縫紉機(jī)控制器用無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的研究

O 引言
工業(yè)縫紉機(jī)作為一種機(jī)電一體化沒備，動力驅(qū)動系統(tǒng)是其技術(shù)的核心之一，采用無刷直流電機(jī)的縫紉機(jī)控制器與以前的產(chǎn)品相比，在性能上具有很大優(yōu)勢。本文將針對無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動帶來的一些問題進(jìn)行分析。

永磁無刷直流電機(jī)由丁其無換向火花，運行可靠，維護(hù)方便，結(jié)構(gòu)簡單，無勵磁損耗等眾多優(yōu)點，在很多場合得到越來越廣泛的應(yīng)用。

l 無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性
無刷直流電機(jī)的等效電路如圖l所示。轉(zhuǎn)矩特性是電動機(jī)性能的重要指標(biāo)，其中最重要的是平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性。無刷直流電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩比一般的電機(jī)高，但是無刷直流電機(jī)存在轉(zhuǎn)矩脈動問題，這是影響無刷直流電機(jī)的應(yīng)用的一個主要原因。

引起無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動的主要原因有3種：齒槽轉(zhuǎn)矩脈動、因非理想反電動勢引起的轉(zhuǎn)矩脈動以及換相轉(zhuǎn)矩脈動。其中前兩者的產(chǎn)生跟電機(jī)的制造工藝或者轉(zhuǎn)子磁鋼充磁不理想有關(guān)，可以通過對電機(jī)本體的改造加以抑制。

2 換相轉(zhuǎn)矩脈動的理論分析
設(shè)換相期間，電機(jī)速度一定，電機(jī)反電動勢為理想梯形波形(平頂寬度為120)，并認(rèn)為換相期間各相繞組上的反電動勢幅值不變。
以電流從B相換流到C相(上橋臂換相)，A相為非換相繞組的換相過程為例分析。
換相前S1和S6導(dǎo)通，電流從A及B兩相繞組中通過；換相后是S1和S2導(dǎo)通，S6關(guān)斷，A及C兩相通電，B相繞組中的電流通過二極管向上續(xù)流。以直流電壓的中點為參考點，可以寫出換相期間三相電壓平衡方程：

式中：Vsa=(Sa-1/2)Vdc，Vse=(Sc-1/2)Vdc，分別表示A和C相繞組對參考點N0之間的電壓，Sa和Sc為開關(guān)量，例如Sa=1表示S1開通，S4關(guān)斷；Sa=O表示S1關(guān)斷，S3開通。
Vsa=(Sa-1/2)Vdc為A相繞組對參考點N0之間的電壓；Vsc=(Sc-1/2)Vdc為C相繞組對參考點N0的電壓，VNN0為電機(jī)的中點對參考點之間的電壓?？紤]到三相Y接法的電機(jī)中有：ia+ib+ic=0，由式(1)的電壓平衡方程可得

與繞組的時間常數(shù)L/R相比，可以認(rèn)為PWM的周期足夠小，則忽略三相繞組的電阻的影響，則有

式中：Ka，Kb，Kc是為了表示的方便引入的變量。
解這個常微分方程，有

換相期間的轉(zhuǎn)矩包括兩部分，前面一部分為穩(wěn)態(tài)分量，后面一部分就是換相引起的脈動分量由此可知，換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動與電機(jī)繞組的參數(shù)，換相期間三相反電動勢的變化規(guī)律，電機(jī)的運行速度及直流電壓，調(diào)制方法都有關(guān)系。根據(jù)前面的假設(shè)，三相反電動勢的波形為理想的梯形波，則有

可得理想反電動勢波形條件下?lián)Q相引起的轉(zhuǎn)矩脈動為

3 轉(zhuǎn)矩脈動的抑制
本文針對的是一種縫紉機(jī)控制器用的無刷直流電機(jī)，由于縫糾機(jī)的特點，要求電機(jī)停機(jī)時．具有較高的停機(jī)精度，因為停機(jī)位置的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到縫紉機(jī)整機(jī)性能以及同行對該機(jī)的整體評價。

