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無刷直流電動機轉矩脈動及其抑制方法綜述
 
 

                                                  董少波,程小華
                                                         (華南理工大學電力學院)
       摘要:轉矩脈動是無刷直流電動機的固有缺陷,它限制了其在高精度系統中的應用。該文詳細論述了轉矩脈動產生的各種原因,并給出了相應的有效的抑制方法。
     關鍵詞:轉矩脈動;無刷直流電機;抑制方法
     中圖分類號:TM36+1    文獻標志碼:A    文章編號:100l一6848(2010)08—0083—04

0  引  言
       無刷直流電動機的輸出轉矩大、動態響應快、慣量小、可靠性高、控制簡單,因此其應用越來越廣泛。但是無刷直流電動機普遍存在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、研究抑制或消除轉矩脈動的方法具有十分重要的意義。本文詳細論述了轉矩脈動產生的各種原因以及有效的抑制方法,對各種方法進行了分類并分析了各種方法的優缺點。
1  電磁因素引起的轉矩脈動

      電磁轉矩脈動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、反電動勢波形、氣隙磁通密度的分布有贏接關系{1}。在理想情況下,定子電流為方波,反電動勢波形為梯形波,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,可能使反電動勢不是梯形波,或者波頂寬度不為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:電機優化設計法、****開通角法、諧波消去法、轉矩反饋法等。
1.1電機優化設計法

     對于永磁無刷直流電動機,磁極形狀、極弧寬度、極弧邊緣形狀不同時,對輸出電磁轉矩有很大影響{2}。當氣隙磁通密度呈方波分布時,即反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;當極弧寬度達到π時,電機出力****,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,改變磁極的形狀,或增加極弧寬度來有效消除電磁轉矩脈動。
1.2****開通角法

    此方法通過控制手段和策略來抑制電磁轉矩脈動,首先推導出轉矩脈動與開通角之間的函數關系式,再求取電流的****開通角,使電路波形和反電動勢波形的配合適當,通過控制****開通角而達到削弱轉矩脈動的目的。文獻[3_4]采用了這種方法。
1.3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轉矩,造成了轉矩的脈動。電磁轉矩脈動是由相電流和反電動勢相互作用形成的,可以考慮通過控制電流的諧波成分來消除由此產生的轉矩波動。不同次電流諧波和反電動勢諧波的結合,會產生具有相同角頻率的諧波轉矩分量。文獻[5]對無刷直流電機的轉矩特性進行了深入的研究,分析了由諧波引起的轉矩脈動。在理想條件下,同次的磁鏈諧波與電流諧波(3次諧波除外)相互作用產生恒定的轉矩,不同次諧波之間是不產生轉矩的。
1.4轉矩反饋法

   轉矩反饋法是一種閉環控制方法,基本原理是: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機主回路,實現對轉矩的控制,從而消除轉矩脈動。但轉矩反饋法節構較為復雜,需預確定電機參數且算法復雜,實現比較困難。
2電流換向引起的轉矩脈動
   永磁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啼目切換到另一相時將引起電機轉矩的脈動。抑制由電流換相引起的轉矩脈動的方法有:電流反饋法、滯環電流法、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致換相轉矩脈動,很多文獻通過各種方法致力于使非換相相電流保持恒定,從而使轉矩脈動為零

