三相無刷直流電機改進型脈寬調制策略

林 海，何瑞玲，周海森，閆茂德

（長安大學電子與控制工程學院，西安 710064）

三相無刷直流電機改進型脈寬調制策略

林 海，何瑞玲，周海森，閆茂德

（長安大學電子與控制工程學院，西安 710064）

研究了一種改進型無刷直流電機脈寬調制策略。在傳統的無刷直流電機脈寬調制技術的基礎上，針對調制期間開關管斷開時的電機繞組電流無法有效控制問題，研究了一種基于六開關電壓源型逆變器的四管調制策略，即在任意時刻逆變器都有4個功率開關同時參與調制過程。該方法在脈寬調制過程中，在電機繞組電流導通狀態下，在兩個開關橋臂上僅僅有兩個開關工作；在繞組電流處于續流狀態下，在同一個逆變器橋臂上的，有對稱的另外兩個開關進行導通續流。這種調制方式可以抑制非換向期間非導通相的續流問題，并且通過調節換向期間的占空比可以有效抑制非導通相的電流脈動問題。實驗結果進一步驗證了提出方法的有效性。

無刷直流電機；脈寬調制；轉矩脈動；占空比

無刷直流電機BLDCM（brushless DC motor）由于其優良機械轉矩和機械功率特性，廣泛應用在家電、電力機車、飛行器和船舶推進等交流調速領域[1]。目前，無刷直流電機研究工作主要集中在無位置傳感器控制、逆變器拓撲和轉矩脈動抑制等方向[2]。其中，轉矩脈動抑制是其研究的一個熱點[3]。常規兩兩導通方式下的無刷直流電機多在采用基于電流控制的PWM調制策略[4]。對于無刷直流電機，其電磁轉矩正比于電流。不同的PWM調制方式往往導致轉矩脈動的差異，尤其是換向轉矩脈動[5]。為了有效減小無刷直流電機控制中轉矩脈動并提高系統的控制性能，研究人員進行了大量深入的研究工作。文獻[3]在原理上分析了無刷直流電機由于換相對轉矩的影響。文獻[4]研究了無位置傳感器系統中四種脈寬調制PWM（pulse width modulation）方式對于換向轉矩脈動的不同影響和換向期間非導通相電流特性，通過研究知道，無刷直流電機采用PWM_ON調制方式時，其換相轉矩脈動最小。對于三相無刷直流電機，不同的PWM調制方法會引起非導通相的續流現象，文獻[5]提出了一種新的PWM調制方法（PWM_ON_PWM），該方法可以有效減小電機定子電流脈動和轉矩脈動。文獻[6]提出了電機制動時采用雙管反接制動的PWM調制方法，該方法可以有效控制制動電流，在本質上是一種采用HPWM_LPWM調制方式的電機制動策略。文獻[7]簡單的介紹了一種基于復雜可編程邏輯器件CPLD（complex programmable logic device）的BLDCM雙極性驅動邏輯實現方法。同時考慮功率開關管的死區控制，避免了相橋臂直通。

在常規的PWM調制方式中，當調制期間的開關管處于斷開狀態時，電機繞組電流只能通過對應的二極管續流導通。由于反電動勢的作用，繞組電流幅值繼續上升，此時的續流電流是不能通過開關管進行有效控制的。不同的PWM調制方式對應的續流方式也不同，這也同時造成了電流脈動和轉矩脈動差異。在分析了常規的PWM調制方式原理的基礎上，針對續流電流的不可控特性，本文研究了一種新的PWM調制方式：四管調制。即在六開關電壓源型逆變器中，任意時刻下其中4個開關始終處于調制狀態。該方式可以在任意時刻有效控制電機繞組電流，并且可以完全消除非換向期間非導通相續流的現象，從而抑制了非換向期間非導通相轉矩脈動；同時可以通過改變換向期間的占空比有效抑制換向轉矩脈動。

1 常規的脈寬調制方式

對于三相星型繞組連接的永磁無刷直流電機，其控制策略通常采用120度導通的PWM控制策略。電機主要通過六開關三相電壓型逆變器供電，逆變器和電機等效模型如圖1所示。

圖1 由逆變器供電的無刷直流電機Fig.1 Brushless DC motor fed by a six-switch inverter

由圖1，逆變器由6個開關管（T1，T2，T3，T4，T5，T6）、6個并聯二極管（D1，D2，D3，D4，D5，D6）和濾波電容等組成。右側為無刷直流電機三相繞組，繞組中點為n。電機定子相電壓方程[4～5]為

式中，UaUbUc，iaibic和eaebec分別為電機相電壓、相電流和相反電動勢；Un為電機三相繞組中點電壓；R為電機定子等效相電阻；L為電機定子等效相電感。

當電機工作于120°導通方式下，整個工作過程可以分為兩個過程：調制和換向。常見的PWM調制方式主要有PWM_ON，ON_PWM，HPWM_LON，HON_LPWM，HPWM_LPWM五種[3～4]。為了方便分析，將前4種歸為第1類調制方式，第5種歸為第2類。兩類方式的區別主要在于任意時刻下前者只有1個開關管進行調制（單管調制）而后者有兩個開關管（雙管調制）。兩種類型的調制策略也導致了后者總開關損耗相對于前者增加了1倍，而且單管調制時，逆變器輸出單極性（正）電壓，雙管調制時逆變器輸出雙極性（正負）電壓。兩類方式的共性在于在調制過程中，開關管斷開期間，電機繞組工作相電流都需要通過相應的二極管續流。對于換向過程，不同的調制方式對應著不同電流換向過程。

