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王 強 孫 力 陸永平（哈爾濱工業大學150001）
摘 要 介紹幾種抑制無刷直流電動機系統波動力矩的主要方法，并對這些方法進行比較。
敘 詞 無刷直流電動機波動力矩抑制
1 引 言
無刷直流電動機系統具有良好的控制特性、大的峰值力矩和高可靠性等優點，因而在高精度位置和速率系統中得到了廣泛的應用，對于這類高精度系統，波動力矩是一項重要指標，影響著速率和位置精度，因此抑制無刷直流電動機系統的波動力矩具有重要的意義，本文對抑制波動力矩的方法進行了分類介紹。
2 波動力矩的幾種主要抑制方法
無刷直流電動機系統的波動力矩可分為兩種成分，即電磁波動力矩和齒槽波動力矩，對于表面磁鋼無刷直流電動機系統，通過齒極配合和采用分數槽繞組結構，可以充分抑制齒槽波動力矩，波動力矩的主要成分是電磁波動力矩。電磁波動力矩主要是無刷直流電動機系統三相電流和反電勢的恒定分量偏差、幅值偏差、相位偏差以及諧波成分產生的。根據波動力矩來源于電流和反電勢偏差這一特點，可將抑制波動力矩的各種方法作如下分類。
諧波消去法
力矩前饋法
力矩反饋法
直接力矩反饋法
間接力矩反饋法
磁場正弦化設計法
2.1諧波消去法
根據電磁波動力矩的產生原理，文獻[1]首先提出了必須根據氣隙磁密波形決定繞組電流波形，以消除電磁波動力矩，即諧波消去法。其主要的目的是消除電流和反電勢諧波成分產生的波動力矩，其基本原理如下：
當無刷直流電動機系統電流或反電勢含有諧波分量時，系統的平均電磁力矩和諧波力矩可表示為：
根據測得的或計算而得的各次電勢諧波成分，即可求解出****電流波形的各次諧波，從而得到了****電流波形，用它作為相電流參考信號，以抑制反電勢諧波產生的波動力矩，文獻[2]首先給出了這種方法的完整描述，文獻[3]介紹了獲取/mk的各種方法，原理上并沒有什么變化。文獻[4]計算了不同定子電流對/mk的影響，根據定子電流的數值，考慮電樞反應對電勢諧波的影響，進而計算出該電流下的/mk。
仿真和實驗研究表明，諧波消去法抑制較大的電勢諧波產生的波動力矩較為明顯，或者只可將波動力矩抑制于一定的水平。這是因為，該方法對電流調節器的帶寬有較高的要求，正常情況下，電流調節器無法使相電流完全復現電流指令中的各次諧波成分，因此，諧波消去法的作用是有限的。
2.2力矩前饋法
力矩前饋法是諧波消去法的發展，諧波消去法本質上是一種開環方法，力矩前饋法與諧波消去法依據相同的原理，即用電流的諧波成分消除電勢諧波成分產生的波動力矩。與諧波消去不同，力矩前饋法是一種實時、在線補漏方法。
圖1是一種典型的用力矩前饋補償方法抑制波動力矩的系統的原理圖，其基本原理是，建立反電勢或力矩觀測器，由同步旋轉參考坐標系下的狀態方程估計出電勢或力矩的諧波成分，根據電勢或力矩諧波計算出電流指令i和i中應包含的諧波成分，控制三相電流產生相應的諧波成分，抑制波動力矩。
力矩前饋法比較復雜，對采樣、檢測電路的精度要求較高，需要快速的數字信號處理 器，實現困難，其方法和技術尚不成熟，仍處反饋方法抑制波動力矩的于研究階段，文獻報道也較少[5]。
2.3力矩反饋法
力矩反饋方法是以瞬時力矩作被控量，根據獲取的反饋力矩信號實現對瞬時力矩的直接控制，因此也稱之為瞬時力矩控制法。
力矩反饋信號的準確獲取是力矩反饋實現的關鍵，按反饋信號獲取方式的不同，力矩反饋法分為直接力矩反饋法和間接力矩反饋法[5]。
直接力矩反饋法有兩大缺點，第一，這種方法需要在電機與負載轉軸之間安裝位移或應變傳感器來測量瞬時力矩，這種傳感器的制造和安裝都比較困難；第二，需要昂貴的高響應信號處理設備，這是因為信號處理設備的帶寬必須遠遠高于所檢測的瞬時力矩的信號的帶寬。這兩點原因限制了直接力矩反饋法的應用。
間接力矩反饋法是根據測量的電機參數和狀態變量計算瞬時力矩，丁可表示為：
間接力矩反饋法的核心是式(2)中各系數的獲取，按其獲取方式可將間接力矩反饋方法分為測量法、觀測法和綜合法。
測量法，忽略電樞反應對氣隙磁場的影響，通過測取空載反電勢，用最小方差參數辨識的方法求得式的各系數。
觀測法，建立力矩觀測器，通過測得的系統電壓、電流等狀態變量估計式(2)備系數，常用的方法有電壓積分法和平均力矩估計法。
綜合法，綜合法融合了測量法和觀測法，通過測取空載電勢獲取式(2)各系數的基值，根據系統的運行狀態，應用觀測法的手段對這些系數加以修正。
力矩反饋法算法也比較復雜，對各種波動力矩都有抑制作用。
2.4磁場正弦化設計法
磁場正弦化設計法是一種與前三種方法截然不同的方法，是通過磁場的正弦化設計，盡可能減小電勢中的諧波成分（3次諧波除外）。這方面的研究開展較早，文獻[6]介紹了解析法計算空載氣隙磁場的方法，分析了極弧變化、極對數、氣隙以及充磁形式等因素對氣隙磁密空間諧波的影響，文獻[7]介紹了一種用雙層表面磁鋼轉子結構來消除電勢諧波的方法，文獻[8]應用電磁場反問題求解的方法，計算了正弦氣隙磁場的磁鋼形狀，作了大量的實驗研究。磁場正弦化設計法可大幅度降低由電勢諧波產生的波動力矩。
3結論
通過以上幾種抑制波動力矩方法的討論，可以得出結論：
a．諧波消去法對較大的電勢諧波產生的波動力矩有明顯的抑制作用，其效果受電流環帶寬的限制。
b．力矩前饋法結構、算法復雜，主要應用于穩速系統。
c．磁場正弦化設計法可有效地抑制電勢諧波產生的波動力矩，采用磁場正弦化設計后，波動為矩主要表現為電流的幅值、相位和函數誤差產生的P次、2P、6P的波動力矩。
d．力矩反饋法實時性好，對各種波動力矩均有抑制作用，與磁場正弦化設計法結合使用可收到較好的效果。
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