第１９卷第１期 ２０１６年１月 西安文理学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．１９ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１６ 文章编号：１００８—５５６４（２０１６）０１－００３６－０５ ＢＬＤＣ控制系统中ＰＷＭ调制方式分析与比较 史召峰 ，孙承峰 （１．安徽工业经济职业技术学院机电工程系，合肥２３００５１；２．苏州大学机电工程学院，江苏苏州２１５０２１） 摘要：介绍了无刷直流电机控制系统中的５种ＰＷＭ调制方式，并从开关损耗、调制方式的极性和 对换向转矩脉动的影响这三个角度来分析和比较了这几种ＰＷＭ调制方式的优劣．通过理论推导，证明 当控制系统采用ＰＷＭ—ＯＮ调制方式，六只开关管的开关损耗得到了均匀的分配，并且直流无刷电机在 换向过程中的转矩脉动最小．最后通过实验验证了结论的正确性． 关键词：直流无刷电机；ＰＷＭ调制方式；开关损耗；换向转矩脉动 中图分类号：ＴＭ３５１ 文献标志码：Ａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ＰＷＭ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ（ＢＬＤＣ）Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ＳＨＩ Ｚｈａｏ—ｆｅｎｇ ．ＳＵＮ Ｃｈｅｎｇ—ｆｅｎｇ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３００５１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｏｃｈｏｗ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ ２１５０２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｆｉｖｅ ＰＷＭ ｍｏｄｅｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｉｒ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｒｅｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｗｉｔｃｈ ｌｏｓｓ，ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｔｙ ｏｆ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ｏｆ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ，ｉｔ ｗａｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｄｏｐｔｅｄ ＰＷＭ—ＯＮ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ，ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏｓｓ ｏｆ ｓｉｘ ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｗａｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｅｖｅｎｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ｏｆ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｗａｓ ｍｉｎｉｍｕｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｉｓ ｃｏｒｒｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ（ＢＬＤＣ）；ＰＷＭ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ；ｓｗｉｔｃｈ ｌｏｓｓ；ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ 具有梯形波反电动势的永磁无刷直流电动机具有高功率密度、控制简单等特点，应用非常广泛．其 驱动逆变器多采用三相半桥结构形式，工作于二二导通、三相六状态的１２０。导通方式，一般采用ＰＷＭ 调制方式进行速度及电流的调节，由于ＢＬＤＣＭ相电感的存在使电枢绕组电流从一相切换到另一相时， 产生换相延时，形成电机换向过程中的转矩脉动 Ｉ３ ．当采用的ＰＷＭ调制方式不同时，对系统的影响 收稿日期：２０１５－０９—１６ 基金项目：安徽省省级教学研究项目（２０１４ｊｙｘｍ５５９） 作者简介：史召峰（１９７８一），男，安徽合肥人，安徽Ｔ 业经济职业技术学院机电丁程系讲师，硕十，主要从事机电控 制、ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ技术研究． 第１期 史召峰，等：ＢＬＤＣ控制系统中ＰＷＭ调制方式分析与比较 ３７ 也不一样，当然对换相转矩脉动的影响也不一样．在文献［４］中，只分析了ＯＮ—ＰＷＭ、ＰＷＭ—ＯＮ、Ｈ— ＰＷＭ—ＬＯＮ、ＨＯＮ—Ｌ———ＰＷＭ四种不同调制方式对换相转矩脉动的影响，并没有分析Ｈ—ＰＷＭ—Ｌ— ＰＷＭ ５种ＰＷＭ调制方式． ＰＷＭ对换相转矩脉动的影响．在本文中，介绍了无刷直流电机控制系统中的ＯＮ—ＰＷＭ、ＰＷＭ—ＯＮ、Ｈ— ＰＷＭ—ＬＯＮ、ＨＯＮ—ＬＰＷＭ、ＨＰＷＭ—Ｌ＿—＿——１ ５种调制方式的分析与比较 三相永磁无刷直流电机工作于１２０。导通方式下时，常见的‘ＰｗＭ调制方式有以下５种：①Ｈ—ＰＷＭ —Ｌ—ＰＷＭ上下桥臂开关管均进行ＰＷＭ信号调制（导通两相上的开通开关管同时进行ＰＷＭ调制）；② ＯＮ—ＰＷＭ：在开关管导通的１２０。期问，各管前６０。电角度保持恒通，后６０。电角度进行ＰＷＭ信号调制； ③ＰｗＭ—ＯＮ：各管前６０。电角度受ＰＷＭ信号调制，后６０。电角度恒通；④Ｈ—ＰＷＭ—Ｌ—ＯＮ：上桥臂开关 管受ＰＷＭ信号调制，下桥臂开关管保持恒通；⑤Ｈ—ＯＮ—Ｌ—ＰＷＭ：上桥臂开关管保持恒通，下桥臂开关 管进行ＰＷＭ信号调制．１５ 如图１所示： ６—１ １—２ ２—３ ３—４ ４—５ ５—６ ｔ６—１ １—２ ２—３ ３—４ ４—５ ５—６ １ｌｌｌｌｌｌｌｆｌｌｌ＠ｌｆｌ ： 。１１１１１１１１１１１１ 咖哑二］ ：』４Ｌ—－＿ 衄叫００Ｌ—］ ． Ｎｌｌｌｌｌｌ｝ｎｌ ｒｌｌｌ 瓦 １１１ １ｎｎ０１００１ｎ 帆 ＩＩＨＩＩＩ ０ ＨｎＨＨＨＨＨＩＩＨＨＨ Ｌ 咖咖［］ 一一 ［＝＝二Ｌ——一：咖眦 Ｌ— ： ０ＩＩＩＩＩ［１＿ｌ＿ １ 咖咖［二］ ６ｏ １２ｏ。１８ｏ。２４０。３００。３６ －＿＿ （ｂ）ＯＮ—ＰＷＭ 丽 ｆｃ ＰＷＭ一０Ｎ 丽 ａ。 （ａ）Ｈ—ＰＷＭ—Ｌ—ＰＷＭ ６—１ １—２ ２—３ ３—４ ４—５ ５—６ ＨＨＩＨＨＨ １ 厂—＿—］ ｌｌＨｌｌＩｌｌＨＩｌ１ ＩＩｌｌ ｆ １ＩＩｌｆｌｌＨｌ ＩＩＩＩＩＩ ＩＩＩＩＩ ＩＩＩＩＩ『 一ＩＩＩ『 “ １１ 『 ６０ １２ｏ。１８０。２４ｆ 。３００。３６￣ ６０。 １２０＇１８０。２４０。３０ｏ。３６（ （ｄ）Ｈ—ＰｗＭ—Ｌ一０Ｎ （ｅ）ＨＯＮ ＬＰＷＭ 图１ ５种ＰＷＭ调制方式的输出波形 １．