大型船用无刷直流电机转矩脉动抑制方法.pdf

第45卷第18 期2023年9月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.18Sep.,2023大型船用无刷直流电机转矩脉动抑制方法查竞舟(南昌航空大学科技学院，江西九江332 0 2 0)摘要：针对大型舰船用无刷直流电机在运行过程中会出现转矩脉动的问题，设计基于开通角的大型舰船用无刷直流电机转矩脉动抑制方法，提高大型舰船用无刷直流电机转矩脉动抑制能力。构建舰船用无刷直流电机数学模型，在该模型基础上分析舰船用无刷直流电机的换相过程中电流变化情况，针对换相产生的转矩脉动，采用开通角控制开通相的开通时间，实现大型舰船用无刷直流电机转矩脉动抑制。实验结果表明：在电机低速和高速运行时，分别采用推迟开通相开通时间、提前开通相开通时间等方式，抑制大型舰船用无刷直流电机转矩脉动，该方法可有效抑制电机转矩脉动，满足不同工况下电机运行的需求，保障大型舰船用无刷直流电机安全运行。关键词：无刷直流电机；转矩脉动；抑制方法；开通角；数学模型中图分类号：TM301.2文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)18-0 115-0 4A method for suppressing torque ripple of brushless DC motors used in large shipsAbstract:In response to the problem of torque ripple during the operation of large ship brushless DC motors,a torqueripple suppression method based on opening angle is studied to improve the torque ripple suppression ability of large shipbrushless DC motors.Construct a mathematical model of a brushless DC motor for ships,and analyze the current changesduring the commutation process of the motor.In response to the torque ripple generated by commutation,the opening angleis used to control the opening time of the opening phase to suppress the torque ripple of a large brushless DC motor for ships.The experimental results show that when the motor operates at low speed and high speed,methods such as delaying theopening time of the opening phase and advancing the opening time of the opening phase are used to suppress the torqueripple of large ship brushless DC motors.This method can effectively suppress the torque ripple of the motor,meet the needsof motor operation under different working conditions,and ensure the safe operation of large ship brushless DC motors.Key words:brushless DC motor;torque ripple;suppression methods;opening angle;mathematical model0引言无刷直流电机由电机、位置传感器、线路等组成，通过电子换相的方式驱动电机运行，可靠性高，被广泛应用在工业领域 。目前，我国在大型舰船中使用无刷直流电机，控制大型舰船的行驶速度，保障大型舰船安全2 。但因无刷直流电机结构的特殊性，其平均转矩会高于普通电机的平均转矩，在运行过程中容易出现转矩脉动问题3。若转矩脉动问题不能及时解决，会引起无刷直流电机故障，威胁大型舰船的安全。因此，对大型舰船用无刷直流电机转矩脉动抑制方法的课题研究至关重要，相关学者已经对该课题收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 4作者简介：查竞舟（198 5-），男，硕士，讲师，研究方向为电机与电器。文献标识码：Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.18.019ZHA Jing-zhou(Science and Technology College of NCHU,Jiujiang 332020,China)研究。