（检测技术与自动化装置专业论文）无刷直流电机转矩波动控制策略研究.pdf

t h er e s e a r c ho fc o n t r o ls t r a t e g yo n t o r q u er i p p l ef o r b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r m a j o r ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i ce q u i p m e n t d i r e c t i o no f s t u d y ：s e n s o rt e c h n o l o g ya n di n t e l l i g e n t d e t e c t i o nt e c h n o l o g y g r a d u a t es t u d e n t ：y a n gx i a o w u s u p e r v i s o r ：p r o f h a n m i n y e c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i cc o n t r o le n g i n e e r i n g g u i l i nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y a p r i l ，2 0 0 8t oa p r i l ，2 010 一 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提 供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 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，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权( 学校) 可以将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、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在 解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：杪帕磅乳i 签字日期：如驴年月汨 一 桂林理工大学硕士论文 摘要 无刷直流电机由于输出转矩大，具有良好的静、动态调速性能等优点而被广泛地应用 于工业自动化、汽车及航空航天等领域。但电磁转矩波动是无刷直流电机固有的特性之一， 它一直制约着无刷直流电机在控制性能要求较高领域的应用，因此对转矩波动的研究备受 广大科研工作者的关注，如何合理而有效地控制电磁转矩波动是提高无刷直流电机控制系 统性能的关键所在。本文正是基于这样的背景下，针对电磁转矩波动采用的控制策略进行 了深入的分析和研究。 首先，本文就无刷直流电机的发展进程和应用领域进行了简要的介绍，阐述了影响无 刷直流电机电磁转矩波动的因素及其采取的控制策略的研究进展状况；接着介绍无刷直流 电机的组成结构特点、工作原理，详细分析并且建立了无刷直流电机的数学模型，为研究 转矩波动作了相应的理论准备。 其次，为实现对无刷直流电机电磁转矩波动的控制，本文从理想反电动势无刷直流电 机和非理想反电动势无刷直流电机两种情况下入手，讨论了影响电磁转矩波动的因素，并 采用相对的控制策略来控制电磁转矩波动。在理想反电动势方波无刷直流电机换相过程期 间下，详细分析了电流变化对电磁转矩波动的影响，即换相过程中开通相电流和关断相电 流的变化不一致产生转矩波动，同时分析采取不同p w m 调制策略对转矩波动大小的影响， 表明采用p i 釉l o n 调制策略对电磁转矩波动的影响最小，以及通过调节不同的占空比可以 减少转矩波动；在非理想反电动势的情况下，推导出非理想反电动势波形下电磁转矩数学 方程式，得出在反电动势波形平顶宽度小于1 2 0 0 的情况下，即使在给定的理想激励电流下， 反电动势平顶波形的宽度对电磁转矩影响还是比较明显，随着平顶宽度的减小，转矩波动 变大，因此分析采用提前换相角度来控制电磁转矩波动及其应用局限，进一步提出采用提 前换相角与电流控制相结合的控制策略来解决由非理想反电动势造成转矩波动的这一问 题，达到了减少转矩波动的目的。 最后，本文根据提出的转矩波动控制策略，利用m a t l a b 仿真软件组建了无刷直流电 机的仿真模型，仿真实验结果验证了所提出的转矩波动控制策略的合理性和正确性。 关键词：无刷直流电机；转矩波动；电流控制 桂林理工大学硕士论文 a b s t r a c t t h eb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) h a sm a n ya d v a n t a g e so fl a r g eo u t p u tt o r q u e , 9 0 0 ds t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs p e e da d j u s t m e n t ；i t sw i d e l y u s e di nv a r i o u sf i e l d ss u c h a si n d u s t r i a la u t o m a t i o n , a u t o m o b i l ea n da e r o s p a c e , a n ds oo n b u tt h et o r q u er i