PWM方式对无刷直流电机续流的影响

陈志辉， 曹志亮

(南京航空航天大学 自动化学院， 江苏 南京 211106)

0　引言

“特种电机及其控制”课程在电气工程及其自动化专业的课程体系中具有重要地位，内容涉及无刷直流电动机、开关磁阻电机、步进电机以及直线电动机等[1-3]。在无刷直流电动机部分，会涉及该电动机调速控制的PWM调制技术。通常，课程中会介绍5种PWM调制方式，对非导通相的续流现象也有所提及，但对于续流的机理缺少必要的解释，致使学生在学习相关内容时，感觉内容抽象，不易掌握。为了解决该问题，笔者将无刷直流电动机的相关科研实践成果引入课程教学中，做到课本理论与实际应用相结合，增强学生的感性认识，激发学生的自主学习热情[4，5]。

1　无刷直流电动机的常用PWM方式

1.1　三相桥式拓扑与五种PWM调制方式

无刷直流电动机用的最多的主电路为三相桥式主电路，如图1所示，其中的电机本体部分以等效电路表示。PWM调制是控制电机相电流的有效途径，无刷直流电动机常用的PWM方式有五种，即：

(1)on_pwm型：在120°导通区间内，各开关管前60°恒通，后60°采用PWM调制。如图2所示。

(2)pwm_on型：在120°导通区间内，各开关管前60°采用PWM调制，后60°恒通。

(3)H_pwm-L_on型：在各自的120°导通区间内，上桥臂功率管(即T1，T3，T5)采用PWM调制，下桥臂功率管(即T4，T6，T2)恒通。

(4)H_on-L_pwm型：在各自的120°导通区间内，上桥臂功率管恒通，下桥臂功率管采用PWM调制。

(5)H_pwm-L_pwm型：在各自的120°导通区间内，各功率管均进行PWM调制。

图1　三相桥式主电路

图2　on_pwm型PWM调制

前4种方式称为半桥调制方式，即在每个60°区间，只有一个功率管进行PWM调制。而第五种PWM调制方式称为全桥调制方式，即在每个60°区间，都有2个功率管(一个上桥臂功率管，一个下桥臂功率管)同时进行PWM调制。

1.2　五种PWM调制方式的特点

全桥调制方式中，每个功率管在120°导通区间均要进行PWM调制，功率管的总开关损耗是半桥调制方式2倍，会导致系统效率降低。

在半桥调制方式中，on_pwm型和pwm_on型PWM调制的每个功率管斩波频率均为H_pwm-L_pwm型调制的一半，故每个功率管损耗均衡，但控制稍显复杂。

H_pwm-L_on型与H_on-L_pwm型PWM调制会存在功率管斩波频率不相等的问题，导致各个功率管的开关损耗不同，散热要求也不一样。

2 PWM调制对非导通相电流的影响

以图2中[π/3，2π/3]区间内，导通A+C-绕组(电流从A相流入，C相流出)的情况为例来分析各种PWM调制方式。为了分析方便，以直流电源负端作为参考电位。以下以on_pwm型PWM调制为例来说明调制方式对非导通相电流的影响。

如图1所示，BLDC的相绕组电压方程为

up=ep+ipR+Leqdip/dt

(1)

其中，下标p代表a，b或c。

当PWM(ON)时，即进行PWM调制的上桥臂开关管T1开通时，此时，电路模态如图3(a)所示，三相星形中点N相对于直流电源负端的电位为Udc/2。忽略功率管导通压降，有：

(2)

此时的非导通相，即B相反电势eb的绝对值始终小于Udc/2，从而使得B点端电压始终在(0 ，Udc)内，非导通相不存在续流。而当PWM(OFF)时，即进行PWM调制的上桥臂开关管T1关断，此时，电路模态如图3(b)，经过二极管D4和功率管T2，A、C相有续流电流流过，由于对称性，三相中点N相对于直流电源负端的电位变为0。当B相反电势eb小于零时，B相端电压也将小于零，此时B相通过下桥臂二极管D6续流，续流电流为正向电流。