李珍国等4 研究转子定向抑制方法，构建电机磁场等效模型，但该方法的计算量比较大，导致转矩脉动抑制效率较低。陆可等5 研究电压矢量的抑制方法，但该方法对电机零速运行时脉动抑制效果不佳。因上述方法的局限性，研究开通角的大型舰船用无刷直流电机转矩脉动抑制方法，消除转矩脉动，提高无刷直流电机使用寿命。1船用无刷直流电机转矩脉动抑制方法1.1舟船用无刷直流电机数学模型船用无刷直流电机的电路结构6 如图1所示。图 116 中，0 1 0 6 代表逆变器；1 6 代表逆变器开关；R代表绕阻电阻；电机中性点用U。描述；A相、B相、C相的电流分别用ia、i b、i 描述；电感用H描述；绕阻互感用N描述；母线电压用Ua描述；三相的反电动势分别用ea、e b、e 描述。Ua4工工O.L26工工工0.o,2工工不工osRRRH-N3H-NH-NE+eeeaU。图1船用无刷直流电机的电路结构Fig.1 Circuit structure of brushless DC motor for ships三相电流关系表达式如下：ic+ib+ia=O。依据Kirchhoff定律构建三相电压公式为：UaXZa=Uo+Ria+n(dia/dt)+ea,UaXZb=Uo+Rib+n(dib/dt)+eb,(UaXZc=Uo+Ric+n(dic/dt)+eco式中：za、Zb、z c 分别描述三相电流开关函数；n代表电感和绕阻互感的差即n=H-N。将式(2)内3个方程相加，并结合式(1)求出电机中性点Uo，其表达式为：Uo=Ua(za+Zb+zc)/3-(ea+eb+ec)/3。把式(3)导人式(2)，得出三相电静止坐标系公式如下：n(dia/dt)=-Ria+UaZA+EA,n(dib/dt)=-Rib+UaZg+EB,(n(dic/dt)=-Ric+UaZc+Ec。式中:ZA=(2za-Zb-zc)/3;Z=(2zb-Za-zc)/3;Zc=(2zc-Za-zb)/3;EA=(eb+ec-2ea)/3;EB=(ea+ec-2eb)/3;Ec=(ea+eb-2ec)/3。舰船科学技术将三相向二相静止坐标系转换的公式如下：(n(dia/d)=-Ria+UaZ+E(n(dijg/di)=-Rig+Ua Zg+Ep式中：i、i g 分别为两相电流；Z、Zp 分别为两相电流开关函数；E、E分别为两相的反电动势。工依据电机理论6 ，机械转动惯量用J描述，得出电o机运动公式如下：J(dx/dt)=Te-SvX-THc式中：Th为负载转矩；T。为电磁转矩；x为电角速度；S,为摩擦系数。电磁转矩公式如下：Te=p(eaia+ebib+ecic)/x=FrpxI。其中：为电枢电流；p为电机极对数；为磁通量，FT为转矩常数。1.2无刷直流电机换相转矩脉动在船用无刷直流电机数学模型基础上，分析无刷直流电机的换相过程中电流变化情况，AB导通向AC导通换相过程为例，此时6 关闭，B相电流降低，1恒开通，A相是非换相，2 打开，C相电流升高。在换向时，电流回路公式如下：(1)(ea-eb+2(H-N)(di/dt)+(H-N)(di2/dt)+2Ri=0,ea-ee+2(H-N)(di/dt)+(H-N)(di2/dt)+Rii=Ud,(ia=i1+i2,ib=-i,ic=-i2。(8)(2)设置平底波最高幅值用描述，三相的反电动势均在位置，此时ea=，e b=e c=-，i 和i表达式为：(dib/dt)=-R(H-N)ib+(2F+Ua)/3(H-N),(9)(dic/dt)=-R(H-N)ic+(2Ud-2)/3(H-N)。换相开始时i、i状态表达式如下：(3)ib=fi(e),ic=f2(e),=0,ib=-1,ic=0。计算ib、i 的解，其求解公式为：i(s)=1-(2F+Ua)/3Re-/+(2F+Ua)/3R,(4)(ic()=(2Ua-21)/3Rle-(2Ua-21)/3R。通过求导i(s)、i c(s)后，得出ic电流升高速率(s)与i电流降低速率论(s)。在换相过程中，因电流速率变化引起ib、i 发生波动，同时因ic+ib+ia=O，必然引起也发生波动，此时电机电磁转矩表达式为：第45卷(5)(6)(7)(10)(11)加速防滑控制系统第45 卷Tem=(p/x)x(eaia+ebib+ecic)=-(2/x)pr(ib+ic)。(12)1.3基于开通角的无刷直流电机转矩脉动抑制方法在船用无刷直流电机AC/BC换相时，BC两相生成一个回路，此时i电流下降，i电流升高。Im表示电流换相初始电流，i电流和时间关系为：ia=-(Ua+2E)/3(H-)+m+(Ua+2E)/3R)ex。(13)式中：k为电磁时间常数，E为线电势。当i。电流降为0 时，需要时间用t描述，令i=0，此时t表达式如下：ti=-kln(Ua+2E)/(Ua+2E+3R)Iml。i电流升高至最大电流时间t2，t 2 表达式如下：t2=-kln(2Ua-2E-3RIm)/(2Ud-2E)。针对大型船用无刷直流电机是3种运行状态实施分析，采取合适开通角的大型船用无刷直流电机转矩脉动抑制方法。3种运行状态如下：1）临界运行在换相情况下，若ti=t2，大型船用无刷直流电机开通相电流升高量等于关闭相电流降低量，此时电机没有发生转矩脉动，表明电机为临界运行，此时转速为6 5 0 7 0 0 r/min，电流为18 2 0 A。