电动车无刷电机超静音控制器设计.pdf

电动车无刷电机超静音控制器设计 基于高速 A/D 实现精准电流补偿 作者：葛小荣 高级应用工程师 万代半导体元件（上海）有限公司 摘要：本文根据直流永磁无刷电动机的转矩特性，分析了在电机运行中产生脉动转矩的 原因，并针对换相电流引起转矩脉动进行了优化设计，在实际应用中取得了较好的效果。 关键词：直流永磁无刷电机 转矩脉动 电流补偿 1. 引言 直流永磁无刷电动机由于其结构简单、可靠性高、低速大扭矩等特点而得到了越来越广 泛的应用，尤其是近年来在电动自行车中得到了广泛应用。由于电动自行车是人们的日 常代步工具，因此人们对整车的启动平稳性，噪音等指标提出了较高的要求。现有电动 车电机大部分采用直流永磁无刷电机，电机的铁芯为直槽结构，绕组为三相星形连接， 逆变器一般工作在两两导通状态。由于直槽电机在工作时扭矩波动较大,因此我们必须 优化电机的结构并配合经过优化设计的控制器才能获得比较满意的效果。本文就如何设 计直流永磁无刷电机超静音控制器作一些探讨。 2. 直流永磁无刷电动机的转矩脉动分析 永磁无刷电动机由于电磁因素、齿槽的影响、电流换向、电枢反应等会产生较强的脉动 转矩。在设计电机和相应的控制系统时应认真考虑，采取措施，避免转矩脉动过大。 2.1 电磁因素引起的转矩脉动 电磁转矩脉动是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动，它与电流波形、 反电动势波形、气隙磁通密度的分布有直接关系。理想情况下，定子电流为方波，反电 动势波形为梯形波，平顶宽度为 120°电角度，电磁转矩为恒值。而实际电机中，由于 设计和制造方面的原因，可能使反电动势波形不是梯形波，或波顶宽度不为 120°电角 度，这样就会造成电机的扭矩脉动。 2.2 齿槽引起的转矩脉动 由于定子铁心槽齿的存在，使得永磁体与对应的电枢表面的气隙磁导不均匀，当转子旋 转时，使得在一个磁状态内，磁路磁阻发生变化，从而引起转矩脉动。齿槽引起的转矩 脉动是转子磁场相互作用产生的，与定子电流无关。因此抑制由齿槽引起的转矩脉动的 主要集中于优化电机设计上，如斜槽法。 2.3 电流换向引起的转矩脉动 图 1：无刷电机控制系统 图 1 为电动车电机控制系统的框图，控制器工作在两两导通的状态。每隔 60°电角度 MOSFET 换一次相。假如当前为 Q1 和 Q5 导通，则经过 60°电角度，Q1 和 Q6 导通。在 Q1，Q5导通期间，电流流经AB线圈，换相后电流流经AC线圈。由于电机的线圈为电感， 在切换过程中，B相的电流会以指数下降，C相的电流会以指数上升。当Q5关断后，AB 相线圈的电流经过Q1→AB相线圈→Q2的体二极管续流，AB相线圈电流很快衰减为零， 但是 AC 相的电流就需要相对较长的时间才能上升到换相前的大小。因此电机的电流出 现较大的脉动。如图2a中的CH3所示。其中的电流脉动已达到12A。换相期间的电磁转 矩为： e i +e i +e i e (−i −i ) +e i +e i i e +i e a a b b c c a b c b b c c b ba c ca Te Ω Ω Ω 其中Te为电机电磁转矩，e ,e ,e 为相绕组电动势，ia ,ib ,ic 为相绕组电流。 a b c 由于换相时间很短，可近似认为eba ，eca 在换相