１ 从器件开通和关断损耗角度分析５种ＰＷＭ调制策略 在五种ＰＷＭ调制方式中，采用图１中（ａ）的调制策略时，六只开关管都需要进行脉宽调制，其所带 来的开关损耗为其它几种调制方法的两倍，降低了控制器的效率．另外在相同的平均电磁转矩下，单斩 方式比双斩方式的稳态转矩脉动小，单斩方式的绕组电流稳态值要大于双斩方式的绕组电流稳态值．因 此，通常不采用图１（ａ）所示调制策略；图１中（ｄ）和（ｅ）所示调制策略由于六个开关管的开通和关断损 耗没有均匀的分配而很少被采用．而图ｌ中（ｂ）和（Ｃ）所示调制方式在开关管导通的１２０。期间，开关管 有６０。电角度受ＰＷＭ信号调制，６０。电角度保持恒通，这两种调制策略使得六只管子的开通和关断损耗 得到合理地分配而被采用的最多． １．２从５种ＰＷＭ调制策略的输出极性去分析和比较 在所有逆变器的脉宽调制方式中，按其输出电压极性可以分为单极性脉宽调制和双极性脉宽调制． 单极性脉宽调制下，逆变器的输出电压极性不会发生变化，而双极性脉宽调制则相反．对于以上提及的 ５种ＰＷＭ调制策略，图１中（ｂ）～（ｅ）属于单极性脉宽调制，（ａ）属于双极性脉宽调制，由于双极性脉宽 调制有电流脉动大的缺点，一般很少被采用． １．３ 从换向转矩脉动的角度来分析和比较５种ＰＷＭ调制方式 永磁无刷直流电机工作于１２０。导通方式下时，其工作过程可分两个区间，一个是导通相电流增加、 ３８ 西安文理学院学报（自然科学版） 第１９卷 关断相电流减小且每相绕组都有电流流过的换相区间．【５ 另一个区间为非换相区间，在这个区间内，三 相绕组中只有两相绕组有电流流过． 永磁无刷直流电机采用不同的ＰＷＭ调制方式时，每相绕组流过的电流会因为开关管的开关方式 而出现不同的幅值和流向，这会使电机产生换相转矩脉动．下面将详细叙述不同调制方式下的换相转矩 脉动的推导过程． 设Ｄ为ＰＷＭ占空ＬＬ（ｏ Ｄ １），Ｕ 表示直流母线电压．换相期问，若进行ＰＷＭ调制的开关管位于 上桥臂，则所在相的绕组端电压可以表示为Ｄ 反电动势没有变化，那么下式则成立： ；如果ＰＷＭ调制的开关管位于下桥臂，则所在相绕 组端电压可以表示为：（１一Ｄ）：ｌ：Ｕ ；由于换相持续时间短，可以认为在Ａ相切换到Ｂ相时三相绕组上 换相发生在上桥臂： ： ＝Ｅ＝ ，ｅ ＝一 ∞； 换相发生在下桥臂：ｅＡ＝ｅ８：一Ｅ＝一ｋＣｔｏ，ｅｃ：ｋｏ∞． 又因 ＋ｉ ＋ｉ。＝０，则下桥臂和上桥臂换相时的电磁转矩计算公式可分别由式（１）和（２）来表示： ： 一２ｐｋ 一 ２ｐｋＩＪｒ ， ：（１）１ （２）＼ ， Ｊ ｐ，一 ： 式中：∞为电机速度（ｒａｄ／ｓ），ｋ 为电磁转矩常数，Ｐ为极对数．由此可知，换相前后的电磁转矩计算 公式一样．这说明，只要保证换相期间没有换相的那相电流和换相前电流幅值相同，则换相期问没有转 矩波动． １．３一ＨＰＷＭ—Ｌ—＿ＰＷＭ调制策略下转矩波动分析 以下桥臂开关管换相为例，分析从Ａ相换流到Ｂ相的换相过程，分析的结论同样适合上桥臂换相． 设从Ａ相换流到Ｂ相的换相期间，Ｄ。续流， 为关断管， 为开通管， 为非换相管， 调制，在换相期间的电流回路如图２所示： 同时进行脉宽 （ａ） ，Ｔ６导通，Ｊ９ 续流 （ｂ）Ｔ５， 关断，Ｄ。续流 图２ Ｈ—ＰＷＭ—Ｌ—ＰＷＭ调制策略下下桥换相时 相续流回路 Ａ相续流时电机每相端电压半衡方程为： ＵＡ＝ ＝Ｒｉ ＋ ｄｉＡ＋ｅ ＋ （３） （４） （５’ ＝（１一ｓ）ｕ ：Ｒｉ ＋ ｄｉＢ＋ｅ ＋ ｒ｛ｉ Ｕｃ＝Ｓ Ｕｄ＝Ｒｉｃ＋ ＋ｅｃ＋ＵⅣ 在换相期间内有ｅ。＝一ｅ ＝Ｅ＝ ，ｋｏ为电磁转矩常数，而ＣＡ是一个斜坡函数．另外中性点电压Ｕ 还受ＰＷＭ调制方式的影响，因此其动态表达式实际上是一个非常复杂的函数．由于换相过程比较短，令 ｅ ＝一 ． 