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| 微特電機論文：無刷直流電動機的轉矩脈動 |
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無刷直流電動機的轉矩脈動
無刷直流電動機輸出轉矩大，動態響應迅速，調速控制方便．可靠性高，因此它的應用越來越廣泛。但是，無刷直流電動機固有的轉矩脈動問題卻一直限制著其在高精度系統中的應用。對于高精度系統．轉矩脈動是衡量無刷直流電動機性能的一項重要指標。因此，分析轉矩脈動形成的原因．研究消除或抑制轉矩脈動的方法具有十分重要的意義。
造成無刷直流電動機轉矩脈動的原因很多，主要可以分為以下五個方面：
1．電磁因素引起的轉矩脈動
這是由于定子電流和轉子磁場相互作用而產生的轉矩脈動．它與電流波形、感應電動勢波形、氣隙磁通密度的分布有著直接關系。理想情況下，定子電流為方波，感應電動勢為梯形波，平頂寬度為120°電角度，電磁轉矩為恒值。而實際電機中．由于設計和制造方面的原因．很難保持感應電動勢為梯形波，或者平頂寬度不是120°電角度：或者由于轉子位置檢測和控制系統精度不夠而造成感應電動勢與電流不能保持嚴格同步；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導致電磁轉矩脈動的產生。抑制電磁因素引起的轉矩脈動的方法有優化設計法、****開通角法、諧波消去法、轉矩反饋法等。
(1)優化設計法。對于無刷直流電動機，磁極形狀、極弧寬度、極弧邊緣形狀對輸出電磁轉矩都有很大的影啊。當氣隙磁通密度呈方波分布時，即感應電動勢波形為理想的梯形波時，極弧寬度增加．則電磁轉矩增加，轉矩脈動減小；當極弧寬度達到π時，電機功率****，轉矩脈動為零。據此，可以通過選擇合理的無電磁轉矩脈動的電機磁極和極弧的設計方案，改變磁極形狀，或增加極弧寬度來有效消除電磁轉矩脈動。
(2)****開通角法。通過電機優化設計可以消除電磁轉矩脈動，但也有不足之處，例如：由于電機繞組的電感限制，即使電機采用恒流源供電．在換流過程中電流不能突變，流入定子繞組的電流波形也不可能是矩形波；另外．對于實際電機，氣隙磁場很難保持理想的方波分布，繞組感應電動勢波形也并非理想的矩形，這樣就無法實現完全從硬件設計上消除電磁轉矩脈動。因此．只能通過控制手段和策略來抑制轉矩脈動。如采用****開通角的方法抑制電磁轉矩脈動，即先推導出轉矩脈動與開通角之間的函數關系式，再求取電流****開通角，使電流波形和感應電動勢波形的配合適當．從而達到削弱轉矩脈動的目的。
(3)諧波消去法。由于無刷直流電機定子電流和轉子磁場的非正弦，使得其相互作用產生的電磁轉矩含有諧波分量，造成了轉矩的脈動。電磁轉矩脈動是由相電流和感應電動勢相互作用而形成的。可以考慮通過控制電流的諧波成分來消除由此產生的轉矩脈動。因為，在理想條件下，無刷直流電動機同頻率的磁鏈諧波與電流諧波(三次諧波除外)相互作用可以產生恒定的轉矩，不同次諧波之間是不會產生轉矩的。當然，在實際情況下，由于電機的電感限制了電流的變化率，使得輸入定子繞組的電流不可能是矩形波．而往往是梯形波。而且，磁鏈波形的平頂寬度也會小于理想時的120°電角度．使得不同次數的磁鏈諧波與電流諧波之間也產生了一定的諧波轉矩。所以，確定****諧波電流的難度是很大的，這也使得諧波
消去法的應用受到了限制。
(4)轉矩反饋法。諧波消去法是一種開環控制方法，當存在繞組阻抗不對稱和所測電流有誤差等于擾時，控制精度將會受到影響。為了克服開環控制方法的缺點,人們提出了從反饋角度考慮抑制轉矩脈動的方法，即以轉矩為控制對象，進行閉環控制。轉矩反饋法的基本原理就是．根據位置和電流信號通過轉矩觀測器得到轉矩反饋信號．再通過轉矩控制器反饋給無刷直流電動機的主電路，實現對轉矩的實時控制，從而消除轉矩脈動。但是，轉矩反饋法結構較為繁雜，需預先確定電機參數．且算法復雜．實現起來比較困難。
2．電流換向引起的轉矩脈動
無刷直流電動機工作時．定子繞組按一定順序換流。由于各相繞組存在電感．阻礙電流的瞬時變化．每經過一個磁狀態，電樞繞組中的電流從某一相切換到另一相時將引起電磁轉矩的脈動。抑制由電流換向引起的轉矩脈動的方法有電流反饋法、滯環電流法、重疊換向法、脈寬調制(PwM)斬波法等。
(1)電流反饋法。這種方法就是使非換向相電流保持恒定．從而使換向轉矩脈動為零，因為非換向相電流的存在會導致一定的轉矩脈動。一般來說，電流反饋控制可以分為兩種形式，即直流側電流反饋控制和交流側電流反饋控制。直流側電流反饋控制的電流反饋信號由直流側取出，主要控制電流幅值。由于直流側電流反饋控制是根據流過直流電源的電流信號進行的，因此只需要一個電流傳感器便可得到電流反饋信號。交流側電流反饋控制的電流反饋信號由交流側取出．此時，根據轉子的位置來確定要控制的相電流，使其跟隨給定。在換向過程中，當非換向電流未到達給定值時，PwM控制不起作用；當非換向電流超過設定值時-PwM控制開始起作用．關斷所有開關器件．使電流值下降，直至低于設定值再閉合被關斷的開關器件，使其值上升，依此往復，即可實現非換向相電流的調節．直至換向完成。
