無刷直流電機在不同驅動方式下的 性能比較研究

王芳媛，陳玲

（國網湖南省電力有限公司技術技能培訓中心，湖南 長沙 410131）

0 引言

無刷直流電機因其應用范圍廣而已遍及工業發展多方領域中，提高了生產以及人民的生活。本文詳細解析正弦波反電勢無刷直流電動機（BLACM）以及梯形波反電勢無刷直流電動機（BLDCM）兩種電機在正弦波與六脈沖方波兩種驅動下的電流波形、轉矩脈動等情況進行了分析研究。

1 系統數學模型

無刷直流電動機定子三相繞組的電壓平衡方程為：

當三相繞組為Y 聯接而且沒有中線，則有：

并且

將以上兩式代入式(1)，得到電壓方程式

從而由電壓方程式可以得到電磁系統的狀態方程形式：

電磁轉矩為：

其中電磁功率為：

2 電流換相分析

無刷電機在二相導通星形三相六狀態下，如果 是以120°導通方式來運行作業時，所產生的每個狀態都會有60°的工作電角度。那么針對其每個狀態來表明，都會存在一定的導通運行區和換相運行區。在導通運行區中，有二相定子繞組進行導通。而對于換相區來說，其導通時間通常很短，且三相的定子繞組會同時都有電流通過。在實際過程中，往往可以對管壓降以及功率管的關斷所產生的時間完全可以忽略不計，假設電機工作時的換相是從AB 相導通向AC 相環流：首先將B 相下橋臂中的功率管進行切斷，并且同時C 相中下橋臂的功率管要進行開通，這時進入了換相運行區。與此同時，C 相的繞組電流會逐漸從零增大，同時B 相的電流進行續流，這時通過二極管來進行的。當B 相的電流越來越小，逐漸衰減為零時，便進入了AC 相的導通運行區，這時C 相的電流會繼續進行增加，并且會一直維持到下次換相時[1-3]。

3 仿真及結果分析

3.1 無刷直流電機在正弦波驅動時的仿真

如圖1 所示，無刷直流電機工作用正弦波驅動時，電機所形成的反電勢波形為正弦波。圖2 為正弦波無刷直流電機用正弦波驅動仿真結果。

將圖1 中的電機模塊反電勢波形由正弦波改為梯形波，其他都保持不變。梯形波無刷直流電機正弦波驅動仿真結果如圖3 所示。

由此可以看出，在正弦波驅動方式下，與正弦波無刷直流電機相比，梯形波無刷直流電機的電磁 轉矩抖動較大，而前者則較平緩。

圖1 無刷直流電機在正弦波驅動 Fig.1 Simulation circuit of Brushless DC Motor Driven by Sinusoidal Wave

圖2 電磁轉矩放大圖 Fig. 2 Electromagnetic torque amplification diagram

3.2 無刷直流電機六脈沖方波驅動時的仿真

圖4 所示為無刷直流電機用六脈沖方波驅動時的仿真電路，形成電機反電勢波形為正弦波。

圖3 電磁轉矩放大圖 Fig. 3 Electromagnetic torque amplification diagram

圖5 為正弦波無刷直流電機六脈沖方波驅動仿真結果。

將圖4 中的電機模塊反電勢波形由正弦波改為梯形波，其他都保持不變。仿真結果如圖6 所示。

圖4 無刷直流電機在六脈沖方波驅動時的仿真電路 Fig. 4 Simulation circuit of Brushless DC Motor Driven by Six-Pulse Square Wave

圖5 電磁轉矩圖 Fig.5 Electromagnetic torque diagram

圖6 電磁轉矩圖 Fig.6 Electromagnetic torque diagram

由此可以看出，在六脈沖方波驅動方式下，與 正弦波無刷直流電機相比，梯形波無刷直流電機的電磁轉矩抖動較大時，前者則較為平緩；相對于同一種電機而言，正弦波驅動比梯形波驅動的轉矩脈動要小[4-6]。

3.3 換相轉矩脈動對比和分析

通常在啟動電機時，電機要快速運行到一定的高速狀態。過程中，電機的電機繞組中會產生電感的作用，會導致電樞電流會出現相應一定的延緩，延緩就會造成轉矩出現有所下降的現象。為了杜絕這種延遲現象的出現，這時我們可以采取以下幾點相應的措施來對其進行有效的控制和補救。

首先，我們可以在針對換相期間的時候，產生的相電流幅值來進行恒定控制，這樣可以使其進行非常有效的電流補償和電流控制。通常還可以利用人為的方式來對換相過程的時間加以延長，以使控制電流所需要的時間能夠更加具體。目前較為常用且比較實際的方式為重疊換相法，原理就是通過超前換相和延時換相相互結合起來達到進行控制的作用。具體的操作方法為：當接收到換相信號后，不是第一時間去對其進行關斷，而是保持將其在導通的狀態下持續維持一小段時間，超前換相要是在換相信號在要到來之前，馬上開通相應一定的角度，從而在達到進行補償換相過程的時候，就會出現一定的電流下降現象，從而表現出轉矩的脈動也會減小。此外，對于梯形波反電勢無刷直流電動機（BLDCM）方式來說，可以在通過換相過程中關斷相進行延時關斷的方式，開通時換相管不是采用恒通類的方式來進行調制，而是采用脈寬調制的方式來進行調制，這樣就能夠對換相過程中產生的脈動進行行之有效的控制[10]。

4 結論

經過以上分析，在相同的驅動下，正弦波的電機比梯形波的電機電磁轉矩抖動小，而在使用相同的電機工作情況下，正弦波的驅動比梯形波驅動所產生的脈動值要小。從而可得結論，在使用正弦波驅動無刷直流電機時具有相對優勢。