摘要：

    本文介绍了一种直流无刷电机的简化电流的控制调制技术。它基于类方波电流的产生仅使用一个电流控制三相。这种方案的优点有：

    a)控制电路非常简单；

    b)相间电流保持平衡；

    c)避免了在扁平板中检测直流连接电流的困难：

    d)仅通过一个直流分量控制电流。

    这些特点允许使用三角形载波器作为功率晶体管的电流控制方案，相对于其它选择，它更易、更优。使用电子模拟器的计算机仿真( PSIM)，已显示了这一解决方案的优良特性及其简易性。例如在阶跃响应和反相条件下，使用一个15kw的电动机逆变器系统所做的一些试验显示了它在稳定状态和过渡状态时的****表现。

关键词：电机换流系统，功率晶体管，PSIM.

  在电力牵引及其它一些应用中，需要电动机有一个宽范围的速度和转矩控制。直流电机能满足这些需要，但这些电机需要周期性的维护。交流电机像感应电动机、永磁无刷电动机没有电刷和换向器，它们的转子由于不存在电机换向器或者滑环而很牢靠。这就意味着只需要很少的维护。这也提高了功率／重量比及效率。连续控制得到了长足的发展，它给电力牵引设备[1]、[2]提供了很高的动态表现。然而这种拉制类型很复杂。对电力牵引设备的控制，在硬件上，永磁无刷电机的发展使得它有了一个很大的简化[3l-[5j。时下，用于电力牵引设备的两种永磁无刷电动机最流行：

    (1)用正弦波电流驱动的永磁同步电动机(PMSM)

    (2)用类方波电流驱动的永磁直流电动机(BLDCM)

这两种设计消除了转予铜损耗，和传统的感应电动机相比，能得到很高的峰值效率（20到l00kw的钕铁硼电动机在百分之95）。面且，PSM及BLDCM的功率／重量比高于相应的鼠笼式感应电机。上述特点及高可靠的控制使得这一类型电机成为为电气机车应用中的一个强有力的牵引系统[6]。

    本文介绍的这种研究用来给出一个简易及高效的调整控制系统，它会给出很好的电流波形。为了实现这些目标，基于以下优点选择了BLDCM:

    (l)类方波电枢电流主要由通过它们的****幅值决定，它直接控制电机的转矩；

    (2)轴的位置传感系统仅需要输出六个数字信号来控制逆变器的晶体管；

    (3)由于晶体管本身存在的延迟时间，逆变器性能很可靠。

    第一个特点允许设计一个电路仅用来控制一个直流分量，它代表了梯形方波电流的****幅值I_max。第二及第三个特点允许减少其它电机所需的复杂电路，允许自同步过程来操纵电机。控制用于牵引设备的BLDCM的最流行的方法是通过电压源电流控制的逆变器。逆变器必须提供一个类方波电流，它的****值I_max和电机轴的输出转矩成正比[7]。然后，通过控制相流，转矩和转速都能得到调整。有两种方法控铷BLDCM的相电流：

    (1)通过对相电流的检测，相电流通过比较使它跟随一个类方波形模板

    (2)通过对直流连接电流的检测，赢流连接电流用来得到相电流的****值I_max

    在第一静情况下，控制是复杂的，因为它需要产生三相类方波形电流模板，各相相差120度而且，三相电流模板很难跟随电机电流，因为引入了相位移动和延迟[8]。在第二种情况下，很难检测直流电流，因为在功率逆变器中的晶体管和直流电容的连接是用扁平板做的，用来减少漏感。因而，很难连接一个电流传感器。为避免这些缺点，本文中等效的直流电流是通过检测电枢电流得到的。这些电流被整流，从而获得了对应于原始的相电流的最少值，的一个直流分量。然后这一直流分量被用来驱动BLDCM。这一方案的优点有：

