（电机与电器专业论文）永磁无刷直流电动机转矩脉动抑制的控制策略研究.pdf

浙江大学博士学位论文 求解产生恒定电磁转矩所需的q 轴电流，并在由0 坐标系下通过矢量控制对q 轴 参考电流进行跟踪。阐述了实现这种方法的软、硬件结构，仿真研究和实验结 粜表明这种控制策略可以有效地抑制由于反电动势的偏差所产生的电磁转矩脉 ，力。 关键词永磁无刷直流电动机转矩脉动重叠换相矢量控制坐标变换 i i 淅皿大学博士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t ss e v e r a ln o v e lc o n t r o lt e c h n i q u e sf o rt h et o r q u er i p p l e m i n i m i z a t i o no fp m b l d c m a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n tb a c k e m fw a v e f o r m so f t 3 l d c m ，t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e s ad e t a i l e d a n a l y s i s t ot h e t o r q u er i p p l e d u et o t r a p e z o i d a le m f , p s e u d o s i n u s o i d a le m f , a n dg e n e r a ls h a p ee m fr e s p e c t i v e l y , a n d f r o me a c ho n e p r o p o s e s ak i n do f c o n t r o l t e c h n i q u ef o rt o r q u er i p p l em i n i m i z a t i o n i no r d e rt om i n i m i z et h ec o m m u t a t i o nt o r q u et i p p l eo ft r a d i t i o n a lt r a p e z o i d a l b l d c m u s i n g1 2 0 。c o n d u c t i o nm o d e ，f i r s t l y ，a n a l y t i c a lf o r m u l a eo fc o m m u t a t i o n t o r q u ei nt h ec o n d i t i o no fp e r f e c tb a c k - e m fw a v e f o r m sa r ed e v e l o p e di nt h i st h e s i s ， b a s e do nw h i c ht h ee f f e c t st ot h et o r q u er i p p l eb yt h ep w m m o d e s ，o v e r l a p p i n g c o m m u t a t i o nt e c h n i q u e sa n ds oo na r ea n a l y z e d ，a n dt h ea p p l i c a b l es p e e dr a n g e so f t h em o t o r su s i n gt h eo v e r l a p p i n gc o m m u t a t i o nt e c h n i q u e sa r ed e r i v e d s e c o n d l y , t h e e f f e c t so f t h ec r e s tw i d t ho f t h eb a c k e m fw a v e f o r mt ot h et o r q u er i p p l ei nt h e1 2 0 。 c o n d u c t i o nm o d ea r ea n a l y z e d ，a m o n gw h i c ht h ee f f e c t so ft h ea d v a n c ec o m m u t a t i o n a n g l e t ot h et o r q u er i p p l ea r e q u a n t i f i c a t i o n a l l ya n a l y z e df o r t h eb l d c md r i v e s w h o s eb a c k - e m fw a v e f o r mc r e s tw i d t hi sl e s st h a n1 2 0 。