直流永磁無刷電機超靜音控制器設計

　　直流永磁無刷電動機由于其結構簡單、可靠性高、低速大扭矩等特點而得到了越來越廣泛的應用，尤其是近年來在電動自行車中得到了廣泛應用。由于電動自行車是人們的日常代步工具，因此人們對整車的啟動平穩(wěn)性，噪音等指標提出了較高的要求?，F(xiàn)有電動車電機大部分采用直流永磁無刷電機，電機的鐵芯為直槽結構，繞組為三相星形連接，逆變器一般工作在兩兩導通狀態(tài)。由于直槽電機在工作時扭矩波動較大,因此我們必須優(yōu)化電機的結構并配合經(jīng)過優(yōu)化設計的控制器才能獲得比較滿意的效果。本文就如何設計直流永磁無刷電機超靜音控制器作一些探討。

　　2. 直流永磁無刷電動機的轉矩脈動分析

　　永磁無刷電動機由于電磁因素、齒槽的影響、電流換向、電樞反應等會產(chǎn)生較強的脈動轉矩。在設計電機和相應的控制系統(tǒng)時應認真考慮，采取措施，避免轉矩脈動過大。

　　2.1電磁因素引起的轉矩脈動

　　電磁轉矩脈動是由于定子電流和轉子磁場相互作用而產(chǎn)生的轉矩脈動，它與電流波形、反電動勢波形、氣隙磁通密度的分布有直接關系。理想情況下，定子電流為方波，反電動勢波形為梯形波，平頂寬度為120°電角度，電磁轉矩為恒值。而實際電機中，由于設計和制造方面的原因，可能使反電動勢波形不是梯形波，或波頂寬度不為120°電角度，這樣就會造成電機的扭矩脈動。

　　2.2齒槽引起的轉矩脈動

　　由于定子鐵心槽齒的存在，使得永磁體與對應的電樞表面的氣隙磁導不均勻，當轉子旋轉時，使得在一個磁狀態(tài)內(nèi)，磁路磁阻發(fā)生變化，從而引起轉矩脈動。齒槽引起的轉矩脈動是轉子磁場相互作用產(chǎn)生的，與定子電流無關。因此抑制由齒槽引起的轉矩脈動的主要集中于優(yōu)化電機設計上，如斜槽法。

　　2.3電流換向引起的轉矩脈動

　　其中Te為電機電磁轉矩，ea，eb，ec為相繞組電動勢，ia，ib，ic 為相繞組電流。

　　由于換相時間很短，可近似認為ebaeca ，在換相區(qū)域內(nèi)不變化，因此扭矩與電流成正比關系，電流的波動直接導致了電機轉矩的波動。在低速大負載運行的情況下，電機的轉矩脈動尤為明顯。

　　在直流無刷永磁電機的轉矩脈動原因中，前兩種主要靠優(yōu)化電機的設計來達到目的，對于第3種轉矩脈動，我們可以通過電流補償法來減小電機在換相過程中的轉矩脈動。本文將重點介紹這種方法。

　　3.電流補償法減小電機的轉矩脈動

　　由于在低速大負載運行時，電機的旋轉反電勢很小，為了使電機的相電流不超過允許的最大值，PWM占空比通常比較小，這使得換相后新的相繞組電流上升緩慢。圖3中是電機換相時的電流仿真波形。電機兩相之間的電感為Lm=0.4mH,內(nèi)阻Rm=0.28歐姆(實際電機的參數(shù))。采用AOS(萬代半導體)生產(chǎn)的AOT460 MOSFET進行仿真。MOSFET的PSPICE模型采用level3等級。由圖3中可以看出，如果PWM占空比為30%，則電流由零上升到30A需要約1.3ms。這與圖2a中實測的波形相仿。為了使換相后電流迅速上升，我們可以使換相后PWM占空比為100%來對電流進行補償，直到電流上升到換相前的電流值，這樣可以使換相電流的波動盡可能的小，時間盡可能地短。由仿真波形中I2可以看出，電流上升到30A的時間小于300us。

　　4.控制系統(tǒng)的設計

　　如何精準控制換相后的補償電流，即如何精確控制PWM100%占空比的時間是超靜音控制器設計的關鍵!這就要求控制系統(tǒng)的MCU具有以下的特點：

　　1) 有很快的A/D轉換速度，能夠在換相后連續(xù)快速采樣;

　　2) 能夠在PWM的開通期間特定時刻觸發(fā)A/D采樣;因為在PWM逆變器帶感性負載的控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的一些寄生參數(shù)導致PWM在開通和關斷期間電機的相線上出現(xiàn)振鈴(如圖4所示)，這些振鈴會耦合到A/D采樣的回路中，因此我們應避開在PWM開關過程中進行A/D采樣。如果我們在PWM開通期間的中點觸發(fā)電流采樣，我們將會得到電流的平均值，這將有利于我們對電流補償?shù)目刂啤?/p>

　　事實上，找到這樣的MCU并不難，譬如英飛凌的馬達專用控制芯片XC866，CYPRESS的片上可編程控制芯片CY8C24533等。XC866的A/D轉換速度可以達到2us以內(nèi)，加上程序的執(zhí)行時間，一次A/D轉換需要的總時間在8us以內(nèi)，以這樣的時間間隔來判斷電流補償是否完成已經(jīng)足夠。CY8C24533是CYPRESS專為電機控制開發(fā)的帶高速A/D的芯片，其SAR8轉換速度可以達到3us以內(nèi)，加上其自動對齊觸發(fā)A/D模式，可以在PWM的任意時刻觸發(fā)電流A/D采樣，我們也很容易實現(xiàn)對電流的精準控制。

　　圖2b是采用XC866控制芯片的系統(tǒng)在經(jīng)過上述方法優(yōu)化后測得的換相電流波形，由圖2b可以看出，換相時的電流脈動基本消除，電機的相電流基本接近方波。用了這套控制系統(tǒng)的電動車，起步加速以及運行時的電機震動已基本消除，實現(xiàn)了超靜音控制器的設計。

　　5. 結語

　　通過選用合適的MCU實現(xiàn)高速可觸發(fā)A/D采樣，對永磁無刷電機換相時的電流進行精準補償，可以達到消除換相電流脈動，減輕電機振動的效果。