前置电流型两象限斩波器的无刷直流电机控制器研究
徐蕾，马瑞卿，李虚怀，曹涛
(西北工业大学自动化学院，西安710072)
摘要：研究了基于前置电流型两象限斩波器的无刷直流电机控制方法。介绍了电路的硬件结构，分析了利用该方法抑制电机的电流和转矩波动，改善电机制动特性的原理。在Matlab/Simulink环境下建立了控制系统的仿真模型，给出了仿真结果并与传统结构下的仿真结果进行了对比。结果表明，电流型两象限斩波器能够明显减少无刷直流电机电流和转矩波动，改善电机制动特性。
关键词：无刷直流电机；斩波器；电流波动；仿真模型
中图分类号：TM36+1 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2010)02-0062-04
0引 言
本文对无刷直流电机电流波动进行了详细的分析。提出采用前置电流型两象限斩波器的方法减少电机电流和转矩波动，同时改善电机制动特性。
在Matlab/Simulink坏境下建立了电流型两象限斩波器的仿真模型并将其应用于无刷直流电机控制系统。通过与传统方式下仿真结果的对比，证明了通过前嚣电流型两象限斩波器能够有效抑制无刷直流电机转矩和电流波动，同时改善电机制动性能。
1主电路结构
采用前置电流型两象限斩波器的无刷直流电机控制系统主电路结构如图1所示。主电路由电流型两象限斩波器和三相全桥逆变器组成。
传统的三相全桥逆变器在工作时，六个功率开关管全部（双极性调制）或部分（单极性调制）工作在PWM状态。而图l所示系统中，功率开关管Tl~ T6工作在120度导通方式下，其开通和关断由控制器根据位置传感器信号确定。功率开关管T7和T8工作在互补PWM状态。由于Tl~ T6工作在低频状态，开关损耗大大减小。电机起动时，以T7、D7为主，构成降压型斩波电路，实现电机调压调速。制动时，以T8、D8为主，它们与L构成Boost电路，使电机能量回馈电源。二极管D9主要用于换相保护，防止逆变器功率管关断时电感电流无续流回路而产生大的损坏功率管。
2电流波动分析
当电机运行在电动状态下时．忽略功率管导通压降，则等效电路如图2所示。当T7导通时，电源向电机供电，电路中电流上升；当T7关断时，电流通过二极管D7续流。为了使负载电流连续且波动小，通常L较大。如果斩波器中的电感L较小，负载电流可能出现断续。一般不希望出现电[3]断续的情况，所以本文只讨论电流连续的情况。电流连续时的电流波形如图3所示。
忽略功率开关管和二极管的导通压降，当17处于开通状态时，回路电压平衡方程为：
式中，Ud为电源电压(V)；id为电机电流(A)；L为斩波器电感(H)；R为电机每相绕组电阻(Ω)；Lc为电机每相绕组电感(H)；M为电机每相绕组互感(H)。
设这一阶段电流初始值为I20，解上式可得：
当T7处于关断状态时，同路的电压平衡方程为：
设这一阶段的初始电流为kI20则解主式可得：
当电路处于稳态时，可认为：
也即T7进入通态时的电流初始值就是T7关断阶段结束时的电流值，反过来，T7进入断态时的电流初始值就是T7在通态阶段结束时的电流值。
由以上各式可得：
电流波动量为：
当占空比为百分之50，即ton=0. 5，时电流波动****。此时的电流波动为：
将式(11)用泰勒级数近似，可得：
一般情况下，稀土永磁无刷直流电机绕组等效电感Le-M较小，所以电流波动较大。而斩波器中滤波电感L，可以作为电机绕组电感的补充。由式(12)可以看出，由于L的加入使得回路的电感增大，从而减少了电流波动，这也就减小了电机的转矩波动，提高了系统的静态性能。
3制动过程分析
前置电流型两象限斩波器的无刷直流电机控制系统如果采用常规的反接制动方法，将会出现电流失控现象，有可能损毁逆变器。所以，应该采取不同制动方式[4,5]。
假设制动开始前T1和T6两个开关管导通。制动开姑时，现将斩波器中的T7关断，T8开通，逆变器中的开关管继续保持电动运行时的导通和关断顺序。Tl和T6仍然开通，这时电流回路为：L—Tl—a—b—D7一L当电流减小到0之后开始反向增加，这时电流回路为：L—T8— D6—b—a_Dl一L。当反向电流增大到限幅值时，由于电流调节器的作用，使T7和T8进入PWM状态。当T7开通、T8关断时，斩波器工作在Boost状态，将电机中的能量回馈到电源，这时的电流回路为：L—D8-—电源—D6—b—a—Dl—L。由于电流反向，产生的反向制动力矩能够使电机快速制动。此时电机处于发电状态，通过Dl~ D6进行整流。
4仿真分析
4.1仿真模型的建立
在Matlab7．O的Simulink环境下，利用Simunlink及SimPowerSystem丰富的模块建立了如恩4所示的电流型二象限斩波器的仿真模型。其中，PWM1和PWM2分别为T7和T8的驱动信号，功率开关管采用MOSFET。
图5是无刷直流电机电流闭环控制系统仿真模型
其中：Currentpi为电流环调节器，采用PI控制；PWM为PWM发生模块，作用是产生T7和T8的驱动信号；Tow_ qra是电流型两象限斩波器；Universal Bridge是三相全桥逆变器，其中功率器件类型选择MOSFET/Diodes; BLDCM为无刷直流电机本体模型；I—Measue的作用是将三相相电流合成为线电流；TL是负载转矩。
图5无刷直流电机控制系统仿真模型
4.2仿真结果与分析
本模型所选取的电机参数如为：额定电压为28 V DC，额定电流为1.5 A，电机极对数为1，定子每相绕组电阻为lΩ，电感为0.14 mH，互感为0.05 mH，转子转动惯量为4.045×10kg．m2，PWM载波频率为20 kH。斩波器电感L取为2 mH。
图6—图8分别是无刷直流电机相电流、母线电流和转矩在使用前置电流墅两象限斩波器和使用常规方法下的对比波形。可以看出，由于斩波器电感L的作用，电机相电流、母线电流以及转矩的波动较采用常规方法时均有了明显减小。可见电流型两象限斩波器有效的抑制电机电流和转矩波动。
图9是电机制动特性对比波形。在0. 03 s时将电机的给定转速由4 000 r/min变为2 000 r/min。可以看出，采用前置电流型两象限斩波器能有效的加快电机的制动过程，改善制动性能。
5结论
本文介绍了前置电流型两象限斩波器的无刷直流电机控制系统主电路构成及工作过程。对无刷直流电机电流波动进行了定量分析，通过分析，证明了采用电流型豫象限斩波器能够减少电流波动。分析了采用电流型两象限斩波器控制时电机制动过程。
在Matlab7.0/ Simulink环境下建立了电流型两象限斩波器及无刷直流电机系统的仿真模型，给 出了仿真结果。通过与常规方法下仿真结果的对比，证明了前置电流型两象限斩波器能够明显减小无刷直流电机电流和转矩波动，并有效改善电 机的制动特性，加快制动过程。
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