，a n dan e w t e c h n i q u ef o r c o m m u t a t i o n t o r q u er i p p l em i n i m i z a t i o nb a s e do no v e r l a p p i n gc o m m u t a t i o nt o g e t h e r w i t hc u r r e n tc o m p e n s a t i o ni sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h i sc o n t r o l t e c h n i q u ec a ne f f e c t i v e l ym i n i m i z et h et o r q u er i p p l ef o rt h eb l d c m d r i v e sw h o s e b a c k e m fw a v e f o r mc r e s tw i d t hi sl e s st h a n1 2 0 。 t h i sd i s s e r t a t i o na l s od i s c u s s e st h ee f f e c t so ft h em e t h o d sf o rm i n i m i z i n gt h e c o g g i n gt o r q u et ot h eb a c k - e m fw a v e f o r m s f o rt h eb l d c m w h i c hh a sag e n e r a l c r e s tw i d t ho ft h eb a c k e m fw a v e f o r m ，t w ok i n d so f t o r q u et i p p l ec o n d i t i o n sw h e n d r i v e db ys i n e w a v ec u r r e n ta sw e l la sb y s q u a r e w a v ec u r r e n ta r ed e d u c e db a s e do n t h em a t h e m a t i c a lm o d e l s i na d d i t i o n ，ac o m p a r i s o ni sc a r r i e do u tb e t w e e nt h e s et w o c o n d i t i o n s ，w h i c hi n d i c a t e s t h a ts i n u s o i d a lc u r r e n t d r i v i n g i sm o r ef a v o r a b l et o m i n i m i z i n g t h et o r q u er i p p l ew h e nt h ec r e s tw i d t ho ft h eb a c k e m fw a v e f o r mi sl e s s t h a nac e r t a i nv a l u e f o rt h eb l d c mw h i c hh a sap s e u d o - s i n u s o i d a lb a c k - e m f w a v e f o r m ，t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sas v p w mc o n t r o lm e t h o du s i n gs i xd i s c r e t e p o s i t i o ns i g n a l s f o r m i n i m i z i n g t h e t o r q u er i p p l e t h e m a i n a s p e c t s f o r t h e l i i 堂釜叁整壁生矍! 整 一苎蓬 i m p l e m e n t a t i o no f t h i sm e t h o da r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h ei n i t i a lo r i e n t a t i o no ft h e 、7 0 h a g e v e c t o r , r e a s o n a b l e c h o i c eo ft h e i m p e d a n c ea n g t e a n dt h ea d v a n c e c o m m u t a t i o n a n g l e ，a n d e s t i m a t i o no f f i l es u c c e s s i v er o t o rp o s k i o n s ，f u r t h e r m o r e ，t h i s d i s s e r t a t i o na l s og i v e sac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt ot h et o r q u er i p p l e f a c t o r , t o r q u e c u r r e n tr a t i o a n do t h e ra s p e c t sf o rp s e u d o s i n u s o i d a le m fb l d c m d li v e d b y 1 2 0 。