p p l e ，a so n eo f t h ei n h e r e n tq u a l i t yf o rb l d c m ，i th a sb e e nr e s t r i c t e dt h eb l d c m a p p l i c a t i o ni nt h ea p p l i c a t i o n f i e l d s 丽廿lh i g h e rc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，s ot h es t u d yo ft o r q u er i p p l ea l eb e c o m i n gi m p o r t a n t r e s e a r c hs u b j c c tf o rg e n e r a ls c i e n t i f i cr e s e a r c hw o r k e r s ，h o wt or e a s o n a b l ya n de f f e c t i v e l y m i n i m i z et h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u er i p p l ei nb r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c ei s t h ek e yf a c t o rt h a tc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m b a s e do nt h i sc o n t e x t , t h e p r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g ya i m e da tt h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u er i p p l ea r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e d i nd e e p l yi nt h ep a p e r f i r s t l y , t h ep a p e rp r e s e n t sb r i e f l yd e v e l o p m e n tp r o g r e s sa n da p p l i c a t i o nf i e l d sf o rb l d c m ， i nt h em e a n w h i l e , c l a r i f i e st h ea f f e c t e df a c t o r st oe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u er i p p l ea n dt h es t u d y s t a t u so fc o n t r o ls t r a t e g y ；t h e nd i s c u s sa n db u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l d c mi no r d e rt o p r o v e t h e o r e t i c a lp r e p a r a t i o nf o rs t u d y i n gt o r q u et i p p l e s e c o n d l y , i no r d e rt or e d u c et o r q u er i p p l e ，t h ep a p e rd i s c u s s e df 融。瑙t h a ta f f e c t e dt h e t o r q u er i p p l eb o t ht h ei d e a lb a c k e m fa n dn o n i d e a lb a c kb a c k - e m ff o rb l d c m ，t h e nt h e r e l e v a n tc o n t r o ls t r a t e g ya r ep u tf o r w a r dt om i n i m i z et h et o r q u er i p p l e i nt h ec o n d i t i o no fi d e a l s q u a r ew a v eb a c k e m ff o rb l d c mc o m m u t a t i o n ，t h ep a p e ra n a l y z e da n ds t u d i e di nd e t a i l e d a b o u te l e c t r o m a g n e t i ct o r q u er i p p l ee f f e c t e db yc h a n g eo fc u r r e n to fr a t e ，w h i c hm e a n st h er i s i n g r a t eo fc h a n g eo fc u r r e n ti nt h ep h a s e - o ni sn o te q u a lt ot h ef a l l i n gr a t eo fc h a n g eo fc u r r e n ti n t h ep h a s e o f f , p r o d u c i n gt o r q u et i p p l e ；t h e nd