(a) PWM(ON)状态 　(b) PWM(OFF)状态图3　A、C相导通模态

从上面的分析可知，若上桥臂功率管进行PWM，当处于PWM(OFF)阶段，且在非导通相感应电动势为负时，会有正向续流电流流经非导通相。类似地，而若下桥臂功率管进行PWM，当处于PWM(OFF)阶段，且在非导通相感应电动势为正时，会有负向续流电流流经非导通相。

当采用on_pwm型PWM调制方式时，相电流波形将如图4所示，即在非导通区间的前30°电角度会出现续流电流。

图4　on_pwm型PWM调制的电流波形

综上所述，采用不同的PWM调制方式，会在非导通相产生不同的续流电流，而且只有在PWM(OFF)区间，才有续流电流流通。

3　不同PWM调制方式的仿真与实验

笔者针对一个外转子无刷直流电机样机进行了仿真和实验，样机照片如图5所示。该样机为9槽6极结构。

(a) 定子 　　　　　 (b) 转子图5　外转子无刷直流电机样机

通过二维有限元软件建立了该电机的仿真模型，其磁力线分布如图6所示。

图6　外转子无刷直流电机空载磁力线

根据样机的运行状态，在设置转速15000 rpm下对电机模型进行了仿真,仿真时分别采用H_pwm-L_on型调制、H_on-L_pwm型调制以及H_pwm-L_pwm型调制。其中，图7(a)与图7(b)是负载上的波形，可见在非导通区间出现了明显的续流电流。由于斩波的功率管不同，续流电流的方向刚好相反，续流出现的区间也不一样。为了说明H_pwm-L_pwm型调制会引起较大脉动电流的特点，图7(c)给出了空载时采用H_pwm-L_pwm型调制方式的仿真结果，从仿真结果可以看出，电流脉动大，但处于非导通区间时，不会出现电流续流情况。因此，仿真结果验证了理论分析的正确性。

实验中，控制器采用H_on-L_pwm型调制方式，得到的A相电流波形如图8(a)所示。该电流波形与仿真波形一致。

此外，笔者还设计、制作了一个前级加Buck变换器的无刷直流电机控制器，并进行了实验。得到的A相电流波形如图8(b)所示。在这种控制器中，电流斩波由前级的Buck变换器实现，三相全桥逆变器的功率管均不需要承担电流斩波的任务，电流波形中没有高频纹波，较为光滑。由于逆变器的功率管不进行PWM斩波，也就不会出现PWM(OFF)状态，因此非导通相不会发生续流现象。

(a) H_pwm-L_on型调制 (b) H_on-L_pwm型调制

(c) H_pwm-L_pwm型调制(空载)图7 外转子无刷直流电机电流仿真波形

(a) H_on-L_pwm型调制 (b) 前级加Buck电路图8　外转子无刷直流电机的电流实验波形

4　结语

本文分析了在不同PWM调制方式下，非导通相续流的产生区间及电流极性，总结出非导通相续流电流仅可能出现在PWM(OFF)区间的规律。

对外转子无刷直流电动机样机的仿真与实验验证了无刷直流电机非导通相续流电流的理论分析结果。课本知识和仿真实验结果的结合有助于学生加深对课程内容的理解，改善教学效果。

参考文献:

[1]唐任远主编. 特种电机原理及应用(第二版)[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010年4月.

[2]孙建忠, 白凤仙. 特种电机及其控制(第二版) [M]. 北京: 中国水利电力出版社, 2013年7 月.

[3]魏佳丹, 李国生. LabVIEW在特种电机教学实验平台中的应用[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2011, 33(6):71-73.

[4]金艳梅, 陈志辉. 飞机模型用无刷直流电动机控制器设计[J]. 西安:微电机, 2006, 39(6):49-51.

[5]张军, 陈志辉. 微型外转子无刷直流电机的仿真与分析[J]. 上海:电机技术, 2008, (4):5-7.