同时令式（４）和（５）中的Ｓ—Ｄ，式中Ｄ为当前ＰＷＭ脉冲占空比，则式（４）、（５）可简化为： ＝（１一Ｄ）Ｕ ＝Ｒｉ ＋ ｄｉＢ＋ｅ ＋ （６） 第１期 史召峰，等：ＢＬＤＣ控制系统中ＰＷＭ调制方式分析与比较 ３９ Ｕｃ Ｄ Ｕｄ Ｒｉｃ＋ 十ｅＧ＋ （７） 由式（３）、（６）和（７）可求得： ２Ｕ，ｌ －ｋｅｗ ＵＮ：＝—— —（８） 在下桥换相前， 。（Ｏ）＝一ｉ （０）＝ｉ。（ｉ。是相电流在稳定状态下的值），ｉ （０）＝０．将式（８）代人式 （７）并结合 （０）＝ｉｏ可解得： （９） 再根据式（２），可得换相过程的转矩为： ＝２ｐｋ ｉ。＋２ｐ ［（２－３０）Ｕｄ－４ｋ 一３Ｒｉ。］ （１０） 由前面分析可知，下桥臂没有换相前所产生的转矩为： 』＝２ｐｋ ｉ。，则换相过程产生的转矩波动为： △ ｊ＝ 一 ＝一２ｐ ［（２—３Ｄ） 一４ｋ 一３Ｒｉ。］￡ （１１） １．３．２其余４种脉宽调制策略下电磁转矩脉动分析 经过分析发现，换相时，脉宽调制发生在开通管时所产生的转矩脉动和脉宽调制发生在非换相管时 所产生的转矩脉动是不一样的．前者我们归结为第一类，后者归结为第二类． 由以上分析可知：所有调制策略中能归结到第一类的有：ＰＷＭ—ＯＮ型调制策略、换相发生在上桥 臂的Ｈ—ＰＷＭ—Ｌ—ＯＮ型调制策略和换相发生在下桥臂的Ｈ—ＯＮ—Ｌ—ＰＷＭ型调制策略；可归结到第二 类：ＯＮ—ＰＷＭ型调制策略、换相发生在上桥臂的Ｈ—ＯＮ—Ｌ—ＰＷＭ型调制策略和换相发生在下桥臂的Ｈ ＰＷＭ—Ｌ——ＯＮ型调制策略．可以证明只要不同的调制策略下有相同的续流过程，它们所产生的换向转 矩脉动是一样的． ２ 实验结果 以一台额定转速为３ ０００ ｒｐｍ的无刷直流电机为实验电机，用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司ｄｓＰＩＣ３３ＦＭＣ２０４单片 机作为控制系统的核心进行了实验论证，图３中的（ａ）～（ｅ）分别为５种调制策略下所得到的相电流实 验波形． ２００ｍＶ Ｍ １Ｏ ０ｍｓ ２００ｍＶ Ｍ１０ ０ｍｓ ２００ｍＶ Ｍ １０．０ｍｓ （ａ）Ｈ ＯＮ—Ｌ—ＰＷＭ型 （ｂ）Ｈ—ＰＷＭ—Ｌ—ＯＮ型 （ｃ）ＯＮ—ＰＷＭ型 ２００ｍＶ Ｍ １０．０ｍｓ ２００ｍＶ Ｍ １０．０ｍｓ （ｄ）ＰＷＭ—ＯＮ型 （ｅ）ＨＰＷＭ—ＬＰＷＭ型 图３ ５种调制策略下相电流波形 西安文理学院学报（自然科学版） 第ｌ９卷 由实验波形及其分析可知，无论哪一桥臂进行换相时，脉宽调制发生在开通管时所产生的转矩波动 均比脉宽调制发生在非换相管时所产生的转矩波动要小，而换相过程中产生转矩波动最大的是Ｈ— ＰＷＭ—Ｌ—ＰＷＭ调制策略． ３结语 本文阐述了无刷直流电机控制系统中的５种ＰＷＭ调制方式，并从开关损耗，调制方式的极性和对 换向转矩脉动的影响这三个角度来分析与比较了这几种ＰＷＭ调制方式的优劣；最后得出结论：当控制 系统采用ＰＷＭ—ＯＮ调制方式时，六只开关管的开关损耗得到了均匀的分配，并且直流无刷电机在换向 过程中的转矩脉动最小．实验结果与波形也充分证明了所得结论的正确性． ［参考文献］ ［１］ＣＨＡＮＧ Ｇ Ｋ，ＪＯＯＮＧ Ｈ Ｌ．Ａ Ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｔｒａｐａｚｏｉｄａｌ ｅｌｃｅｔｒｏ ｍｏｔｉｖｅ Ｆｏｒｃｅ［Ｃ］．ＩＣＰＥ，Ｋｏｒｅａ，１９８８（１）：４７６—４８１． 郑柒拾．永磁无刷直流电机的转矩计算及结构参数对转矩的影响［Ｊ］．电机与控制学报，２００１（２）：１８８— ［２］ 王凤翔，２０３． 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Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ［７］ Ｉ２００２，４２（５）：１１７６—１１７８． ［责任编辑王新奇］