, 贾玉龙, 邢海洋, 刘尚玥 东北大学 信息科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2020-07-31
基金项目：国家自然科学基金资助项目(61773006)。
作者简介：边春元(1973-), 男, 河南镇平人, 东北大学副教授。
摘要：针对无刷直流电机在传统半桥调制方式下电流波动问题, 提出一种改进型PWM调制策略.首先, 对传统H_OFF-L_PWM调制方式进行了详细的分析.其次, 为减小H_OFF-L_PWM调制方式下的电流波动, 提出了一种改进型H_OFF-L_PWM调制策略.该调制策略通过对非续流区间非导通相的下桥臂开关管进行PWM斩波控制, 使得电机电流更加平滑, 从而进一步减小电机转矩脉动.最后, 在PLECS仿真平台上搭建了无刷直流电机回馈发电系统仿真模型.基于TMS320F280049CPZS控制芯片, 搭建了无刷直流电机回馈发电系统实验平台.仿真和实验结果表明, 所提出的改进型H_OFF-L_PWM调制策略能够抑制电机相电流波动, 从而抑制电机电磁转矩脉动.
关键词：无刷直流电机回馈发电改进型H_OFF-L_PWM非导通相续流电流波动
A PWM Modulation Method Used to Suppress Current Fluctuation of Brushless DC Motor
BIAN Chun-yuan
, JIA Yu-long, XING Hai-yang, LIU Shang-yue School of Information Science & Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: BIAN Chun-yuan, E-mail: bianchunyuan@ise.neu.edu.cn.
Abstract: In order to solve the current fluctuation problem of the brushless DC motor in the traditional half-bridge modulation mode, an improved PWM modulation strategy was proposed. First, the traditional H_OFF-L_PWM modulation method was analyzed in detail. Second, in order to reduce the current fluctuation in the H_OFF-L_PWM modulation mode, an improved H_OFF-L_PWM modulation strategy was proposed. This modulation strategy performs PWM chopping control on the switch tube of the lower bridge arm of the non-conduction phase in the non-freewheeling interval, so that the motor current is smoother, thereby further reducing the motor torque ripple. Finally, a simulation model of the brushless DC motor feedback power generation system was built on the PLECS simulation platform. Based on the TMS320F280049CPZS control chip, an experimental platform for the brushless DC motor feedback power generation system was built. Simulation and experimental results show that the proposed improved H_OFF-L_PWM modulation strategy can suppress the motor phase current fluctuations, thereby suppress the motor electromagnetic torque ripple.
Key words: brushless DC motor(BLDCM)feedback power generationimproved H_OFF-L_PWMnon-conducting phase freewheelingcurrent fluctuation
BLDCM(brushless DC motor)具有功率密度高、调速简单、无复杂的控制算法、效率高等优势，这就使得永磁无刷直流电机在新能源发电上应用成为可能[1-3].但是, 无刷直流电机存在运行时转矩脉动比较大的问题[4]，因此, 无刷直流电机的转矩脉动成为各国****研究的热点[5].文献[6]提出了一种基于反馈电流的PWM调制策略, 该控制策略对相反电动势检测精度要求较高.文献[7]采用了Buck变换器来抑制电流波动, 该控制策略改变了拓扑结构, 增加了成本费用.文献[8]针对回馈制动提出了一种新型PWM-OFF-PWM调制策略, 前30°PWM斩波控制, 中间60°关断, 最后30°PWM斩波控制, 该控制策略能够有效抑制非换相转矩脉动, 但是仍然具有较大的换相转矩脉动.文献[9]提出了一种抑制电流波动的PWM调制策略, 在换相时刻对三相调制进行配合, 从而抑制换相时刻电流波动, 但其控制算法比较复杂.文献[10]提出了一种重叠换相的控制策略, 但是该种调制策略涉及到电流过零检测问题, 对电流检测精度要求较高.文献[11-12]通过采用三电瓶中性点钳位拓扑结构来降低换相转矩脉动, 该控制策略加大了整体结构损耗, 进一步提高了成本.文献[13]提出了一种通过利用空间反电动势矢量来控制q轴电流从而抑制电流波动.文献[14-15]提出了一种基于电流模型预测的控制方法, 通过采集转速以及电流状态来预测开关管的开通与关断时刻, 能够有效地抑制非换相电流波动.
