关键字 |
| 无刷直流电动机，矢量控制，空间矢量PWM。 |
介绍 |
| 无刷直流电机是同步电机，由直流电源供电，通过逆变器或开关电源产生交流电信号驱动电机。它的定子由星形或三角形连接的交流绕组组成，转子由永磁体组成。无刷直流电机用于电器、汽车、航空航天、消费、医疗、工业自动化设备和仪器仪表等行业。无刷直流电动机比有刷直流电动机和感应电动机有许多优点。其中一些是: |
| 1.更高的扭矩重量比 |
| 2.每瓦扭矩更大(效率更高) |
| 3.增加可靠性 |
| 4.减少噪音 |
| 5.长生命周期 |
| 6.消除换向器的电离火花 |
| 7.减少电磁干扰 |
| 8.通过传导更容易冷却 |
| 9.更好的功率因数。 |
| 电机的速度可以用开环控制来控制。但精确的速度控制在各种应用中都是必要的，这只能通过闭环速度控制来实现。矢量控制是电机系统的一项重要技术，特别是永磁电机系统。它为同步电机在快速变化负载的调速驱动应用中提供了一种有效的控制方法，并能提高交流感应电机的功率效率，特别是在低速时。这并不意味着矢量控制技术只能用于异步电动机的功率效率。无刷直流电动机本身，效率非常高(高达96%)，但通过在无刷直流电动机中实施矢量控制，可以在很大程度上减少转矩波动，从而提高性能。在过去的几年中，由于半导体器件的技术改进，控制电气驱动领域已经经历了快速扩张。新型电子微处理器和dsp提供了惊人的计算速度，使有效的矢量控制交流驱动器的发展具有更低的功耗和更精确的控制。 |
| 无刷直流电动机的建模基于忽略铁质和杂散损耗以及定子谐波场引起的感应电流的假设。该电机被认为是三相电机。 |
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| 式中ia、ib、ic为每相定子电流。诱发电动势为ea, eband ec，假定为梯形，峰值为Ep，推导为 |
 =λpω米 |
| 其中N是每个相串联导体的数量，v是速度，l是导体的长度，r是转子孔的半径，ω米为角速度，B为导体所在场的通量密度。 |
| 磁通密度B完全是由于转子磁体。乘积(Blr)，记为φa，具有通量的尺寸，与气隙通量φg成正比。 |
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| 通量与串联导体数的乘积具有通量连杆的维数，用λp表示。由于它与通量连杆成1/Π的比例，因此称为修正的通量连杆。 |
| 通过拉普拉斯变换，各相的电压可以写成 |
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| 由上式可得单相电流为 |
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| 力学方程 |
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| 其中T新兴市场(t)为发展电磁转矩，ω(t)为转子角速度，B为粘性摩擦常数，J为转子转动惯量，tl为负载扭矩。 |
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| 后面的动势可以写成 |
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| 扭矩可以写成 |
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| 相感应电动势 |
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| 感应动势呈梯形。可以观察到，相电压方程与直流电机的电枢电压方程是相同的。这就是将这台机器命名为永磁无刷直流电机的原因之一，尽管它是一台交流电机。 |
病媒控制 |
| 气隙磁链的振荡会导致电磁转矩的振荡，并反映为速度的变化，这是不可取的。单独激励的直流驱动器在控制上更简单，因为它们独立控制磁通，当磁通保持恒定时，有助于独立控制转矩。这种控制策略也可以应用在交流驱动器的情况下，称为矢量控制。 |
| 电机通过电压源逆变器控制。它耦合到一个直流转速，其输出是实际转子转速ωr。这与参考速度ωr*进行了比较。误差被放大和限制以产生q轴参考电流。这与电机的实际q轴电流进行了比较，并通过PI控制器放大和限制了误差。同样地，将d轴参考电流取为零与实际d轴电流进行比较，误差再次被放大和限制。这些电流被转换到a-b-c参考系，然后作为脉冲宽度调制电路的输入。本文旨在比较研究正弦脉宽调制和空间矢量脉宽调制两种不同的脉宽调制方法在矢量控制无刷直流电动机中的响应。 |
矢量控制无刷直流电动机中正弦PWM和空间矢量PWM的比较 |
| A.Sinusoidal PWM |
| 脉冲宽度调制是修改脉冲序列中脉冲宽度的过程，与一个小的控制信号成正比;控制电压越大，脉冲越宽。通过使用所需频率的正弦波作为PWM电路的控制电压，可以产生高功率波形，其平均电压以适合于驱动交流电机的方式呈正弦上升。 |
| b .空间矢量PWM |
| 任何调制技术的主要目的都是获得具有最大基本分量和最小谐波的可变输出。空间矢量PWM (SVPWM)方法是一种先进的方法;计算量大的PWM方法，可能是变频驱动应用的最佳技术。由于限制，输入线必须永远不会短路，输出电流必须始终是连续的，电压源逆变器只能假设八个不同的拓扑。这八种拓扑中有六种产生非零输出电压，称为非零开关状态，其余两种拓扑产生零输出电压，称为零开关状态。 |
| 图4描述了实现空间矢量PWM或正弦PWM的无刷直流电机的矢量控制框图。电机的实际转速与转速参考值进行比较。误差是给定给PI控制器的，并且是有限的。产生的信号称为转矩参考电流。这是比较实际电流，从电机得到后，Clarke和Park的转换电流，定子电流。电流与零参考电流进行比较。误差再次被放大和限制，输出给PWM块。 |
| 比较正弦PWM和空间矢量PWM清楚地表明，在矢量控制电路中实现空间矢量调制时，扭矩和速度波动，电流波形更好。图5和图6分别显示了正弦PWM和SVPWM的速度波形。参考速度为1500作为输入。在正弦PWM中，速度波动更多。类似地，电流波形如图7 - 10所示。这也揭示了当前波形更适合于SVPWM。 |
结论 |
| 本文对无刷直流电机在磁场定向控制中采用正弦PWM和SVPWM时的电流波形和速度波形进行了比较。仿真结果表明，在矢量控制电机中采用空间矢量调制策略时，速度和转矩的波动较小。由此可见，在电机驱动系统中采用空间矢量调制技术可以提高电机驱动系统的整体性能。 |
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数字一览 |
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| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
图5 |
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| 图6 |
图7 |
图8 |
图9 |
图10 |
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参考文献 |
- R. Krishnan，“电动机驱动建模、分析和控制”，Prentice Hall 2001。
- 俞振宇，Arefeen Mohammed, IssaPanahi。1997，“三种PWM技术综述”美国控制会议记录，阿尔伯克基，新墨西哥州。257 - 261页。
- AnshumanTripathi, Ashwin M. Khambadkone”,基于空间矢量调制的交流驱动转矩脉动分析及动态性能，《IEEE电力电子学报》，第20卷，第1期。2005年3月2日。
- 姚文西，胡海兵，陆正宇，“空间矢量调制和载波调制的多电平逆变器的比较”，IEEE电力电子汇刊，第23卷，no. 2。2008年1月1日
- Joseph P John, Dr. S. Suresh Kumar，“基于空间矢量调制的无刷直流电机磁场定向控制方案”，icetect 2011
- Bimal K. Bose，现代电力电子和交流驱动器。后悔。
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=λpω米
