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 電動車無刷電機(jī)超靜音控制器設(shè)計---基于高速A/D實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)電流補(bǔ)償

摘要：本文根據(jù)直流永磁無刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，分析了在電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩的原因，并針對換相電流引起轉(zhuǎn)矩脈動進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。
關(guān)鍵詞：直流永磁無刷電機(jī) 轉(zhuǎn)矩脈動 電流補(bǔ)償

1.引言

直流永磁無刷電動機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、低速大扭矩等特點(diǎn)而得到了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是近年來在電動自行車中得到了廣泛應(yīng)用。由于電動自行車是人們的日常代步工具，因此人們對整車的啟動平穩(wěn)性，噪音等指標(biāo)提出了較高的要求。現(xiàn)有電動車電機(jī)大部分采用直流永磁無刷電機(jī)，電機(jī)的鐵芯為直槽結(jié)構(gòu)，繞組為三相星形連接，逆變器一般工作在兩兩導(dǎo)通狀態(tài)。由于直槽電機(jī)在工作時扭矩波動較大,因此我們必須優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)并配合經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的控制器才能獲得比較滿意的效果。本文就如何設(shè)計直流永磁無刷電機(jī)超靜音控制器作一些探討。

2. 直流永磁無刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動分析

永磁無刷電動機(jī)由于電磁因素、齒槽的影響、電流換向、電樞反應(yīng)等會產(chǎn)生較強(qiáng)的脈動轉(zhuǎn)矩。在設(shè)計電機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)時應(yīng)認(rèn)真考慮，采取措施，避免轉(zhuǎn)矩脈動過大。

2.1 電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動

電磁轉(zhuǎn)矩脈動是由于定子電流和轉(zhuǎn)子磁場相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動，它與電流波形、反電動勢波形、氣隙磁通密度的分布有直接關(guān)系。理想情況下，定子電流為方波，反電動勢波形為梯形波，平頂寬度為120°電角度，電磁轉(zhuǎn)矩為恒值。而實(shí)際電機(jī)中，由于設(shè)計和制造方面的原因，可能使反電動勢波形不是梯形波，或波頂寬度不為120°電角度，這樣就會造成電機(jī)的扭矩脈動。

2.2 齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動

由于定子鐵心槽齒的存在，使得永磁體與對應(yīng)的電樞表面的氣隙磁導(dǎo)不均勻，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，使得在一個磁狀態(tài)內(nèi)，磁路磁阻發(fā)生變化，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動。齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動是轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的，與定子電流無關(guān)。因此抑制由齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動的主要集中于優(yōu)化電機(jī)設(shè)計上，如斜槽法。

2.3 電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動

圖1 為電動車電機(jī)控制系統(tǒng)的框圖，控制器工作在兩兩導(dǎo)通的狀態(tài)。每隔60°電角度MOSFET 換一次相。假如當(dāng)前為Q1 和Q5 導(dǎo)通，則經(jīng)過60°電角度，Q1 和Q6 導(dǎo)通。在Q1，Q5 導(dǎo)通期間，電流流經(jīng)AB 線圈，換相后電流流經(jīng)AC 線圈。由于電機(jī)的線圈為電感，在切換過程中，B 相的電流會以指數(shù)下降，C 相的電流會以指數(shù)上升。當(dāng)Q5 關(guān)斷后，AB相線圈的電流經(jīng)過Q1→AB 相線圈→Q2 的體二極管續(xù)流，AB 相線圈電流很快衰減為零，但是AC 相的電流就需要相對較長的時間才能上升到換相前的大小。因此電機(jī)的電流出現(xiàn)較大的脈動。如圖2a 中的CH3 所示。其中的電流脈動已達(dá)到12A。換相期間的電磁轉(zhuǎn)矩為：

其中Te 為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩， ea , eb , ec 為相繞組電動勢， ia , ib , ic 為相繞組電流。

由于換相時間很短，可近似認(rèn)為eba ， eca 在換相區(qū)域內(nèi)不變化，因此扭矩與電流成正比關(guān)系，電流的波動直接導(dǎo)致了電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動。在低速大負(fù)載運(yùn)行的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動尤為明顯。

在直流無刷永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動原因中，前兩種主要靠優(yōu)化電機(jī)的設(shè)計來達(dá)到目的，對于第3 種轉(zhuǎn)矩脈動，我們可以通過電流補(bǔ)償法來減小電機(jī)在換相過程中的轉(zhuǎn)矩脈動。本文將重點(diǎn)介紹這種方法。

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