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無刷直流電動機的開環調速機械特性研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:4434

   摘要:基于星形三相六狀態工作模式的尤刷直流電動機的等效電路和電壓回路方程,對調節PWM占空比和調節直流電源電壓兩種調速方式的尤刷直流電動機的開環機械特性表達式進行了推導。對一樣機的兩種調速方式開環機械特性進行了仿真和實驗分析。仿真和實驗結果驗證了推導的機械特性表達式的正確性。調節PWM占空比調速時,空載和輕載由于電流不連續,機械特性較軟.隨著負載增加.電流連續,機械特性變硬。調節直流電源電壓調速時,電樞電流始終保持連續,機械特性較硬。分析了PWM開關頻率、電樞電感對機械特性的影響,所得結論為無刷直流電動機及控制器設計中相關參數的選擇提供了理論依據。

O引  言

   無刷直流電動機調速系統在中小功率高性能電驅動和伺服系統有著廣泛的應用前景。無刷直流電動機由直流電源通過逆變器供電,調節電源電壓或調節逆變器功率管的PWM占空比可以實現調速,這兩種調速方式的開環機械特性對無刷直流電動機調速系統的調速范圍、運行平穩性等有很大影響。

文獻[2]實測得到了一給定電壓下的機械特性。文獻[3]分析了推進用尤刷直流電動機機械特性對推進系統性能的影響。文獻[4]提及無刷直流電動機可以通過調節直流電源電壓和PWM占空比調節轉速,但未對機械特性進行深入分析。文獻[5]僅分析了繞組電感對無刷直流電動機機械特性的影響。

   本文以星形三相六狀態的無刷直流電動機為例,對PWM調速過程進行了深入分析,給出了調節直流電源電壓和PWM占宅比調速的機械特性表達式。利用一臺樣機,對兩種調速方式的機械特性進行了仿真和實驗研究,分析了PWM開關頻率、電樞電感對機械特性的影響。所得結論為無刷直流電動機及控制器的設計中相關參數的選擇提供理論依據。

1  機械特性表達式

   圖1為無刷直流電動機開環調速系統結構示意圖。忽略齒槽效應、磁路飽和,不考慮電樞反應,設三相繞組完全對稱,星形三相六狀態工作模式下電樞繞組的等效電路如圖2所示。

 圖1  無刷直流電動機開環調速系統示意圖

     圖2星形連接電樞繞組的等效電路

   圖2中,ua、ub、uc為定子相繞組電壓,ia、ib、ic為定子相繞組電流,ea、eb、ec為定子各相繞組電動勢,L、r、M定子各相繞組的自感、電阻及相繞組之間的互感。

三相六狀態工作,每一時刻有兩相繞組同時通電。設圖l中開關管V1、V6導通,則此時的電壓回路方程為:

  (1)式中:p為微分算子,

設此時的ia=i,ea= E,則根據圖2有ib = -i,eb = - E,式(1)改寫為:E=uab-2[ri+(L-M)pi] (2)

一般無刷直流電動機電樞感應電勢E為:E=CeΦn   (3)式中:Ce為電勢常數,Φ為每極氣隙磁通,n為轉速。

 將式(3)代入式(2)得:   (4)

 由式(4)可知,凋節圖1中的直流電源電壓或PWM占空比,可以調節無刷直流電動機電樞端電壓uab實現調速。下面分別討論這兩種調速方式的機械特性一轉速n與相繞組導通期間平均電流I之間的關系,在討論中忽略開關管導通壓降。

l .調節PWM占空比的機械特性表達式

保持直流電源電壓Ud不變,通過調節PWM占空比D來調節電樞繞組端電壓uab電樞相電流波形隨負載大小變化而存在連續與斷續兩種狀態、如圖3所示。

  

    (a)電流斷續     (b)電流連續

    圖3電樞電壓、電流波形

   (1)電樞電流斷續的機械特性表達式

由于負載輕,電樞電流續流期間在如圖3a所示的t2時刻衰減到零.電樞電流斷續,電樞電壓表達式為:  (5)式中:t1開關管導通時間,T為PWM信號周期,t2為電流斷續開始時刻。

 此時的機械特性表達式為: (6)

 (2)電樞電流連續的機械特性表達式

 電樞電流連續,一個周期內電樞電壓、電流(線性化)波形如圖3b所示,此時相當于圖3a中的t2=T,機械特性表達式為:   (7)

   式(6)和式(7)表明,當電樞電流連續時,理想空載轉速n0WM占空比D線性變化,調節PWM占空比D的機械特性是一組平行的下斜直線。電樞電流斷續時的理想空載轉速較連續時升高,機械特性變軟。電流斷續時間越長,即T一t2越大,機械特性越軟。

   (3)電樞電流連續的條件

   如圖3a所示,t2T,電樞電流就處于臨界連續。此時電樞回路電壓方程為:  (8)平均電流:  (9)

   忽略一個周期內繞組電阻壓降ri變化,求得電樞電流連續時的最小平均值為:  (10)式(10)表明,當直流電源電壓一定且大于零時:

   (a)當占空比D=100%,只有電樞電流的平均值I=0,電樞電流才會斷續;

   (b)電樞電流連續時的最小電流平均值與電樞電感(L一M)成反比:

   (c)電樞電流連續時的最小電流平均值與PWM周期T成正比,即與PWM開關頻率成反比。當最小負載電流為,ILmin其它參數一定時,為保證電樞電流連續,最低開關頻率應為:  (11)

1.2調節直流電源電壓的機械特性表達式

   保持PWM占空比D=100%,通過調節直流電源電壓Ud來調節電樞繞組端電壓,即使是空載狀態,由于有空載損耗,最小負載電流大于零,即電樞電流的平均值大于零。由式(IO)可知,此時電樞電流一定是連續的。因此只需將D=100%,代入式(7)就可得到調節直流電源電壓U時的機械特性表達式: (12)

   可見,調節直流電源電壓Ud時,理想空載轉速no隨直流電源電壓Ud線性變化,機械特性是一組平行的下斜直線。

2機械特性的仿真與實驗分析

   樣機的基本參數:額定電壓d=270 V,額定電流IN=45 A,額定轉速nN=8 000 r/min,極對數p=2,相繞組電感L=0.11 mH,互感M=0.03 mH,相繞組電阻r=20 mΩ。

2.1調節PWM占窄比的機械特性

   保持直流電源電壓U=270 V,調節PWM占空比,D,PWM開關頻率f=15 kHz,仿真和實驗測得的機械特性如圖4所示。

    圖4不同占空比的機械特性曲線

   根據式(10),不同占空比D樣機電樞電流保持連續的最小平均值如表l所示。

表l不同占空比D,電樞電流連續的最小平均值

   從圖4中可知:當電樞電流小于表1中電流值,仿真機械特性變軟,電流越小,仿真機械特性越軟;當電樞電流大于表1中電流值,仿真機械特性變得很硬。

   機械特性實測曲線與仿真曲線的趨勢吻合,但實測曲線顯示機械特性變軟的電流值大于表1中的值。其原因在于實測的最小電流點是電機未上負載臺的空載電流,緊接著的電流點是電機上負載臺的空載電流,而該電流值已大于臨界連續的電流平均值。實驗中無法測到臨界連續點,作圖時兩點一連,機械特性就在上負載臺的空載電流處開始變軟了。

2.2調節直流電源電壓的機械特性

      保持PWM占空比D=100%,調節直流電源電壓Ud,從圖5所示的機械特性仿真和實驗曲線可見,機械特性是一級平行的直線,機械特性較硬。

 圖5 不同直流電源電壓的機械我曲線

   圖6是開環調速實測的電樞相電流I1,從圖中可知調節占空比D,輕載時電樞相電流出現斷續(圖6a),面負載增加后電樞相電流連續(圖6b);調節直流電源電壓Ud,輕載和負載增加后電樞相電流都連續(圖6c、圖6d)。

 圖6電樞相電流I1

2.3 PWM開關頻率對機械特性的影響

   以PWM占空比D=60%為例,開關頻率分別取為10 kHz、15 kHz、20 kHz、25 kHz,此時樣機電樞電流保持連續的最小平均值如表2所示。圖7的機械特性曲線表明,PWM開關頻率越低,特性變軟時的電流值越大,特性變軟時的電流值與表2的數據基本一致。

 圖7不同開關頻率的機械特性仿真曲線

表2   D=60%,不同開關頻率,電摳電流連續的最小平均值

 

2.4電樞電感對機械特性的影響

   以PWM占空比D=60%為例,開關頻率取為15 kHz,改變電樞電感(L一M)的值,仿真得到的機械特性如圖8所示。圖8表明,電樞電感越小。特性變軟時的電流值越大,負載增加后電流連續時的機械特性越硬。

    圖8不同電機電感的機械特性仿真曲線

3結語

   通過對無刷直流電動機開環調速機械特性的理論分析、樣機仿真和實驗分析,得出以下結論:

   (1)凋節直流電源電壓調速,電樞電流波形始終是連續的,機械特性的硬度不隨負載的大小變化,始終很硬。

   (2)調節PWM占空比D,輕載時,由于電流波形斷續,理想空載轉速上升,機械特性變軟。隨著負載增加,電流波形連續.機械特性很硬。

   (3)調節PWM占空比調速,PWM開關頻率越低,機械特性變軟時的電流值越大,即電機輕載時的機械特性軟、調速性能差。但PWM開關頻率越高.功率管的開關損耗也越高,在選擇PWM開關頻率,可根據電機的負載范圍以及控制器的損耗綜合考慮。

   (4)電樞電感越小,調節PWM占空比調速,機械特性變軟時的電流值越大,即電機輕載時的機械特性軟、調速性能差。但負載增加,電流波形連續,電樞電感越小,機械特性越硬。

   影響電樞電感大小的主要原因是繞組的匝數和長度,在滿足主要技術指標的前提下,可適當考慮減小繞組甩數和選擇端部小的繞組嵌放形式,以減小電樞電感,增加機械特性的硬度。

   

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