c o n d u c t i o nm o d e ，18 0 。c o n d u c t i o nm o d ea n ds e l f - s y n c h r o n o u s s v p w mm o d e r e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o na n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t s e l f - s y n c h r o n o u ss v p w m m e t h o di sm o r ee f f e c t i v ef o rm i n i m i z i n gt h et o r q u et i p p l e w i t h o u t 粼碜e x p e n s e o f t h e t o r q u e - c u r r e n tr a t i ow h e n t h ec r e s tw i d t ho f t h eb a c k e m f w a v e f o r n li sl e s st h a n1 0 7 。e l e c t r i c a la n g l e s f o rt h eb l d c mw h i c hh a san e i t h e rs i n u s o i d a ln o rt r a p e z o i d a lb a c k - e m f , t h a t i s f o rag e n e r a ls h a p eb a c k - e m fb l d c m ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r o p o s e s an o v e l i o v e c t o rc o n t r o lm e t h o d b y t h i sm e t h o d ，t h e nf o rac o n s t a n tt o r q u et op r o d u c e i sc a l c u l a t e dt h r o u g hc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，a n dt h er e f e r e n c e 气i st r a c k e db y 、c o l o rc o n d o ii nt h e 匆0f r a m e 。t oi m p l e m e n tt h i sm e t h o d ，氆es t r u c t u r e so fb o t ht h e h a r d w a r em a dt h es o f t w a r ea r ea n a l y z e di nd e t a i l ，t h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s t d t ss h o wt h a tt h i sc o n t r o lt e c h n i q u ec a ne f f e c t i v e l ym i n i m i z et h et o r q u er i p p l e c a t l s e db yd i s t o r t i o no f t h eb a c k e m e k e y w o r d s ：p mb l d c mt o r q u er i p p l eo v e r l a p p i n gc o m m u t a t i o n v e c t o rc o n t r o l c o o r d i n a t et r a n s f o r i l l a t i o n i v 堂兰查茎堡主兰垡! 生查 一苎二主一 第一章绪论 摘要：本章简要阐述永磁无刷直流电动机的发展概况及其分类方法：分析本课题的选题 背景和意义：作为文献综述，概述了永磁无刷直流电动机转矩脉动抑制技术的国内外胡究现 状：最后介绍本文后续各章的主要内容。 1 1 永磁无刷直流电动机的发展及分类 无刷直流电动机已有四十余年的发展历史，最初是相对于具有机械电刷的传 统的直流电动机而言的。1 9 3 4 年文献 1 4 首先提出了用晶闸管作开关元件替代有 刷直流电动机机械电刷的构想。1 9 5 5 年，美国的dh a r r i s o n 等人首次申请了用 晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械换向器的专利，标志着现代无刷直流电 动机的诞生。1 9 7 8 年，原联邦德国m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺 威贸易展览会上正式推出其m a c 永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁 无刷直流电机真正进入实用阶段【l ，”。 