高功率因数的无刷直流电机驱动器设计

于仲安，葛庭宇，梁建伟

（江西理工大学 电气工程与自动化学院，赣州 341000）

0 引言

无刷直流电机（BLDCM）随着电力电子技术的发展而得到迅速发展，逐渐成为现代工业设备中的重要组成部分。它们具有效率高，转矩惯量比大，能量密度高，维护要求低，速度控制范围宽等特点[1,2]。BLDCM以电子换相器取代了直流电机中的机械换相器和电刷，避免了机械接触，没有换相火花，具有寿命长，运行可靠，维护简便的优点[3,4]。BLDCM由单相交流电源通过二极管整流桥（DBR）供电，然后通过直流电路上的电容供电。由于直流母线电容的不受控制的充电，会导致高度失真的输入电流，这会超过国际电能质量标准（如IEC-61000-3-2）[5]。因此，使用一个功率因数校正（PFC）变换器提高BLDCM输入交流电源的效率是很有必要的。PFC变换器有连续导通模式（CCM）和不连续导通模式（DCM）两种基本工作模式，在实践中被广泛使用[6]。在CCM或DCM中，PFC变换器的电感电流或PFC变换器中间电容两端电压分别在开关周期内保持连续或不连续。在CCM中工作的PFC变换器，需要两个电压和一个电流传感器，而在DCM中工作的PFC转换器只需单个电压传感器作为控制信号源，但在DCM中工作的PFC变换器开关上的应力相对于其在CCM中的操作相对较高[7]。

有学者提出了一种PFC升压变换器，用于基于直接变矩控制（DTC）的BLDCM驱动器，但其需要用于DTC控制的更多数量的传感器，在电压源逆变器（VSI）中具有更高的开关损耗并且增加了控制电路的复杂性[8]。文献[9]中提出了一种使用单端初级电感变换器（SEPIC）的PFC变换器，SEPIC变换器BLDCM驱动器利用PWM控制的电压源逆变器来控制BLDCM的速度，但有较高开关频率的损耗。有学者提出一种在CCM中工作的PFC Cuk变换器，但是它需要三个传感器用于直流电路电压控制和PFC，该电路结构适用于高功率应用[10]。

本文提出一种运行在不连续电感电流模式（DICM）中的无桥Cuk变换器BLDCM驱动器，提高了电路的功率因数和电源设备的电能质量，实现对无刷直流电机转速的有效控制。该驱动器是低成本驱动器，适合于低功率和中等功率的应用，不需要精确的速度控制。空调系统、制冷、泵、医疗设备和各种其他工业工具等应用需要这种类型的驱动。文中详细分析了驱动器的工作原理、参数设计和控制方法，仿真结果证明了所提驱动器的有效性与正确性。

1 无桥Cuk变换器的BLDCM驱动器

本文提出的无桥Cuk变换器BLDCM驱动器，如图1所示。无刷直流电机的速度控制是通过使用单个电压传感器控制VSI的直流电压，通过BLDCM的电子换向技术来降低电压源逆变器的开关损耗。由于没有二极管整流桥，变换器在二极管中的传导损耗较低，以实现无刷直流电机高效率运行。

图1 无桥Cuk变换器无刷直流电机驱动器

无桥Cuk变换器工作在不连续电感电流模式（DICM）用于功率因数校正和电压控制。通过单周期控制策略使得无桥Cuk变换器在较宽的速度控制范围内保持较高的功率因数，并降低输入电流总谐波畸变。

无桥Cuk变换器正、负半周期的运行电路分别如图2所示。如图2(a)所示，在电源电压的正半周时，开关Sw通过L1和DP导通电路L1-Sw-C1-L0-D0通过二极管DN，二极管DN将输入交流电源连接到输出。类似地，在电源电压的负半周时，开关Sw通过L2和DN导通电路L2-D2-Sw-C2-L0-D0通过二极管DP，二极管DP将输入交流电源连接到输出。另外，图2所示输出电压总是通过二极管DP和DN直接连接到输入交流线路，因此，所提出的拓扑结构不受共模电磁干扰噪声发射问题的影响。

2 无桥Cuk变换器的参数设计

在DICM中工作的一个无桥Cuk变换器，具有宽电压变换比的功率因数调节的功能。在这种模式下，输入电感（L1和L2）和中间电容（C1和C2）设计为连续工作，输出电感（L0）中的电流在完整的开关周期内变得不连续。对于220V的电源电压（Vac），输入平均电压Vinav为：

图2 无桥Cuk 变换器工作状态

该无桥Cuk变换器设计用于70V（Vdcmin）～310V（Vdcmax）的直流输出电压控制，标称值的直流输出电压为190V（Vdcdes）。对于作为升降压的Cuk变换器的占空比d由下式给出：

因此，使式(2)分别计算对应于Vdcdes，Vdcmax和Vdcmin的占空比d，最大（dmax）和最小（dmin）的占空比分别为0.4897，0.6103和0.2612。

