無刷直流電動機PWM斬波方式分析

白利飛，馬瑞卿，張慶超

(西北工業大學院，陜西西安710072)

0 引 言

稀土永磁無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)由于其結構簡單、功率密度大、控制方法靈活多變、運行可靠等一系列優點，在眾多行業中得到了廣泛的應用。目前，BLDCM控制技術較為成熟，PWM調制技術依然是其轉速、電流調節中最常用的手段［1］。不同的PWM斬波方式對電機電樞電流、轉矩脈動以及控制系統逆變器損耗等性能的影響是不同的［2］。而不同的控制系統有著不同的性能要求，因此，有針對性的為BLDCM控制系統選取合適的PWM斬波方式，對提高系統的性能有著重要意義。

本文從直流母線回饋電流、換相轉矩脈動、逆變器功率損耗及其輸出電壓極性四個方面，仿真、分析了不同的PWM斬波方式對BLDCM性能的影響，并根據分析結果，對各種斬波方式的優劣作出了評價，指出了該斬波方式的適用場合，旨在為BLDCM控制系統PWM斬波方式的選取提供一定的依據。

1 五種PWM斬波方式

BLDCM控制系統框圖如圖1所示，主要包括電機本體、轉子位置傳感器、功率及控制電路等組成部分。

圖1 BLDCM控制系統框圖

BLDCM通常采用120°導通型工作模式，即一個周期內每個開關管導通120°電角度。根據每個開關管在120°導通區域內PWM波工作方式的不同，BLDCM的PWM斬波方式可分為五種［3］，如圖2所示。①PWM_ON方式:前60°PWM斬波，后60°恒通;②ON_PWM 方式:前60°恒通，后60°PWM 斬波;③HPWM_LON方式:上橋臂PWM斬波，下橋臂恒通;④HON_LPWM方式:上橋臂恒通，下橋臂PWM斬波;⑤HPWM_LPWM方式:導通區間內開關管全部進行PWM斬波。圖2中，G1和G4分別表示功率管Q1和Q4的驅動信號。

圖2 五種PWM斬波方式示意圖

2 PWM斬波方式分析

直流母線回饋電流和換相轉矩脈動的分析需搭建系統的仿真模型，因此，在Simulink環境下建立了BLDCM控制系統的仿真模型。仿真所針對的BLDCM主要額定參數:額定電壓270 V、額定功率2 kW、額定轉速10 000 r/min、額定轉矩1.75 N·m、極對數為2。

2.1 母線回饋電流仿真分析

通常，BLDCM在任一時刻，電機兩相導通，在該階段，通過對導通的兩相對應開關管實施PWM斬波控制，從而可實現對BLDCM控制的目的。

以A、B兩相導通為例，對應開關管 Q1、Q6開通，如圖3所示，直流母線濾波電容C與逆變器之間的電流用Id來表示。進行PWM斬波控制時，根據Q1、Q6的通斷狀態，可分為三種情況:Q1、Q6均開通;Q1、Q6其中一個開通、另一個關斷;Q1、Q6均關斷。以下對這三種情況下的電流Id進行分析。

(1)Q1、Q6均開通時，Id的電流通路如圖3(a)所示，電流流向:電源正→Q1→A相→B相→Q6→電源負，這種情況下，電流Id與母線電流方向相同;

(2)第二種情況以Q1關斷、Q6導通為例，這種情況下，Q4處于續流狀態，電流通路如圖3(b)所示，Id=0，電流流向:Q4續流二極管→A相→B相→Q6，電流通路不經過直流母線;

(3)Q1、Q6均關斷時，A、B相相電流通過 Q3、Q4的續流二極管續流，電流通路如圖3(c)所示，電流Id的方向與母線電流相反，電流向:Q4續流二極管→A相→B相→Q3續流二極管→濾波電容C，即向濾波電容充電，這種情況下，直流母線存在電流回饋現象，即存在文中所述的直流母線回饋電流。

