（电力电子与电力传动专业论文）无刷直流电机转矩脉动抑制机理及控制研究.pdf

华南理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) h a ss e v e r a li n h e r e n ta d v a n t a g e s ：s u c ha sg o o d p e r f o r m a n c eo fs p e e d c o n t r o l l i n g ，h i g hp o w e rd e n s i t y a n de f f i c i e n c ye t c f o rt h i s r e a s o n ，i ti sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d b u tt h et o r q u er i p p l ep r o h i b i t si t sf u r t h e ru s e i na c c u r a t es e r v os y s t e m s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho nt o r q u er i p p l eo f b l d c m ，a n a l y z e st h et h e o r yo ft o r q u er i p p l ea n ds e a r c h e st h ew a yo fe l i m i n a t i n gt h e t o r q u er i p p l e i nt h i sp a p e r ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i sa p p l i e dt ot h eb l d c m c o n t r o ls y s t e mt ol o w e rt h ea m p l i t u d eo ft o r q u er i p p l e ，a n dt r yt oe l i m i n a t et h et o r q u e r i p p l eb yi n c r e a s i n gt h es w i t c h i n gf r e q u e n c yo f i n v e r t e r ad t cs i m u l a t i o ns y s t e mi s b u i l tb a s e do nm a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eb l d c ms y s t e m c a no b t a i ng o o dp e r f o r m a n c e ，a n di tp r o v e st h ea d v a n t a g eo fi n c r e a s i n gt h es w i t c h i n g f r e q u e n c y i nt h ee l i m i n a t i o no f t o r q u er i p p l e ， f i r s t ，t h ep r i n c i p l eo ft o r q u er i p p l ei n b l d c mi ss t u d i e d t h et o r q u e r i p p l e c a u s e d b y s e v e r a l p r o b a b l y r e a s o n si s a n a l y z e di n t h i s p a p e r ，a n d t h e w a y so f e l i m i n a t i n gt h e s er i p p l ea r er e v i e w e d f o r t h et o r q u er i p p l ec a u s e db yt h em o t o ri t s e l f , i t s m a i n l yr e d u c e db yt h eo p t i m i z a t i o n o fm o t o rd e s i g na n dt h ei m p r o v e m e n to f m a n u f a c t u r et e c h n i c s t h o s eg e n e r a t e db yc o n t r o ls h o u l db ec o n s i d e r e dw i t ht h e c o n t r o ls t r a t e g y a g a i n s tt ot h ec u r r e n t f e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g y ，t o r q u e f e e d b a c k m e t h o di sm o r ei m m e d i a t ea n dr a p i d ，a n da c h i e v e sab e t t e rt o r q u ec o n t r o le f f e c t a c c o r d i n gt ot h i sc o n c l u s i o n ，ac o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt o r q u e f e e d b a c ki sp r e s e n t i nt h i sp a p e ri no r d e rt or e d u c et h et o r q u er i p p l ei nb l d c m s e c o n d ，c o n s i d e r i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co ft o r q u e r i p p l e i nb l d c m ，t h ed t c s y s t e mi si n t r o d u c e d t oe l i m i n a t et h et o r q u er i p p l e i nt h et r a d i t i o n a ld t c s y s t e m w i t h h y s t e r e s i sc o n t r o l ，t h ea m p l i t u d eo ft o r q u er i p p l e l o w e r sw i t ht h ed i m i n i s ho ft h e h y s t e r e s i sw i d t h t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o w t h a tt h er a n g eo ft o r q u er i p p l ec a n b e1 i m i t e dw i t h i nt h eh y s t e r e s i st o l e r a n c e ，w h i c ha r es e ta s 0 5 、1 c o r r e s p o n d i n g t ot h i s c o n c l u s i o n ，i nad i g i t a ld t cs y s t e m ，t h et o r q u er i p p l e c a nb er e d u c e db y i n c r e a s i n gt h es w i t c h i n gf r e q u e n c yo fi n v e r t e r t h a tm e a n sw e c a ns e e ka ne f f e c t u a l w a y o f r e d u c i n gt o r q u er i p p l eb ys h o r t e nt h es a m p l i n gp e r i o d i nad i g i t a ld t c s y s t e m 。 a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ei m p a c to ft h ep a r a m e t e r si n p ic o n t r o l l e ro n s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c i sr e s e a r c h e d t h es y s t e mc a ng e tab e t t e rd y n a m i cr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i cw i t ht h ei n c r e a s eo fk p ，y e ta n o t h e rc o e f f i c i e n tk is h o u l db ec h o s e n i l a b s t r a c t p r o p e r l yt oo b t a i ng o o dt o r q u e c o n t r o lp e r f o r m a n c e f i n a l l y ，ap r e l i m i n a r ye x p e r i m e n ts y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pi s b u i l tt ov e r i f yt h et h e o r ya n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t k e y w o r d s ：b l d c m ；t o r q u er i p p l e d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；h i g hf r e q u e n c y i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 声柱强 吼删年月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密母 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：声柱强 翩鹤。