无刷直流电机在不同驱动方式下的 性能比较研究

王芳媛，陈玲

（国网湖南省电力有限公司技术技能培训中心，湖南 长沙 410131）

0 引言

无刷直流电机因其应用范围广而已遍及工业发展多方领域中，提高了生产以及人民的生活。本文详细解析正弦波反电势无刷直流电动机（BLACM）以及梯形波反电势无刷直流电动机（BLDCM）两种电机在正弦波与六脉冲方波两种驱动下的电流波形、转矩脉动等情况进行了分析研究。

1 系统数学模型

无刷直流电动机定子三相绕组的电压平衡方程为：

当三相绕组为Y 联接而且没有中线，则有：

并且

将以上两式代入式(1)，得到电压方程式

从而由电压方程式可以得到电磁系统的状态方程形式：

电磁转矩为：

其中电磁功率为：

2 电流换相分析

无刷电机在二相导通星形三相六状态下，如果 是以120°导通方式来运行作业时，所产生的每个状态都会有60°的工作电角度。那么针对其每个状态来表明，都会存在一定的导通运行区和换相运行区。在导通运行区中，有二相定子绕组进行导通。而对于换相区来说，其导通时间通常很短，且三相的定子绕组会同时都有电流通过。在实际过程中，往往可以对管压降以及功率管的关断所产生的时间完全可以忽略不计，假设电机工作时的换相是从AB 相导通向AC 相环流：首先将B 相下桥臂中的功率管进行切断，并且同时C 相中下桥臂的功率管要进行开通，这时进入了换相运行区。与此同时，C 相的绕组电流会逐渐从零增大，同时B 相的电流进行续流，这时通过二极管来进行的。当B 相的电流越来越小，逐渐衰减为零时，便进入了AC 相的导通运行区，这时C 相的电流会继续进行增加，并且会一直维持到下次换相时[1-3]。

3 仿真及结果分析

3.1 无刷直流电机在正弦波驱动时的仿真

如图1 所示，无刷直流电机工作用正弦波驱动时，电机所形成的反电势波形为正弦波。图2 为正弦波无刷直流电机用正弦波驱动仿真结果。

将图1 中的电机模块反电势波形由正弦波改为梯形波，其他都保持不变。梯形波无刷直流电机正弦波驱动仿真结果如图3 所示。

由此可以看出，在正弦波驱动方式下，与正弦波无刷直流电机相比，梯形波无刷直流电机的电磁 转矩抖动较大，而前者则较平缓。

图1 无刷直流电机在正弦波驱动 Fig.1 Simulation circuit of Brushless DC Motor Driven by Sinusoidal Wave

图2 电磁转矩放大图 Fig. 2 Electromagnetic torque amplification diagram

3.2 无刷直流电机六脉冲方波驱动时的仿真

图4 所示为无刷直流电机用六脉冲方波驱动时的仿真电路，形成电机反电势波形为正弦波。

图3 电磁转矩放大图 Fig. 3 Electromagnetic torque amplification diagram

图5 为正弦波无刷直流电机六脉冲方波驱动仿真结果。

将图4 中的电机模块反电势波形由正弦波改为梯形波，其他都保持不变。仿真结果如图6 所示。

图4 无刷直流电机在六脉冲方波驱动时的仿真电路 Fig. 4 Simulation circuit of Brushless DC Motor Driven by Six-Pulse Square Wave

图5 电磁转矩图 Fig.5 Electromagnetic torque diagram

图6 电磁转矩图 Fig.6 Electromagnetic torque diagram

由此可以看出，在六脉冲方波驱动方式下，与 正弦波无刷直流电机相比，梯形波无刷直流电机的电磁转矩抖动较大时，前者则较为平缓；相对于同一种电机而言，正弦波驱动比梯形波驱动的转矩脉动要小[4-6]。

3.3 换相转矩脉动对比和分析

通常在启动电机时，电机要快速运行到一定的高速状态。过程中，电机的电机绕组中会产生电感的作用，会导致电枢电流会出现相应一定的延缓，延缓就会造成转矩出现有所下降的现象。为了杜绝这种延迟现象的出现，这时我们可以采取以下几点相应的措施来对其进行有效的控制和补救。

首先，我们可以在针对换相期间的时候，产生的相电流幅值来进行恒定控制，这样可以使其进行非常有效的电流补偿和电流控制。通常还可以利用人为的方式来对换相过程的时间加以延长，以使控制电流所需要的时间能够更加具体。目前较为常用且比较实际的方式为重叠换相法，原理就是通过超前换相和延时换相相互结合起来达到进行控制的作用。具体的操作方法为：当接收到换相信号后，不是第一时间去对其进行关断，而是保持将其在导通的状态下持续维持一小段时间，超前换相要是在换相信号在要到来之前，马上开通相应一定的角度，从而在达到进行补偿换相过程的时候，就会出现一定的电流下降现象，从而表现出转矩的脉动也会减小。此外，对于梯形波反电势无刷直流电动机（BLDCM）方式来说，可以在通过换相过程中关断相进行延时关断的方式，开通时换相管不是采用恒通类的方式来进行调制，而是采用脉宽调制的方式来进行调制，这样就能够对换相过程中产生的脉动进行行之有效的控制[10]。

4 结论

经过以上分析，在相同的驱动下，正弦波的电机比梯形波的电机电磁转矩抖动小，而在使用相同的电机工作情况下，正弦波的驱动比梯形波驱动所产生的脉动值要小。从而可得结论，在使用正弦波驱动无刷直流电机时具有相对优势。