直流母線回饋電流的存在會加大母線電壓的波動［4］，同時回饋電流的頻率和幅值越高，所需母線濾波電容容量就越大，而濾波電容容量的增大又會進一步增大控制器的整體體積，對縮減控制器的體積不利。

圖3 在不同開關狀態下逆變器的電流通路

不同PWM斬波方式對應的上述三種情況也不盡相同，圖4分別為5種PWM斬波方式條件下母線回饋電流的仿真波形。仿真過程中，PWM占空比為80%，頻率為10 kHz，其他條件均相同。圖中，“1”表示高電平，“0”表示低電平;CH1為Q1驅動信號;CH2為Q4驅動信號;CH3為母線回饋電流;CH4為直流母線電壓。

圖4 不同斬波方式下母線回饋電流仿真波形

圖4中，虛線框內波形即顯示了直流母線電流回饋現象，從仿真結果可以看出，PWM_ON斬波方式不存在母線電流回饋現象，母線電壓波動最小;ON_PWM斬波方式每次換相均存在母線電流回饋現象，即一個換相周期內出現6次回饋現象，且每次換相時，會出現較大的母線電壓波動;HPWM_LON斬波方式在每個橋臂下管換相時也存在母線電流回饋現象，一個換相周期內出現3次，母線電壓波動范圍也較PWM_ON斬波方式大;HON_LPWM斬波方式在每個橋臂上管換相時存在母線電流回饋現象，一個換相周期也出現3次，母線電壓波動范圍與HPWM_LON相近;HPWM_LPWM斬波方式每次PWM斬波均會出現母線電流回饋現象，即母線電流回饋次數與PWM斬波頻率相同，母線電壓波動是5種斬波方式中最大的。而當PWM占空比為100%，即不存在PWM斬波時，導通兩相對應的開關管均處于開通狀態，各種斬波方式均不存在母線電流回流現象。因此，從母線回流電流的角度去分析，PWM_ON斬波方式較其他斬波方式要更好一些。

2.2 換相轉矩脈動的仿真分析

BLDCM轉矩脈動的抑制是其在高性能領域應用的重要因素之一，產生轉矩脈動的原因是多方面的，主要包括:電磁和齒槽因素、電流換相、機械工藝等，本文從電機控制的角度出發，著重分析電流換相引起的轉矩脈動。文獻［5］指出，在相電流換相期間，電磁轉矩與非換相繞組中的電流成正比，因此，分析非換相繞組的電流即可間接實現對換相過程中電磁轉矩的分析。以換相發生在A、B兩相之間為例，換相前A、C兩相導通，對應開關管Q1、Q2開通;換相后B、C兩相導通，對應開關管Q3、Q2開通。假設三相繞組電流分別為 ia、ib、ic，換相過程中，由于進行換相的兩相相電流變化率不同，可將換相過程分為三種情況［5］，如圖5所示:(a)ia、ib的變化率相同，即當ia降為零時，ib也達到了穩態值，如圖5(a)所示，這種情況下，ic處于穩態值，電機不存在換相轉矩脈動;(b)ia的變化率大于ib，即當ia降為零時，ib還未達到穩態值，如圖5(b)所示，這種情況下，換相期間ic的值會變小，該時刻電機的電磁轉矩也會變小;(c)ia的變化率小于ib，即當ib達到穩態值時，ia還未降到零，如圖5(c)所示，這種情況下，換相期間ic的值會變大，該時刻電機的電磁轉矩也會增大。

圖5 電流換相過程中的三種情況

采用不同的斬波方式，換相過程中的換相電流會有所不同，從而導致不同的換相轉矩脈動，因此換相轉矩脈動的大小也是評價一種斬波方式優劣的重要依據。圖6(a)～圖6(e)分別是5種PWM斬波方式條件下，三相相電流與電磁轉矩的仿真波形。

