李有凱　蔣玲

摘 要： 通過對無刷直流電機開通期間的相電流和關(guān)斷期間的相電流分析，經(jīng)過實際計算得到電磁轉(zhuǎn)矩的表達式，得到相應的電磁轉(zhuǎn)矩脈動曲線。基于電流預測方法通過將預測模型分為模型建立、反饋調(diào)整和性能優(yōu)化3步，通過控制換相電流保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩脈動的抑制。通過仿真和實際實驗表明，該無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)在實際運行中具有轉(zhuǎn)矩脈動小、響應速度快等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞： 無刷直流電機； 電流預測； 轉(zhuǎn)矩脈動； 換相電流

中圖分類號： TN911?34； TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 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

無刷直流電機（BLDCM）由于具有輸出轉(zhuǎn)矩大、噪聲低、效率高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點被廣泛應用在各種工業(yè)控制場合上。然而對于一些控制精度指標要求較高的場合，常常用轉(zhuǎn)矩脈動作為衡量一個系統(tǒng)控制性能的好壞的重要標準。無刷直流電機作為工業(yè)生產(chǎn)中重要的動力來源，其調(diào)速性能與穩(wěn)定性的好壞將直接影響到工業(yè)上能否安全、穩(wěn)定和高效的生產(chǎn)[1]。

本文總結(jié)了以往無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點與缺點，以控制非導通相的相電流作為基礎(chǔ)，對無刷直流電機在換相期間非換相電流對轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的影響進行分析。通過仿真和實際實驗表明，將定子電流預測控制方法應用在轉(zhuǎn)矩脈動抑制的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩脈動低和穩(wěn)定性好等優(yōu)點[2?3]。

1 無刷直流電機數(shù)學模型

假定實驗所用無刷直流電機為三相對稱，無刷直流電機的等效模型及驅(qū)動電路如圖1所示，定子換相時刻只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)。

抑制

基于電流預測控制算法的三個基本特征包括電流預測模型、反饋校正以及滾動優(yōu)化，通過該算法對無刷直流電機的定子電流進行實時預測和控制[6?8]。

2.1 電流預測模型的建立

根據(jù)上述可知，決定電流變化率的因素有反電動勢[E]和直流側(cè)供電電壓[Ud，]而反電動勢和轉(zhuǎn)速成正比，通過實時檢測電機的轉(zhuǎn)速，可以得到[E]的實時值。一般情況下，電機的直流供電電壓[Ud]常常保持恒定，但是電機運行過程轉(zhuǎn)速的波動會導致[E]的變化，不能保證電機調(diào)速期間[Ud]始終與[4E]保持相等，所以電機在換相時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動會比較大。

3 仿真和實驗驗證

當調(diào)速系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速分別為1 600 r/min和300 r/min時，采用電流預測控制前后的無刷直流電機轉(zhuǎn)矩仿真波形分別如圖3和圖4所示。顯然，無刷直流電機處于高速和低速運行區(qū)域時，電磁轉(zhuǎn)矩的脈動方向不一樣，但采用定子電流預測控制后，電機的轉(zhuǎn)矩脈動獲得了很好的抑制。

本仿真和實際實驗所用無刷直流電機（BLDCM）的主要參數(shù)為：額定功率為160 W，額定電壓為24 V，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，極對數(shù)為4。實際實驗和仿真表明，采用定子電流預測控制的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)在很大程度上改善了由于換相而導致的非換相相電流的突變，從而可以很好地減小無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩脈動問題。

4 結(jié) 語

本文對無刷直流電機在換相過程中各相電流做出了非常詳細的分析，并通過推導得出電磁轉(zhuǎn)矩和脈動轉(zhuǎn)矩的表達式，從而得出保證非換相相電流的恒定是減小換相轉(zhuǎn)矩脈動的一項重要策略。與此同時，系統(tǒng)通過定子電流預測控制方法很好地對換相過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動進行抑制，并通過仿真和實驗驗證了該方法的可行性和有效性。

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