以雙管調制方法加以說明。圖2為無刷直流電機HPWM_LPWM調制策略工作原理。在HPWM_LPWM方式下，電機A相和B相繞組處于正常工作狀態，開關管T1和T6為調制工作狀態。當T1和T6導通時，電機相電流流向為：電源→T1→A相繞組→B相繞組→T6→電源。當T1和T6斷開時，電機相電流流向為：電源→D4→A相繞組→B相繞組→D3→電源。根據電流流向分析可以知道：在逆變器調制狀態期間，兩個開關管和兩個二極管參與調制；當開關管導通時，直流母線電流迅速增加；開關管斷開時，繞組電流通過二極管反向續流，直流母線電流逐漸減小。對于單管調制方式的分析與上面分析相似。

2 四管調制策略

在以上兩類調制方法中，為了分析簡便，往往忽略二極管壓降進行研究，但是在實際應用中，逆變器電路工作在續流狀態下，電機繞組電流處于不可控制狀態。二極管的續流效應及其壓降對系統性能的影響較大[3～4]。為此，在雙管調制的基礎上，本文針對傳統的PWM方法這一缺陷研究一種新型調制方法：四管調制。即在六開關電壓源型逆變器中，任意時刻其中4個開關始終處于調制狀態。如圖3所示。

圖3 四管調制方式（調制過程）Fig.3 Principle of four-switch PWM method

當電機A相和B相繞組處于正常工作狀態時，可通過開關管T1、T6、T3和T4聯合調制。當T1和T6導通時，工作相電流流向為：電源→T1→A相繞組→B相繞組→T6→電源。當T1和T6斷開時，工作相電流流向為：電源→T4→A相繞組→B相繞組→T3→電源。在此定義T1和T6為主調制管，T3和T4為輔調制管，由電流流向分析可以知道：調制期間，僅有4個開關管參與調制；當主調制管導通時，直流母線電流為正；主調制管斷開時，繞組電流通過輔調制管反向續流，直流母線電流為負。

對于120°導通方式下的無刷直流電機控制，在一個電周期內，繞組電流導通順序可以通過逆變器的開關管導通順序表示：（T1、T2）→（T2、T3）→（T3、T4）→（T4、T5）→（T5、T6）→（T6、T1）。它們也代表著不同繞組工作狀態下的主調制管，對于輔調制管及它們的對應關系如表1所示。

表1 主調制開關與輔調制開關表Tab.1 Main and auxiliary modulation switches

四管調制和雙管調制在一個電周期內4個開關（G1、G3、G4和G6）觸發信號如圖4和圖5所示。其中，Em為反電動勢的幅值，Vm為開關管觸發信號的幅值。綜合對比分析四管調制（圖4）和雙管調制（圖5）可以看出：兩種調制方式有相似之處，但也存在本質性的差異。雙管調制中，調制過程通過一對開關管和一對二極管實現。開關管導通期間，開關管控制正向繞組導通電流，但在斷開期間，繞組中電流不受開關管控制，僅通過二極管續流，這一點同樣存在于單管調制中。四管調制中，調制過程通過一對主調制開關管和一對輔調制開關實現。主調制管用于控制正向繞組導通電流，輔調制管用于控制反向繞組續流，電機工作相電流隨時處于開關管的控制之中。在調制期間任意時刻下都只有兩只開關管處于導通狀態而且二極管不參與調制（這一點和常規的PWM調制方式完全不同），該調制方法能夠滿足調節電機速度及電流的需要。

圖4 四管聯合調制方式Fig.4 Four-switch PWM method

圖5HPWM_LPWM方式Fig.5HPWM_LPWM method

2.1 非導通相續流動態特性分析

四管調制方式下的電機定子繞組在任意時刻只有兩相繞組處于工作狀態。定義X1、X2分別為正在導通的兩相繞組，X3為未導通相繞組。以圖3為例，X1=A相，X2=B相，X3=C相。由式（1）得：

式中：iX1=-iX2=|id|，eX1=-eX2=E，E為反電動勢平頂部分的幅值；UX1=UX2=Ud，Ud和id為分別為直流母線電壓和電流。

由式（2）和式（3）得

對于無刷直流電機，任意相反電動勢滿足：

由式（4）～式（6）可得

由式（7）可知，未導通相端電壓UX3為正電壓而且始終小于直流母線電壓，而對應橋臂的二極管由于承受負向電壓而處于斷開狀態，即iX3=0。因此，四管調制方式可以有效克服非導通相續流的出現。

2.2 換向電流動態特性分析

在圖3中，電機在四管調制方式下A相和C相繞組正常工作，其主調制管為T1和T6。當A相繞組電流換向到C相繞組后，主調制管為T5 和T6，在換向瞬間，電機三相繞組電流流向如圖6所示。

