无刷电机的相电流重构同步整流控制研究_张泉.pdf

第 50 卷第 1 期农业工程与装备2023 年 2 月Vol.50No.1AGRICULTURAL ENGINEERINGAND EQUIPMENTFeb.2023无刷电机的相电流重构同步整流控制研究张泉1,2，白继刚1,2(1.包头长安永磁电机有限公司，内蒙古 包头 014030；2.内蒙古自治区先进永磁电机及其控制技术企业重点实验室，内蒙古 包头 014030)摘要：目前，大部分水下推进器所使用的无刷直流电机存在体积较大、整机笨重、作业范围小等缺陷。通过分析电机设备的换流特性，提出了母线电流的相电整流控制重构方案，经过仿真试验可知，运用该方案进行电机相电流控制优化，能大幅减少电机传感器数量，缩减电机体积，可使电机性能更加符合现代化作业需求。关键词：直流电机；电力重构；整流控制中图分类号：TM351文献标志码：A文章编号：20968736(2023)01003604Research on the phase current reconstruction synchronousrectification control of brushless motorZHANG Quan1,2，BAI Jigang1,2(1.Baotou Changan Permanent Magnet Machine Co.Ltd,Baotou,Nei Monggol 014030,China;2.Inner Mongolia Enerprise Key Laboratory of Advanced Permanent Magnet Machine&Its Control Technology,Baotou,Nei Monggol 014030,China)【Abstract】At present,most of the brushless DC motors used in underwater thrusters have defects such as large volume,bulky overall structure,and small operating range.By analyzing the commutation characteristics of motor equipment,aphase current rectification control reconstruction scheme is proposed for bus current.Through simulation experiments,itcan be seen that the optimization of motor phase current control by using this scheme can significantly reduce the numberof motor sensors and motor volume,and make motor performance more in line with modern operation requirements.【Keywords】DC motor;power reconfiguration;rectifier control直流无刷电机运行时，三相功率桥在控制器当中会产生一定的电感反应，当电流大幅度变化时，很容易导致电机 MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)中的二极管发生故障，需要通过在系统当中加入电容以提升电机运行的可靠性。本文所研究的水下推进电机为三相桥臂均配备电容的类型，控制器采用拓扑结构，能够通过在电源与母线电容间安装的传感器实现对电流的检测，并根据整流特征实现对闭环整流的控制，具备较高的实用性。基金项目：内蒙古自治区“科技兴蒙”项目(XM2020BT09)。作者简介：张泉(1986)，男，工程师，主要研究方向为稀土永磁电机工艺。1同步整流同步整流是指采用通态电阻极低的专用电机MOSFET，降低整流损耗的一种技术。由于电机MOSFET 中的二极管等设备在使用过程中容易因电流变化而发生故障，进而影响电机整体的使用寿命，因此在对电机进行同步整流优化时，需要确保其闭环当中的栅极电压和作为整流对象的电压处于同步状态。