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永磁无刷直流电动机重叠换相时间的研究
来源:互联网 sk001 | 王丽梅,王淑红
【分  类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 永磁无刷直流电机,重叠换相时间,转矩脉动
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  摘要:本文对永磁无刷直流电动机电磁转矩脉动问题进行分析,对采用重叠换相法抑制转矩脉动的重叠时间进行了理论推导,得出重叠时间的表达式,通过该式得到了影响重叠换相时间的因素,之后以四相永磁无刷直流电动机为例,利用MATLAB/Simulink软件搭建仿真模型,对分析结果进行了仿真验证。

  关键词:永磁无刷直流电机,重叠换相时间,转矩脉动

  0 引言

  永磁无刷直流电动机采用电子换相来代替机械换向,其结构简单、体积小、调速性能好、效率高,因此在各个领域中得到广泛应用[1]。然而由于激励波形的畸变而产生的转矩脉动未经减速机构直接作用于负载,会产生很大的振动和噪声,这限制了它在高精度位置速度控制系统中的应用[2],因此抑制转矩脉动就成为提高无刷直流电机伺服系统性能的关键问题。

  目前重叠换相法是永磁无刷直流电动机在中高速运行区内抑制转矩脉动最成熟的方法,国内外大量的文献对重叠换相法的原理作了详细的分析,但对重叠换相的时间并没有进行深入的研究,本文在分析采用重叠换相法来实现四相永磁无刷直流电动机转矩脉动抑制问题基础上,讨论了如何确定重叠换相的时间。

  1 无刷直流电动机电流换相的定量计算

  为确定重叠换相时间首先分析电机换相过程中电流的变化情况,对于四相半桥永磁无刷直流电动机,除去换相时的重叠换相外,任意时刻就只有一相绕组导通,以无刷直流电动机由A相绕组导通换相到B相绕组导通为例,来分析电机换相过程中的电流变化情况,此时四相永磁无刷直流电动机的电压平衡方程式可以表示为:

  (1)

  对上式进行求解可得出换相过程中A相、B相绕组中的电流值为:

(2)

  (3)

  由绕组电流表达式可知电机换相过程中定子绕组的电流变化与换相前的绕组初始电流、电机定子绕组外加电压、绕组电感、互感、反电动势以及电机的换相时间有关。

  在电机换相过程中,由于开通相电流和关断相电流的变化率的不同,使得换相过程可以分为以下三种情况:

(1) 开通相电流上升的速率等于关断相电流下降的速率,即换相过程中,的变化率相同,当变化到0的同时,也达到稳态值,如图1所示。

图1%20换相情况(1)

此时有,,由式(2)和式(3)可以得到:

  (4)

  (5)

在这种情况下电机的换相时间为:,联立式(4)和式(5)可以得出该换相条件下的电压与绕组反电势的关系式为:。

图2 换相情况(2) (2) 开通相电流上升的速率小于关断相电流下降的速率,此时在换相过程中当变化到0时,还没有达到稳态值,如图2所示。

此时有,在这种情况下电机的换相时间为:。在该换相时刻有,则此时绕组外加电压与反电势的关系式为:。

图3%20换相情况(3)%20(3)%20开通相电流上升的速率大于关断相电流下降的速率,此时在换相过程中当已经达到稳态值时,还没有降到0,如图3所示。

由上图可知,在这种情况下电机的换相时间为:。此时有,所以在该换相条件下的绕组外加电压与反电势的关系式为:。

  电机在从A相绕组到B相绕组的换相过程中电磁转矩方程为:

(6)

  将式(4)和式(5)代入上式中可以得到:

(7)

由式(7)可知电机在换相过程中电磁转矩由两个部分组成,一部分是转矩稳定分量,一部分是转矩脉动分量。当时,转矩脉动分量为零,电磁转矩将保持恒定,此时电机的换相时间为,因此为保证电机在换相过程中电磁转矩脉动最小,就要使得在电机换相时,开通相绕组电流上升的时间与关断相绕组电流下降的时间尽量相同。

  2 重叠换相原理

  在永磁无刷直流电动机控制系统中常采用重叠换相的方法来改善加在绕组上的实际电流波形,抑制电磁转矩脉动。重叠换相法按其工作原理可分为超前导通换相法和滞后关断换相法两种。图4和图5分别给出了两种重叠换相法的触发脉冲信号波形图,图4表示超前导通换相的触发脉冲信号,它表示在换相时,应该导通的功率开关管在换相开始之前就已经提前了一个电角度导通,图中黑影部分表示超前导通的角度;图5表示滞后关断换相的触发脉冲信号,它表示在换相时,应该关断的功率开关管不是立即关断,而是延时了一个电角度后关断,图中黑影部分表示延时的角度。

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