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              直流无刷电机:PWM控制方式对换相转矩波动的影响

              时间:12-30 20:40 点击:67

              1、PWM调制方式对换相期间电磁转矩的影响

              对于桥式电路结构的三相直流无刷电机,PWM调制方式通常分为全桥调制和半桥调制两大类型。对全桥调制逆变桥所有功率开关V1V6。都进行脉宽调制。在任意时刻、只对逆变桥的上半桥V1、V3、V5(或下半桥V2、V4、V6)进行脉宽制,称为半桥调制。全桥调制方式功率管的开关损耗是半桥调制方式的2倍,降低了控制器的效率。


              分析了换相转矩波动与PWM调制方式的关系,得出结论:在相同的平均电磁转矩下、半桥调制方式比全桥调制方式的稳态转矩波动小,在相同的PWM占空比及相同的母线电压下,半桥调制方式的绕组电流稳态值要大于全桥调制方式的绕组电流稳态值。因此半桥调制方式的PWM调制得到了更为广泛的应用。

               

              对于半桥调制,又分为“不对称半桥调制”和“对称半桥调制”。不对称半桥调制是指6个状态始终只对上桥臂或只对下桥臂的功率管进行PWM调制。对称半桥调制是指将每个功率管的开关状态分为两个不同阶段,前60°保持全通(或调制),后60°进行调制(或全通),即上下桥臂对称调制。也就是说,6个功率管轮换进行PWM调制,每个导通状态对应一个功率管斩波。这样,半桥调制方式可以分为H-pwm-L-on、H-on-L-Pwm、 on-pwm和pwm-on四种PWM调制方式?;幌嘧夭ǘ拇笮∷孀诺髦品绞降牟煌煌?。当直流无刷电机反电动势为梯形波、系统采用两两导通、三相六状态的120°导通方式时,四种半桥PWM调制方式的输出波形如图所示。

               

              直流无刷电机PWM调制方式的输出波形

              四种半桥PWM调制方式的输出波形

              a)h-pwm-l-on   (b)h-on-l-pwm   (c)on-pwm  (d)pwm-on

               

              研究表明,在四种半桥调制调制方式中,pwm-on调制方式(即前60°调制,后60°全通)的换相转矩波动最低,因而采用pwm-on半桥调制方式可减小直流无刷电机的换相转矩波动,有利于提高系统伺服精确度。在此半桥调制方式再采用补偿电流法可有效抑制换相转矩波动,可使转矩脉动的幅值减小57.1%。

               

              2、PWM控制方式对非换相期间转矩的影响

              PWM控制还有另外一个问题,就是当电机工作在星形三相六状态反电动势为梯形波时,一般认为,电磁转矩是由流过两相绕组的电流大小决定的,没有考虑截止相在非换相期间的电流状态对电磁转矩的影响。实际上,在非换相期间,在截止相上可能会有续流流过,该电流将参与到总的电磁转矩的合成中去,破坏了原来只有两相电流合成电磁转矩的状态,从而加剧了非换相期间的电磁转矩波动。不同的PWM调制方式对非换相区间电磁转矩脉动的影响程度有区别。分析和仿真实验结果表明,单斩(即半桥调制)上桥调制时,截止相在其反电动势小于零时产生续流,单斩下桥调制时,截止相在其反电动势大于零时产生续流,双新调制(即全桥调制)时,截止相不会有续流。全桥调制虽然不会出现截止相续流导通的现象,但这种调制方式的开关损耗比较半桥调制大。

               

              为了解决这个问题,近年来有学者提出了许多新的PWM调制方式,其中30°调制方式又称为“Pwm-on-pwm”调制,是一个较成功的方式。它的每只开关管在120°开通中前30°和后30°期间进行PWM调制,中间60°区间保持恒通。30°调制既完全消除了截止相导通的现象,又能够降低开关损耗。但是,在30°调制需要再加装三路位置传感器,才能满足控制要求。在这种情况下,电动机系统就会変得复杂,同时也增加了成本。


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