在圖6中，虛線框內的波形即為換相過程中三相相電流與電磁轉矩的波形，其中，ia、ib為換相的兩相電流，ic為非換相相電流。對比各斬波方式下電磁轉矩的波形可以看出，電磁轉矩與非換相相電流波形基本一致，從而進一步驗證了電磁轉矩與非換相相電流成比例的關系。在5種斬波方式中，PWM_ON斬波方式對應的BLDCM換相轉矩脈動最小，波動范圍在1～2.5 N·m以內;而ON_PWM、HPWM_LON、HON_LPWM三種斬波方式的轉矩脈動基本相當，波動范圍為0.75～2.7 N·m;HPWM_LPWM斬波方式轉矩脈動最大，波動范圍為0.5～2.7 N·m。

圖6 不同斬波方式下三相相電流與電磁轉矩波形

2.3 逆變器功率損耗分析

對于功率較大或者控制器散熱條件較為惡劣的BLDCM控制系統，其熱設計顯得尤為重要。

對于不同的PWM斬波方式，逆變器的功率損耗也不同。HPWM_LPWM斬波方式對應的兩個開關管均在進行PWM斬波，其總的功率損耗是其他單管PWM斬波方式的兩倍;HPWM_LON、HON_LPWM屬于其中一個開關管處于恒通狀態，而另一個開關管處于PWM斬波狀態，六個開關管的功率損耗分布不均，對控制系統的長時間使用不利;PWM_ON、ON_PWM屬于單管斬波且六個開關管輪流PWM調制的斬波方式，各個開關管發熱均勻，有利于提高系統的可靠性。因此，從開關管功率損耗的角度分析可以得出，PWM_ON和ON_PWM兩種斬波方式要優于其他三種斬波方式。

2.4 逆變器輸出電壓極性分析

從逆變器輸出電壓的正負極性分析，PWM斬波方式又可分為雙極性與單極性斬波方式。HPWM_LPWM屬于雙極性斬波方式，即在PWM開通和關斷的一個周期內，主功率逆變電路的輸出電壓是雙極性的;其他四種屬于單極性斬波方式，即在PWM開通和關斷的一個周期內，主功率逆變電路的輸出電壓是單極性的，或者為正，或者為負。

雙極性PWM斬波方式只要通過調節PWM占空比即可實現BLDCM的正反轉控制以及調速，多用于電機四象限運行的系統中;而單極性PWM斬波方式只調節PWM占空比不能實現BLDCM的正反轉控制，需外部給定一個控制電機轉向的信號，才能實現電機的轉向控制。

3 結 語

本文從四個方面，分析了5種常見的斬波方式對BLDCM控制系統性能的影響，可得出以下結論:

(1)對母線回流電流的仿真分析可以得出，PWM_ON斬波方式不存在母線回饋電流，母線電壓波動最小，所需的母線濾波電容也最小;

(2)對換相轉矩脈動的仿真分析可以得出，采取PWM_ON斬波方式的轉矩脈動最小，HPWM_LPWM的最大，其他3種介于兩者之間;

(3)對開關管功率損耗的分析可以得出，PWM_ON和ON_PWM最有利于控制系統的熱設計;

(4)對逆變器輸出電壓的極性分析可得，雙極性斬波方式HPWM_LPWM調節占空比即可實現電機的轉向控制，而其他四種斬波方式的轉向控制需外部給定轉向控制信號。

［1］韋鯤.永磁無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制技術的研究［D］.浙江:浙江大學，2005.

［2］孫立軍，孫雷，張春喜，等.無刷直流電機PWM調制方式研究［J］.哈爾濱理工大學學報，2006，11(2):42－44.

［3］楊燕，焦振宏，王崇武，等.PWM調制方式對無刷直流電動機反電勢電流的影響［J］.微電機，2006，39(3):22－24.

［4］Lai Yen－shin，Lin Yong－kai.Assessment of pulse－width modulation techniques for brushless DC motor drives［C］//41st Industry Applications Conference Annual Meeting.Tampa，Florida，2006，4:1629－1636.

［5］李忠明.稀土永磁電機［M］.北京:國防工業出版社，1999.