牡彳 日期：嘶年6 月夕e t 日期2 娜年月夕日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无刷直流电机的特点与应用 直流电动机具有运行效率高、调速性能好等诸多优点，但是传统的直流电动 机均采用了电刷作为电流换向设备，存在相对的机械磨擦，因此带来噪声、火花、 电磁干扰以及寿命短等致命弱点，因而应用范围受到很大限制。1 9 5 5 年，美国的 d 哈利森等人申请了利用晶体管换向代替直流电动机的机械换向器的专利，这就 是现代无刷直流电机( b l d c m ，b r u s h l e s sd cm o t o r ) 的雏形。之后，随着科学 技术的进步，新技术新材料的出现，尤其是电力电子工业的飞速发展，无刷直流 电机的性能有了很大的提高。由于无刷直流电机既具备了交流电机的结构简单、 运行可靠、维护方便的等一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损 耗、调速性能好、功率密度大等特点，因而在医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺 业和家用电器等各个领域中得到广泛应用【l 】。 1 2 无刷直流电机的结构与原理 如图( 1 1 ) 所示，台典型的无刷直流电机是由永磁电机本体、位置传感器、 逆变器和控制电路组成的。 簿o a - ：勇o a ：r , o a ：攀。o a 图1 1 无刷直流电机系统基本组成图1 2 无刷直流电机工作原理 永磁电机本体在设计上，为了方便电子线路换相，实现无刷化，无刷直流电 机与传统有刷直流电机相反，它把永磁体放在了转子上，三相电枢绕组设在定子 上。三相电压型逆变器根据转子位置，按一定的顺序给三相绕组通电，以产生类 似交流电机一样的旋转磁场，并且使该磁场与转子的永磁磁场在空间上始终保持 华南理工大学硕士学位论文 在要( r a d ) 左右的电角度，以输出最大转矩，牵引转子及负载旋转。位置传感器 的作用是检测转子位置，给逆变器提供换相信号。 1 2 1 无刷直流电机的工作原理 图1 2 是三相半控桥“y ”绕组无刷直流电机的工作原理图。转子在图( 1 - 2 a ) 的位置时，绕组a a 通电，该绕组电流与转子磁极作用后所产生的转矩使得转子 按箭头方向旋转。当转子磁极转到图( 1 - 2 b ) 所示位置时，位置传感器发出的观 测信号控制逆变器关断a 相，开通b 相，电流流经绕组b b ，它所产生的转矩 牵引着转子继续朝图中箭头所示方向运动。转子转到图( 1 - 2 c ) 的位置时，又换 到c 相的c c 绕组通电，使得转子继续向箭头方向旋转，并回到图( 1 - 2 a ) 所示 位置。这样，随着转子的转动，逆变器根据位置传感器检测到的转子位置信号不 断地一相一相地依次通电，实现了各相绕组电流的换相。 1 2 2 无刷直流电机的换相原理 以方波无刷直流电机为例，由于气隙磁通密度为梯形波分布，由电机学原理 知道，电枢的感应电势亦为梯形波形，大小与转子磁通和转速成正比。方波无刷 直流电机三相绕组的反电势、电流波形如图1 3 所示。它每相电流为1 2 0 0 宽的交 流方波，且三相对称。工作中，只要控制好逆变器各功率器件的开、关时刻就能 满足上述要求。但是定子方波电流的通电时刻与反电势波形、转子磁极位置有严 格的对应关系，不然会产生较大的转矩脉动，使平均转矩减小，甚至会产生严重 的不良后果。因此，逆变器的控制信号必须依赖于转子位置检测器，根据转子磁 极位置，控制逆变器依次换相。 图i - 3 无刷直流电机反电势、电流波形 2 第一章绪论 1 3 无刷直流电机存在问题 无刷直流电机调速系统虽然已经取得了很大的发展，但是要想达到更好的运 动性能，实现更广泛的应用，还有一些有待继续深入研究和解决的问题。 1 3 1 转矩脉动 目前，无刷直流电机存在的最主要的问题就是存在转矩脉动。由于转矩存在 脉动，使得无刷直流电机在交流伺服系统中的应用受到了限制。尤其是在直接驱 动应用的场合，由于没有减速装置，转矩的脉动在动态情况下，会通过转子传递 到负载上，引起预料不到的速度脉动，从而通过电机底座产生振动、谐振、噪声 等问题，因此限制了它在高精度的速度、位置控制系统中的应用“1 。而那些应用 于视听设备、电影机械、计算机等精密设备中的无刷直流电机，更要求运行平稳、 没有噪声。因而抑制或者消除转矩脉动成为提高直流伺服系统性能的关键。 引起转矩脉动的原因主要有【3 1 【4 】：齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动；电 枢反应引起的转矩脉动；由于电枢等效电感和功率器件的反并联续流二极管的影 响，从而导致电流换相引起的转矩脉动；电磁因素引起的转矩脉动等。目前，许 多研究人员对转矩脉动问题展开了深入的研究，针对不同的产生原因，提出了各 种抑制或削弱转矩脉动的方法，从不同程度上提高了无刷电动机的性能。