(1)定子电流完全由它们的****幅值决定

(2)三相都由同一个直流分量控制，因而相电流定被保持在完全相同的****幅值I_max上

(3)不需要检测直流连接电流

这些特点允许采用三角形载波器作为功率晶体管的电流控制方案，这比其它调制方法容易待多、精确得多。

    建议的控制方案系统如图1所示。系统的运行过程如下：电动机是无刷直流类型，电枢电流的波形是类方波的。这些电流通过电流检测器检测到，并转变为电压信号。然后这些信号被整流，从而一个有着****电流值的直流分量就得到了，如图1所示，这个直流信号和一个希望的的参考电流IREF相比较，得到误差信号e(t)。这个误差通过PI控制给逆变器的所有六个阀门产生了PWM，逆变器的六个阀门被转轴位置传感器相继地触发。转矩是由IRE，直接控制的。IREF的参考值越大，产生的转矩越大。这种方案变得很简单，因为控制仅需要控制一个直流电流，而不是三个交变波形。这种方案的另一个优点就是，使用一种可行的******的控制方案，却三角形载波器调制方案就可以实现电流调制，三角形载波器调制方案额外提供了如下的一些优点：

    (1)开关频率由三角形载波器决定

    (2)当使用三角形载波器后，用建议的方法跟随模型的能力变得非常精确

    (3)硬件的实施非常简单

    控制方案也允许再生制动，在许多应用中这一点很重要，如在电气机车中，能量可以反馈到电池组件。为了制动电动机（再生制动），定子磁场必须被反相。改变位置检测器所给信号可以实现这一动作。图2示出了六个极（三对极）电机的定转子的磁场。位置检测器每360度电角度区分有六个位置。当电动机运行时，转子顺时针转动。当施加一个制动信号时，定子磁场反相180度电角度。这一动作在转矩方向上产生一个瞬时变化，使得电机速度很快得到减小，并开始把能量反馈到直流电源。在电机反向旋转时可使用同样的方案。

     驱动系统由一个三相20kW逆变器、一个16 (HP) BLDC永磁电动机、和一个直流电源组成a检测系统分为两大部分：位置检测系统和电流检测系统。第一个系统基于置于电机内部的三个霍尔传感器，以及置于转子上和电动机极数相同数量的磁盘。第二个检测系统（电枢电流）基于置于电动三相中任意一相的两个LEM模块。不需要检测三相电流，因为：

(1)没有中性点连接，因而第三相电流可由另两相得到

(2)尽管前一原因足以说明只需使剁两个电流检测器，但还有一个原因可说明只需一个检测器：电流的检测只需得到其****值I_max。（位置检测器给出相移和顺序）。假定仅有一个检测器，他可以在2/3周期(240度)内得到电流I_max的信息。对于另外的120PwM可以以同样的占空度维持直至获得下一个电流I_max的信息。在电机绕组和逆变器特性正常的平衡条件下，一个检测器系统可以工作得很好，并有慢的动态运行。然而，在一般条件下至少拥有两个电流检测器会更可靠、更精确，它会给出多余的信息。图3示出了通过一个相电流检测器及两个电流检测器到电流I_max的方法。显然，在两个60度的间隔中没有得到I_max信息时，只要PWM保持不变的占空度，一个电流检测器得到的信息是可用的。然而，如图3所示两个检测器的信息是完整和多余的。

 

 

    (a)a相电流(b)仅使用一相被整流的电流信号，120度无信号

    (c)b相电流(d)使用2相被整流的电流信号有完整的I_max信息

    前已述在直流环节使用一个电流检测器是不行的，因为在晶体管和电解电容之间使用平的铜板，电源逆变器是不会工作的。这是构建电源逆变器的同一方法，否则直流环节和晶体管间的泄露电感会变得很大，产生的过电压会损坏晶体管。

