基于Simulink的無刷電機模型正弦波信號優越性研究

盧 佳,趙鵬祿,吳 潔,周 洋,馬佳興,高 愷

(江蘇大學,江蘇 鎮江 212013)

0 引言

無刷直流電機是用電子換向器代替傳統有刷電機的新型電機。相較于傳統有刷電機,它不僅具有質量輕盈、使用壽命長、工作效率高的優點,還具有更高的輸出轉矩和體積比。因此,無刷直流電機被廣泛應用于對電機大小要求較高的場合,如電動摩托車的電機等。這對于無刷電機的穩定性以及可靠性研究極具現實意義。

1 國內外研究現狀

根據宋煜[1]研究表明:在對正弦波和方波驅動的研究中,發現方波驅動可以減少20%轉矩脈動;通過控制相電壓,使相電壓盡可能靠近正弦波,可將轉矩脈動從14%降低到3.4%;對于非理想反電動勢波形無刷直流電機的研究中發現,正弦波驅動和方波驅動都會存在轉矩脈動,而正弦波驅動的方式將有效減少轉矩脈動。可見正弦波信號輸入有一定的優越性,而本文針對正弦波信號的優越性,創新性切換研究角度,主要研究負載轉矩部分,相較于方波信號,正弦波輸入提高無刷電機的穩定性。

2 關鍵技術(方法)介紹

本實驗忽略渦流,磁滯損失等問題,采用理想無刷直流電機仿真,其無刷電機內部電壓平衡方程如下:

式中,uL1,uL2,uL3為電機定子繞組三相相電壓;iL1,iL2,iL3為電機定子三相繞組相電流;eL1,eL2,eL3電機定子繞組三相反電勢;r為電機定子繞組電阻;L為定子繞組的自感;M為定子繞組的互感;p為微分算子 。

電磁轉矩方程式為:Te=(eaia+ebib+ecic)/ω

2.1 模型介紹

為了保證實驗穩定性和可靠性,本實驗調用了Matlab軟件中自帶的無刷電機模型,此模型中,參考速度為3 000 rpm,原始模型如圖1所示。

圖1 原始無刷電機模型

2.2 初步實驗

針對現有模型,本文進行了初步的仿真實驗,仿真所用負載轉矩為周期0.02 s,幅值為3 A的方波信號,其他具體實驗參數見模型簡介部分[2]。實驗結果顯示,定子電流初始波動峰值為20 A;穩定后,仍然呈現類周期性波動,波動幅值為4.5 A,波動較為激烈。電壓方面,初步波動后,最終呈現類周期性波動,幅值為200 V左右,具體實驗結果如圖2所示。

圖2 定子電流和電壓的初步仿真結果

2.3 優化實驗模型

優化實驗部分,筆者將負載轉矩(Tm)變為了等幅值,同周期的正弦波信號(I=3 A,W=31.4 rad/s),同時進行相關仿真實驗,取得一定效果,具體電路模型如圖3所示。

圖3 優化后的具體仿真實驗電路

2.4 優化實驗結果

針對優化模型,本文進行了進一步的仿真實驗,仿真所用負載轉矩為周期0.02 s,幅值為3 A的正弦波信號[3]。可以看到,電流初始波動峰值為20 A,穩定后,仍然呈現類周期性波動,波動幅值為3 A左右,但是波動情況相較于方波信號,明顯更加平穩;而電壓方面,初步波動后,最終呈現類周期性波動,幅值為200 V左右,與方波信號類似具體實驗結果如圖4所示。

圖4 定子電流和電壓的優化仿真結果

2.5 優化實驗小結

實驗優化實驗部分,主要講負載轉矩由原來的方波信號變為等幅值。同周期的正弦波信號,實驗仿真結果表明,相較于方波信號的負載轉矩,同條件的正弦波信號負載轉矩在定子電流、轉子轉速、電磁轉矩等方面都有顯著提升穩定性的表現。本仿真實驗,可以得出,同條件正弦波信號負載轉矩將更有利于無刷直流電機的相關穩定性調試的結論,實驗主體研究目的達成[4]。

3 結語

本文給出了一種優化無刷電機穩定性的方案,具體為將負載轉矩由方波信號變為同條件正弦波信號。仿真結果顯示,優化后的實驗結果穩定性明顯優于原有的方波信號。本實驗具有一定現實意義,但由于各種限制,本實驗對于此現象機理包括無刷電機反電動勢的研究以及提供正弦信號負載轉矩的可行性研究涉及較少,有待進一步深入[5]。綜上所述,本實驗提供了一種新型穩定性優化方案,對無刷直流電機的穩定性優化具有一定的研究價值和意義。