i s c u s s e dt h ed i f f e r e n tp w mm o d u l a t i o ns t r a t e g y t h a te f f e c t e dt h et o r q u er i p p l ed u r i n gb l d c mc o m m u t a t i o n ，i tc o m e so u tt h eb e s tp w mm o d ei s p w m o nm o d u l a t i o n ，w h i c hc a nl a r g e l yr e d u c et h et o r q u er i p p l eb yc o n t r o l l i n gt h ed u t yc y c l e c a n r e d u c et h et o r q u er i p p l e i nt h en o n - i d e a lb a c k - e m fc i r c u m s t a n c e s ，t h em a t h e m a t i c a l f o r m u l ao fe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u er i p p l ea r ed e r i v e d ，i to b v i o u s l yr e f l e c t e dt h eb a c k - e m f w a v e f o r mc r e s tw i d t hl e s st h a nl2 0 0t h a tc a u s e st h et o r q u et i p p l ee v e ng i v e ni d e a lt h r e ep h a s e s e x c i t a t i o nc u r r e n t s ，t h et o r q u er i p p l eb e c o m e sl a r g e rw h i l ef l a tt o pw i d t ho ft h eb a c k - e m f d e c r e a s e s t h e r e f o r e ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ea d v a n c e dc o m m u t a t i o nt or e d u c et o r q u et i p p l ea n d i t s a p p l i c a t i o nd r a w b a c k ，t h ea d v a n c e dc o m m u t a t i o nc o m b i n e st h ec u r r e n tc o n t r o l a san e w c o n t r o ls t r a t e g yi sb r o u g h tf o r w a r dt om i n i m i z et h et o r q u er i p p l ec a u s e db yn o n - i d e a lb a c k e m f f i n a l l y , t h ep a p e rb u i l ts i m u l a t i o nm o d e lf o rb l d c mb yu s i n gs o f h v a r em a t l a b a c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yt h a tt a r g e t e da tt o r q u er i p p l e ，t h ee x p e r i m e n t a l u 桂林理工大学硕士论文 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yf o rr e d u c i n gt o r q u er i p p l ei s c o r r e c t n e s sa n dr e a s o n a b l e k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) ；t o r q u er i p p l e ；c u r r e n tc o n t r o l 1 i i 桂林理工大学硕士论文 目录 摘要i a b s t r a c t 目录i v 第l 章绪论1 1 1 无刷直流电机的发展进程1 1 2 无刷直流电机的应用领域l 1 2 1 应用于工业领域1 1 2 2 应用于交流伺服系统1 1 2 3 应用于航空航天领域2 1 3 无刷直流电机电磁转矩波动产生原理2 1 4 电磁转矩波动控制的研究现状简述3 1 4 2 理想反电动势波形电磁转矩波动控制策略研究状况3 1 4 2 1 预测电流控制策略3 1 4 2 2 抑制非换相相电流脉动来抑制转矩脉动的控制策略4 1 4 2 3 基于自抗扰技术策略4 1 4 2 4p t t 珊! 