董少波，程小華
（華南理工大學(xué)電力學(xué)院)
摘要：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是無刷直流電動(dòng)機(jī)的固有缺陷，它限制了其在高精度系統(tǒng)中的應(yīng)用。該文詳細(xì)論述了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的各種原因，并給出了相應(yīng)的有效的抑制方法。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；無刷直流電機(jī)；抑制方法
中圖分類號(hào)：TM36+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：100l一6848(2010)08—0083—04
0 引 言
無刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、慣量小、可靠性高、控制簡單，因此其應(yīng)用越來越廣泛。但是無刷直流電動(dòng)機(jī)普遍存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題卻一直限制著其在高精度系統(tǒng)中的應(yīng)用。對(duì)于高精度系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是衡量無刷直流電動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，分析轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)形成的原因、研究抑制或消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法具有十分重要的意義。本文詳細(xì)論述了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的各種原因以及有效的抑制方法，對(duì)各種方法進(jìn)行了分類并分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
1 電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由于定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，它與電流波形、反電動(dòng)勢(shì)波形、氣隙磁通密度的分布有贏接關(guān)系{1}。在理想情況下，定子電流為方波，反電動(dòng)勢(shì)波形為梯形波，平頂寬度為120。電角度，電磁轉(zhuǎn)矩為恒值。而實(shí)際電機(jī)中，由于設(shè)計(jì)和制造方面的原因，可能使反電動(dòng)勢(shì)不是梯形波，或者波頂寬度不為120。電角度；或者由于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和控制系統(tǒng)精度不夠而造成電動(dòng)勢(shì)與電流不能保持嚴(yán)格同步；或者電流波形偏離方波，只能近似地按梯形波變化等，這些因素的存在都會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生。抑制電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法有：電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)法、****開通角法、諧波消去法、轉(zhuǎn)矩反饋法等。
1.1電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)法
對(duì)于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，磁極形狀、極弧寬度、極弧邊緣形狀不同時(shí)，對(duì)輸出電磁轉(zhuǎn)矩有很大影響{2}。當(dāng)氣隙磁通密度呈方波分布時(shí)，即反電動(dòng)勢(shì)波形為理想的梯形波時(shí)，極弧寬度增加，則電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減��；當(dāng)極弧寬度達(dá)到π時(shí)，電機(jī)出力****，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為零。據(jù)此，可以通過選擇合理的無電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的電機(jī)磁極和極弧的設(shè)計(jì)方案，改變磁極的形狀，或增加極弧寬度來有效消除電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
1．2****開通角法
此方法通過控制手段和策略來抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，首先推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與開通角之間的函數(shù)關(guān)系式，再求取電流的****開通角，使電路波形和反電動(dòng)勢(shì)波形的配合適當(dāng)，通過控制****開通角而達(dá)到削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。文獻(xiàn)[3_4]采用了這種方法。
1．3諧波消去法
由于無刷直流電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的非正弦，使得其相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩含有諧波轉(zhuǎn)矩，造成了轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由相電流和反電動(dòng)勢(shì)相互作用形成的，可以考慮通過控制電流的諧波成分來消除由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。不同次電流諧波和反電動(dòng)勢(shì)諧波的結(jié)合，會(huì)產(chǎn)生具有相同角頻率的諧波轉(zhuǎn)矩分量。文獻(xiàn)[5]對(duì)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了深入的研究，分析了由諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在理想條件下，同次的磁鏈諧波與電流諧波(3次諧波除外)相互作用產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，不同次諧波之間是不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的。
1.4轉(zhuǎn)矩反饋法
轉(zhuǎn)矩反饋法是一種閉環(huán)控制方法，基本原理是：根據(jù)位置和電流信號(hào)通過轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器得到轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)，再通過轉(zhuǎn)矩控制器反饋給無刷直流電機(jī)主回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制，從而消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但轉(zhuǎn)矩反饋法節(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需預(yù)確定電機(jī)參數(shù)且算法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)比較困難。
