直流電機維修
電動車無刷電機超靜音控制器設計
時間：2011-9-6 11:15:26 來源：西安西瑪電機廠 作者： 點擊：
電動車無刷電機超靜音控制器設計---基于高速A/D實現精準電流補償
摘要：本文根據直流永磁無刷電動機的轉矩特性，分析了在電機運行中產生脈動轉矩的原因，并針對換相電流引起轉矩脈動進行了優化設計，在實際應用中取得了較好的效果。
關鍵詞：直流永磁無刷電機 轉矩脈動 電流補償
1.引言
直流永磁無刷電動機由于其結構簡單、可靠性高、低速大扭矩等特點而得到了越來越廣泛的應用，尤其是近年來在電動自行車中得到了廣泛應用。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性，噪音等指標提出了較高的要求。現有電動車電機大部分采用直流永磁無刷電機，電機的鐵芯為直槽結構，繞組為三相星形連接，逆變器一般工作在兩兩導通狀態。由于直槽電機在工作時扭矩波動較大,因此我們必須優化電機的結構并配合經過優化設計的控制器才能獲得比較滿意的效果。本文就如何設計直流永磁無刷電機超靜音控制器作一些探討。
2. 直流永磁無刷電動機的轉矩脈動分析
永磁無刷電動機由于電磁因素、齒槽的影響、電流換向、電樞反應等會產生較強的脈動轉矩。在設計電機和相應的控制系統時應認真考慮，采取措施，避免轉矩脈動過大。
2.1 電磁因素引起的轉矩脈動
電磁轉矩脈動是由于定子電流和轉子磁場相互作用而產生的轉矩脈動，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，電磁轉矩為恒值。而實際電機中，由于設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，這樣就會造成電機的扭矩脈動。
2.2 齒槽引起的轉矩脈動
由于定子鐵心槽齒的存在，使得永磁體與對應的電樞表面的氣隙磁導不均勻，當轉子旋轉時，使得在一個磁狀態內，磁路磁阻發生變化，從而引起轉矩脈動。齒槽引起的轉矩脈動是轉子磁場相互作用產生的，與定子電流無關。因此抑制由齒槽引起的轉矩脈動的主要集中于優化電機設計上，如斜槽法。
2.3 電流換向引起的轉矩脈動
圖1 為電動車電機控制系統的框圖，控制器工作在兩兩導通的狀態。每隔60°電角度MOSFET 換一次相。假如當前為Q1 和Q5 導通，則經過60°電角度，Q1 和Q6 導通。在Q1，Q5 導通期間，電流流經AB 線圈，換相后電流流經AC 線圈。由于電機的線圈為電感，在切換過程中，B 相的電流會以指數下降，C 相的電流會以指數上升。當Q5 關斷后，AB相線圈的電流經過Q1→AB 相線圈→Q2 的體二極管續流，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。因此電機的電流出現較大的脈動。如圖2a 中的CH3 所示。其中的電流脈動已達到12A。換相期間的電磁轉矩為：
其中Te 為電機電磁轉矩， 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，可近似認為eba ， eca 在換相區域內不變化，因此扭矩與電流成正比關系，電流的波動直接導致了電機轉矩的波動。在低速大負載運行的情況下，電機的轉矩脈動尤為明顯。
在直流無刷永磁電機的轉矩脈動原因中，前兩種主要靠優化電機的設計來達到目的，對于第3 種轉矩脈動，我們可以通過電流補償法來減小電機在換相過程中的轉矩脈動。本文將重點介紹這種方法。
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