斩波控制策略4 1 4 3 非理想反电动势波形产生的电磁转矩波动研究状况5 1 4 3 1 滞环电流控制策略5 1 4 3 2 重叠换相控制策略5 1 4 3 3 先进控制理论结合智能控制理论控制策略5 1 5 本文的研究意义6 1 6 本文的研究内容及安排6 1 7 本章小结7 第2 章无刷直流电机的结构特点及数学建模8 2 1 引言8 2 2 无刷直流电机组成原理8 2 2 1 电机本体部分8 2 2 1 1 定子结构特点8 2 2 1 2 转子部分9 2 2 1 3 电子换相线路部分9 i v 桂林理工大学硕士论文 2 2 2 转子位置检测方式9 2 2 2 1 有位置传感器转子位置检测方式9 2 2 2 2 无位置传感器转子位置检测方式1 0 2 2 3 工作原理及运行特性j 1 1 2 2 3 1 工作原理1 1 2 2 3 2 运行特性1 2 2 3 无刷直流电机数学模型1 2 2 3 1 电压数学方程式的建立一1 3 2 3 2 电磁转矩方程1 4 2 4 无刷直流电机动态模型1 5 2 5 本章小结1 6 第3 章理想反电动势无刷直流电机转矩波动分析及控制策略1 7 3 1 引言1 7 3 2 转矩波动因素分析1 7 3 3 换相电流相关因素的影响1 9 3 3 1 电流因素1 9 3 3 2 换相时间因素2 0 3 3 3 转矩波动的推导式2 1 3 4p w m 调制策略对转矩波动的影响分析研究2 2 3 4 1p w m 调制基本思想2 2 3 4 2p 1 j i m 极性控制方式2 3 3 4 3p w m 调制类型及工作特征2 4 3 4 4 不同p w m 调制方式对转矩波动的研究2 6 3 4 4 1 上桥换相对转矩波动研究2 6 3 4 4 2 下桥换相对转矩波动研究3 1 3 5p 删调制策略对转矩波动的影响实现3 4 3 6 本章小结3 5 第4 章非理想反电动势无刷直流电机转矩波动分析及控制策略3 6 4 1 引言3 6 4 2 影响转矩波动因素分析3 6 4 2 1 转矩波动表达式3 6 4 2 2 转矩波动的体现形式3 7 4 2 2 1 缈角度因素3 7 v 桂林理工大学硕士论文 4 2 2 2 梯形波斜坡斜率变化因素3 9 4 3 转矩波动控制策略的研究4 0 4 3 1 提前角开通换相策略4 0 4 3 1 1 提前角开通换相策略应用范围：4 0 4 3 1 2 提前换相角度下的电流及电磁转矩4 l 4 3 2 提前角开通换相法与电流控制相结合的控制策略实现4 3 4 4 本章小结4 7 第5 章无刷直流电机转矩波动控制策略仿真及研究4 8 5 1 引言4 8 5 2 速度控制算法的设计4 8 5 3 无刷直流电机的仿真模型建立5 0 5 3 1 无刷直流电机本体子模块5 0 5 3 1 1 反电动势功能子模块5 0 5 3 1 2 电磁转矩子模块5 1 5 3 2 电压逆变器功能子模块5 2 5 3 3 速度控制功能子模块5 2 5 3 4p w m 信号生成功能子模块5 3 5 3 5 逻辑换相功能子模块5 3 5 4 理想反电动势下无刷直流电机电磁转矩波动影响仿真实验分析5 4 5 5 非理想反电动势无刷直流电机转矩波动的仿真实验分析5 7 5 5 1 提前换相角实验结果分析：5 7 5 5 2 提前导通角加电流控制策略实验仿真分析5 8 5 6 本章小结6 l 第6 章全文总结及工作展望6 2 6 1 全文结论6 2 6 2 工作展望6 2 致 射6 3 参考文献6 4 个人简介6 7 v i 桂林理工大学硕士论文 1 1 无刷直流电机的发展进程 第l 章绪论 无刷直流电机从结构上来说与有刷直流电机一致的，其建立在有刷直流电机的基础之 上的。自从用整流管代替机械刷换向电这一想法被提出来以后，为无刷直流电动机的诞生 提供了理论基础，到2 0 世纪3 0 年代，有人构想将这种理论付诸于无刷直流电机中，这就 为无刷直流电机的诞生提供了条件。美国人d 哈利森等人于1 9 5 5 年首次申请用晶闸管换 向线路代替机械换相器的专利，标志着现在无刷直流电机的诞生。随后经过反复实验和不 断实践，借助霍尔元件实现电子换相的无刷直流电机在1 9 6 2 年问世，开创了电机历史新 的纪元。1 9 7 8 年原联邦德国m 砧州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相应的驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正 进入了实用阶段【2 。 。 随着控制理论在9 0 年代以后迅速发展，各种先进的控制技术也得到相应的发展，在 d s p 、单片机和f p g a 等微处理器在计算机技术领域不断进步的条件下，它们不管是在存 储空间还是指令速度等方面也产生了根本性的变化，不断地满足现代社会人民生活等多方 面的需求，因此人们利用先进的控制理论加入到无刷直流电机的应用中，使电机的发展更 加趋于成熟。 1 2 无刷直流电机的应用领域 无刷直流电机的应用较广，以下简要介绍无刷直流电机( b l d c m ) 在几个领域的应用 1 2 1 应用于工业领域 无刷直流电机具有良好的控制性能，并且随着稀土永磁材料和电力电子技术的发展， 其性价比也在不断地提高，因此非常适合现代工业中自动化生产线等方面的需要。针对工 业领域的实际需要，众多电机制造厂商争相推出无刷直流电机相关产品，加快了无刷直流 电机的推广进程，也展示出了该电机广阔的发展前景。 1 2 2 应用于交流伺服系统 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 桂林理工大学硕士论文 伺服驱动领域，交流伺服系统取代传统的直流伺服系统是必然的趋势。交流伺服系统中 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电动机己经 可以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，且对电机的 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，无刷直流电机具有体积小、重量轻、效率高、 转动惯量小和控制相对简单等优点，因此自控式永磁同步电机( 包括p m s m 和b l d c m ) 构 成的永磁伺服系统是交流伺服系统的主要发展方向【3 1 。 