但目前 只能是在原有结构、方案上提出了一些削弱、或补偿的方法，未能从原理上或者 说根本上消除转矩的脉动问题。因而转矩的脉动问题还有待于进一步的研究。 1 3 2 无位置传感器的转子位置估算 由无刷直流电机工作原理可知，它需要利用转子的位置信号作为控制逆变器 功率管的换相依据，以实现电机的无刷化运行，同时也为转速闭环控制提供转速 信息。传统的转子位置检测方法是采用位置传感器来获得所需的转子位置信号。 常用的位置传感器有电磁式、光电式和霍尔式等。由于各种位置传感器对环境条 件比较敏感，容易受到工况条件影响而影响电机控制精度。并且，位置传感器的 引入，增加了电气连接线数目，使得整个系统的可靠性降低，有悖于电机小型化 的发展趋势，同时也大大增加了电机制造的工艺要求和成本。由于位置传感器固 有的上述缺点，从上个世纪7 0 年代起，无位置传感器技术开始成为无刷直流电机 控制领域研究的热点，并且已经提出了许多方法。其中主要有【5 ：反电势法、三 次谐波检测法、相电感检测方法、卡尔曼滤波法和电流注入法等等。这些方法都 有各自的优点和缺点，并且由于电机磁链分布形式的不同，许多方法只适用于其 中一些类型的无刷直流电机。 3 华南理工大学硕士学位论文 1 反电势法 这是目前最常见和应用最广泛的方法。由于定子绕组的反电动势随转子位置 的改变而变化，利用在定子绕组中感应出的反电动势，可以得到转予的位置。这 种方法一般需要对电机的三相端电压进行检测，并据此计算出反电动势，从而得 到转子的位置信号。该方法在1 2 0 。运行的方波直流电动机最为常用，因为在这种 类型的无刷直流电机中，任何瞬间三个绕组中，只有两个导通，未导通相绕组的 端电压即为反电动势信号。反电势法又分为直接反电势法和间接反电势法。直接 反电动势法是将检测到的反电动势信号的过零点再移相3 0 。，对逆变器的六只功 率管进行控制，这会在换相时引入较大的干扰；间接反电动势法是利用检测的端 电压经电压方程解出反电动势，但由于方程中有电流的微分项，易引入噪声，一 般采用低通滤波器对信号进行处理 6 】：将三相端电压经过低通滤波器，延时9 0 。 电角度，再经比较电路得出触发逻辑信号。 反电势法是在忽略电枢反应的基础上提出的，在原理上就存在误差。尤其对 于大功率的无刷电动机，其电枢反应对气隙磁密的影响更明显，误差也就更大。 另一方面，电机在启动和低速时，反电动势为零或很小，很难通过反电动势来检 测转子位置，从而使得利用反电势法估算转子位置的无刷电动机存在启动问题。 因此，如何在大功率无刷电动机中补偿反电动势法造成的转子位置信号的误差， 以及如何克服反电动势法中电动机的启动问题，是急需解决的问题。对于启动问 题，一般采用先用其他方法启动之后再切换到这种基于反电势检测的无位置传感 器的运行方式。 2 三次谐波检测法 对于反电动势为梯形波的方波电机，它的反电势除了基波外，还含有丰富的 高次谐波分量。通过对电枢三相相电压的简单叠加，反电动势的基波分量和其它 高次谐波分量由于相位互差1 2 0 0 而相互抵消，只有三次谐波及其奇数倍次数的谐 波由于同相叠加而加强。因此可以从中提取反电动势的三次谐波分量，以检测转 子的位置。该方法只适合于“y ”接方波电机【l8 1 。对于有中性点引出电机，利用 中性点和在电机端点上并联的三相“y ”型网络的中性点来得到反电动势的三次 谐波分量；在没有中性点引出的电机，可以利用直流侧中性点和电阻网络的中性 点来获得反电动势的三次谐波分量，再对获得的信号进行滤波，滤掉与三次谐波 成倍数的高次分量( 最低为9 倍的基波频率) 。该方法比反电动势直接过零比较有 更宽的运行范围。在低速时，很难检测到三次谐波电压，且需要特殊的启动方式， 因而这种方法应用不是很广泛。 4 第一章绪论 3 相电感检测方法 凸极永磁电机的定子绕组电感随转子位置的变化有较大的改变，定子电感是 转子位置和相电流的函数。根据这个原理，文献【7 9 】提出了简单的电感检测方法： 在未导通相中注入高频载波信号，定子绕组中的电流变化与相电感的瞬时值成反 比，这样就可以检测到转子的位置。虽然该方法检测的是阻抗而不是电感，但如 果选择合适的注入脉冲，就可以得到一个很好的估算结果。由于检测到的相电流 比较小，因而反电动势的影响最小化了。该方法可用于载波模式，其显著优点是 在反电动势很小甚至为零的低速和静止情况下，都具有很好的可靠性。但是，电 流的变化率和转子位置之间的关系比较复杂，特别是在高速时，反电动势对定子 电流有较大的影响，产生的误差不能忽略。 4 卡尔曼滤波法 对于具有随机干扰的非线性系统，卡尔曼滤波器是最优的递推估计器，文献 【9 】以口一声坐标系下的定子电流两个分量、i 。，转子角速度u 和位置e 作为状态 变量，建立系统的扩展状态方程，这样电流的导数与电流、电压呈线性关系。它将 所有变量化为小于l 的值，进行定点数运算，并将舍入误差和截断误差也计入到 系统噪声，仿真和实验表明，该算法可用于位置和速度的实时估计。扩展卡尔曼 滤波器一般计算量大，对系统参数敏感以及需要初始位置信息，这些缺点阻碍了 它的实际应用。由于矩阵中含有大量的零元素，必须采取特殊的存储技术和算法， 以节省内存和时间，从而降低成本，这样才能真正实用化。 5 电流注入法 文献 7 1 1 8 1 介绍了种给定予绕组注入诊断信号的方法：在定子电流中注入一 个微弱的高频交流信号，通过计算d 轴和q 轴定子电感的差值来估计转子的位置， 这个方法对转予位置的估计不受电机参数、转速及运行状况的影响。