本文所研究的水下推进电机，按照 MOSFET设备对功率回路以及同步整流型斩波控制器的运行需求，共设置从 V1到 V6的 6 个组成构件；R 为相电阻构件，R1为对应的线路电阻构件；L 为绕组电感构件，L1为对应的寄生电感部分；C 和 Resr为第 50 卷第 1 期张泉等无刷电机的相电流重构同步整流控制研究37功率桥母线的电容集中等效；UDC为电源，将传感器置于电源与母线电容之间，可实现对电流的检测。系统运行过程中，转子需要按照运转周期完成换相，在采用同步整流技术的情况下，系统的斩波可依照设计要求执行正向导通控制绕组，并在控制PMW 的过程中处于互补状态。而在负向导通的过程中，斩波可通过绕组与桥臂进行连接，能够保持恒导通状态。2换流特性分析2.1换流类型在电机实际运行过程中，进行换流操作的目的是为了有效控制电流，换流主要有以下 3 个类型。(1)基于电源的换流。通过交流电网直接进行系统换流。(2)通过系统设备负载换流。通过系统当中电容等负载端产生的电压，以满足换流的电压要求。(3)自主性换流。换流过程与主系统隔离，通过在系统当中加入对应的换流器件实现换流。2.2特性分析电机在一个电角度周期内，可基于转子所处的位置利用开闭管完成同步整流。根据电机在这一过程中的两个状态，对无刷直流电机的换流特性展开分析。(1)处于第一状态时，系统当中的 A/B 两相处于导通状态，在绕组电感对状态切换的影响下，能够确保 C 相不会发生突变。设定：T 为第一状态持续的时间、t1为三相导通的时间、i 为相电流、Uab为线电压、D 为 PMW 占空比在 V1状态的数值、K1为比例系数。则 0 到 t1时间段内的区间方程为：(1)C 相的电流归零后，三相导通变为两相导通，此时的电回路状态转变为第一状态的两相导通。此时 t1到 T 的区间方程转变为：(2)(2)进入第二状态后，初始的导通相为 A/C，三相导通。设定：t2为三相导通的时间、Uac为线电压，T 到(T+t2)的区间方程为：(3)B 相的电流归零后，三相导通变为两相导通，此时的电回路状态转变为三相相通的第二状态。此时(T+t2)到 T 的区间方程转变为：(4)运用上述公式进行计算，设定参数：R 值为 17m、L 值为 23H、K1值为 0.92、T 值为 3.33 ms、PMW 占比 0.5、转速为 500 r/min，则 Matlab 显示电流变换为第二状态的两项相通。6 个状态均由两相或者三相导通形成，其中第一、第三以及第五为三相导通，时间约为 0.47 s，占总时间 14%；第二、第四以及第六为两相导通，时间约为 0.2 ms，占总时间6%。其中两相导通满足对称要求，三相不满足。3重构相电流的控制三相电路的桥臂部分均有上下两个用于进行开闭控制的元件，且两个元件在系统当中处于互补的状态。为了保障桥臂的开闭控元件能够得到有效控制，其控制的信号同样需要具备互补的特征。设定：元件开启状态“1”或关闭状态“1”时，对任一相进行控制，一个元件处于状态“1”时，另一个元件则处于状态“0”，系统当中三相的控制均遵从此设定。在两相导通情况下 V4导通，因此与其对应的绕组电感进入储能的阶段，进而造成该相的电流升高，同时电容进入到放电状态。设定：is为母线的电流、ics为电容的电流，则其余相电流关系的计算38农业工程与装备2023 年 2 月方法为：(5)(6)两相导通情况下 V1进入关闭状态后，对应的V2进入到导通的状态，并且在电路当中 V2以及 V4部分进入到能量释放的阶段，且系统当中的电流 iaf以及 ibf均出现降低。在电容进入到充电状态后，母线以及电容的电流 isf、icsf关系计算方法为：(7)由于系统中 PMW 的使用频率始终较高，设定：Ts为 PMW 的平均使用周期、为使用周期内的平均电流值、为代替瞬间值的近似值，三者之间的关系计算方法为：(8)(9)由于导通区间未受到换流的影响，因此母线的电流不会出现突然改变，能够用来代替瞬间值，两者之间的关系表述方式为：(10)将公式(5)至(10)进行合并，并引入电流的安秒特性，能够得到母线与相电流之间的计算公式：(11)(12)通过计算公式(11)、(12)可确定 A 相、B 相相电流与母线电流分别呈现相同以及相反状态，根据两者的 PMW 占比情况，结合母线的电流情况进行相电流重构。在三相导通的情况下，母线存在极短时间内发生电流突变的风险，需要采用滤波进行处理，处理后需要根据公式(11)重新进行计算。4仿真试验基于以上研究进行仿真试验，采用仿真方式为Simulink，设置的参数如下：R1值为 75 m、L1值为 4.36H、C 值为 1.41 mF、Resr值为 10.33 m、L 值为 23H、R 值为 17 m。