永磁同步電機中控制器感應的寄生轉矩波動
摘要：
具有正弦反電動勢的永磁( pm)同步電機可以理想地無轉矩波動運行。然而，由于電機設計及控制器仍會產生寄生轉矩波動。本文將系統地分析由于電機控制器的缺陷導致永磁同步電機的轉矩波動的可能來源。考慮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制開關的影響。討論了每種來源，分析及計算轉矩波動的方法。討論了不同寄生轉矩波動的特點。也介紹了試驗及仿真數據驗證這些重要結論。
關鍵詞：
cpu字長；電流控制；電流檢測精度；數字控制；數字化錯誤；編碼器分辨率磁場定位；控制器的影響；寄生轉矩波動；永磁同步電機；永磁電動機；脈寬調制；pwm逆變器，轉矩波動
1介紹
在尋求無轉矩波動的永磁電機驅動的過程中，可以看到具有正弦波反電動勢(emf)的永磁電機比具有梯形波反電動勢的永磁電機優越。當施加正弦電流時，理想的正弦永磁電機能產生零轉矩波動的連續轉矩。理論上，若施加方波電流，有梯形反電動勢的永磁電機也應能產生零轉矩波動。然而，因為方波電流意味著一個電流控制帶寬或者是一個di/dt，產生這一電流波形顯然是無實際意義的，因為存在電機的電感。非方形電流結果就是產生值得考慮的轉矩波動，即如大家所知道的換向轉矩波動。相反的，且正比于電機轉速正弦電流波形需要有限的電流控制帶寬，產生這樣一個電流波形是可行的，特別是在電機低速時。永磁同步電動機必須有一個真正的無轉矩波動的永磁電機驅動器必須基于永磁同步電機。
然而，由于電機設計和控制器運行的局限，即使在正弦波永磁電機驅動中，寄生轉矩波動仍然存在。從電機設計的觀點來看，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生的轉矩波動是不可能避免的。而且，磁體和開槽電機的槽之間的交互作用產生一個不均勻的磁力，導致一個所謂的齒槽轉矩。另外，由于轉子的偏心，磁的不對稱也能產生轉矩波動。關于電機設計的分析利克服這些問題的方法在文獻[1][2]中已有了很重要的考慮。對于需要極低轉矩波動的電機，在電機設計中一個實際的解決方案是使用氣隙線圈，從而****消除齒槽轉矩，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。
控制器設計的觀點來看，給電機提供一個純的正弦電流波形仍然存在極大的挑戰。特別是電機控制器必須不是由邏輯就是由數字電路來構建。由于數字系統所捉進的在適應性和實現的優點，目前幾乎所有的電機控制器都是以使用數字信號處理器(dsp)和微控制器的數字形式構建的。低成本運行的驅動器已促進微處理器的應用，它們有最小的字長，每旋轉周期最少脈沖數目的編碼器，****精度的電流檢測器。上述的控制器設計對于電機驅動系統的不同性能因素已考慮增加了相當多的限制。可以發現它們對于轉矩波動的產生，甚至高于電機設計的限制。因此需要探究控制器設計參數對永磁同步電機的轉矩波動性能的影響。
以前很少有研究過控制器設計參數對電機轉矩波動性能的影響文章。[3]中研究了數字控制器的字長對于脈寬調制(pwm)的影響，它僅限于pwm波的產生。[4]在總體上考慮了數字化的影響，但它沒能認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]中認可了電流檢測器的不精確性對轉矩波動的影響，但僅對感性電機驅動器。因此由于控制器局限性對永磁同步電機驅動器性能的影響仍然缺少系統化的分析。在具有數字控制器的永磁同步電機中對于主要的寄生轉矩波動的來源，本文進行了系統化的分析。主要是量化每個主要控制器設計參數對轉矩波動性能的影響。控制器參數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，將總結在永磁同步電機驅動器中，產生寄生轉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具有數字控制器的寄生轉矩波動的來源
圖1給出了一個標準的具有數字電流矢量磁場定位控制器的i磁同步電機驅動系統。一個有著理想的正弦反電動勢以及零齒槽轉矩的永磁同步電機的無轉矩波動運行，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。任何引起電機電流偏離同步正弦波形的控制器參數都是構成轉矩波動的來源。基于數字控制器的結構，總的來說寄生轉矩波動的主要來源和 |
