---基于高速A/D實現(xiàn)精準電流補償
摘要：本文根據(jù)直流永磁無刷電動機的轉(zhuǎn)矩特性，分析了在電機運行中產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩的原因，并針對換相電流引起轉(zhuǎn)矩脈動進行了優(yōu)化設(shè)計，在實際應(yīng)用中取得了較好的效果。
關(guān)鍵詞：直流永磁無刷電機 轉(zhuǎn)矩脈動 電流補償
1.引言
直流永磁無刷電動機由于其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、低速大扭矩等特點而得到了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是近年來在電動自行車中得到了廣泛應(yīng)用。由于電動自行車是人們的日常代步工具，因此人們對整車的啟動平穩(wěn)性，噪音等指標提出了較高的要求。現(xiàn)有電動車電機大部分采用直流永磁無刷電機，電機的鐵芯為直槽結(jié)構(gòu)，繞組為三相星形連接，逆變器一般工作在兩兩導(dǎo)通狀態(tài)。由于直槽電機在工作時扭矩波動較大,因此我們必須優(yōu)化電機的結(jié)構(gòu)并配合經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的控制器才能獲得比較滿意的效果。本文就如何設(shè)計直流永磁無刷電機超靜音控制器作一些探討。
2. 直流永磁無刷電動機的轉(zhuǎn)矩脈動分析
永磁無刷電動機由于電磁因素、齒槽的影響、電流換向、電樞反應(yīng)等會產(chǎn)生較強的脈動轉(zhuǎn)矩。在設(shè)計電機和相應(yīng)的控制系統(tǒng)時應(yīng)認真考慮，采取措施，避免轉(zhuǎn)矩脈動過大。
2.1 電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動
電磁轉(zhuǎn)矩脈動是由于定子電流和轉(zhuǎn)子磁場相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動，它與電流波形、反電動勢波形、氣隙磁通密度的分布有直接關(guān)系。理想情況下，定子電流為方波，反電動勢波形為梯形波，平頂寬度為120°電角度，電磁轉(zhuǎn)矩為恒值。而實際電機中，由于設(shè)計和制造方面的原因，可能使反電動勢波形不是梯形波，或波頂寬度不為120°電角度，這樣就會造成電機的扭矩脈動。
2.2 齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動
由于定子鐵心槽齒的存在，使得永磁體與對應(yīng)的電樞表面的氣隙磁導(dǎo)不均勻，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，使得在一個磁狀態(tài)內(nèi)，磁路磁阻發(fā)生變化，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動。齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動是轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的，與定子電流無關(guān)。因此抑制由齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動的主要集中于優(yōu)化電機設(shè)計上，如斜槽法。
2.3 電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動
圖1：無刷電機控制系統(tǒng)
圖1 為電動車電機控制系統(tǒng)的框圖，控制器工作在兩兩導(dǎo)通的狀態(tài)。每隔60°電角度MOSFET 換一次相。假如當(dāng)前為Q1 和Q5 導(dǎo)通，則經(jīng)過60°電角度，Q1 和Q6 導(dǎo)通。在Q1，Q5 導(dǎo)通期間，電流流經(jīng)AB 線圈，換相后電流流經(jīng)AC 線圈。由于電機的線圈為電感，在切換過程中，B 相的電流會以指數(shù)下降，C 相的電流會以指數(shù)上升。當(dāng)Q5 關(guān)斷后，AB相線圈的電流經(jīng)過Q1→AB 相線圈→Q2 的體
二極管續(xù)流，AB 相線圈電流很快衰減為零，但是AC 相的電流就需要相對較長的時間才能上升到換相前的大小。因此電機的電流出現(xiàn)較大的脈動。如圖2a 中的CH3 所示。其中的電流脈動已達到12A。換相期間的電磁轉(zhuǎn)矩為：