随着近几十年来电动机本体及其相关技术的迅猛发展，“永磁无刷直流电动 机”的概念已由最初特指“具有电子换向的永磁直流电动机”，延拓至“所有具 备有刷直流电动机外部特性的电子换向式永磁电动机”。永磁无刷直流电动机的 发展使得传统的电机学科同当代许多新技术的发展密切相关。随着大功率半导体 器件、电力电子技术，微电子技术、数字信号处理技术、现代控制理论的发展以 及高性能永磁材料的不断出现，如今的永磁无刷直流电机系统已经成为集特种电 动机、功率驱动器、光或磁检测元件、控制软件与硬件于一体的典型的机电体 化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成果。 图l _ 1 所示是永磁无刷直流电动机系统典型的拓扑结构图，主要由电动机本 体、位置传感器和功率逆变器三部分组成。按照电动机工作方式的不同，永磁无 刷直流电动机大致可以分为两类，即方波型永磁无刷直流电动机和正弦波型永磁 图1 - 1 永磁无刷直流电动机拓扑结构 l 浙扛天举博士学位论史 第一章 无刷赢流电动机。很多文献把这两类电机统称为自控式永磁同步电动机” 7 ”】。 方波型永磁无刷直流电动机，习惯上称为b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ， 箕电机本体的反电势( 邵激磁电势或空载电势) 设i 戒梯形渡，丽逆变器输出疗 波电压或方波电漉著且与电极反电势保持适当的崩位关系，从瑟产生有效电磁转 矩，在这种情况下，转子位置传感器只需要提供转子的若干个关键位鼹的离散信 l ；就可以了。方波电机结构简单、控制方便、成本较低，一般用于对转矩波动要 求不太高的调速传动。正弦墅永磁无剩巍流电动枫，由于源于同步电动梳，国外 ：多文献习惯拣为p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ，其电枧本俗 的反电势设计成正弦形，而逆变器采用s p w m 技术或滞环控制技术等调制出正 弦电压或电流并与电机反电势保持适当的相位关系，从而产生比较平滑的电磁 转矩：在这种情况下，位嚣传感器浠要掇供造续翻转予位置信号。正弦警永磁无 爨妻浚电娥鳇结构毙较复杂虽成本较裹( 龙獒是位置传感嚣) ，控制方法灵活+ 一般转矩波动较小，因此往往用于对转矩脉动要求比较严格的驱动与控制系统 q - 。 事实上，由于受永磁率孝料酌特髓、泡祝磁场模型的准确度及电视制造工艺成 本等因素懿刽约，电投反迄动势缀滚设计残标准静撵影波或正弦波，瑟绕维电流 受逆变器容量和绕组电感的限制，也往往不是螺应的标准方波或正弦波，嘲者配 合，虽然也能产生有效电磁转矩，但电磁转矩脉动较大。因此以无刷赢流电动机 的实际反电动势波形为基础，戳产生恒定电磁转矩为舀标，通过恰当的驱动方式 调制出与之相配戆电流波形，是改善隶磁无剧塞浚瞧动壤转短黥镄懿一条耋要途 径，从这含意义上来说，上述两类永磁无刷直流电动机没有明确的分类界线，统 称为自控式永磁同步电动机显得更合适。 1 2 课越的背景和意义 1 2 】交颏洗衣祝等家用鬯器 黪罄人民生活东乎熬提裹，毫效、节能、低噪齑、其有环僳功缝静“绿色家 电”越来越受到人民的喜爱。成为消费时尚。通过把电气传动领域最新研究成鬃 应用到家电行业，各大家电生产商纷纷推出最新产品以满足人们高质量生活的要 求。 在空谰器行蛙，永磁笼剔羹滤嘏动撬熬应蠲邑戏为衡量空调技术水准载重要 搬标之。目前，变频空调技术已从异步电机变频控制发展到无刷直波电动枧鲍 变转速控制，即市场上宣传的“直流变频空调”，其压缩机电机和室内、室外风 梳都采用永磁无尉直流电动枫，与采用异步电视的交流变频空调栩比，直流变转 遮空茸蓦具鸯起动功率大、赢效繁能，抗邀压波动能力强等优点。器静妻漉交转这 空凋电控系统的技术难点主要包括：压缩帆控制系统的换相转矩脉动挪制披术， 浙江大拳博士学位论文 第一章 无位置传感控制技术，高效率低噪音的室内外风机驱动系统。 变频洗衣机是近年来进入居民家庭消费的又一热门产品。目前应用于变频洗 衣机的电机类型主要有三相异步电动机，开关磁阻电动机和无刷直流电动机三大 类。永磁无刷直流电动机直接驱动洗衣机具有机械传动结构简单、高效节能、洗 涤脱水运行噪音低等一系列优点，代表了未来的发展趋势。采用无刷直流电动机 直接驱动的主要技术难点如下：( 1 ) 低速大力矩无刷直流电机的设计。由于低速 ：k 力矩的要求及空间的限制，目前洗衣机用直接驱动无刷直流电动机都采用扁平 结构，且多采用多极分数槽绕组。( 2 ) 齿槽转矩的消除。齿槽转矩使电机在运行 时产生很大的噪声和振动，东芝为了解决此问题，采用大小齿结构的定子冲片与 圆弧形磁钢相配合的专利技术，取得了很好的效果。( 3 ) 宽调速范围内的低噪音 运行。噪音指标是洗衣机的一项重要指标，由于采用多极分数槽绕组，目前用于 洗衣机直接驱动的永磁无刷直流电动机，其反电动势波形都不是平顶宽度大于1 2 0 。电角的理想梯形波，而是更接近正弦波，如东芝洗衣机用的无刷直流电动机， 其反电动势波形就是正弦波，在这类反电动势下，采用传统的1 2 0 。导通型三相 六状态驱动方式，将产生很大的电磁转矩脉动，因此多数直接驱动洗衣机的逆变 器采用1 8 0 。