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摘要：无刷直流电机以其体积小、效率高、寿命长、易于维护等优点，广泛应用于家电、医疗器械、航空航天等各个领域。无刷直流电机一般采用方波驱动，输出力矩大。同时，电机转矩脉动和噪声也比较大，影响其在高精度、低噪声环境下的应用。在工程实践中，永磁无刷直流电机的反电势很难达到理想的梯形，而是介于梯形与正弦波两者之间。因此，对于梯形波反电势的无刷直流电机也可以采用正弦波电流驱动。基于此，本文主要对正弦波驱动下无刷直流电机机械特性进行分析探讨。
关键词：正弦波驱动；无刷直流电机；机械特性
1、前言
近年来，人们对无刷直流电机的正弦波驱动进行了研究 。本文主要研究无刷直流电机在正弦波电流开环自同步驱动下电机的机械特性，并与方波驱动下的机械特性进行对比。
2、正弦波驱动U－I特性
无刷直流电机一般采用方波驱动，采用霍尔传感器作为电机的转子位置传感器。无刷直流电机的正弦波电流开环自同步驱动是指利用霍尔传感器获得的转子信息，产生三相对称互差120°的正弦电流注入到三相对称的定子绕组中，电流的频率随霍尔信号频率(即电机转速)的变化而变化。电机的调速是靠改变正弦波电流的幅值而不是频率来实现。因此，为了实现电机的正弦波驱动，需要利用软件预测的方法来得到较为精确的转子位置，文献［1］较为详细的介绍了如何利用霍尔信号来实现无刷直流电机的正弦波驱动。
由于电机相绕组中电感的存在，无刷直流电机采用正弦波电流开环自同步驱动时，电机的相电流与相电压之间存在超前、滞后关系。这里采用同步电机的方法———向量图来分析电机的相电流与相电压之间的关系。对于一台同步电机来说，当电机进入稳态运行时，相绕组电路模型可以等效成如图1所示。
图2 电机稳态时的向量图
对于自同步的正弦波电流驱动，其正弦波电流是通过脉宽调制技术实现。对于电压型逆变器来说，电压的相位由控制器控制产生。控制器检测电机转子的位置，然后产生三相PWM信号，因此端电压与旋转电势的相位差是由控制器决定的，也就是说图2中的相位差θ角是固定的。当电机正弦波驱动时的调制比不变，则电机的端电压U幅值也不变。当电机负载变化时，端电压U与反电势E的相位差以及U的幅值固定不变，变化的只是电机的反电势E、电机相电流I以及E和I之间的相位角。
3、正弦波驱动下的相电流与相电压仿真
本文的正弦波电流驱动采用SVPWM形式，由S函数编程实现。电机的仿真参数如下:无刷直流电机的额定转速4000r/min，额定转矩0.5Nm。无刷直流电机在正弦波驱动下的相电流与反电势曲线如图3所示。当电机空载或轻载时，电机的转速高，反电势的幅值很高。如图2(a)所示，导致电机的电流I超前反电势E。根据同步电机的电枢反应原理，电机的相电流超前反电势，直轴电枢反应呈去磁作用，电机处于弱磁状态。电机在轻载状态下的相电流与相反电势仿真波形如图3(a)所示，由图可见电机的相电流波形明显超前电机的相反电势;随着电机负载的加重，电机的转速逐渐降低，相反电势E逐渐减小，电机的相电流与反电势之间的超前相位也随之减小。当电机额定负载时电机的相电流与反电势基本上同相位，此时电机的稳态向量图如图2(b)所示，电机的相电流与相反电势仿真波形见图3(b)。此时电机的电枢反应处于临界状态，既不增磁也不去磁;随着电机负载的进一步加重，电机的负载超过额定值，电机转速进一步降低，相反电势进一步减小，使得电机的相电流开始滞后相反电势，其对应向量图如图2(c)所示的情形，此时电机的电枢反应呈增磁作用。电机超负载运行下电机的相电流与相反电势的仿真波形如图3(c)所示。
图4 实验电机机械特性实测曲线
由图4可以看出电机在正弦波驱动下的机械特性位于方波驱动的下方，两条机械特性曲线基本平行。这点与仿真的机械特性稍微有点区别，仿真中正弦波驱动的机械特性在电机负载较轻时呈上翘趋势，随着负载的增加，两条机械特性呈平行趋势。在试验中正弦波驱动的机械特性在轻载时上翘趋势不是很明显，这是因为仿真中没有考虑电机的摩擦转矩以及定位转矩。
4、结语
通过借用同步电机向量图的分析方法，推导了无刷直流电机在正弦波电流开环自同步驱动下的机械特性表达式。Matlab仿真和实际电机的试验表明，推导的机械特性计算公式是正确的。电机在正弦波驱动下的机械特性曲线几乎与方波驱动下的机械特性曲线平行，不过在方波驱动的下方。
参考文献：
[1]王晋，陶桂林，周理兵，等．基于换相过程分析的无刷直流电动机机械特性的研究［J］．中国电机工程学报，2005，25(4):141－145．
[2]马瑞卿，李颖，刘冠志．基于dsPIC30F2010的无刷直流电动机正弦波驱动系统设计［J］．微特电机，2010(8):11－14．
[3]唐任远．现代永磁电机理论与设计［M］．北京:机械工业出版社，2006．
论文作者:王超
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/26
标签：电机论文; 电势论文; 直流电机论文; 正弦波论文; 特性论文; 机械论文; 电流论文; 《防护工程》2018年第29期论文;