2電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，定子繞組按一定順序換流，由于各相繞組存在電感，阻礙電流的瞬時(shí)變化，每經(jīng)過一個(gè)磁狀態(tài)，電樞繞組中的電流從某啼目切換到另一相時(shí)將引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。抑制由電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法有：電流反饋法、滯環(huán)電流法、重疊換相法、PwM斬波法等。
2.1電流反饋法
非換相相電流的存在導(dǎo)致?lián)Q相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，很多文獻(xiàn)通過各種方法致力于使非換相相電流保持恒定，從而使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為零
一般來說，電流反饋控制可以分為兩種形式一種是直流側(cè)電流反饋控制。其反饋信號(hào)由直流側(cè)取出，主要控制電流幅值。由于它是根據(jù)流過直流電源的電流信號(hào)進(jìn)行的，因此只需要一個(gè)電流傳感器便可得到電流反饋信號(hào)。文獻(xiàn)[6]對(duì)此方法進(jìn)行了分析。另．種是交流側(cè)電流反饋控制。其反饋信號(hào)由1交流側(cè)取出，此時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置米確定要控制的相電流，使其跟隨給定。在換相過程中，當(dāng)非換相電流術(shù)到達(dá)給定值時(shí)，PwM控制不起作用；當(dāng)非換楞電流趣過設(shè)定值時(shí)，PwM控制開始起作用，關(guān)斷所有開關(guān)器件，使電流值下降，直至低于設(shè)計(jì)值再閉合被關(guān)斷的開關(guān)器件，使其值上升，以此往復(fù)，即可實(shí)現(xiàn)非換相相電流的調(diào)節(jié)，直至換相完成。
2.2滯環(huán)電流法
其基本原理是：在電流環(huán)中，采用HcR，通過比較參考電流和實(shí)際電流，使得換相時(shí)能夠給出適合的觸發(fā)信號(hào)。實(shí)際電流的幅值和滯環(huán)寬度的大小決定了HcR控制信號(hào)的輸出。當(dāng)實(shí)際電流小于滯環(huán)寬度的下限時(shí)，IGBT器件導(dǎo)通；隨著電流的上升，達(dá)到滯環(huán)寬度的上限時(shí)，IGBT器件關(guān)斷，使電流下降。實(shí)際電流可以是相電流，也可以是逆變器的輸入電流。滯環(huán)電流法的特點(diǎn)是：應(yīng)用簡單，快速性好，具有限流能力。滯環(huán)電流控制方法可分為三種情況：由上升相電流控制的HcR，由非換相相電流控制的HcR和由二三相相電流獨(dú)立控制的HcR。實(shí)驗(yàn)證明：后兩種情況的換相轉(zhuǎn)矩特性相同，對(duì)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有較前者更好的抑制效果，適用于低速。
2.3重疊換相法
其工作原理是：換相時(shí)，本應(yīng)立即關(guān)斷的功率開關(guān)器件并不是立即關(guān)斷，而是延長了一個(gè)時(shí)間間隔，并將本不應(yīng)開通的開關(guān)器件提前開通一個(gè)角度，這樣可以補(bǔ)償換相期間的電流跌落，進(jìn)而抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，傳統(tǒng)的重疊換相法中，重疊時(shí)間需預(yù)先確定，而選取合適的重疊時(shí)間比較困難，大了會(huì)過補(bǔ)償，小了又會(huì)造成補(bǔ)償不足。為此，在常規(guī)重疊換相法的基礎(chǔ)上，引入了定頻采樣電流凋節(jié)技術(shù)。此技術(shù)在重疊期間采用PwM控制抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使重疊時(shí)間由電流調(diào)節(jié)過程自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而避免了對(duì)重疊區(qū)間的大小難以確定的問題。但是該方法必須保證足夠高的電流采樣頻率和開關(guān)頻率才有效。另外，該方法雖然對(duì)抑制高速下?lián)Q相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有效，但需要離線求解開關(guān)狀態(tài)并且算法復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。文獻(xiàn)[7]對(duì)此方法做了詳細(xì)介紹。
2.4 PwM斬波法
PwM斬波法與交流側(cè)反饋控制法較類似，即開關(guān)器件在斷開前、導(dǎo)通后進(jìn)行一定頻率的斬波，控制換相過程中繞組端電壓，使得各換相電流上升和F降的速率相等；補(bǔ)償總電流幅值的變化，抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，與重疊換相法相比，該方法具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，適合于精度要求更高的場(chǎng)合。
采用不同的PwM調(diào)制方式，換相時(shí)脈動(dòng)電流出現(xiàn)的大小和時(shí)問不同：在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)采用120。兩兩導(dǎo)通方式時(shí)，每個(gè)電周期有六個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)各占60。，此時(shí)PwM捌制方式有五種類型：①ON—PwM型：各管前60“叵通，后60。
進(jìn)行PwM調(diào)制；②PwM—ON型：各管前60。進(jìn)行PwM調(diào)制，后60。為恒通方式；③H—PwM—L一0N型：上橋臂進(jìn)行PwM調(diào)制，下橋臂恒通方式；④H一0N—L—PwM型：上橋臂恒通，下橋臂進(jìn)行PwM調(diào)制；⑤H—PwM—L—PwM型：上下橋臂都進(jìn)行PwM調(diào)制。第五種方式的開關(guān)動(dòng)態(tài)損耗是其他四種方式的兩倍，使系統(tǒng)效率降低，并給散熱帶來網(wǎng)難，因此一般不采用。文[8]中，分析了換相時(shí)續(xù)流對(duì)電壓和電流的影響，認(rèn)為當(dāng)采用ON—PwM調(diào)制方式時(shí)，續(xù)流所產(chǎn)生的脈動(dòng)電流最小，對(duì)系統(tǒng)的影響也最小。文獻(xiàn){9]分析了PwM調(diào)制方式對(duì)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，認(rèn)為當(dāng)采用PwM—ON斬波法調(diào)制方式時(shí)，換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小。
3齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也稱為磁阻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，是由于定子齒槽的存在，使得在一個(gè)磁狀態(tài)內(nèi)極下磁阻發(fā)生變化引起的。齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)的固有特。h牛，當(dāng)電機(jī)處于低速輕載運(yùn)行時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩將會(huì)表現(xiàn)的非常明顯，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，目前常用的抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的方法有：
3.l斜槽
削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的最常用的方法是定子斜槽和轉(zhuǎn)子斜極{10}。通過計(jì)算得到斜槽系數(shù)，并選取****的斜槽系數(shù)。但是，這種方法的缺點(diǎn)在于將會(huì)減少繞組反電動(dòng)勢(shì)的高次諧波，使繞組反電動(dòng)勢(shì)更接近于正弦波。這樣對(duì)于正弦型無刷直流電機(jī)而言．有利于減少電磁轉(zhuǎn)矩紋波；而對(duì)于方波型無刷直流電機(jī)而言將會(huì)增加電磁轉(zhuǎn)矩紋波。
3.2分?jǐn)?shù)槽
對(duì)于較難采用重疊換相的永磁電機(jī)，可以采用分?jǐn)?shù)槽來處理。所謂分?jǐn)?shù)槽，就是定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)不是整數(shù)倍關(guān)系，這樣做可以使齒槽轉(zhuǎn)矩的頻率增加，幅值減小，但這種方法對(duì)加工工藝的要求較高，同時(shí)會(huì)引起平均轉(zhuǎn)矩的減少。文獻(xiàn)：11詳細(xì)的介紹了這種方法。
3.3磁極分塊移位
由于轉(zhuǎn)子斜極會(huì)使成本大大增加，并且加工工．藝也會(huì)變得復(fù)雜，因而應(yīng)用中往往采用磁極分塊移位法，由通過計(jì)算得到磁極極弧系數(shù)，然后再把它優(yōu)化，最后把幾段分塊磁鋼沿周向錯(cuò)開一定角度安放米近似等效成一個(gè)連續(xù)的磁極，通常有兩種移位方法：連續(xù)移位和交差移位，前者消除的是磁鋼分塊數(shù)目整數(shù)倍以外的所有齒槽轉(zhuǎn)矩諧波成分，后者只能消除齒槽轉(zhuǎn)矩的奇數(shù)次諧波，對(duì)偶數(shù)次諧波沒有影響{12-13}。
3.4其他方法
采用虛擬齒和虛擬槽即當(dāng)每極每相槽數(shù)很小時(shí)，通過虛擬把每極每相槽數(shù)變多，這樣再采用斜槽，就可以消除齒槽轉(zhuǎn)矩；采用無槽式繞組即通過采用高性能的永磁材料來提供足夠的勵(lì)磁，這樣在定子中就可以采用無槽式繞組，目前有三大類：環(huán)形繞組、非重疊集中繞組和杯形繞組；還有諸如減小定子槽口寬度和采用磁性槽楔等方法都為減小齒槽轉(zhuǎn)矩提供了幫助。
4電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
電樞反應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響主要反應(yīng)在兩個(gè)方面：一是電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，改變了轉(zhuǎn)子永磁體在空載時(shí)的方波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度分布波形；使氣隙磁場(chǎng)的前極尖部分被加強(qiáng)，后扳尖部分被削弱。該畸變的磁場(chǎng)與定子通電相繞組相互作用，使電磁轉(zhuǎn)短隨定、轉(zhuǎn)子相對(duì)位置的變化而脈動(dòng)；二是在任一磁狀態(tài)內(nèi)，相對(duì)靜止的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)與連續(xù)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩因轉(zhuǎn)子位置的不同而發(fā)生變化。
為了減小電樞反應(yīng)對(duì)因氣隙磁場(chǎng)畸變而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，電機(jī)應(yīng)選擇瓦形或環(huán)形永磁體徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)增大氣隙。另外，也可以設(shè)計(jì)電機(jī)齒部磁路的飽和度使電機(jī)在空載時(shí)達(dá)到足夠飽和。
5機(jī)械加工引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
除了以卜幾種主要的原因外，機(jī)械加I．和材料的不一致也是引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的重要原因之一。如電機(jī)機(jī)械加工及裝配時(shí)產(chǎn)生的尺寸和形位偏差引起的，如定子沖片各槽分度不均，定子內(nèi)外圓偏心，定、轉(zhuǎn)子同軸度偏差等產(chǎn)生的單邊磁拉力導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；軸承系統(tǒng)的摩擦力不均勻疊加的波動(dòng)力矩；轉(zhuǎn)子位冕傳感器的定位不準(zhǔn)確導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；各相繞組電阻電感參數(shù)不對(duì)稱及電子元器件性能參數(shù)的差異導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；磁路中各零件材料特別是永磁體性能不一致產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等。因此，提高加工水平也是減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的重要方法。
6結(jié)論及展望
本文系統(tǒng)分析了無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的各種可能原因以及常用的抑制方法。在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)具體場(chǎng)合和不同要求選用適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ蛘邘追N方法進(jìn)行綜合運(yùn)用。另外，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，其在電機(jī)控制領(lǐng)域的運(yùn)用也日漸深入，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和自適應(yīng)控制是目前研究的重點(diǎn)。因此，在尤刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制問題的研究中，采用智能控制來抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也是一個(gè)重要的方向。 |