本文针对传统半桥PWM调制方式的不足, 提出了一种改进型H_OFF-L_PWM调制方式: 这种调制方式通过利用非导通相续流区间与非续流区间, 从而使得电流波形更加平滑, 能够极大地改善无刷直流电机的转矩脉动, 得到更平稳的制动转矩, 进而提高回馈发电的可靠性.
1 无刷直流电机系统模型在回馈发电过程中电机产生的电磁转矩与旋转方向相反, 将电机的动能转换为电能，通过Buck/Boost变换器储存至蓄电池.无刷直流电机回馈发电系统结构图如图 1所示[16].
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 无刷直流电机回馈发电系统结构图Fig.1 Structure diagram of feedback power generation system for brushless DC motor |
电机回馈发电时, U, V和W三相绕组的霍尔电平信号、反电动势、电流相位关系如图 2所示[17-18].6个霍尔元件将1个电角度周期分为了12个扇区.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 电机回馈发电时霍尔电平信号、反电动势和电流相位关系图Fig.2 Relation diagram of Hall potential signal, back electromotive force and current phase during motor feedback |
如图 2所示, 在一个完整的电角度周期内, W相绕组的非导通区间为扇区1, 2, 7, 8.当W相处于非导通区间时, U, V, W三相绕组端电压和相电流关系为
 | (1) |
对于无刷直流电机来说, 三相绕组的相电流关系为[19]
 | (2) |
 | (3) |
 | (4) |
2 半桥H_OFF-L_PWM回馈调制2.1 续流储能阶段半桥H_OFF-L_PWM回馈调制的续流储能阶段分为2个区间, 各区间的变化情况如下:
1) 0°~30°区间.在0°~30°区间, 电机W相绕组的反电动势大于零, 范围为0 < eW < Ubus/2.假定此时不存在非导通相续流, 故电机中性点电压UO=0, W相的端电压为0 < vW=eW+UO=eW+0 < Ubus/2 < Ubus, 此时不会导致DS2和DS5正向导通, 说明假定成立.因此, 该种情况下, W相不会产生续流, 也不会产生非换相转矩脉动.续流回路为: U相绕组→T4→DS6→V相绕组.实际电流流通方向如图 3a所示.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 H_OFF-L_PWM调制方式下续流储能阶段Fig.3 Freewheeling energy storage stage in H_OFF-L_PWM modulation mode (a)-在0°~30°区间内；(b)-在30°~60°区间内. |
2) 30°~60°区间.在30°~60°区间, W相绕组的反电动势小于零, 范围为-Ubus/2 < eW < 0.假定此时不存在非导通相续流, 故电机中性点电压UO=0, W相的端电压为-Ubus/2 < vW=eW+UO=eW+0 < 0, 此时会导致DS2正向导通, iW≠0, 这说明假定不成立, 此时电机中性点电压就不为零.因此, 该种情况下, W相会产生续流, 同样也会产生非换相转矩脉动.实际电流流向如图 3b所示.
2.2 回馈发电阶段假定此时不存在非导通相续流, 电机中性点电压UO=Ubus/2.在0°~30°区间, 电机W相绕组的反电动势大于零, 其范围为0 < eW < Ubus/2, 无刷直流电机W相端电压为0 < Ubus/2 < vW=eW+UO=eW+Ubus/2 < Ubus, 此时不会导致DS2和DS5正向导通，说明假定成立.因此, 在该种情况下, W相不会产生续流, 也不会产生非换相转矩脉动.在30°~60°区间, 电机W相绕组的反电动势小于零, 其范围为-Ubus/2 < eW < 0, W相绕组的端电压为0 < vW=eW+UO=eW+Ubus/2 < Ubus/2 < Ubus, 此时也不会导致DS2和DS5正向导通，说明假定成立.故, 在该种情况下, W相不会产生续流, 也不会产生非换相转矩脉动.因此, 在这两个区间回馈发电阶段电流流通方向是相同的: 直流母线电压负端→DS6→V相绕组→U相绕组→DS1→直流母线电压正端.实际电流流向如图 4所示.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 H_OFF-L_PWM调制方式下回馈发电阶段Fig.4 Feedback power generation stage in H_OFF-L_PWM modulation mode |
从以上分析可以看出, 当采用传统半桥H_OFF-L_PWM回馈调制方式时, W相作为非导通相只有在0°~30°与210°~240°区间无续流(非续流区), 但是在30°~60°与180°~210°区间有续流(续流区).非导通相续流以及二二导通方式特有的非换相电流波动将会导致电机的电磁转矩产生一定的脉动.