在控制器設(shè)計中，在施加制動力矩之前，電機(jī)已經(jīng)在預(yù)定的最低速度下正轉(zhuǎn)，而電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的負(fù)載在停機(jī)過程中可以近似認(rèn)為是不變的而且每次都是-樣，在這種情況下，認(rèn)為每次停機(jī)時，所施加的制動力矩的持續(xù)時間和幅值都是恒定的，即認(rèn)為每次停機(jī)時所施加的制動力矩的平均功率都是恒定的。通過調(diào)節(jié)該平均制動功率，保證電機(jī)準(zhǔn)確停在指定位置：一旦該制動功率參數(shù)調(diào)整好之后，在以后每次停機(jī)過程中，將同樣的規(guī)則施加平均制動功率就可以保證較準(zhǔn)確的停機(jī)位置。

但是，在實際調(diào)試驅(qū)動系統(tǒng)的過程中，發(fā)現(xiàn)電機(jī)在施加制動力矩期間，如果發(fā)生換相，則會影響到停機(jī)精度。這是因為換相使預(yù)定的平均制動力矩被改變，從而使得停機(jī)精度受到影響。因此，我們必須對停機(jī)時有換相的這種情況進(jìn)行轉(zhuǎn)矩脈動的抑制。

首先介紹一種滯后換相(重疊換相)的方法，即關(guān)斷相延遲關(guān)斷一段時間，用以補(bǔ)償換相電流。為了能夠在延遲關(guān)斷期間在直流母線上反映出非換相相的電流(總電流)，在換相期間采取關(guān)斷相和非換相相同步PWM調(diào)制而開通相恒通的措施，如圖2所示。

由圖2可以看出，如果僅僅采用重疊換相法，由于重疊換相的時間較難確定，并且影響轉(zhuǎn)矩脈動的因素很多，因此轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果不理想。為了避免常規(guī)重疊換相法的缺點，得到更好的電流調(diào)節(jié)性能，文獻(xiàn)引入了定子電流定頻采樣電流調(diào)節(jié)技術(shù)，從而形成了電流定頻采樣和重疊換相技術(shù)相結(jié)合的電流控制方法，如圖3所示。也就是本文采用的轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法。

在這種方法中，不象常規(guī)的滯后重疊換相法那樣只在換相開始時刻使關(guān)斷相延長導(dǎo)通一個時間間隔；而是在整個換相期間，在電流采樣點根據(jù)電流反饋信號對關(guān)斷相進(jìn)行凋制。如圖3所示，在A相電流波動大于設(shè)定正閥值時關(guān)斷C相，使電流減小：在A相電流波動小于設(shè)定負(fù)閥值時開通C相，使電流增加。

仿真實驗證明，在電流采樣頻率為200 kHz時，與常規(guī)的重疊換相相比，轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)從43％減小到了23％。

4 實驗結(jié)果
根據(jù)所開發(fā)的高速平縫機(jī)無刷電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的停機(jī)情況，進(jìn)行了一系列實驗。得到的實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。兩圖中最下部的曲線為上部波形的放大細(xì)節(jié)，為直流母線電流波形。

從圖4和圖5看出，制動期間，采取了一定的換相補(bǔ)償之后，直流母線電流的瞬間跌落程度得以補(bǔ)償，與沒有換相發(fā)生時的直流母線電流(圖略)的功率近似相等，從而保證了適當(dāng)?shù)姆聪蛄?，使停機(jī)精度在運行范圍之內(nèi)。值得指出的是，在下橋臂換相期間，直流母線出現(xiàn)負(fù)電流，但是在補(bǔ)償中行沒有采取負(fù)電流消除措施，這是因為通過關(guān)斷相的延遲導(dǎo)通，所補(bǔ)償?shù)玫降姆聪蛄匾呀?jīng)可以保證停機(jī)精度在運行的范圍之內(nèi)，因此沒有進(jìn)步采取補(bǔ)償措施。

5 結(jié)語
本文以高速平縫機(jī)無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)為例，主要討論了在制動過程中換相轉(zhuǎn)矩脈動對電機(jī)停機(jī)精度的影響，并根據(jù)實際情況提出了電流定頻采樣和重疊換相技術(shù)相結(jié)合的換相電流補(bǔ)償方法來減小換相轉(zhuǎn)矩脈動對停機(jī)精度的影響。所設(shè)計的系統(tǒng)和采用的補(bǔ)償方法，經(jīng)過實際系統(tǒng)的運行驗證，表明能夠很好地滿足使用要求，系統(tǒng)的技術(shù)精度要求也在規(guī)定的范圍之內(nèi)。