但是由于机 械的或磁的误差所引起的电机结构的不对称会带来位置估计的误差，而在速度伺 服系统中，转子位置角的微分作为速度信号，就引入了转速的周期性误差。电流 注入法可以估计出转子静止时的初始位置。但在高速时，由于校正精度受所需计 算时问的影响，因而在高速时其应用受到限制。同时由于被检测电压中包含有噪 声信号，对电流注入法的转子位置估计值产生影响，很难将这种值用做速度控制 信号。文献 9 1 通过对位置角估计值、通过m r a s ( m o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v es y s t e m ， 模型参考自适应系统) 方法获得的角速度与电流注入法获得的转子位置值进行比 较，通过补偿来校正差值。静止时，无需轴的摆动和转动，通过电流注入法可以 估计出转子的初始位置，旋转时，即使在低速情况下，该方法都可以获得准确的 转子位置角，实现无刷电机的稳定运行。 电流注入法对凸极电机或有一定电感变化的电机适用，它不仅可以得到电机 华南理工大学硕士学位论文 运行时转子的位置，而且可以获得静止时转子的初始位置，但在高速和大电流时 存在其局限性。 以上介绍的几种常用方法，各自有着各自的优、缺点。针对相互之间的优、 缺点关系，可以考虑采用两种或以上方法相结合的办法，利用优点互补，以达到 最好的估算效果。比如，可以在起动和低速的时候，采用定子电流注入法。在转 速达到一定值之后，再切换到反电势法。 1 4 研究背景与意义 目前，无刷直流电机已经广泛应用于生产、生活领域，比如现在比较热门的 变频洗衣机、变频空调中采用的都是无刷直流电机。这些生活中的电机调速系统， 除了要求调速性能可靠之外，还要求其噪音要低。而在1 3 节所述的无刷直流电 机目前有待解决的两大问题中，转矩脉动是对无刷电机性能影响最为严重，也是 最难以解决的。转矩的脉动，又是引起调速性能恶化和噪音的关键原因。因此， 转矩脉动的削减和消除，具有很重要的社会需要和现实意义。 针对1 3 节所述各种原因引起的转矩脉动，可以归为两大类：电机设计、制 造本身因素引起的转矩脉动和电机控制上引起的转矩脉动。这两大类都有研究人 员进行了大量的研究，并提出很多针对性的削减或消除方法，并且还在不断完善 和改进，或是提出新的方法，每年都有很多相关论文发表。但是，真正能够应用 到实际中的有效的削减转矩脉动措施大多数都是关于电机本体设计和制造优化方 面的，而通过改进控制手段来实现转矩脉动优化的措施，却很少有能够真正应用 到实际工程中的，尤其是国内，这方面的差距还比较大 1 。究其原因，一方面是 工艺水平的不断提高，使得电机本体制造质量有所改善，从而改善转矩脉动。另 一方面，对于众多控制方法的改进，以及新提出的控制方法，大多数都是在假设 了一定理想条件下提出来的，而这所假设的理想条件又往往就是导致转矩脉动的 主要原因。并且，这些新的控制方法很多都是跟现代控制理论相结合的，通常需 要进行数值计算。当计算工具的运算速度无法达到理论要求时，就会产生与理论 分析不符的情况，从而引起转矩脉动。更何况数值计算本身就是一种近似计算， 必然会有误差的存在。再考虑到无刷直流电机的工作原理，由于它是利用电流的 依次换相来产生旋转磁场，这更会引起转矩的原理性脉动。 从目前的研究水平来看，要想彻底消除无刷直流电机的转矩脉动，可能性不 大。但是，通过适当的控制方法，是可以将转矩的脉动幅度控制在满足使用需要 的范围之内的。近年来，微处理器在电机控制领域的应用，使得一些需要复杂算 法的控制手段从理论变成了现实，并取得了飞速的发展和广泛的应用。尤其是高 速数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 的出现与应用，更是大大提 6 第一章绪论 高了运算速度，从而使得电机控制的实时性更强，各种控制算法的实现性能也更 好。所以，随着数字化控制器件性能的不断提高，运算速度不断加快，通过控制 方法的优化来削减无刷直流电机转矩脉动，是完全有可能的。 本文的研究重点，便是放在由于控制因素引起的转矩脉动的机理分析以及抑 制方法上。 1 5 本课题研究内容 本课题主要分析了无刷直流电机转矩脉动的机理，提出利用直接转矩控制 ( d t c ，d i r e c t t o r q u ec o n t r 0 1 ) 与软开关相结合的方案，以提高开关频率来提升脉 动谐波阶次，利于滤波、减小转矩脉动。还利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了相应 的系统仿真模型，验证了方案的可行性，并初步建立起基于d s p 的实验系统。 具体工作内容包括： 1 分析了无刷电机转矩脉动的产生原因和相应的解决方法，重点针对由于电 流换相引起的转矩脉动进行分析研究，介绍现阶段与之对应的解决方法，并指出 各自的优缺点。 2 介绍了直接转矩控制的原理，并将其应用到无刷电机转矩脉动优化的控制 系统中。