永磁同步電機(jī)中控制器感應(yīng)的寄生轉(zhuǎn)矩波動
摘要：
具有正弦反電動勢的永磁( pm)同步電機(jī)可以理想地?zé)o轉(zhuǎn)矩波動運(yùn)行。然而，由于電機(jī)設(shè)計(jì)及控制器仍會產(chǎn)生寄生轉(zhuǎn)矩波動。本文將系統(tǒng)地分析由于電機(jī)控制器的缺陷導(dǎo)致永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動的可能來源�？紤]了編碼器有限的分辨率、控制器cpu字長、電流檢測錯誤以及逆變器脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的影響。討論了每種來源，分析及計(jì)算轉(zhuǎn)矩波動的方法。討論了不同寄生轉(zhuǎn)矩波動的特點(diǎn)。也介紹了試驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證這些重要結(jié)論。
關(guān)鍵詞：
cpu字長；電流控制；電流檢測精度；數(shù)字控制；數(shù)字化錯誤；編碼器分辨率磁場定位；控制器的影響；寄生轉(zhuǎn)矩波動；永磁同步電機(jī)；永磁電動機(jī)；脈寬調(diào)制；pwm逆變器，轉(zhuǎn)矩波動
1介紹
在尋求無轉(zhuǎn)矩波動的永磁電機(jī)驅(qū)動的過程中，可以看到具有正弦波反電動勢(emf)的永磁電機(jī)比具有梯形波反電動勢的永磁電機(jī)優(yōu)越。當(dāng)施加正弦電流時，理想的正弦永磁電機(jī)能產(chǎn)生零轉(zhuǎn)矩波動的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。理論上，若施加方波電流，有梯形反電動勢的永磁電機(jī)也應(yīng)能產(chǎn)生零轉(zhuǎn)矩波動。然而，因?yàn)榉讲娏饕馕吨粋�電流控制帶寬或者是一個di/dt，產(chǎn)生這一電流波形顯然是無實(shí)際意義的，因?yàn)榇嬖陔姍C(jī)的電感。非方形電流結(jié)果就是產(chǎn)生值得考慮的轉(zhuǎn)矩波動，即如大家所知道的換向轉(zhuǎn)矩波動。相反的，且正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速正弦電流波形需要有限的電流控制帶寬，產(chǎn)生這樣一個電流波形是可行的，特別是在電機(jī)低速時。永磁同步電動機(jī)必須有一個真正的無轉(zhuǎn)矩波動的永磁電機(jī)驅(qū)動器必須基于永磁同步電機(jī)。
然而，由于電機(jī)設(shè)計(jì)和控制器運(yùn)行的局限，即使在正弦波永磁電機(jī)驅(qū)動中，寄生轉(zhuǎn)矩波動仍然存在。從電機(jī)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來看，正弦波反電動勢需要磁通和繞組的正弦分布。由于磁化的局限和槽線圈分配的可能性，反電動勢中的諧波以及由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動是不可能避免的。而且，磁體和開槽電機(jī)的槽之間的交互作用產(chǎn)生一個不均勻的磁力，導(dǎo)致一個所謂的齒槽轉(zhuǎn)矩。另外，由于轉(zhuǎn)子的偏心，磁的不對稱也能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動。關(guān)于電機(jī)設(shè)計(jì)的分析利克服這些問題的方法在文獻(xiàn)[1][2]中已有了很重要的考慮。對于需要極低轉(zhuǎn)矩波動的電機(jī)，在電機(jī)設(shè)計(jì)中一個實(shí)際的解決方案是使用氣隙線圈，從而****消除齒槽轉(zhuǎn)矩，提高線圈分配的正弦性，這樣可以減小對大氣隙偏心的敏感性。
控制器設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來看，給電機(jī)提供一個純的正弦電流波形仍然存在極大的挑戰(zhàn)。特別是電機(jī)控制器必須不是由邏輯就是由數(shù)字電路來構(gòu)建。由于數(shù)字系統(tǒng)所捉進(jìn)的在適應(yīng)性和實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，目前幾乎所有的電機(jī)控制器都是以使用數(shù)字信號處理器(dsp)和微控制器的數(shù)字形式構(gòu)建的。低成本運(yùn)行的驅(qū)動器已促進(jìn)微處理器的應(yīng)用，它們有最小的字長，每旋轉(zhuǎn)周期最少脈沖數(shù)目的編碼器，****精度的電流檢測器。上述的控制器設(shè)計(jì)對于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的不同性能因素已考慮增加了相當(dāng)多的限制。可以發(fā)現(xiàn)它們對于轉(zhuǎn)矩波動的產(chǎn)生，甚至高于電機(jī)設(shè)計(jì)的限制。因此需要探究控制器設(shè)計(jì)參數(shù)對永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動性能的影響。
以前很少有研究過控制器設(shè)計(jì)參數(shù)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動性能的影響文章。[3]中研究了數(shù)字控制器的字長對于脈寬調(diào)制(pwm)的影響，它僅限于pwm波的產(chǎn)生。[4]在總體上考慮了數(shù)字化的影響，但它沒能認(rèn)可一些更重要的影響，如有限編碼器分辨率和有限cpu字長所造成的累積誤差。[5]中認(rèn)可了電流檢測器的不精確性對轉(zhuǎn)矩波動的影響，但僅對感性電機(jī)驅(qū)動器。因此由于控制器局限性對永磁同步電機(jī)驅(qū)動器性能的影響仍然缺少系統(tǒng)化的分析。在具有數(shù)字控制器的永磁同步電機(jī)中對于主要的寄生轉(zhuǎn)矩波動的來源，本文進(jìn)行了系統(tǒng)化的分析。主要是量化每個主要控制器設(shè)計(jì)參數(shù)對轉(zhuǎn)矩波動性能的影響�？刂破鲄�(shù)研究包括可靠的編碼器分辨率、cpu字長、電流檢測精度等。在第二部分，將總結(jié)在永磁同步電機(jī)驅(qū)動器中，產(chǎn)生寄生轉(zhuǎn)矩波動的所有主要原因。然后在第三部分考慮它們的影響和量化分析。
2具有數(shù)字控制器的寄生轉(zhuǎn)矩波動的來源
圖1給出了一個標(biāo)準(zhǔn)的具有數(shù)字電流矢量磁場定位控制器的i磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。一個有著理想的正弦反電動勢以及零齒槽轉(zhuǎn)矩的永磁同步電機(jī)的無轉(zhuǎn)矩波動運(yùn)行，需要一個與反電動勢波形同步的理想的正弦電流。這些電流是由控制器提供的，它包括邏輯控制和功率變換器。任何引起電機(jī)電流偏離同步正弦波形的控制器參數(shù)都是構(gòu)成轉(zhuǎn)矩波動的來源�；跀�(shù)字控制器的結(jié)構(gòu)，總的來說寄生轉(zhuǎn)矩波動的主要來源和 |
