李伟，窦满峰

    (西北工业大学，陕西西安710072)

    摘要：在对11 kw稀土永磁无刷直流电动机起动过程研究中，针对起动电流过大，采用斜坡电压的方法进行控制。通过分析得到采用斜坡电压控制策略时影响起动电流的参数和电流峰值与斜坡控制时间的关系，同时提出了电动机的起动效率概念。仿真结果证实了采用斜坡电压控制策略能有效的控制起动电流，并且能实现电动机快速起动。

0 引  言

    稀土永磁无刷直流电动机起动过程的一个突出问题是起动时冲击电流大，如果不采取一定的措施，过大的起动冲击电流将会损坏功率器件，同时使电动机本身受到过大电磁力的冲击，从而造成电动机内部有过热的危险。通常采用电流负反馈的控制策略对起动电流进行抑制，这种策略是通过检测电动机的电流，与限定的电流值相比较，从而改变起动过程中的施加电压，实现抑制无刷直流电动机起动过程过大的起动电流。但是这种控制策略的不足是造成起动过程电流的波动，从而引起转矩的波动。本文提出采用斜坡电压控制起动电流，分析得到了斜坡控制时间与起动电流峰值的关系，并通过对研制的H kw稀土永磁无刷直流电动机起动过程进行仿真分析，证实采用斜坡电压可以有效控制起动时的电流，并且实现电动机的快速起动。

1无刷直流电动机的起动

    三相绕组对称的无刷直流电动机，起动时的动态模型为：

式中：u、i、e、t分别为电动机动态过程中的电压、电流、感应电动势、电磁转矩的瞬时值；L为电枢电感；R为电枢电阻；t为电磁转矩，包括电动机轴上输出转矩和恒定阻力转矩；T为输出转矩；K为电磁转矩系数；ω为转子机械角速度；J为转子转动惯量；n为转子瞬时转速。

不考虑饱和时，永磁无刷直流电动机在正常运行中，一般可以认为磁通φ不变，故K为一常数。若令全部初始条件为零，对式(1)～式(4)进行拉普拉斯变换，并整理可得到起动时电流为：

    三相六状态无刷直流电动机两相绕组通电，起动时电动机转速接近于零，全电压加在功率晶闸管和两相绕组上，将产生很大的冲击电流。

  式(5)可化为：

式中：r为电磁时间常数，τ为机电时间常数。2斜坡电压控制起动电流方法原理

2 1直接起动

直接空载起动电流曲线如图l所示，从图中可以看出直接起动电流约为额定电流的20倍，必须进行抑制。

通过分析，采用斜坡电压控制方法可以有效地抑制过大的起动电流。

2 2斜波电压控制策略原理

对于大多数电机，特别是放大器内阻与电枢绕组相串联的电机，其τi》τd,τd可忽略不计，式(6)可简化为：

  给电动机加载如图2所示的斜坡有效电压：其中：t称为有效控制时间。

在斜坡控制阶段，即：O<t≤tr时：

从式(9)可以看出，起动电流有一个****值

如果选择tr≥τ1，则指数部分很快趋于零，电流为一个恒值：

起动电流包括和负载稳态电流,I两部分，其中前者受斜坡控制时间t，影响。

    在t>tr阶段：

可以看出：在t>tr时，起动电流成指数衰减变化，最后达到稳态L由电机本身决定。

结合以上的分析可以得到斜坡电压作用下的起动电流，如图3所示。

从图3中可以看出通过给电动机加载斜坡电压，实现了电动机起动电流的可控性。同时在整个起动过程中，起动电流一直保持****允许值，此时电动机以****转矩起动，转速迅速以直线规律上升也可以实现电动机的快速起动。

2 3起动效率

为了衡量不同斜坡控制时间下电动机起动过程的效率，引入起动效率概念。其定义为：起动过程中电动机输出机械能与输入电能之比。即为：

2 4斜坡电压的实现母线电压为u，占空比为δ时，平均电压：

    U=δU

有效值：

式(13)为电动机电压与占空比关系，由此可知，可以通过按照斜坡规律调整PwM的占空比，实现对电动机的载入如图2所示的电压，不同的斜坡斜率对应不同的t．从而实现电动机不同的起动时间。

3应用实例

3 l实例

作者设计的一台稀土永磁无刷直流电动机，三相六状态工作，Pn=11 000 w，U=270 V，nN=8 000 r／min。定子绕组Y形连接，转子两对极结构。

电动机参数：相绕组电阻R=0．17 Ω，转动惯量J=0．002 3kg·m，机电时间常数τ1=0.O174s，电磁转矩系数K=0．15 N·m／A，负载T=0．5 N·m。

3．2起动过程仿真分析

tr=O 5 s时的起动电流和转速仿真结果，如图4所示。

图4表明：起动电流峰值与tr有关；在整个起动过程中，起动电流可以一直保持****允许值，此时电动机以****转矩起动，转速迅速以直线规律上升，以缩短起动时间；起动结束后，电流从****值迅速下降为负载电流值且保持不变；tr=O. 5 s时的起动效率为百分之十一点九二。

4结语

(1) 起动电流的抑制是无刷直流电动机起动过程研究的重要内容，本文对斜坡电压控制的电动机起动过程电流进行了分析，得到了影响起动电流的参数，同时得到了电流峰值与斜坡有效控制时间之间的关系。

(2)斜坡电压控制方法有效地抑制了起动电流，实现了电动机快速起动。

(3)斜坡电压可以通过软件的编制调节PwM占空比实现，从而可以实现电动机的软起动，不需要对系统的硬件进行改动。

(4)电动机的起动效率对应于起动过程的发热，因此对于频繁起动的电机可以根据实际选择起动时间。