导通型的s p w m 控制方式，但是从成本和安装空间考虑，洗衣机用 无刷直流电动机的位置传感器一般使用霍尔元件，一个电周期内仅能提供6 个离 散位置信号，如何利用6 个离散位置信号，产生足够精度的s p w m 控制信号， 实现无刷直流电动机的自控式运行，是蹩个驱动系统的关键。本文第三章将对此 作详细分析。 1 2 2 永磁同步无齿轮曳引电梯 永磁同步无齿轮曳引技术是继v v v f 技术后，电梯行业的又一次重大的技 术进步。同传统的有齿轮曳引电梯相比，永磁同步无齿轮曳引电梯对永磁同步电 机及其驱动系统提出了更高的要求，主要包括以下几方面：( 1 ) 低速运行的平稳 性。由于没有机械减速机构，电机直接带动曳引轮曳引轿箱运动，在各种负载变 化条件下，电机转速的任何微小波动都将直接传导到轿箱，造成电梯舒适感的变 坏。( 2 ) 速度控制精度提高。速度控制的偏差将直接影响电梯平层的准确性，与 有齿轮曳引系统相比，同样的速度控制偏差所引起的平层误差，无齿轮系统将是 有齿轮系统的十几倍。( 3 ) 低速大转矩输出和快速的转矩动态响应特性。当电梯 满载起动时，抱闸打开的同时，系统必须立即给出足够大的正向转矩输出，用于 抵消由负载产生的作用在电机轴上的巨大的反向转矩，否则电梯将出现反向溜 车，当电机反向溜车1 0 。，相当于蜗轮蜗杆曳引系统中电机反向溜车旋转3 0 0 。， 这将严重破坏电梯的起动舒适感。 永磁同步无齿轮曳引电梯的上述要求，与永磁同步电机驱动系统的转矩控制 浙江太举博士学位论文 第一章 特性密切相关，采用转矩脉动抑制技术、直接转矩控制技术等新颖控制策略，对 改善永磁同步电机驱动系统的运行性能起着非常重要的作用。本文的第二章将对 羽于电梯直接驱动的永磁无刷直流电动机的电磁转矩脉动抑制技术作详细讨论。 1 2 3 交流伺服系统 随着电力电子技术、微电子技术的迅速发展和各种新颖控制策略的不断涌 现，在高性能伺服驱动领域，交流伺服系统取代传统的直流伺服系统已是必然的 趋势。交流伺服系统中所用的电机主要有异步电动机和永磁同步电动机两大类。 采用矢量控制的异步型伺服电动机，已可获得接近直流伺服系统的机械特性和宽 的调速范围，但是控制较为复杂，且对电机参数有较强的依赖性。而由自控式永 磁同步电机构成的永磁同步伺服系统，其外特性完全可与直流伺服系统等效，与 异步电机相比，具有体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、控制相对简单等优 点，因此由自控式永磁同步电机( 包括b l d c m 和p m s m ) 构成的永磁伺服系统 是交流伺服系统发展的主要方向。 但是永磁伺服系统中存在的转矩脉动问题，一直是交流伺服应用领域的一大 难题，尤其是在直接驱动应用场合，转矩脉动问题更为突出，由于没有减速机构， 电机产生的转矩脉动直接传递到负载，而负载干扰也直接传到电机轴上，这些都 使伺服系统的速度位置控制特性极度恶化，因此，研究高性能的转矩控制策略， 消除转矩脉动，提高转矩动态响应，对提高永磁交流伺服系统的控制性能，拓宽 其应用领域有重要的现实意义。 综上所述，由于永磁无刷直流电动机具有效率高，功率密度大，转动惯量小， 调速性能好等一系列优点，已经在工业、交通、航空航天、军工、伺服控制领域 以及家用电器领域得到广泛应用，但是其固有的转矩脉动缺陷，会引起转速波动、 电磁振动和噪声，限制了其在一些要求高精度位置、速度控制系统中的应用。近 二：十年来永磁无刷直流电动机的转矩脉动抑制技术一直是个研究较多的课题，国 内外一些核心期刊上一直发表这方面的学术论文，但是真正应用到实际生产的大 部分是电机本体优化设计方面的技术，通过控制策略抑制电磁转矩脉动在实际应 用中并不是很多，特别在国内这方面的差距较大。因此研究永磁无刷直流电动机 转矩脉动抑制技术，并将其实用化，具有重要的现实意义。本文正是基于这个出 发点，着重研究通过控制策略来减小永磁无刷直流电动机的转矩脉动，以求能进 一步拓宽永磁无刷直流电动机的应用范围。 1 3 永磁无刷直流电动机转矩脉动产生机理 转矩特性是电动机性能的重要指标，其中最主要的是平均转矩和转矩的平稳 性。永磁无刷直流电动机由于本身的结构特点，使得电机的平均转矩可以做得比 浙江大学博士学位论文 第一章 其它类型的电机高，但是转矩的平稳性不如一般电机。根据转矩脉动产生的根源 的不同，可以把无刷直流电动机的脉动转矩分成以下几类【l “。 齿槽转矩( c o g g i n gt o r q u e ) ：齿槽转矩是当永磁电机定子开路时，电机所呈 现的一种周期性脉动的转矩，该转矩总是试图将转子定位在某一个位置，它是由 转子永磁磁通和随角度变化的定子磁阻相互作用而产生的。 纹波转矩( r i p p l et o r q u e ) ：由定子电流产生的磁动势与转子相互作用而产 生，包括两部分： ( a ) 电磁转矩纹波( m u t u a lt o r q u e ) 由定予电流产生的磁动势与转二亍二永磁 磁通相互作用产生。方波型永磁无刷直流电动机在1 2 0 。导通方式控制下产生的 换相转矩脉动本质上也属于电磁转矩纹波。 ( b ) 磁阻转矩纹波( r e l u c t a n c et o r q u e ) 由定子电流产生的磁动势与转子磁 阻随角度的变化相互作用而产生。