無刷直流伺服電機(jī)四象限運(yùn)行分析

1、?第43卷第12期?2009年12月上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYVol.43No.12?Dec.2009?收稿日期:2009?03?25基金項(xiàng)目:上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(08zr1408600)上海市教委重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目(J51901)作者簡介:劉?軍(1965?)男寧夏銀川人博士生副教授研究方向:電機(jī)智能控制.俞金壽(聯(lián)系人)男教授博士生導(dǎo)師電話(Tel.):021?642

2、53399E?mail:jshyu@vip.sina.com.??文章編號:1006?2467(2009)12?1910?06無刷直流伺服電機(jī)四象限運(yùn)行分析劉?軍12?李金飛3?俞金壽1(1.華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院上海2002372.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院上海2002403.南京航空航天大學(xué)航空電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇南京210016)摘?要:針對燃料電池供電的無刷直流伺服電機(jī)研究了一種用來釋放多余回饋能量的電壓泵升電路分析了無刷直流電

3、動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型與機(jī)械特性以及伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行的控制策略.其中電動(dòng)采用三相六狀態(tài)控制方法制動(dòng)采用控制性能較好的低速能量回饋制動(dòng)控制方法分析了電動(dòng)和制動(dòng)下PWM調(diào)制的主電路工作模態(tài)并經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其正確性和可行性.關(guān)鍵詞:無刷直流電機(jī)四象限運(yùn)行電壓泵升電路中圖分類號:TP273???文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AAnalysison4?QuadrantOperationofBrushlessDCServoSystemLIUJun12?LIJi

4、n?fei3?YUJin?shou1(1.SchoolofInfmationScience2.SchoolofElectricalEngineeringShanghaiDianJiUniversityShanghai200240China3.Aero?PowerSci?techCenterNanjingUniversityofAeronautics4?quadrantoperationvoltagepumpingcircuit??永磁無

5、刷直流電動(dòng)機(jī)(PermanentMagBrushlessDCMotPMBLDCM)具有控制簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在伺服領(lǐng)域得到廣泛的研究和應(yīng)用[1?3].伺服電機(jī)要求能夠四象限運(yùn)行、頻繁起動(dòng)和制動(dòng)且具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng).無刷直流伺服電機(jī)運(yùn)行采用三相六狀態(tài)PWM調(diào)制[4]實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的控制其電氣制動(dòng)方式有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和能量回饋制動(dòng)3種.能耗制動(dòng)需在電樞回路圖3?電動(dòng)運(yùn)行功率管導(dǎo)通與反電勢關(guān)系Fig.3?Therelation

6、ofelectrooperationpowertransistconductioncounterpotential??以[0DT]區(qū)間Q1和Q6導(dǎo)通為例分析正轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)主功率電路工作狀態(tài).記PWM周期為T占空比為D.為便于分析假設(shè)所有器件為理想器件則討論如下2種情況:(1)[0DT]段Q1斬波導(dǎo)通.A、B相通電Q1、Q6導(dǎo)通電流上升逆變器工作回路為:電源正DinQ1A相繞組B相繞組Q6電源負(fù)如圖4(a)所示.電壓方程為UAB=RiAL

7、piAeA(RiBLpiBeB)=2(RiALpiAeA)=Uin(6)??(2)[DTT]段Q1斬波關(guān)斷.A、B相通電D4、Q6導(dǎo)通電流下降逆變器的工作回路為:電源負(fù)D4A相繞組B相繞組Q6電源負(fù)如圖4(b)所示.回路電壓方程為UAB=RiALpiAeA(RiBLpiBeB)=2(RiALpiAe)=0(7)??根據(jù)狀態(tài)空間平均法由式(6)和(7)得到穩(wěn)態(tài)電壓方程為I=DUin2E2R(8)??此60?狀態(tài)下電流和反電勢同方向.由式(

8、4)可知電磁轉(zhuǎn)矩為正且與轉(zhuǎn)速同方向處于正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài).其他5個(gè)60?狀態(tài)分析類似可以得到相同的電磁關(guān)系.通過位置、速度和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)D即可實(shí)現(xiàn)位置、速度和轉(zhuǎn)矩的控制.2.2?正轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行正轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)工作在第II象限的機(jī)械特性曲線MII上.采用低速能量回饋制動(dòng)的控制方法利用半橋升壓斬波原理[4?5]將轉(zhuǎn)子動(dòng)能一部分消耗在電機(jī)電阻上另一部分回饋給輸入電容Cin.利用電壓泵升電路釋放Cin上過多的能量采用滯環(huán)原理控制Q0的通斷.當(dāng)Cin電

9、壓高于滯環(huán)上限時(shí)開(a)Q1、Q6導(dǎo)通(b)D4、Q6導(dǎo)通圖4?正轉(zhuǎn)電動(dòng)1個(gè)PWM周期電路工作狀態(tài)Fig.4?APWM!scyclecircuitwkstateofpositiverotationelectrooperation通Q0能量經(jīng)泵升電路的電阻R0釋放當(dāng)Cin電壓低于滯環(huán)下限時(shí)關(guān)斷Q0.Cin取值應(yīng)盡可能大同時(shí)為了保證系統(tǒng)工作安全必須設(shè)置硬件電壓保護(hù)防止輸入電容泵升電壓過高從而損壞電容和逆變器.圖5給出了正轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行功率管導(dǎo)通