考虑到正弦波反电势的b l d c m 的数学模型与p m s m ( p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u sm a c h i n e ，永磁同步电机) 模型相同，所以在利用m a t l a b s i m u l i n k 软 件进行系统仿真的时候，直接利用了p m s m 的电机模型。建立的p m s md t c 系 统仿真模型具有良好的动态、稳态性能，并分析了不同p i 参数对系统性能的影响， 以及转矩滞环宽度、开关频率和转矩脉动幅度之间的关系，结果表明，通过提高 开关频率的途径可以有效地抑制转矩脉动。 3 对d s p 芯片进行概述，介绍了t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型芯片适合本 课题需要的特点。并根据理论分析和仿真结果，初步建立起基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的实验装置，完成软件仿真以及大部分硬件电路的调试，正在继续进行实验调试 工作。 1 6 本章小结 本章简要地介绍了课题的研究背景、研究意义及研究内容，介绍了无刷直流 电机转矩脉动的产生原因和现在的常用抑制方法，并分析各自的优缺点。提出了 基于d s p 的低转矩脉动直接转矩控制思想。 华南理工大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机转矩脉动机理分析 引起无刷电机转矩脉动的原因可以分为两大类：电机本体设计的原因和电机 控制的原因。对于前者，可以通过对电机气隙磁场、定转子结构、绕组形式等设 计的优化和制造工艺的改进来改善。而对于控制原因引起的转矩脉动，则可以从 控制策略入手，针对引起转矩脉动的具体原因采取措施，改善施加给电机的电压、 电流波形，以削减转矩脉动。 2 1 无刷直流电机的方波原理和正弦波原理 无刷直流电机永磁转子的旋转，会在定子各相绕组感应出反电势( e m f ， e l e c t r o m o t i v ef o r c e ) 。根据电机本体设计的不同，无刷直流电机的理想反电势波 形有梯形波和正弦波两种。前者称为方波无刷电机，它的反电势是平顶宽度为1 2 0 0 的梯形波。后者称为正弦波无刷电机。根据无刷直流电机转矩计算公式： r ：生：叠鱼：垒曼：生( 2 - 1 ) 扛k 可知：对于反电势为梯形波的电机，考虑其梯形平项宽度为1 2 0 。，只要控制 逆变器给定子绕组通以1 2 0 。宽度的方波电流，并在适当的时候换相，使得方波电 流对应于反电势波形的梯形平顶处，如图( 2 - 2 a ) 所示，则无论电机工作于何种 通电模式，电流和反电势的乘积都是一个稳定的常数( 两相导通模式时，r ：2 e l ； 。03 三相导通模式时，r ：2 4 1 2 , 1 ) ，从而可以使得转矩不存在脉动分量】。这便是无刷 国 直流电机的方波运行原理。 同样，对于反电势为正弦波的b l d c m ，按照正弦波运行原理，当无刷电机 工作在1 8 0 0 三相通电方式下时，只要控制使得定子三相绕组中的电流分别与转子 转角( 电角度) 成正弦、余弦关系，如图( 2 - 2 b ) 所示，那么，在忽略其他因素 影响的前提下，根据式( 2 - 1 ) 可知，转矩也是一个恒定值，不存在脉动分量。 斤咏 u e 级 v ( a ) 方波型( b ) 正弦型 图2 1 无刷电机的方波原理和正弦波原理 8 第二章无刷直流电机转矩脉动机理分析 2 2 无刷直流电机的转矩脉动机理分析 对于无刷电机，要想真正按2 1 节所述的方波原理和正弦波原理运行，在目 前的技术水平下是无法实现的。其中主要原因有：电机加工过程中机械加工所带 来的误差造成反电势的不完全对称、永磁材料磁性能的不一致、电源容量的限制、 磁极极弧系数的限制、定子换相过程的影响、工作过程中电机参数的变化等。因 此，会不可避免地引起转矩的脉动。 2 2 1 齿槽效应引起的转矩脉动 无刷电机为了安装定子绕组，需要在定子上开一些齿和槽。正是这些齿、槽 的存在，使得永磁体与对应的电枢表面的气隙磁导不均匀。当转子旋转时，在一 个磁状态内，磁路的磁阻发生变化，从而引起转矩脉动。 计算齿槽转矩常用的方法是麦克斯韦应力法或虚位移法，然后通过有限元数 值分析来求解，这需要密集的网格剖分来保证计算精度。文献【1 2 提出了计算齿 槽转矩的通用经验公式： t 。= k i s i n ( i n 。口) ( 2 2 ) 式中，n c 是定子齿数q s 和极数2 p 的最小公倍数， 角度，k s x 是斜槽系数，由下式决定： k 。，：s i n ( i n c x o t , k q , ) ” i n c 嬲 a ： o 是定、转子轴线之间的机械 ( 2 3 ) 其中，a 。是斜槽的斜距与齿距的比值。 从式( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 可以看出，定子开槽数q s 和极数2 p 越小，两者的最小 公倍数n c 越大，齿槽转矩的幅值就越小。 齿槽效应引起的转矩脉动是定子铁心与转子磁场相互作用产生的，与定子电 流无关，所以抑制由齿槽效应引起的转矩脉动的方法主要集中于优化电机本体设 计上，主要包括：斜槽法、辅助凹槽法和齿、槽宽度配合法等。 1 斜槽法 由于无刷直流电机的电枢磁场为非圆形跳跃式旋转磁场，理论和实践证明， 斜槽或斜磁钢能抑制转矩脉动d 3 。