3 改进型H_OFF-L_PWM调制策略基于H_OFF-L_PWM调制策略提出了一种改进型H_OFF-L_PWM调制策略, 该调制策略采用60°换相.对传统半桥H_OFF-L_PWM调制策略的扇区进行重新规划，传统半桥调制策略与改进型调制策略的扇区相差30°.改进型调制策略利用传统半桥调制方式的续流作用, 在非续流区间通过对非导通相下桥臂开关管进行PWM斩波控制, 使得非导通相在非续流区间也有电流流过, 从而使得无刷直流电机中相电流变化更加平缓.
由图 2可知, 扇区5, 6, 11, 12为U相的非导通区间, 扇区3, 4, 9, 10为V相的非导通区间, 扇区1, 2, 7, 8为W相的非导通区间.通过对传统半桥H_OFF-L_PWM与改进型H_OFF-L_PWM制策略的对比分析, 列出了如表 1所示的传统半桥H_OFF-L_PWM与改进型H_OFF-L_PWM调制策略的对比分析表.
表 1(Table 1)
 表 1 传统半桥H_OFF-L_PWM调制策略与改进型H_OFF-L_PWM调制策略的对比分析表Table 1 Comparison and analysis table of traditional half-bridge H_OFF-L_PWM modulation strategy and improved H_OFF-L_PWM modulation strategy
| 表 1 传统半桥H_OFF-L_PWM调制策略与改进型H_OFF-L_PWM调制策略的对比分析表 Table 1 Comparison and analysis table of traditional half-bridge H_OFF-L_PWM modulation strategy and improved H_OFF-L_PWM modulation strategy |
由表 1可知, 在一个电角度周期内, 传统半桥H_OFF-L_PWM的非导通相U相只有在扇区6与扇区11有续流, 非导通相V相只有在扇区3与扇区10有续流, 非导通相W相只有在扇区2与扇区7有续流.也就是说, 只有当W相处于扇区1与扇区8期间时, W相无电流流通.改进型H_OFF-L_PWM调制方式在非导通相W相处于扇区1与扇区8时, 对开关管VT2进行PWM斩波控制, 使非导通相在非续流区间也有电流流通, 从而使W相在整个电角度周期内均有电流流过, 提高了W相电流的平滑度.同理, 当非导通相U, V两相分别处于其相对应的非续流区间时, 对其相应下桥臂开关管VT4与VT6进行PWM斩波控制, 使得U, V两相在整个电角度周期内均有电流流通, 从而提高了U, V两相电流的平滑度.
改进型H_OFF-L_PWM调制策略将1个电角度周期分为6个扇区, 每60°为1个扇区.基于改进型H_OFF-L_PWM调制策略的功率开关管驱动波形如图 5所示.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 改进型H_OFF-L_PWM调制策略驱动信号Fig.5 Drive signal in improved H_OFF-L_PWM modulation mode |
4 仿真分析和实验结果4.1 仿真分析及对比以PLECS仿真软件为平台, 搭建无刷直流电机回馈发电系统仿真模型.对传统半桥H_OFF-L_PWM与改进型H_OFF-L_PWM的调制方式进行仿真分析.
图 6为传统半桥H_OFF-L_PWM调制方式下的相电流与扇区仿真波形图.从图 6可以看出, 当采用H_OFF-L_PWM调制方式时, 会出现非导通相续流的情况, 从而导致非换相转矩脉动.同时, 传统半桥H_OFF-L_PWM调制方式在换相时刻非换相电流存在比较明显的波动, 从而导致严重的换相转矩脉动.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 传统半桥H_OFF-L_PWM调制相电流与扇区的波形Fig.6 Waveforms of phase current and sector under traditional half-bridge H_OFF-L_PWM modulation |
图 7为传统半桥H_OFF-L_PWM调制方式下功率开关管驱动波形.从图 7中可以看出, 只有下桥臂的VT2、VT4、VT6功率开关管参与调制且每个开关管在一个周期内进行120°斩波控制.每一个时刻都只有一个功率开关管在进行PWM斩波控制.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 传统半桥H_OFF-L_PWM调制方式驱动波形Fig.7 Drive waveform under traditional half-bridge H_OFF-L_PWM modulation (a)-VT1; (b)-VT2; (c)-VT3; (d)-VT4; (e)-VT5; (f)-VT6. |
图 8为传统半桥H_OFF-L_PWM调制方式下电磁转矩与扇区仿真波形图.由图 8可以看出，无刷直流电机在传统半桥H_OFF-L_PWM调制方式下制动电磁转矩波动较大、稳定性比较差.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 传统半桥H_OFF-L_PWM调制方式下电磁转矩与扇区波形Fig.8 Electromagnetic torque and sector waveform under traditional half-bridge H_OFF-L_PWM modulation (a)-H_OFF-L_PWM电磁转矩与扇区波形整体图；(b)-H_OFF-L_PWM电磁转矩与扇区波形局部图. |
图 9为改进型H_OFF-L_PWM调制方式下的相电流与扇区仿真波形图.从图 9可以看出，当采用改进型H_OFF-L_PWM调制方式时, 电机的三相电流均是平滑过渡的.换相时刻, 非换相电流的波动明显减小.