对于表面安装式磁钢结构的无刷直流电动机， 由于转子磁阻几乎不随位置而变化，因此磁阻转矩可以忽略。 永磁无刷直流电动机对外所呈现的转矩脉动是齿槽转矩和纹波转矩之和。齿 槽转矩与电机本体结构密切相关，通过调整磁钢的宽度，分数槽或采用定子斜槽、 转子错极的方法可以充分抑制齿槽转矩。对于表面安装式无刷直流电动机，电磁 转矩纹波是主要的纹波转矩，它主要是由于电机的反电势波形和绕组电流波形偏 离理想的激励波形雨产生。对于方波形和正弦形无刷直流电动机来说，为了产生 恒定的电磁转矩，两者所需的理想激励波形是不同的，图l 一2 所示是两种类型电 机为产生恒定电磁转矩所需的理想的反电动势波形和电流波形。 。= n 心。 m ( a ) 正弦型 阀 。 幽7 ( b ) 方波型 图1 - 2 两类永磁无刷直流电动机的理想反电动势和电流波形 1 4 国内外的研究现状 无刷直流电动机以其功率密度高、转动惯量低、动态性能优良等特点正获得 越来越广泛的应用，然而由于激励波形的畸变而产生的转矩脉动，限制了它在高 精度位置速度控制系统中的应用，尤其是在低速直接驱动场合，脉动转矩未经减 速机构直接作用于负载，会产生很大的振动和噪声。因此在最近的二十年里，国 浙江大学博士学位论文第一章 内外有大量的文献研究这个课题，从总体上来看，这些转矩脉动抑制技术可以分 成两大类：一类是从电机本体设计入手，通过气隙磁场、定转子结构、绕组形式 等的合理设计，来消除齿槽转矩，使反电动势波形接近理想波形；另一类是从控 制策略入手，通过调整加在电机绕组上的电压或电流来弥补电机本体和逆变器与 理想特性的偏差，抑制转矩脉动。 1 4 1 齿槽转矩抑制技术研究概况 齿槽转矩是永磁电机的固有特性，在电机低速轻载运行时，齿槽转矩将引起 明显的速度波动，进而产生振动和噪声，如何削弱齿槽转矩是永磁电机设计中较 为关注的目标之一。计算齿槽转矩常用的方法是采用麦克斯韦应力法或虚位移 法，通过有限元数值分析来求解 17 , 1 8 , 2 2 l ，但是采用有限元计算齿槽转矩需要密集 的网格剖分来保证求解精度，并且不能直观反映相关电机参数对齿槽转矩的影 响。文献 2 0 ，2 1 等提出了计算齿槽转矩的通用经验公式： t = k 。z s i n ( i n t o ) 式中n 。是定子齿数q ，和极数2 p 的最小公倍数，0 是定转子轴线之间的机械角 度，k 。是斜槽因子，由下式决定 k = 鬻 ( 1 2 ) 式中口。是斜槽的斜距与齿距的比值。并利用能量法推导了齿槽转矩谐波次数的 的计算公式为 y 2 等t k = 1 , 2 , 3( 】一3 ) 式中n 。，是定子齿数q 和极数2 p 的最大公约数，谐波次数越离，齿槽转矩的幅 值就越小。文献【2 1 】还给出了不同齿极配合下齿槽转矩的一个评价因子 c 。：2 p q 一, 。 n 评价因子越大， 几种： ( 1 4 ) 表示齿槽转矩越大。目前常用的削弱齿槽转矩的方法主要有以下 ( a ) 斜槽：削弱永磁电机齿槽转矩最常用的方法是定子斜槽或转子斜极，文献 2 1 在考虑不同齿极数配合的基础上提出斜槽系数应该为： 浙江太学博士学位论文 第一章 一等。，西n c s ， 由上式可知，对于不同的齿极数，为消除齿槽转矩，斜槽系数可以有一个或多个 取值，例如，对于齿极配合为q ，2 p = 1 2 4 的永磁电机，因为。q ，= 1 ，最优 斜槽系数只能取1 ，当q 。2 p = 6 4 时，因为。q ，= 2 ，最优斜槽系数可以取l 或o5 两个值，即定子斜过一个齿距或者半个齿距都能消除齿槽转矩。但是斜槽 在削弱齿槽转矩的同时，也有效的减少了绕组反电动势的高次谐波，使绕组反电 动势的波形更接近于正弦【1 6 , 1 9 , 2 3 , 2 4 ，对于正弦型无刷直流电动机而言，有利于电磁 转矩纹波的减小，但对于方波型无刷直流电动机，为产生恒定电磁转矩，反电动 势波形必须是平顶宽度大于1 2 0 。电角的理想梯形波，由斜槽引起的绕组反电动 势的正弦化将增大电磁转矩纹波。 ( b ) 分数槽：对于一些较难采用斜槽或斜极措簏的永磁电机，采用分数槽来减 小齿槽转矩是一种较好的选择，由于定子槽数与极数之间不是整数关系，齿槽转 矩的频率增加，幅值减小。对于整数槽电动机，定子齿数满足q ，= 2 m p q ，m 为 绕组相数，定子齿数和极数之间的最大公约数n m = 2 p ，由式( 1 - 3 ) 可讨算出 齿槽转矩的谐波次数，= q | i ，对于常用的口= 1 2 的分数槽结构，有q = m p ， 定子齿数与极数的最大公约数虬= p ，此时齿槽转矩的谐波次数为，= 2 q ，k ， 由此说明对于同样的定子齿数，采用q = 1 2 分数槽结构，齿槽转矩的频率比采用 整数槽结构提高了一倍，幅值相应减小。近年来，在洗衣机电机等应用领域，又 提出采用较大分母的分数槽结构，可用较小的定子齿数，使齿槽转矩的频率大幅 增加，幅值明显减小，例如对于q ，= 1 8 ，2 p = 2 0 的永磁无刷直流电机，齿槽转 矩的谐波次数，= 1 8 0 k ，如果用整数槽，则至少需要1 8 0 槽，用g = 1 2 的分数槽， 也至少需要9 0 槽才能达到相应的效果，如此多的定子槽数在工艺实现上有相当 大的困难。