在DICM中，为了有效控制，所选用的占空比（dnom）小于ddes，因此dnom取为0.2。

如果在两个电感L1和L2中允许纹波电流的量是ΔiL（Iin的30%，其中Iin=2P/Vin=3.215A），则L1和L2的值被表示为：

其中Vm是电源电压的峰值（即），TS是开关周期（即1/fs，其中fS是开关频率=20kHz）。

因此，电感L1和L2选择3mH的值。临界临界传导参数Kacrit被给出为：

其中M=Vdc/Vm，n是隔离式变换器的匝数比，当n=1时表示非隔离式变换器。

现在，DICM中操作的传导参数Ka为：

为了在DICM中进行有效的控制，Ka的值约为Ka（critical）的2/3。所以Ka取0.13。

现在，等效电感Leq被计算为：

其中R0是等效的负载电阻。

现在输出端电感值L0给出为：

因此，确保达到DICM条件L0的值选择100μ H。

电容器C1和C2的电容由下式给出：

直流母线电容C0由下式给出：

其中I0是直流母线电流，ω是线路频率，ΔV0是在直流母线电容器中允许的纹波电压，取直流母线电压的1%。

3 无桥Cuk变换器BLDCM的控制策略

3.1 无桥Cuk 变换器的控制策略

无桥Cuk变换器的控制策略用于产生用于开关Sw的PWM信号以保持VSI的期望的直流电压。该变换器设计用于DICM工作，实现了固有的功率因数校正。电压跟随器用于实现此PFC操作。无桥Cuk变换器BLDCM驱动的控制策略包括参考电压发生器，电压误差发生器，电压控制器和PWM发生器，其控制原理图如图5所示。

3.1.1 参考电压发生器

将参考直流电压Vdc*通过将参考速度N*与电机的电压常数kv相乘，从参考速度生成参考直流母线电压为：

3.1.2 电压误差发生器

将参考直流电压Vdc*与检测到的Cuk变换器的输出电压Vdc进行比较以生成电压误差信号Ve。该误差电压将被用于控制动作的电压PI控制器。误差电压Ve表示为：

3.1.3 电压控制器

直流电压控制器是比例积分（PI）控制器，其根据电压误差Ve产生受控输出Vc。在任何时刻k的控制器输出Vc被给出为：

其中Kp和Ki分别表示电压控制器的比例增益和积分增益。

3.1.4 单周期控制器

由直流电压控制器得到Vc经过复位开关、积分器、触发电路和比较器使得PWM控制信号。单周期控制的电路能在一个开关周期内消除误差，动态响应更快，也更易于实现，单周控制的控制方程为[11]。

其中L1输入电感，Vac为交流输入电压，Ts为开关周期，D1为一个开关周期内占空比，a是一个常数。

3.2 直流无刷电机控制策略

无刷直流电机的电压源逆变器的开关切换顺序是按照霍尔位置传感器检测到的BLDCM的转子位置进行开关状态的切换。霍尔位置传感器用于检测60°范围内的转子位置，这是BLDCM的电子换向所需要的。两个开关（S2和S3）的导通状态如图6所示。线电流iab从直流电路电容中得到，直流电路电容的大小取决于施加的直流电路电压（Vdc），反向电动势（ean和ebn）和电阻（Ra和Rb）以及定子绕组的自感和互感（La，Lb和M）。IGBT的导通和关断条件分别表示为“1”或“0”。表1列出了转子不同位置的电压源逆变器的开关的切换顺序和相应的相电压。

图3 无桥Cuk控制原理图

图4 电压源逆变器的BLDCM原理图

4 仿真验证

为了对提出的无桥Cuk变换器BLDCM的工作原理进行验证，根据前面分析的电路元件参数设计，用MATLAB/ Simulink对所研究电路进行了仿真，仿真结果如图5所示。无桥Cuk变换器BLDCM的性能是根据电源电流的总谐波畸变（THD），功率因数（PF）等功率指标评估的。如图5(a)所示，无桥Cuk变换器的输入电压和输入电流是同频同相，实现功率校正的目的，并且输入电流波纹很小，THD=5.29%，PF=99.8%。因此，无桥Cuk变换器提高驱动器的功率因数。图5(b)是无桥Cuk变换器的输出电压一直稳定在260V，这样就能给无刷直流电机提供稳定恒定输入电压。图5(c)是BLDCM的转速基本恒定且可达到1700r/min。图5(d)是无刷直流电机a相的相电流波形。图5(e)是BLDCM的电磁转矩，其值达到3.5Nm。图5(f)是无刷直流电机a相EMF的波形。由此，可以看出该驱动器使用较少数量的传感器的处理器的简单控制方案来降低驱动器的成本，适合于低功率和中等功率的应用。

表1 实现霍尔效应位置信号的BLDCM电子换向的开关状态

图5 无桥Cuk变换器BLDCM的仿真波形

图6显示了额定电压下的电源电流及其谐波频谱。当额定电压远低于IEC 61000-3-2建议的功率质量限值时，可获得5.29%的THD和99.8%的功率因数。此外，提出的驱动器方案的性能也通过改变电源电压来验证，以证明实际电源电压下驱动器的性能。表2显示了驱动器在190～240V范围内变化的电源电压的性能指标，表明驱动器的电源设备有较高的电源质量。

图6 额定电压下的电源电流及其谐波频谱

表2 在不同输入电压下的无桥Cuk变换器BLDCM驱动的性能指标

5 结论

本文提出了一种适用于逆变技术的空调应用的无桥Cuk转换器的无刷直流电机驱动器。逆变器技术是空调压缩机电机技术的最新发展，在空调系统中使用逆变器来控制压缩机电机的速度，以便连续调节温度。在该驱动器中，使用以不连续电感器电流模式（DICM）工作的无桥Cuk转换器提高功率因数并提高交流电源的电能质量。该无桥变流器拓扑结构设计用于以最少的元件数量获得低传导损耗，电压源逆变器的可变直流电路电压（VSI）正在为其BLDCM进行速度控制。无桥Cuk转换器是为了消除二极管整流桥（DBR）以减少其中的传导损耗。它的性能主要适用于空调系统对有效速度控制下运行，并提高了交流电源的功率因数。