对开环控制进行仿真试验时，设定：电机运行的状态下 PMW 的占比为 0.5，其负载状态的转矩应当为 3.5 Nm，使用的三个 HALL 脉宽互差为 120、180，且 6 个状态的开闭均不相同。第一状态对应的 HALL 信号为 101，此时 V1/V2通过互补对 PMW进行斩波控制，V4则处于恒定的导通状态下。第一状态的 A 相电流为 50A 时，对应的 B 相电流应当为-50A，对应的母线电流则为 25A，通过公式(11)、(12)进行计算能够确定，上述数据符合两个公式的运算要求，因此本文研究的用于重构两相电流的方法具备可实施性。对同步整流效果的仿真试验需要在电路开环的状态下进行，以检测相电流的母线以及相电流之间的关系是否符合上述部分论证。设定：电机运行的状态下，PMW 的占比为 0.5，其负载状态的转矩为 3.5 Nm，不同开闭控制下的 PMW 波形变化情况通过对三相电流波形的变化情况能够确定，每一个完整的电角度周期均由两相以及三相的导通区间共同构成，其中主要的构成为两相，而三相的存续时间相对较短。根据相电流和母线电流的变化情况能够确定，在第一状态的两相通道区间内，当 A相的电流为 50.3A 时，母线电流为 25A，符合公式(11)的运算要求，可以证明重构方法的正确性。进行闭环状态下的性能测试时，需要按照公式(11)的计算方法进行两相重构，而三相则需要采用近似值进行计算。仿真试验中，电机的电动设定为每分钟 800 转时，相电流的给定数值应当为 30A，在闭环控制的情况下，电流的增幅能够达到 30.3A左右，即与给定值基本相同。试验结果证明，文本所研究的整流方案能够满足无刷直流电机的改进需求。5结语通过改进水下推进器电机的整流特性，可将原本用于电流检测的多个传感器减少为一个。单传感器检测的电流为电机的母线电流，在两相导通的情况下，通过对母线以及相电流占空比的计算即能够设计出相电流的重构方案，以达到在电机中实现闭环同步整合的目的，完成对电机的精确控制，减少电机中传感器的数量，大幅缩减推进器的体积，使其更符合现代化作业需求。第 50 卷第 1 期张泉等无刷电机的相电流重构同步整流控制研究39参考文献1刘晓飞,王乐三,尹磊,等.国产变频驱动 MCU 定制设计与应用J.家电科技,2020(S1):111-114.2孟光伟,李槐树,熊浩.无刷直流电机在脉宽调制下的转矩脉动抑制J.电机与控制应用,2010,37(5):21-26.3李自成,尹周平,熊有伦.无刷直流电机换相转矩脉动分析及抑制J.华中科技大学学报(自然科学版),2012,40(S2):74-78.4魏海峰,李萍萍,刘国海,等.电动汽车轮毂电动机低成本变结构控制J.中国机械工程,2009,20(14):1749-1752.5魏海峰,李萍萍,贾洪平.无刷直流电机控制的优化仿真及实现J.中国农村水利水电,2009(9):141-143.6陆珊珊,赵宏涛,吴峻.弹射用无刷直流直线电动机换相推力波动分析J.微特电机,2010,38(6):10-12,20.责任编辑：张亦弛英文编辑：唐琦军（上接第 35 页）的研发依然存在瓶颈，相关的优秀技术人才还比较缺乏。因此，不但要处理好技术应用方面的问题，还要做好配套设备的研发5。4.2未来的展望目前，人工智能技术的应用已涉及到社会生产生活的各个方面，给人们的生活带来极大的便利，未来人类日常生活、工作的智能化将是大势所趋，深度学习和语言化处理将是未来人工智能技术的发展方向。通过科学应用人工智能技术，提升电气自动化系统的控制水平和作业效率，降低生产成本，是我国工业转型和升级的关键。结合物联网技术、大数据、云计算等先进技术，进一步扩展其应用场景，提高技术的应用深度，有利于解决传统电气控制系统在运行过程中存在的问题，为电气自动化控制系统向智能化、科技化发展提供强有力的技术支撑6。参考文献1蓝良生.浅析人工智能技术在电气自动化控制中的应用:评人工智能技术J.现代雷达,2022,44(2):122-123.2尚敏娟.基于人工智能技术的电气自动化控制系统设计研究J.电子设计工程,2021,29(15):171-174.3赵晋泉,夏雪,徐春雷,等.新一代人工智能技术在电力系统调度运行中的应用评述J.电力系统自动化,2020,44(24):1-10.4程程.人工智能技术在电气自动化控制中的应用思路分析J.中国设备工程,2021(23):34-35.5闫永辉,李远.人工智能技术在电气自动化中的应用分析J.消费电子,2022(4):76-78.6缪国平.人工智能技术在电气自动化中的应用J.中国设备工程,2021(3):37-38.责任编辑：张亦弛英文编辑：吴志立