(2)滯環電流法。在常用的電流控制方法中，除了上述方法外，還有滯環電流控制法。其基本原理是。在電流環中，采用滯環電流調節器(Hysresis current Regulator，HcR)，通過比較參考電流和實際電流，使得換向時能夠給出適合的觸發信號。實際電流的幅值和滯環寬度的大小決定了HcR控制信號的輸出。當實際電流小于滯環寬度的下限時，開關器件導通；隨著電流的上升，達到滯環寬度的上限時，開關器件關斷，使電流下降。實際電流可以是相電流，也可以是逆變器的輸入電流。滯環電流法的特點是：應用簡單，快速性好，具有限流能力。滯環電流控制方法可分為三種情況：由上升相電流控制的HCR．由非換向電流控制的HcR和由三相相電流獨立控制的HcR。比較用這三種方法抑制換向轉矩脈動效果的實驗證明：后兩種情況的換向轉矩特性相同．對換向轉矩脈動具有較好的抑制效果，且適用于低速。
(3)重疊換向法。電流反饋法、滯環電流法雖然解決了低速換向的轉矩脈動問題，但通常在高速時效果不理想。現今，在高速段抑制換向轉矩脈動較成熟的方法是重疊換向法。其基本原理是。換向時本應立即關斷的功率開關器件并不是立即關斷，而是延長了一個時間間隔，并將本不應開通的開關器件提前導通。在傳統的重疊換向法中，重疊時間需預先確定．但選取合適的重疊時間較為困難，且不能****限度地減小轉矩脈動。
(4)PwM斬波法。PwM斬波法與交流側電流反饋控制法較類似，即開關器件在斷開前、導通后進行一定頻率的斬波，控制換向過程中繞組的端電壓．使得各換向電流上升和下降的速率相等，補償總電流幅值的變化，抑制換向轉矩脈動。與重疊換向法相比，該方法具有更小的轉矩脈動，適合于精度要求更高的場合。
3．齒槽效應引起的轉矩脈動
無刷直流電動機定子鐵心為了安放定子繞組必然要有齒和植，由于定子齒槽的存在，引起氣隙不均勻，一個齒距內的磁通相對集中于齒部．使氣隙磁導不是常數。當轉子旋轉時。氣隙磁場就要發生變化，產生齒槽力矩。齒槽力矩與轉子位置有關，因而引起轉矩脈動。齒槽力矩是永磁電機的固有特性，在電機低速輕載運行時，齒槽力矩將引起明顯的轉速波動，進而產生振動和噪聲。因此，如何削弱齒槽力矩是永磁電機設計中較為重要的目標之一。
齒槽力矩產生的原因與前述兩種引起轉矩脈動的原因不同。前述兩種引起轉矩脈動的原因均在于定子電流與轉子磁場的相互作用，而齒槽力矩是由定子鐵心與轉子磁場相互作用產生的，減少齒槽轉矩脈動最普通的方法就是定子斜槽或轉子斜極。另外，增大氣隙，采用分數稽和磁性槽楔也有助于減小齒槽力矩的波動。當然，消除齒槽效應****的方法就是采用無槽電機結構。
無槽電機的電樞繞組不管采用何種形式．它的厚度始終是實際氣隙的一部分，因此無槽電機的實際等效氣隙比有槽電機要大得多．所需要的勵磁磁動勢也要大許多．這在早期限制了無槽電機的容量和發展：近年來，隨著磁性材料的迅猛發展．特別是釹鐵硼等高磁能積稀土永磁材料的應用，為無槽電機的實用化創造了條件。采用無槽結構，因為同時具有超大氣隙，除了能****消除齒槽效應引起的轉矩脈動外，還能大幅度削弱由于電樞反應和機械偏心而產生的轉矩脈動。
4．電樞反應引起的轉矩脈動
電樞磁動勢對氣隙主磁場的影響．稱為電樞反應。無刷直流電動機的電樞反應比較復雜，根據電樞反應的性質，電樞反應磁動勢可分解為交軸分量和直軸分量。
交軸電樞反應磁動勢會使氣隙主磁場波形發生畸變．使氣隙主磁場的磁感應強度不再是空載時的方渡，感應電動勢也隨之畸變。從而導致感應電動勢與電樞電流的不匹配，進而引起轉矩脈動。現在無刷直流電動機均采用高性能的稀土永磁材料，若采用瓦片形表面貼裝式，則交軸電樞反應對氣隙主磁場的影響會很微弱。這是因為交軸電樞反應磁路要經過氣隙和永磁體[見圖6 8(a)]，永磁材料的磁導率與空氣的磁導率是非常接近的，這就使交軸電樞反應磁路的磁阻很大，交軸電樞反應的磁通很小．其對氣隙主磁場的影響可以忽略不計。
直軸電樞反應磁動勢在轉子旋轉過程中對主磁場先去磁、后增磁(見圖6—7)，使負載每極總磁通在空載每極總磁通的附近變化。這樣，感應電動勢和電磁轉矩也要發生變化，但影響不大。
5．機械加工引起的轉矩脈動
機械加工和材料的不一致也是引起無刷直流電動機轉矩脈動的重要原因之一。如電機機械加工及裝配時產生的尺寸和形位偏差，定子沖片各槽分布不均勻．定子內外圓偏心．定、轉子同軸度偏差等產生的單邊磁拉力，軸承系統的摩擦轉矩不均勻，轉子位置傳感器定位不準導致的轉矩脈動．各相繞組參數不對稱及電子元器件性能參數的差異而導致的轉矩脈動．磁路中各零件材料特別是永磁體性能不一致而產生的轉矩脈動等。因此。提高工藝加工水平也是減少轉矩脈動的重要措施。 |
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