经过推导计算可以得出，斜槽使电机电磁转矩 各次谐波的幅值均有所减小。例如，采用斜槽角度瓦= 1 0 0 时，齿槽转矩的基波转 矩幅值相当予直槽时的9 0 ，3 次谐波幅值相当于直槽时的3 0 ，5 次谐波转矩 相当于直槽时的1 9 。因此，定子采用槽或转子采用斜极是降低齿槽转矩幅值的 有效方法，也是抑制齿槽转矩脉动应用广泛的方法之一。 华南理工大学硕士学位论文 当设计电机采用适合的斜槽角度( 例如1 0 0 ) 时，可以大大减少转矩谐波分 量的幅值，消除定位转矩，同时又不至于对转矩的基波造成大的影响，减小电机 的输出功率【l “。相关实验表明，姆齿槽斜过一个齿距，可使齿槽转矩减小额定转 矩的( 1 - 2 ) 或更小。但值得注意的是，采用斜槽、斜极对无刷直流电机气隙磁感 应强度平顶宽度有影响，从而对电磁转矩有影响。因此选择合适的斜槽角度是有 效抑制齿槽转矩脉动的关键。 2 辅助凹槽法 采用齿面加辅助凹槽的方法，是削弱齿槽转矩脉动的另一方法1 4 】【l5 1 。由谐波 平衡法可确定：通过辅助凹槽，可增加齿槽转矩脉动的基波次数，次数越高，幅 值越小。当齿面上加2 个辅助凹槽后，除基波四倍次的谐波分量以外，其他谐波 均被消去，从而有效地减小了转矩脉动。 通过有限元法得到的计算结果表明：采用辅助凹槽法后，齿槽转矩脉动减小 了8 5 f 1 6 】。选取合适的辅助凹槽的尺寸，是采用辅助凹槽法时，最大程度地削弱 齿槽转矩脉动的关键。 3 齿、槽宽度配合法 采用磁性槽楔，适当控制齿或槽的宽度，以减小气隙磁阻的变化，肖0 弱磁阻 转矩脉动。通过对齿、槽宽度的选择和齿槽转矩脉动的影响作详细的分析，证明 合理选择齿槽宽度，控制气隙大小，可降低气隙磁阻的变化，减小由此产生的转 矩脉动”7 1 。 2 2 2电枢反应和机械加工引起的转矩脉动 电枢反应对转矩脉动的影响主要有：( 1 ) 电枢反应使气隙磁场发生畸变，改 变了转子永磁体在空载时的方波气隙磁感应强度分布波形，使气隙磁场的前极尖 部分被加强，后极尖部分被削弱。该畸变的磁场与定子通电相绕组相互作用，使 电磁转矩随定、转子相对位置的变化而脉动。( 2 ) 在任一磁状态内，相对静止的 电枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用而产生的电磁转矩因转子位置 的不同而发生变化，从而产生转矩脉动。 适当增大电机气隙，设计磁路时使电机在空载时达到足够饱和，或者电机选 择瓦形或环形永磁体径向励磁结构等方法都可削弱由电枢反应引起的转矩脉动。 在有刷电机中，削弱电枢反应的主要方法是装设换向极和移动电刷。永磁无刷直 流电机无法装设换向极和电刷，但可通过控制电路让电机电枢绕组超前或滞后导 通，就相当于移动电刷，实现削弱电枢反应影响的目的。 机械加工因素引起的转矩脉动有：制造电机所用材料的不一致性、转子的偏 1 0 第二章无刷直流电机转矩脉动机理分析 心、各相绕组的不对称等。可通过选择高质量材料，提高工艺加工水平，如装配 的偏心、轴承阻力矩的不稳定引起的偏差、电枢绕组不对称偏差等方法来减小由 机械加工引起的转矩脉动。 2 2 3 电流换相引起的转矩脉动 e ； = f rr ，r ，1 睦1 + 丢f l ml m 一m 1 i + 1 1 c 2 4 ， 式中，r s 为定子绕组电阻，l 为绕组电感，m 为绕组之间互感，i 。，i 。为绕组电 b u ) c m 图2 2 无刷直流电机的等效电路拓扑结构图 l e 5 _ 6 瓦 爻 ， ! jy 删r ，j 1 5 0 2 1 02 祁 瑙” 0 1 ( o 。 、， a v ( 。 图2 - 3 理想反电势波形及1 2 0 。模式导通相位示意图 对于方波电机，采用三相六状态1 2 0 。导通方式控制时，每一瞬间有两个功率 管导通，每隔1 6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次，每次换相一个功率管，不同桥臂 之间左右换相，每个功率管导通1 3 周期( 1 2 0 。电角度) 。一个周期内逆变器各个功 华南理工大学硕士学位论文 率管的导通顺序为t 6 t i ，t i t 2 ，t 2 t 3 ，t 3 t 4 ，t 4 t 5 ，t 5 t 6 。当反电动势为具有 1 2 0 。电角度平顶宽度的理想梯形波时，根据最佳换相逻辑，可得出六个导通区间 及换相时刻的三相反电动势相位关系如图2 3 所示。 无刷直流电机工作时，定予绕组按一定顺序换流。由于各相绕组存在电感， 阻碍电流的瞬时变化，使得定子电流不可能是理想的方波。并且逆变器中反并联 二极管的存在，为功率器件关断时提供了续流通路，这也会使得绕组电流在关断 时产生滞后。所以，即使在理想反电势波形的情况下，每经过一个磁状态，电枢 绕组中的电流从某一相切换到另一相时，都将引起电机转矩的脉动。这种情况在 方波电机中更为明显。下面以6 1 区间换相到1 2 区间为例进行说明。在6 1 区 间，t i 、t 6 导通，绕组a 、b 通电。在换相时刻，t 6 关断，t 2 开通，绕组a 、 c 流过电流，同时b 相也通过上桥臂t 3 的反并联二极管续流。所以换相时三相 绕组均有电流流过。当b 相绕组电流衰减为0 之后，就只有a 、c 两相通电，电 机换流结束，运行在1 2 区间。 