断开，三个二极管续流直至ｆ。消失。

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图２．７ａ

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图２．７ｂ

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第二章直流无刷电动机的基本原理及系统构成

Ａ

Ｂ

Ｃ

图２－７ｃ

换相期间，最大的相对转矩脉动在低速时可达Ｎ＋５０％，高速时可达到．５０％。

２．５．３其它因素引起的转矩脉动分析

齿槽效应和电枢反应引起的转矩脉动也是重要的影响因素。齿槽转矩脉动是由极下磁阻变化而引起的，由于定子齿槽的存在，使得永磁体与所对着的电枢表面的气隙磁导不均匀，当转子旋转时，气隙磁场储能就会发生变化，产生齿槽转矩。这个转矩与转子的位置有关，因而引起转矩脉动。

电枢反应对转矩的影响主要反映在：一是电枢反应使气隙磁场发生畸变，改变了转子永磁体在空载时的方波气隙磁感应强度分布波形，使气隙磁场的前后极尖不对称，畸变的磁场与定子通电相绕组相互作用，使电磁转矩随定子和转子之间的相互位置变化而脉动；二是在任一磁状态内，相对静止的电枢反应磁场和连续旋转的转子主级磁场相互作用而产生的电磁转矩冈转子的位置不同而发生变化，从而产生转矩脉动。

定子绕组各相电阻电感参数不对称、转子传感器的安装不准确、摩擦转矩不均匀、永磁体性能不一致等机械加＿［因素也是引起转矩脉动的重要原因１２ｌＪ。

２．５．４转矩脉动的消除

为了提高直流无刷电动机的性能，很长时间以来，人们采用各种方法消除转矩脉动。概括起来，这些方法大致可以分为两类：一类是改变电机定子、转子结构以及绕组分布的结构，以达到消除转矩脉动的目的，这种方法主要消除齿槽转矩脉动。另一类消除转矩脉动的方法是应用各种控制策略，调整电流和反电势波形，从而得到摄佳电流和反电势波形，这种方法对于消除高速时电磁因素和电流换相引起的转矩脉动，效果比较明显。

当负载足够大时，负载电流的波形是连续的，但是电动机在低速轻载运行时，负载电流很小，可能出现电流断续的现象。经过对平均电流的分析可以知道，无论电流是连续还是断续，随着电流的减小，电流的相对脉动就会增大。又因为平均电磁转矩是与平均电流成正比关系，由于低速轻载时的电流脉动比高速重载时的要大，所以电磁转矩脉动也大。

为了消除低速时由于电流波动引起的转矩脉动，这里采ｊｌ】移相法。移相法就是通过控制功率开关管的导通时间，是电流波形相和反电动势波形相相差△ｒ。电机由高速转到低速运行时，原来的控制方法是使ＰＷＭ波的占空比减小，这样电流就可能进入不连续运行状态，导致转矩脉动变大。采用移相触发控制，保持ＰＷＭ的占空比不再减小，从而保持电流不再减小，在同一转速条件下，使两个绕组上的电流产生相等的电磁转矩，相对于非移本节参考文献１２１］的分析

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相控制，将驱动功率管的信号延迟一段时间再导通，使电流波形和反电势波形相位差△，。

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图２－８非移相和移相时的反电势和屯流波形

图２．８ａ中锯齿波状的电流波形是电机在低速轻载时的电流波形，是由于ＰｗＭ波占空比小所致，不连续的电流是产生转矩脉动的原因，图２－８ｂ中矩形的电流波形是电机在高速重载 …… 此处隐藏：1289字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……