圖6 四管調制方法換向過程Fig.6 Commutation of four-switch PWM method

在四管調制方式下的電機繞組電流換向瞬間，三相繞組電流都存在，而且二極管也參與換向過程。在此重新定義X1為未換向相，X2為待換向相，X3為已換向相。以圖4為例，X1=B相，X2= A相，X3=C相。對于三相繞組為星型連接且無中線引出的無刷直流電機，繞組電流換向過程首先滿足

換向過程分為兩種情況（圖4），具體分析（忽略二極管導通壓降）如下：

1）主調制管導通瞬間的換向

定子相電壓為

式中：eX1=eX2=-eX3=E（上橋臂換向時）；UX3=Ud。為了便于分析，忽略定子繞組電阻，由式（8）和式（9）得

2）輔調制管導通瞬間的換向

定子相電壓為

式中：eX1=eX2=-eX3=E；UX1=Ud。忽略定子繞組電阻，由式（8）和式（11）得

在一個電周期內，只要保證非換向相電流無脈動就可以保證換向時電磁轉矩無脈動。定義D為調制占空比，則有

由式（13）得

由式（14）可知，只要滿足占空比D，可以消除此時的電磁轉矩脈動。

3 實驗結果

為了驗證以上分析，對本文提出的方法進行實驗驗證。在實驗中，以一臺額定轉速為3 000 r/min的無刷直流電機作為研究對象，利用TI公司的2812 DSP作為主控芯片和6個MOSFET開關功率管組成的逆變器進行實驗[8]。圖7為采用HPWM_ LPWM和本文研究的四關調制方式下的三相定子電流實驗波形。圖8為采用HPWM_LPWM和本文研究的四關調制方式下的定子A相電流和開關管（T1、T3、T4和T6）的觸發信號實驗波形。

由圖7和圖8可以看出，實驗結果和理論分析一致，兩種調制方式下的電機運行穩定，電流波形正常，本文研究的調制技術有效可行。當系統采用HPWM_Lpwm方式時，系統逆變器在任意時刻下僅有兩個開關處于工作狀態（一個開關管處于調制狀態，另外一個為導通狀態）；系統采用四管調制方式時，逆變器在任意時刻下僅有4個開關處于工作狀態。對于四管調制方式，逆變器每相橋臂的PWM控制信號互反，即在任意時刻都有4個開關管處于調制狀態且二極管續流階段，二極管不參與續流。電機繞組正向電流導通和反向續流都通過開關完成。需要注意的是，由于功率開關管自身都有開關延時，所以在每組上管和下管還是容易出現直通現象，會引起短路，因此必須在開關管觸發信號中加入“死區”延時。

圖7 系統三相電流實驗波形Fig.7 Experimental results of three phase currents

圖8 A相定子電流實驗波形和開關管觸發信號實驗波形（G1、G4、G3和G6）響應Fig.8 Experimental results of the current and the PWM signals of four switches

4 結語

通過輪流導通逆變器兩對開關管的方式實現一種新穎的無刷直流電機PWM策略，即四管調制方式。由于四管調制時逆變器輸出正向或負向電壓，該調制屬于雙極性調制方式。由于它與常規的單管調制和雙管調制截然不同，因此，它的可歸類為第3類調制方式。在四管調制過程中，任意時刻下上下橋臂開關管輪流導通，解決了單管調制所造成的開關管散熱不均勻的問題，減小了功率開關應力，但是總的開關損耗相對于雙管調制也增加了1倍。由于該方式通過開關管可以在任意時刻對電機繞組電流進行控制，因此對于電機正反轉調速及電機制動具有較好的控制效果，具有較大的應用前景。

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Improved PWM Scheme for Permanent Magnet Brushless DC Motor Drives

LIN Hai，HE Rui-ling，ZHOU Hai-sen，YAN Mao-de
（School of Electronic and Control Engineering，Chang′an University，Xi'an 710064，China）

This paper describes an investigation of an improved pulse width modulation（PWM）strategy for the brushless DC（BLDC）motor drives.The traditional PWM strategy is analyzed and four switches joint modulation is proposed to control the current effectively during switches are off.At any time，only four switches in two legs of the six-switch inverter are in operation during the mode of the conduction and its symmetrical switches are in operation during the freewheeling mode.In the proposed scheme，the diode freewheeling of the inactive phase is eliminated，and the commutation torque ripple is eliminated by adjusting duty cycle.The effectiveness of the proposed PWM methods is verified through experimental results.

brushless DC motor；pulse width modulation（PWM）；torque ripple；duty cycle

TM921

A

1003-8930（2013）06-0079-05

林 海（1978—），男，博士，講師，研究方向為電力電子與電機驅動。Email：linhai@chd.edu.cn

2012-11-21；

2013-07-22

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（2013G1321043）

何瑞玲（1987—），女，碩士研究生，研究方向為永磁同步電機驅動技術。Email：heruiling0114@126.com

周海森（1987—），男，碩士研究生，研究方向為永磁同步電機驅動技術。Email：zhouhaisenyx@gmail.com