单相无刷直流风扇电机效率优化控制..

单相无刷直流风扇电机效率优化控制

摘要：本文提出了一种建模方法表征单相无刷直流（BLDC）风扇电机在信息家电中的应用。非线性反电动势引起的转子磁通与定子绕组是由查找表来模拟的。通过参数识别和计算机仿真，这种建模方法有助于设计师进行波形分析和控制回路设计。通过实际验证的结果得到了仿真结果。另外，为了改善在整个速度范围内控制BLDC风扇电机的效率，本文提出了基于使用霍尔传感器的闭环电流控制方法的效率优化控制方法。该控制方案已经实现，并与传统的开环PWM控制方案进行了比较。实验结果表明，在转速达到3000 RPM时峰值电流减小了40％和电流有效值减小了18％。

关键字：单相无刷直流风扇电机，模型，参数识别，电流控制方法，效率优化

1.引言

无刷直流（BLDC）风扇电机由于效率高，成本低，结构操作简单，免维护的特点而被广泛应用于强制空气冷却的PC，NB和信息家电中。一种无刷永磁电动机的相绕组可以被归类为单相，两相或三相，它们的磁通分布可以是正弦波或梯形波。单相BLDC电机梯形磁通是PC系统中设计冷却风扇电机的主要选择。随着集成电路的快速发展，控制和驱动系统的集成已被广泛应用在风扇电机中。考虑到芯片的面积和成本，设置驱动IC的正确规范很重要。因此，计算机模拟是设计者分析系统性能的关键。数学建模方法与可行的参数辨识方法可以显著的提高电机的设计和驱动电路。此外，这种建模方法为控制回路设计提高系统响应和整体效率提供了一个平台。大多数商业单相直流无刷风扇电机驱动IC电路的全桥电路使用开环电压的脉冲宽度调制（PWM）控制方法，适用于变速控制，同时换向控制是通过一个线性霍尔传感器实现[1]。然而，这是不利于电流响应因为尖峰电流在每个换向周期中的开始和结束会导致一些不良响应，诸如声学噪音，降低效率，增加成本。有许多的方法可以补偿这种响应[2]。推进霍尔传感器的位置使换向发生之前电流达到最高值，用这种方法来限制电流过大。不过，实在是不方便修改安装在驱动器上的PCB霍尔传感器的位置。此外，在过分提前的情况下，电动机的起动性变差。这种交换方法通常是减少电流尖峰在换向打开之后和换向关断之前。然而，这种方法是将转子磁通分布，选择和霍尔传感器的位置，并进行适当的换流零交叉检测电平敏感。然而，这种方法是将转子磁通分布，选择和安置霍尔传感器，并对适当的换相进行零电平交叉检测。虽然以上描述的方法可以被使用，但仍然不是在每个换向周期中的开头和结尾去除高低不平的问题的根源，所以在不同的风扇电机的宽速度控制应用中整体效率将严重退化。

单相BLDC风扇电机是一个高度非线性的电- 机械能量转换系统。虽然单相无刷直流风扇马达具有简单的机械结构，但它的设计和控制去实现高效率，低噪音，低成本和高可靠性是一个复杂的设计和测试流程。虽然单相BLDC风扇电机

的工作原理很简单，但它的动力学模型是非常复杂的。在过去，适用于单相无刷直流电动机的控制器设计通常是一个直观的尝试和错误的过程。为了解决这个问题，本文提出了一种对单相无刷直流风扇电机进行参数辨识的建模方法。效率最优化控制方法也用来控制电机相电流正比于它的反电动势通过线性霍尔传感器的反馈控制。

图1 单相无刷直流风扇电机的横截面图

图2 单相无刷直流风扇电机的原理框图

2.建模和参数辨识

为了探讨变换器驱动电路和实际风扇电机之间的静态和动态关系，提出了一种简单的建模方法，以满足不同的要求[3-5]。通过提出的建模方法，它可以简单地和可靠地连接到功率转换器，并且还帮助设计师来分析系统的性能和使设计工作更加实用。

A.数学建模

单相无刷直流风扇电机是常用的，因为他们在强制风冷应用现代电子设备中比较容易控制。在本文中列出了一个四相和单相的无刷直流风扇电机的外转子。图1所示为定子和转子组件与空气间隙的剖视图。风扇电动机通过一个线圈和绕组端子连接到一个逆变器，其被转换为对应于转子速度的频率。

描述单相无刷直流风扇电机的动态行为控制微分方程可以描述为

其中，ab V 是相电压输入值。s R 和s L 是相应的定子绕组的串联电阻和串联电感。emf V 是反电动势引起的转子磁通变化。转矩 - 速度特性可配制成

其中，e T 是电磁转矩，m J 是转动惯量，m B 是粘性摩擦系数，L T 是m B 。上述

公式（1）和（2）类似于有刷直流电动机两种常微分方程。从电气系统中的能量转换成机械系统是基于

其中，K 是常数，f 是归一化通量分布的值。转矩常数t K 是相等的和反电动势常数e K 。然而在本文章中，t K 和e K 是转子的位置函数由于磁通分布。这意味着反电动势电压变化与转子的位置有关系。为此，在建立磁通分布表时，必须确认的等效模型的准确性。

单相无刷直流风扇电机的建模可以通过框图表示，如图2所示。 电机被馈以高频PWM 电压通过一个电压源型全桥PWM 整流器。BLDC 电机本质上是一种永磁直流电动机的机械换向器与电子换向器通过霍尔传感器反馈的更换。线性霍尔传感器的反馈正比于转子的磁通密度，其特征是转子磁通分布表。反电动势的幅值线性正比于旋转速度。转矩 - 转速曲线代表了风扇电动机负载特性, 并且可以通过测量平均输入电流作为旋转速度的函数来识别。

图3 （a ）定子的等效电路绕组 （b ）输入电压和电流响应

图6 开环电压模式PWM 控制波形

B. 参数辨识

在单相无刷直流风扇电机的数学模型的构造后，以实际的风扇电机的精确参数改进一致性。因为单个线圈，电气参数识别仅包括串联电阻Rs 和串联电感s L 。图3（a ）所示为定子的等效电路绕组。为了获得电力参数，应该保持风扇电机稳定停止避免反电动势电压的干扰。图3（b ）所示为当阶跃电压作为输入时定子绕组的电流响应。电流响应是类似一阶RL 串联电路，由式（6）和（7），串联电阻s R 可以通过稳态电流ss i 确定，该系列电感s L 可以通过时间常数瞬态时间0ss t t 确定。

式（3）和式（4）是从电气系统到机械系统的能量转换，反电动势常数Ke 可通过检测反电动势获得。电机的反电动势可以通过使电机以高速运行来进行测量，然后断开电机自由运行，测量端电压和霍尔传感器的信号可以用于识别反电动势常数和转子磁通分布的情况，如图4所示。根据（2）式，风扇电机的转速响应是与力学参数直接相关。当风扇电机转动在稳定速度时，即dω/ dt 是零，则

（2）式可改为