     图l中的调制器控制具有数模电路次模块（比较器、PI控制器以及加法器）。前已述及，直流信号I_max通过对相电流的整流得到。整流系统使用锗二极管减少由逆变器中使用的二极管的固有电压降引起的非线性问题。然而，仅当电流值小于I_max ( 120A)名义值的百分之3时，这个问题才值得考虑。这样，在假定方法的运行中这不是一个严重的问题。

    电流I_max和给定的参考电流I_ref比较，得到误差信号e(t)。它通过PI控制器，所得输出与一个有固定幅值和频率的三角波比较。这样就供给电机的三相绕组一个共同而唯- PWM。这个一致的PWM模式以及位置检测器所给的信患就可为每个晶体管产生控制信号。PWM控制****值I_max，位置检测器决定PWM何时加到哪个晶体管，为电机的旋转产生一个正确的时序。图4示出了位置检测器的数字时序。

     电流控制器的调制始于三角波的幅值、频率的决定以及PI控制器的增益。为了得到运行于载波频率的PWM信号，调整参考电流保持于参考值上下来进行控制。图5示出了通过反馈信号I_max (t)控制定予电流的方法。M1的上升斜线和m2下降斜线是直流源和电机模型的一个函数反映。电机模型包括相间自感和反电势【9】。这样，基于载波器的****误差e_max会依赖于m1和m2斜线，在工作点及载波频率。这个情况可用数学式表达，借助于图5，如下所示：

    式(1)中的x代表了当电流增加时载波器周期T的一个分数。根据这个等式，x定义了PWM模式的理想输出。这样，控制参数必须根据x来调整。注意Epp代表信号的峰峰值误差。

  

     根据图5所给定的时间，如下的关系可写成：

这时，当电流I_max变大时，误差e(t)可写为如下模式

如果****值的变化率为I：a，那么e_c(t)的表达式变为如下所示

另一方面，PI控制器的输出可表为

    现在如果我们假定电机运行是稳定的，在稳定状态下运行时，这就意味着

在t1和t2时，三角形载波器和PI控制器有相同的值，因为这是PWM产生的端点。

由(7)及(8)，可以得到K_p和 (9)、(lO)

这时，由(2)、(9)和(10)，可作如下假定(11)、(22)

把(12)代入(6)得到K1值（13）

 

  基于三角波发生器方法的P \n-i必须设定一个低于（或等于）载波器的交越频率。这个条件可表述如下

   换句话说，Pl控制器的斜率不能超过载波器的。式(14)给出了与载波器的幅值(A)、频率(f)以及比例增益（K_p）相关的设计条件。另一方面，用直接的方法没有得到与积分增益（置，）相关的表达式。

    为了得到(8)中已提到的K1在起始点，认为积分增益是与载波器频率相同的比例增益产生。然而，使用(6)及图6，可得到如下的一个近似表达式(

    为达到闭环控制，需要估计稳态条件下积分误差。一种方法是假定积分的值比在初始阶段由积分器的误差所给的值要高。借助于图6这可以得到很好的解释。这样，使用(15)式及图6所给的假定，PI控制器的标准可以得到初始化。

    因为设计条件依赖于电机的速度，控制调整到lOOOrpm的速度。另外，电机以如下的每相参数得到仿真：R=12mΩ，L=150μH，|eδ|_max=20V／Krpm。电源逆变器假定是理想的，直流电源设定在144Vde。所有这些值是和真正的参数相一致的。下一步是得到x值和e_max的值。考虑完这些情况后，可以得到m1和m2的值。

 

    这就意味着在l000rpm时，百分之63.9占空比的PWM相应于参考值有±7.383A的****误差。比例增益设定在任意值10。因为(14)和(15)是有一个自由度的系统，这就变得可行了。另一方面，载波器的频率设定在10000Hz (15kHz)。可通过(14)来计算三角波发生器(A/2)的幅值。