2）高速运行若tit2，开通相电流升高量大于关闭相电流降低量，此时为抑制大型舰船用无刷直流电机转矩脉动，通过推迟开通相开通时间的方式实现抑制。t表示推迟开通时间，具体表达式如下：tt=(ti-t2)/2=(2Ua-E)(Ua+E)-0.5kln(Ua+E-3RIm)(2Ud-E+3RIm)2up元当电角速度为X=其中常数用描述，开60通时间的开通角表达式为：p元Q*=kln(2Ud-E-3RIm)(Ua+E+3RIm)/60(2Ua-E)(Ud+E)。因t,与t互为相反数，当*0时描述开通角提前。在大型舰船用无刷直流电机实际运行时，会受到漏磁的情况，需要导进1个修正系数w，w 调整开通角，基于开通角的大型舰船用无刷直流电机控制模型如图2 所示。可知，依据实时识别的电流与转速求解出开通角，将结果输人换相逻辑控制器，输出控制命转速电流识别开通角求解位置传感器换相逻辑控制器无刷直流电机驱动电路图2 开通角的大型舰船用无刷直流电机控制模型Fig.2 Control model of brushless DC motor for largeships with open angle2仿真测试分析在Matlab/Simulin环境下测试本文方法的应用效果，将某海事部门的大型船用无刷直流电机作为试验对象。电机如表1所示。电机低速和高速分别为40 0 r/min、15 0 0 r/m in，在电机低速和高速运转的工况下，测试本文方法对大型船用无刷直流电机实施转矩脉动抑制的性能，得出转矩波动如图3所示。可知，在电机低速与高速运行的工况下，采用本文方法对大型船用无刷直流电机转矩脉动抑制的效果较好，本文方法可有效抑制电机转矩脉动，满足不同工况下电机运行的需求。为了进一步验证本文方法的应用效果，分别采用本文方法、转子定向抑制方法 4，电压矢量的抑制方法 5 ，对大型船用无刷直流电机转矩脉动实施抑制，输出转矩脉动结果如图4所示。由图4(a)可知，采用文献转子定向抑制方法对大型舰船用无刷直流电机转矩脉动实施抑制，输出转矩脉动最高值大于35%，说自动电流调节器PWM逻辑“与”放大电路118参数极对数取值2额定转矩/参数等效电感/HNm取值0.83630N/4转241812600110210310410510610710810910时间/ms(a)低速运转工况9.07.56.0u.N/转4.53.01.500110210310410510610710810910时间/ms(b)高速运转工况图3不同工况下转矩波动Fig.3 Torque fluctuation under different working conditions明对抑制电机转矩脉动效果不佳。由图4(b)可知，采用电压矢量抑制方法对大型舰船用无刷直流电机转矩脉动实施抑制，输出转矩脉动最高值大于2 0%，说明对抑制电机转矩脉动效果一般。由图4(c)可知，采用本文方法对大型舰船用无刷直流电机转矩脉动实施抑制，输出转矩脉动最高值大于5%，说明本文方法的对电机转矩脉动抑制效果较好，符合电机转速运行的特点，保障大型舰船行驶的安全。3结语为了提升电机转矩脉动抑制效率，设计了基于开通角的大型船用无刷直流电机转矩脉动抑制方法。实验结果表明，本文方法对电机转矩脉动效果抑制较好，提升了电机的稳定性。参考文献：1姚绪梁，赵继成，王景芳，等.一种基于辅助升压前端的无刷舰船科学技术表1电机参数50Tab.1 Test database%25额定转速/额定功率/r:min-W1800600绕组电感/PWM频率/mHkHz0.01726.3AMAMAM原始转矩脉动-本文方法抑制后转矩脉动原始转矩脉动-本文方法抑制后转矩脉动第45 卷电阻/Q电压/V2.6220220255000.61.21.82.43.03.64.24.8 5.4时间/s(a)文献 4 方法输出的转矩脉动5025%0255000.61.21.82.43.03.64.24.85.4时间/s(b)文献 5 方法输出的转矩脉动5025%0255000.61.21.82.43.03.64.24.85.4时间/s(c)本文方法输出的转矩脉动图43种方法输出转矩脉动Fig.4 Three methods for outputting torque ripple直流电机换相转矩脉动抑制方法研究 .中国电机工程学报,2 0 2 0,40(9):30 2 130 31.2 郭，王超，解文祥.用于船舶永磁推进电机驱动控制的MMC模型预测方法 .中国舰船研究，2 0 2 1，16(4):179-189+198.3吕德刚，张辰光，侯征东.无刷直流电机基于电流预测控制的转矩脉动抑制 J.哈尔滨理工大学学报,2 0 2 0,2 5(5):1-7.4李珍国，孙启航，王鹏磊，等.基于转子永磁体磁场定向的无刷直流电机转矩脉动抑制 .电工技术学报，2 0 2 0,35(14):2987-2996.5陆可,蔡广瀚，向南辉，等.基于电压矢量注入的无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法 .中国电机工程学报，2 0 2 1,41(10):3592-3601+3683.6】何伟福，王宁黎，赵浩，等.基于峰谷互补方法的开关磁阻电机转矩脉动抑制研究 .计量学报,2 0 2 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