给t 1 、t 2 的p w m 斩波信号取一个开关函数g 1 、g 2 ，当g i 、g 2 = 1 时， 表示时开关管t 1 、t 2 导通，g 1 、g 2 = 0 时，关断。则结合图2 2 和式( 2 - 4 ) ， 可以得到换相时刻的三相绕组电压方程。 叱 2 = r 只r 1 + 丢 l ml 一肘l 一材 i ! + e ! + 隆i c 2 _ 5 ， 式甲，y = ( g l 一1 2 ) 。，y g c2 一【u 2 1 z j 根据式( 2 - 5 ) 可以得到电机中性点电压为： 。= 去( 一十丢) 一j 1 ( 鸲) 将其代入式( 2 - 5 ) ，可解得三相绕组电流为： 2 配+ i a o = 弘“。 f c = 缸“m 式中： 1 2 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 第二章无刷直流电机转矩脉动机理分析 勋= 吾+ 扣一扛一扣扣 k b = 弓+ 扛+ 扛+ 知+ j 1 巳 c z - s ， 殷= 一j 1 v 。2 3 v 。一i 1 v 。+ 弘1 + j 1 一詈屯 把式( 2 - 7 ) 代入转矩计算公式( 2 1 ) ，可得换相期间电磁转矩为： 。= 壶( + 瓦e b + k c e c ) 十坐学 ( 2 - 9 ) 式中，f 。f i 。为换相前三相绕组电流平均值，对应予l - 6 区间，有 i a 。= 1 0 , l b 。= 一，o ，乏。= 0 。其中，i o 为正常导通时绕组中的电流。 显然，式( 2 - 9 ) 中的第二项表示换相前的稳态转矩，而第一项则表示换相期 间的转矩脉动分量： t 。= ( 彤。p 。+ k 6 + k 。p 。) ( 2 - 1 0 ) 分析式( 2 1 0 ) 可以看出，换相期间的转矩脉动与电机绕组参数、换相期i 日- j 三相反电动势的变化规律、电机的转速、换相相开关管的开关状态以及直流母线 电压都有关系。其中，由于绕组电感、反并联二极管的影响，使得开通相电流的 上升、关断相电流的下降都不可能瞬时完成，采样时间t 也不可能为0 。这意味着 即使三相反电势都是理想状态，即符合图2 - 3 所示的平顶宽度为1 2 0 。电角度的梯 形波，换相转矩脉动也不可避免地存在。 目前，抑制由电流换相引起的转矩脉动的方法有；电流反馈法、重叠换相法、 p w m 斩波法等。 1 电流反馈法 一般来说，电流反馈控制可以分为两种形式：一种是直流侧电流反馈控制， 另一种是交流侧电流反馈控制。 直流侧电流反馈控制的电流反馈信号由直流母线检测，主要控制电流幅值。 这种方法只需要一个电流传感器便可得到电流反馈信号。其基本原理为：在换相 的动态过程中，反馈信号反映的是开通相的相电流信息。在换相进行时，开通相 相电流未达到给定值，则电流的控制系统负责使开通相的相电流幅值向增长的方 向变化，直至换相完成。通过计算和分析外加电压u d 和反电动势e 之间的关系 可知i l 驯：当u d 0 。 0 - 1 , - 1 ) r 寸：谚= 6 【一j 1 ，i 1 ) 时：只= l 扣时：谚= 2 时：只= 3 时：彦= 4 】时：只= 5 y 。= 0 ：m 0 时： o t 。2 l - m 0 时：只= 5 用框图表示如图( 5 8 ) 。按照框图的流程 判断区段。 ( 5 9 ) ( 5 1 0 ) ( 5 一1 1 ) 可以很方便地在d s p 里实现软件 ，寺： ， 1一， l 咖呜 m m 憎 rl“l 第五章无刷电机直接转矩控制实验系统 图5 - 8 区段判断流程框图 5 4 5电压矢量选择的实现 在利用m a t l a b s i m u l i n k 做仿真时，电压矢量的选择是根据表( 4 1 ) 的原理， 利用s i m u l i n k 里面的二维l o o k ，u pt a b l e 模块实现的。但是，在d s p 里是无法直 接按这样实现的。为此，在进行程序设计的时候，将表( 4 1 ) 这个4 6 的二维 表格转换为一个2 4 个元素的向量，从而可以利用2 4 0 7 a 里面的t b l r 指令进行 一维查表，将对应的电压矢量读到累加器( a c c ) 。具体方法如下： 在第四章中，根据磁链、转矩比较单元输出的调节信号妒、f ，依据s = 2 妒+ f + 1 得到一个综合调节信号s ，现在再利用v e c t = 6 ( s 1 ) + 院，则可将关于s 、只的二 维数表直接利用一个l 2 4 的变量v e c t 来表示。这2 4 个数的顺序对应于表( 4 1 ) 中的c l l ，c j 2 ，c 4 5 ，c 4 6 ，c j 表示表中第i 行、第j 个元素。这些v e c t 数据以 表格的形式存放在程序存储器中。这样，当妒、? 和只确定了之后，便可以根据 v e c t 值，通过t b l r 指令，将与之相对应的唯一电压矢量代号读取到a c c ，进而 控制d s p 芯片输出相应的开关信号。 5 4 6 p i 调节器的数字化算法 p i 调节控制系统原理见图4 1 0 。它通过对转速w 的误差进行放大( 比例环节) 、 积累( 积分环节) ，并输出一个稳定值作为转矩的参考值t e + 。对于传统的p i 调节 器，控制规律