现在，常量M的值可由(12)得到，由(17)的结果有

假定I_ref有****值l00A，用(16)的结果，可计算K1

    图7 BLDCM电枢电流从50到100 (A)的渐进变化：为了碍到仿真，使用了Powersim技术公司的电力电子仿真器(PSIM)软件。图7示出了电机每相电流随着参考电流I_max从50到100安培的相应变化。从图中可看出，电流波形仅在它的扁平区域(I_max)有一个很高的调制水平。这是因为使用的调制方法是通过I_max而不是一个类方波。

    图8的仿真结果在细节上示出了两个电枢电流的交越过程（一相开另一相关）。参考电流I_ref= 50A。图8(a)示出了在lOOOrpm转速下的电枢电流和控制信号。在2000rpm转速下的同一信号如图8(b)所示。控制信号来自于图l中的****的P掰，它来自于三角波发生器和轧输出的比较。能够看到，PWM直接控制六个晶体管的关断，它通过位置检测器给出的换相选择。换相过程中，误差信号e(t)变得很大，但是一旦换相结束，控制会使情况保持在正常条件下。

     为了评价假定的控制方法做了一些试验。试验的硬件执行如图9所示。

 

      机械负载是一个直流电机。BLDCM是Solectria公司生产的一个电机（型号BRLS16，144V，120A，六极，百分之94的峰值效率）。在我们的电气设备中用到了IGBT逆变器(额定值：150Vdc，150A)。逆变器在三相全波整流器后，在直流电源部分装有晶闸管。这个晶闸管可以允许BLDCM的电源反相。如图9所示，相电流可以导入也可以储存在PC机里进行分析。

 

  

   

    图10比较了两种方法下的电流。图10(a)示出了用类方波模板和基于周期取样方法的电流控制器[8]的电流波形。另一方矗，图10(b)示出了用假定的方案下的电流波形，即给三相和基于三角波发生器的电流控制器以相同的PWM模式。两种情况下开关频率都调整到4kHz。电流波形在质量方面的不同变得非常明显。用相同的PWM模式和周期采样的试验说明了在两者之间的结果。同样的可以使用在类方波模板和三角波发生器时。简言之，用假定的方法得到了****的结果。

    图l示出了大约是80A直流电流时的电流波形。在电机轴上有负载的情况下电机转速是1430rpm可以看到相电流很干净。还可以看到，因为给三相的/--是相同的，相电流保持了平衡。在其它转速、参考电流下的电流表现出相同的很好的特性。

 

     图12示出了在参考电流从I_max=50Adc变到I_max=l00Adc时的变化过程。值得指出的是，电流的大小很稳定并且没有摆动。

   

     图13 (a)示出了在参考电流，…从50A变到80A，电源反相时的过程。直流电源电压是Vdc=120V，三角波发生器的频率fc=l5kHz。给出了相电流ia和ib 。另一方面，图13(b)示出了电流ib瞬时情况下的细节(见图13 (a)中表格）。图中示出了PI控制器的输出，三角波发生器和PWM。可以很有趣地看到，PI控制器的输出在转变过程中变得非常快，试图尽可能快的产生一个反相电流。

     

    本文介绍了控制直流电机无刷电机的一个不同的方案。它仪使用一个电流控制器就可控制三相的类方波电流的产生。这一方案的优点有：

(a)非常简单的控制电路；

(b)相电流保持平衡；

(c)通过一个直流分量控制电流，因而消除了过大的相电流。

    这些特点允许使用三角波发生器作为功率晶体管的电流控制方案，这比其它选择更简单、更精确。通过和传统技术的比较，可以看出使用这种调制技术的控制方案的优良特性。用l5kW逆变器的一些试验示出了在稳态和暂态响应下波形的优良特性。目前，在使片}这种方法的工作集中在DSP的使用上。运用德州仪器的TMS320F241的一个DSP控制器，可以得到一个很好的结果。这个想法给出系统尽可能多的机动性，进而研究用其它可选控制下的系统表现，例如只需要一个相电流控制器的情况。