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 改进型H_OFF-L_PWM调制方式下的相电流与扇区的波形Fig.9 Phase current and sector waveform under improved H_OFF-L_PWM modulation |
图 10为改进型H_OFF-L_PWM调制方式的驱动波形.
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 改进型H_OFF-L_PWM调制方式下驱动波形Fig.10 Drive waveform under improved H_OFF-L_PWM modulation mode (a)-VT1; (b)-VT2; (c)-VT3; (d)-VT4; (e)-VT5; (f)-VT6. |
图 11为改进型H_OFF-L_PWM调制方式下电磁转矩与扇区仿真波形图.由图 11可以看出, 无刷直流电机在改进型H_OFF-L_PWM调制方式下, 制动电磁转矩的波动减小.
图 11(Fig. 11)
 | 图 11 改进型H_OFF-L_PWM调制时电磁转矩与扇区波形Fig.11 Electromagnetic torque and sector waveform under improved H_OFF-L_PWM modulation (a)-改进型H_OFF-L_PWM电磁转矩与扇区波形整体图；(b)-改进型H_OFF-L_PWM电磁转矩与扇区波形局部图. |
4.2 实验分析及对比选取TI公司的TMS320F280049CPZS为主控芯片, 搭建无刷直流电机回馈发电系统硬件实验平台.通过电流传感器ACS780LLRTR-050B-T与电压传感器JCE10-VP/2得到电流与电压的瞬时采样, 通过Code Composer Studio 9.0.1软件实现代码的编写与调试.实验电机参数如表 2所示.
表 2(Table 2)
表 2 实验电机参数Table 2 Experimental motor parameters
| 表 2 实验电机参数 Table 2 Experimental motor parameters |
无刷直流电机回馈发电系统硬件实验平台如图 12所示.
图 12(Fig. 12)
 | 图 12 实验平台Fig.12 Experimental platform (a)-无刷直流电机回馈发电实验平台；(b)-蓄电池实验平台. |
图 13是传统半桥H_OFF-L_PWM调制下相电流与U, W两相下桥臂开关管驱动实验波形, 从图 13中可以看出电机相电流在换相处具有明显的波动, 从而导致电机具有较大的换相转矩脉动.
图 13(Fig. 13)
 | 图 13 传统半桥H_OFF-L_PWM调制相电流实验波形Fig.13 Phase current experimental waveform under traditional half-bridge H_OFF-L_PWM modulation |
图 14是改进型H_OFF-L_PWM调制下相电流与U, W两相下桥臂开关管驱动实验波形, 从图 14中可以明显看到在换相时电流波动减小, 且更加平滑.从图中开关管的驱动波形可以看出, 在非续流区间对非导通相下桥臂开关管进行PWM斩波控制, 从而使得非导通相在非续流区间也有电流流通.
图 14(Fig. 14)
 | 图 14 改进型H_OFF-L_PWM调制相电流实验波形Fig.14 phase current experimental waveform under improved H_OFF-L_PWM modulation |
5 结论1) 改进型H_OFF-L_PWM调制方式与传统半桥H_OFF-L_PWM调制方式相比可以提高电流波形的平滑度, 减小电磁转矩脉动.
2) 提出的改进型H_OFF-L_PWM调制方式, 无需对整体电路结构进行改变, 对换相区间与非换相区间不作区分, 采用软件编程即可实现.
3) 实验验证了改进型H_OFF-L_PWM调制方式能够实现无刷直流电机的高效回馈发电, 为无刷直流电机在新能源发电上应用提供了新的方法与思路.
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