一般來說,電流反饋控制可以分為兩種形式一種是直流側電流反饋控制。其反饋信號由直流側取出,主要控制電流幅值。由于它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。文獻[6]對此方法進行了分析。另.種是交流側電流反饋控制。其反饋信號由1交流側取出,此時,根據轉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,當非換相電流術到達給定值時,PwM控制不起作用;當非換楞電流趣過設定值時,PwM控制開始起作用,關斷所有開關器件,使電流值下降,直至低于設計值再閉合被關斷的開關器件,使其值上升,以此往復,即可實現非換相相電流的調節,直至換相完成。
2.2滯環電流法
   其基本原理是:在電流環中,采用HcR,通過比較參考電流和實際電流,使得換相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,IGBT器件導通;隨著電流的上升,達到滯環寬度的上限時,IGBT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,由非換相相電流控制的HcR和由二三相相電流獨立控制的HcR。實驗證明:后兩種情況的換相轉矩特性相同,對換相轉矩脈動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,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開通一個角度,這樣可以補償換相期間的電流跌落,進而抑制轉矩脈動,傳統的重疊換相法中,重疊時間需預先確定,而選取合適的重疊時間比較困難,大了會過補償,小了又會造成補償不足。為此,在常規重疊換相法的基礎上,引入了定頻采樣電流凋節技術。此技術在重疊期間采用PwM控制抑制換相轉矩脈動,使重疊時間由電流調節過程自動調節,從而避免了對重疊區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頻率才有效。另外,該方法雖然對抑制高速下換相轉矩脈動有效,但需要離線求解開關狀態并且算法復雜,在實際應用中有一定的局限性。文獻[7]對此方法做了詳細介紹。
2.4 PwM斬波法
  PwM斬波法與交流側反饋控制法較類似,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;補償總電流幅值的變化,抑制換相轉矩脈動,與重疊換相法相比,該方法具有更小的轉矩脈動,適合于精度要求更高的場合。
  采用不同的PwM調制方式,換相時脈動電流出現的大小和時問不同:在無刷直流電動機控制系統中,當采用120。兩兩導通方式時,每個電周期有六個扇區,每個扇區各占60。,此時PwM捌制方式有五種類型:①ON—PwM型:各管前60“叵通,后60。
  進行PwM調制;②PwM—ON型:各管前60。進行PwM調制,后60。為恒通方式;③H—PwM—L一0N型:上橋臂進行PwM調制,下橋臂恒通方式;④H一0N—L—PwM型:上橋臂恒通,下橋臂進行PwM調制;⑤H—PwM—L—PwM型:上下橋臂都進行PwM調制。第五種方式的開關動態損耗是其他四種方式的兩倍,使系統效率降低,并給散熱帶來網難,因此一般不采用。文[8]中,分析了換相時續流對電壓和電流的影響,認為當采用ON—PwM調制方式時,續流所產生的脈動電流最小,對系統的影響也最小。文獻{9]分析了PwM調制方式對換相轉矩脈動的影響,認為當采用PwM—ON斬波法調制方式時,換相轉矩脈動最小。
3齒槽引起的轉矩脈動
    齒槽引起的轉矩脈動也稱為磁阻轉矩脈動,是由于定子齒槽的存在,使得在一個磁狀態內極下磁阻發生變化引起的。齒槽轉矩是永磁電機的固有特。h牛,當電機處于低速輕載運行時,齒槽轉矩將會表現的非常明顯,從而產生振動和噪聲,目前常用的抑制齒槽轉矩的方法有:
3.l斜槽
    削弱齒槽轉矩的最常用的方法是定子斜槽和轉子斜極{10}。通過計算得到斜槽系數,并選取****的斜槽系數。但是,這種方法的缺點在于將會減少繞組反電動勢的高次諧波,使繞組反電動勢更接近于正弦波。這樣對于正弦型無刷直流電機而言.有利于減少電磁轉矩紋波;而對于方波型無刷直流電機而言將會增加電磁轉矩紋波。
3.2分數槽
    對于較難采用重疊換相的永磁電機,可以采用分數槽來處理。所謂分數槽,就是定子槽數和轉子極數不是整數倍關系,這樣做可以使齒槽轉矩的頻率增加,幅值減小,但這種方法對加工工藝的要求較高,同時會引起平均轉矩的減少。文獻:11詳細的介紹了這種方法。
3.3磁極分塊移位
   由于轉子斜極會使成本大大增加,并且加工工.藝也會變得復雜,因而應用中往往采用磁極分塊移位法,由通過計算得到磁極極弧系數,然后再把它優化,最后把幾段分塊磁鋼沿周向錯開一定角度安放米近似等效成一個連續的磁極,通常有兩種移位方法:連續移位和交差移位,前者消除的是磁鋼分塊數目整數倍以外的所有齒槽轉矩諧波成分,后者只能消除齒槽轉矩的奇數次諧波,對偶數次諧波沒有影響{12-13}。
3.4其他方法
   采用虛擬齒和虛擬槽即當每極每相槽數很小時,通過虛擬把每極每相槽數變多,這樣再采用斜槽,就可以消除齒槽轉矩;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磁,這樣在定子中就可以采用無槽式繞組,目前有三大類:環形繞組、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矩提供了幫助。
4電樞反應引起的轉矩脈動
   電樞反應對轉矩脈動的影響主要反應在兩個方面:一是電樞反應使氣隙磁場發生畸變,改變了轉子永磁體在空載時的方波氣隙磁感應強度分布波形;使氣隙磁場的前極尖部分被加強,后扳尖部分被削弱。該畸變的磁場與定子通電相繞組相互作用,使電磁轉短隨定、轉子相對位置的變化而脈動;二是在任一磁狀態內,相對靜止的電樞反應磁場與連續旋轉的轉子主極磁場相互作用而產生的電磁轉矩因轉子位置的不同而發生變化。
  為了減小電樞反應對因氣隙磁場畸變而產生的轉矩脈動的影響,電機應選擇瓦形或環形永磁體徑向勵磁結構,并適當增大氣隙。另外,也可以設計電機齒部磁路的飽和度使電機在空載時達到足夠飽和。
5機械加工引起的轉矩脈動
   除了以卜幾種主要的原因外,機械加I.和材料的不一致也是引起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引起的,如定子沖片各槽分度不均,定子內外圓偏心,定、轉子同軸度偏差等產生的單邊磁拉力導致轉矩脈動;軸承系統的摩擦力不均勻疊加的波動力矩;轉子位冕傳感器的定位不準確導致的轉矩脈動;各相繞組電阻電感參數不對稱及電子元器件性能參數的差異導致的轉矩脈動;磁路中各零件材料特別是永磁體性能不一致產生的轉矩脈動等。因此,提高加工水平也是減少轉矩脈動的重要方法。
6結論及展望
   本文系統分析了無刷直流電動機轉矩脈動產生的各種可能原因以及常用的抑制方法。在實際應用中,要根據具體場合和不同要求選用適當的控制方法,或者幾種方法進行綜合運用。另外,隨著人工智能技術的快速發展,其在電機控制領域的運用也日漸深入,特別是神經網絡控制和自適應控制是目前研究的重點。因此,在尤刷直流電機的轉矩脈動抑制問題的研究中,采用智能控制來抑制轉矩脈動也是一個重要的方向。

 
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