分数槽绕组的主要缺点是减小了电机的平均电磁转矩，对方波型无刷 直流电动机反电动势的平顶宽度影响较大，从而产生电磁转矩脉动。 ( c ) 磁极极弧系数和磁极分块移位：由于齿槽转矩是磁极的边缘部分与定子齿 相互作用产生口”，因此磁极的极弧系数对齿槽转矩的幅值有较大影响，文献f 2 1 1 等提出了削弱齿槽转矩基波幅值的最优极弧系数为： 浙江大学博士学位论文 第一章 口一：盟丝里坐+ 0 0 1 0 0 3k l ：1 , 2 ，( 。2 p ) 一1 ( 1 - 6 ) n 。2 p 为了尽可能提高气隙磁密，从而增加电磁转矩，最优极弧系数在满足式( 1 6 ) 的基础匕，取值越大越好，因此实际应用中一般采用k l = 1 的结果。在定予直槽 的情况下，削弱齿槽转矩的另一方法是使磁极斜极，但在实际生产中，磁钢斜极 的成本较高，生产工艺复杂，因此可以用几段分块的磁钢沿周向错开一定角度安 放来近似等效一个连续的斜极。文献 1 6 提出了两种分块磁钢移位的方法，如图 1 3 所示，在定子直槽的情况下，采用图( 1 - 3 - a ) 的沿一个方向连续移位的方法， ( a ) 连续移位 周向 + ( b ) 交叉换位 图1 - 3 分块礅钢移位方法 能够消除除谐波次数是磁钢分块数目倍数以外的所有齿槽转矩谐波成分，而图 ( 1 - 3 _ b ) 所示的交替换位方法仅能消除齿槽转矩的奇数次谐波，对偶数次谐波转 矩没有影响。上述两种分块磁钢移位的方法都对感应的反电动势的基波和谐波成 分有一定的影响，文献 1 6 定量分析了这两种方法对反电动势的的影响。当把极 弧系数的优化和磁钢分块移位的方法相结合，可以在定子直槽时，做到既消除齿 槽转矩，又增大了反电动势的基波数值，由于定子采用直槽，生产工艺简化，成 本降低。 ( d ) 虚拟齿和虚拟槽：在每极每相槽数q 很小的永磁电机中，为消除齿槽转矩 而斜槽一个齿距会导致平均电磁转矩的显著下降，并且绕组漏感增加f 】”。在2 极 3 槽永磁电机中，斜槽一个齿距是不可行的，对应这类电机，文献 2 3 ，3 3 等提出 采用虚拟齿或虚拟槽的方法来消除齿槽转矩，有的文献也称之为辅助齿或辅助 槽，如图1 4 所示。图( a ) 为常规的齿槽结构示意图，图( b ) 为虚拟槽结构示 意图，图( c ) 为虚拟齿和虚拟槽两者并用的结构示意图，由前面式( 1 3 ) 可知， 采用虚拟齿( 槽) 后，相当于增加了定子的齿数，齿槽转矩的频率增加而幅值相 应减小，对应图( b ) 所示的结构，齿槽转矩的频率增加为图( a ) 结构的3 倍。 而此时如进一步采用斜槽方法，只要斜过一个虚拟齿齿距，就可以基本消除齿槽 浙江大学博士学位论文 第一章 转矩。 瑟越 ( a ) 普通齿槽结构( b ) 虚拟槽结构 ( c ) 虚拟齿和虚拟槽结构 图1 - 4 用于消除齿槽转矩的虚拟齿和虚拟槽结构不意图 ( e ) 无槽式绕组：齿槽转矩本质上是由永久磁钢产生的磁通势与由于定子开槽 引起的磁阻变化相互作用而产生的，因此最彻底而又简单的方法是采用无槽式绕 组结构，如图1 5 所示。无槽结构早在上世纪7 0 年代中叶就应用于直流电机中， 电枢绕组有粘贴在光滑转子表面的，也有做成动圈式( m o v i n gc o i l ) 的，或者 是盘式电机的印刷绕组( p r i n t e dc i r c u i tw i n d i n g ) 1 1 0 , 2 8 1 ，不管采用何种形式，电枢 绕组的厚度始终是实际气隙的组成部分，因此无槽式电机的实际等效气隙比有齿 槽电机大得多，所需的励磁磁势也要大许多，这在早期限制了无槽电机的容量和 发展。近几年来随着n e f e b 等高磁能积的永磁材料的迅猛发展，为无槽式永磁 r l 机的实用化提供了契机。目前应用于永磁无刷直流电动机的无槽式绕组主要可 分为三大类：环形绕组、非重叠集中绕组和杯形绕组。 电枢铁心 电枢绕组 图1 - 5 无槽式环形绕组结构示意图 ( f ) 其它方法：其它削弱齿槽转矩的方法包括减小定予槽1 3 宽度和使用磁性槽 楔等，定子槽口宽度的减小能够削弱齿槽转矩，却给绕组下线工艺带来困难，另 外还使漏磁增加，最终影响电机出力。从削弱齿槽转矩和方便下线两方面考虑， 使用磁性槽楔不失为一种较好的方法。近年来，电磁场逆问题的研究成为一大热 9 浙江大学博士学位论文 第一章 点，根据需要的气隙磁密波形来反推永久磁极的形状和体积等最优值，为消除齿 槽转矩、提高电机效率提供了一条新的思路3 1 。 1 4 2 反电动势波形优化设计研究概况 永磁无刷直流电动机的反电动势波形和电流波形与理想波形的偏差是产生电 磁转矩纹波的主要原因，从电机设计角度来讲，通过气隙磁场、定子绕组的合理 设计，使绕组反电动势波形尽可能逼近理想波形，可以减小电磁转矩纹波。对于 正弦型永磁无刷直流电动机，应尽量减少反电动势的谐波成分，使反电动势波形 逼近正弦波，而对于方波型无刷直流电动机，反电动势波形越接近方波效果越好。 ( a ) 磁钢形状和充磁方式：气隙磁密波形对绕组反电动势波形有很大影响，文 献f 1 5 1 分析指出，对于表面粘贴式磁钢结构，磁钢的形状及充磁方式对气隙磁场 的分布波形有很大的影响，如图1 6 所示。当电机极数较少时，径向充磁所得的 气隙磁密波形接近方波而平行充磁所得的气隙磁密波形接近正弦波，当极数增多 时，两者产生的波形类似。 ( a ) 弓形磁钢平行充磁( b ) 瓦形磁钢平行充磁( c ) 瓦形磁钢径向充磁 m o r es i n u s o i d a l m o r e t r a p e z o i d a l 图1 - 6 磁钢形状及充磁方式对激磁磁场分布波形的影响 对于极弧系数等于1 的表面粘贴式瓦片形磁钢，文献 2 5 提出了一个计算激 磁磁密分布波形的经验公式： 玩= 南卜等i 半。； ( 1 ，) 式中b 。是气隙磁密的峰值，0 为沿圆周的电角度，取值范围为o 石，波形系数 y 的取值如表1 - 1 所示，y 越小波形越接近方波，当，= 0 时就是严格的方波，y 取值越大，波形越趋向正弦，如图1 7 所示。 浙江大学博士学位论文第一幸 表1 1 气隙磁密波形系数取值 极数充磁方式 y 2 极平行充磁 8 4 0 0 4 极平行充磁 0 1 6 5 5 6 极平行充磁 0 1 3 5 2 极径向充磁 0 0 2 5 4 极径向充磁 0 0 6 3 2 6 极径向充磁0 0 8 9 5 e 俪 翅 藿 圹 电角度 图1 - 7 气隙磁密波形随y 变化规律 ( b ) 绕组类型：相同的气隙磁密波形下，绕组结构的不同，最终感应的反电动 势波形也不相同。对于正弦型永磁无刷直流电动机，为了减小反电动势的谐波成 分，经常采用短距分布绕组，当气隙磁密为方波时，可以通过采用正弦绕组来产 生接近正弦的反电动势：对于方波型无刷直流电动机，为了增加反电动势的平顶 宽度，一般采用整距集中绕组，整距集中绕组的线圈跨度为1 8 0 。电角，此时气 隙磁场的平顶宽度只要大于1 2 0 。电角，就能满足产生平顶宽度大于1 2 0 。电角 的理想梯形波反电动势的条件，而在扁平类电机中经常使用的非重叠集中绕 组，线圈的跨度最大为1 2 0 。电角，此时需要理想的方波气隙磁场才能产生平顶 宽度为1 2 0 。电角的梯形波反电动势，这在实际应用中很难实现i ”1 。 1 4 3 方波型无刷直流电动机换相转矩脉动抑制研究概况 方波型无刷直流电动机一般采用1 2 0 。导通方式，每隔6 0 。电角换相一次， 自j 于绕组电感的存在以及逆变器母线电压的限制，换相时绕组电流不能突变，从 而在换相时刻产生转矩脉动。换相转矩脉动在本质上也属于电流波形偏离理想激 励而产生的电磁转矩纹波。r e n a t oc a r l s o n 在文献 5 l 】中，详细分析了三相六状 态控制无刷直流电动机在换相时刻时三相绕组电流的变化规律，指出根据电机转 速的不同，换相时开通相电流、关断相电流和非换相相电流存在三种情况，如图 1 _ 8 所示，当开通相电流的上升速率等于关断相电流的下降速率时( 图1 _ 8 一c ) ， 不参与换相的绕组的电流将保持不变，不产生换相转矩脉动。由此，在电机低速 运行区，通过每相绕组单独进行电流检测，可以控制非换相相电流保持不变，从 而消除低速时的换相转矩脉动。文献 5 7 在比较三种不同的电流传感方式后，也 得出每相绕组必须使用单独的电流传感器，才能消除电机低速时的转矩脉动。但 是上述方法是在假定电机的反电动势波形为理想梯形波( 平顶宽度大于1 2 0 。电 角) ，且在换向过程中反电动势的幅值保持不变的条件下得出的，与实际情况有 偏差，低速时容易出现过补偿现象。另外，该方法每相绕组需要使用单独的电流 浙江大学博士学位诂宣 第一章 传感器，增加了系统的成本。 0 ( a ) 。 ： 爪 非换相相 ( b ) 图卜8 换相期间三相电流变化规律示意图 为了保持方波型无刷直流电机控制器成本低的优点，很多文献致力于使用单 电流传感器来抑制换向转矩脉动i ”】。单电流传感器般用于检测直流母线电流， 在换向时刻，由于三相绕组都处于导通状态，电流传感器不能反映每相电流的信 息，导致在低速时，非换相相电流出现尖峰，b 1 起换相转矩脉动。c r o s 等在文献 f 5 4 中提出当两相反电动势之和等于逆变器母线电压一半时，换相转矩脉动最小， 通过在换相时刻对母线电压进行p w m 斩波，减小母线电压至上述条件时，可以 有效抑制换相转矩脉动。这种方法对电机参数的变化很敏感，实际应用效果不好。 上述两类方法都是在开通相电流上升速率大于关断相电流的下降速率，即图 l 一8 - a 所示的情况下才有效，对于图1 8 一b 所示的情况，由于换相时刻，非换相相 电流向下凹陷，无法通过电流调节来保持电流恒定，因此无法消除换相转矩脉动。 针对这种情况，m u r a i 等在文献【5 3 】中提出了两种抑制换相转矩脉动的控制方法， 即重叠换向法和关断相p w m 法，具体的导通规律如图1 9 所示。其基本思想都 是通过改变换相时刻绕组的导通规律来调整电流上升和下降的斜率，使非换相相 电流在换相时刻产生个电流突起，从而有效抑制换相转矩脉动。 l t 4 1 3 t 6 t 5 t 2 6 11 22 3 3 - 4 4 55 - 6 一 i 耐 i i 一趔 r l o 一倒 口。t 叠块相角： ： 掣 !l_ 掣 卜十； 纠 r 6 0 。1 2 n o 1 r no ，4 0 。1 ，价。1 61 。 ( a ) 重叠换相法 t j t 4 t 3 t 6 t 5 t 2 - 6 。1 i1 22 - 33 - 4 4 5i5 - 6 i i l