其中Te 為電機電磁轉(zhuǎn)矩， ea , eb , ec 為相繞組電動勢， ia , ib , ic 為相繞組電流。
由于換相時間很短，可近似認為eba ， eca 在換相區(qū)域內(nèi)不變化，因此扭矩與電流成正比關(guān)系，電流的波動直接導(dǎo)致了電機轉(zhuǎn)矩的波動。在低速大負載運行的情況下，電機的轉(zhuǎn)矩脈動尤為明顯。
CH1：A 相電壓 CH3：A 相電流
圖2a：電機相電流脈動波形
CH1：A 相電壓 CH3：A 相電流
圖2b：經(jīng)過補償后的電機相電流
在直流無刷永磁電機的轉(zhuǎn)矩脈動原因中，前兩種主要靠優(yōu)化電機的設(shè)計來達到目的，對于第3 種轉(zhuǎn)矩脈動，我們可以通過電流補償法來減小電機在換相過程中的轉(zhuǎn)矩脈動。本文將重點介紹這種方法。
3．電流補償法減小電機的轉(zhuǎn)矩脈動
由于在低速大負載運行時，電機的旋轉(zhuǎn)反電勢很小，為了使電機的相電流不超過允許的最大值，PWM 占空比通常比較小，這使得換相后新的相繞組電流上升緩慢。圖3 中是電機換相時的電流仿真波形。電機兩相之間的電感為Lm=0.4mH,內(nèi)阻Rm=0.28 歐姆（實際電機的參數(shù)）。采用AOS（萬代半導(dǎo)體）生產(chǎn)的AOT460
MOSFET 進行仿真。MOSFET 的PSPICE模型采用level3 等級。由圖3 中可以看出，如果PWM 占空比為30%，則電流由零上升到30A 需要約1.3ms。這與圖2a 中實測的波形相仿。為了使換相后電流迅速上升，我們可以使換相后PWM 占空比為100%來對電流進行補償，直到電流上升到換相前的電流值，這樣可以使換相電流的波動盡可能的小，時間盡可能地短。由仿真波形中I2 可以看出，電流上升到30A 的時間小于300us。
圖3：電機換相后相電流仿真波形
4．控制系統(tǒng)的設(shè)計
如何精準控制換相后的補償電流，即如何精確控制PWM100%占空比的時間是超靜音控制器設(shè)計的關(guān)鍵！這就要求控制系統(tǒng)的MCU 具有以下的特點：
1) 有很快的A/D 轉(zhuǎn)換速度，能夠在換相后連續(xù)快速采樣；
2) 能夠在PWM 的開通期間特定時刻觸發(fā)A/D 采樣；因為在PWM 逆變器帶感性負載的控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的一些寄生參數(shù)導(dǎo)致PWM 在開通和關(guān)斷期間電機的相線上出現(xiàn)振鈴（如圖4 所示），這些振鈴會耦合到A/D 采樣的回路中，因此我們應(yīng)避開在PWM 開關(guān)過程中進行A/D 采樣。如果我們在PWM 開通期間的中點觸發(fā)電流采樣，我們將會得到電流的平均值，這將有利于我們對電流補償?shù)目刂啤?p align="center">
圖4：電流采樣波形事實上，找到這樣的MCU 并不難，譬如
英飛凌的馬達專用控制芯片XC866，CYPRESS 的片上可編程控制芯片CY8C24533 等。XC866 的A/D 轉(zhuǎn)換速度可以達到2us 以內(nèi)，加上程序的執(zhí)行時間，一次A/D 轉(zhuǎn)換需要的總時間在8us 以內(nèi)，以這樣的時間間隔來判斷電流補償是否完成已經(jīng)足夠。CY8C24533 是CYPRESS 專為電機控制開發(fā)的帶高速A/D 的芯片，其SAR8 轉(zhuǎn)換速度可以達到3us 以內(nèi)，加上其自動對齊觸發(fā)A/D 模式，可以在PWM 的任意時刻觸發(fā)電流A/D 采樣，我們也很容易實現(xiàn)對電流的精準控制。
圖2b 是采用XC866 控制芯片的系統(tǒng)在經(jīng)過上述方法優(yōu)化后測得的換相電流波形，由圖2b 可以看出，換相時的電流脈動基本消除，電機的相電流基本接近方波。用了這套控制系統(tǒng)的電動車，起步加速以及運行時的電機震動已基本消除，實現(xiàn)了超靜音控制器的設(shè)計。
5. 結(jié)語
通過選用合適的MCU 實現(xiàn)高速可觸發(fā)A/D 采樣，對永磁無刷電機換相時的電流進行精準補償，可以達到消除換相電流脈動，減輕電機振動的效果。
參考文獻
[1] 王秀和等. 2007. 永磁電機. 中國電力出版社.
[2] 葉金虎. 2007. 現(xiàn)代無刷直流永磁電動機的原理和設(shè)計. 科學(xué)出版社.