1 2 3 应用于航空航天领域 由于航空航天事业在不断地向前发展及其应用场合特殊性，对航天器的工作寿命和性 能稳定性提出了更高的要求，而无刷直流电机作为航空航天控制系统中的一个重要组成部 分，有必要对其进行研究。一般要求所用电机体积小，结构简单且工作效率高；而无刷直 流电机的特殊结构特点及其无位置传感器控制方式，使其可望在航空航天领域得到广泛的 应用【6 】f 7 1 。航空航天用无刷直流电机的运行工况一般为变负载运行，要求其具有良好的高 速控制精度和动态响应能力。它们通过半闭环活闭环速度反馈进行控制，相应系统一般采 用先进控制算法。 根据以上分析可知，无刷直流电机不管应用在哪个领域，都要求其性能不断地提高才 能满足要求，但是由于无刷直流电机无法避免产生转矩波动，因而使速度也会产生波动， 限制了它在高精度领域的应用，因此转矩波动控制问题亟待得到解决【引。 1 3 无刷直流电机电磁转矩波动产生原理 分析和研究电磁转矩波动特性对研究无刷直流电机性能至关重要，而转矩的大小和平 稳性是转矩特征中的两个基本因素，影响电机的性能。无刷直流电机虽然有输出平均转矩 的较大的优势，但其平稳性稍微差，因此制约了其在高精度和高要求控制系统中的应用【z 引。 为对转矩波动进行研究。首先要了解无刷直流电机产生转矩波动的原因，然后针对原因进 行分析，并提出合适地控制策略来控制电磁转矩波动。纹波转矩是造成转矩波动的重要原 因之一。电磁转矩，作为产生纹波转矩的一种，对其进行研究具有重要的意义，以下就电 磁转矩波动的产生原理作简要的介绍【l 。 电磁转矩纹波主要是由于无刷直流电机在实际应用过程中的定子绕组电流和反电动 势两者波形不一致，相互作用造成的。因此，为了使无刷直流电机不产生转矩波动，获得 理想并且恒定的电磁转矩，就必须从影响电磁转矩波动的因素来进行分析，一般来说，反 电动势对电磁转矩的影响比较明显。具有如下理想的电流波形和反电动势波形，它们必须 桂林理工大学硕士论文 时刻保持一致【1 3 1 。理想情况下，方波电动机通常采用方波电流驱动，由逆变器向方波电动 机提供三相对称宽度为1 2 0 0 方波电流，方波电流应与电势同相位或位于梯形波反电动势的 平项宽度范围，则同一相的反电动势和电流的波形如图1 1 所示。 佛 一 o 乡厂 图1 1 反电动势和电流波形 1 4 电磁转矩波动控制的研究现状简述 根据上述分析，无刷直流电机的电磁转矩波动主要体现在制约其在要求较高的控制系 统中的应用，因此从控制策略这个方面入手来控制电磁转矩波动，由于电机本身和换相电 子元器件特性存在一定的偏差而使加在定子绕组上的电压或电流波形不理想，从而导致电 磁转矩波动，因此可以通过适当调整加在电机绕组上的电压或电流来弥补这一偏差，达到 控制电磁转矩波动【1 6 1 。 1 4 2 理想反电动势波形电磁转矩波动控制策略研究状况 为方便研究，电机换相运行过程中的每相，假设为导通相，非换相和续流相，以下均 以这个称呼来简化用法【8 】。在电机换相暂态过程中，电流和反电势都会发生变化，两者之 间相互影响，进而导致换相转矩脉动。通过适当选择换相策略，提前开通导通相或者在换 相期间用p w m 调制的方法改变导通相和关断相的换流速度可以在一定程度上抑制由反电 势波形不理想、电流变化速度慢等因素造成的换相转矩脉动。针对所产生的转矩波动的不 同因素进行了研究，并取得了良好的效果，主要采用控制转矩波动的策略体现如下： 1 4 2 1 预测电流控制策略 理论上，无刷直流电机在高速区的换相转矩波动减小，而低速区则相反，研究控制方 法时大都分开考虑【l8 1 。可在实际情况下，受到电机转速、供电电压等因素的影响，而无法 按照理论分析将换相转矩波动分为不同的运行速度区域采取不同的控制措施，因此有必要 寻求一种能够在全速范围内有效控制换相转矩波动的方法【2 0 1 ，而预测电流控制方法具有算 法简单、实现容易、适用性强、效果明显；无论是在开环控制、电流p i 控制或者智能控制， 均能够很好地控制转矩波动，预测电流控制就是在换相期间引入预测电流控制方法，能够 精确而快速地控制换相绕组电流，确保两个换相绕组上的电流变化率相等，从而保证换相 桂林理工大学硕士论文 期间非换相绕组电流保持不变，从而极大地减d , t 换相转矩脉动【5 】【2 2 1 。 1 4 2 2 抑制非换相相电流脉动来抑制转矩脉动的控制策略 在高速下，采用降低续流相电流下降速率来间接控制非换相相电流；在低速下，直接 控制非换相相电流，使得无刷直流电机控制系统在高速和低速情况下都可以得到较为理想 的电流波形，从而达到输出平滑转矩的目的。控制系统由模拟电路实现，结构简单，性能 可靠。 1 4 2 3 基于自抗扰技术策略 经过多年的努力，中科院系统所韩京清研究员和他的合作者在二十世纪九十年代提出 的一种非线性控制律，即自抗扰控制器( a u t o - d i s t u r b a n c e sr e j e c t i o nc o n t r o l l e r ，a d r c ) ， 该控制器不仅继承了经典p i d 控制不依赖于被控对象数学模型的优点，而从根本上改进经 典p i d 控制所固有缺陷而提出的一种新型控制器设计思：鬯 【引。 它由以下三个部分组成：一是通过跟踪微分器( t r a c k i n gd i f f e r e n t i a t o r ，t d ) ，对系统 参考输入信号滤波，能实现快速无超调跟踪，并基于广义微分理论提取微分信号，克服了 经典p i d 控制中系统响应速度和超调之间的矛盾；二是通过扩张状态观测器( e x t e n d e ds t a t e o b s e r v e r ，e s o ) 实现系统状态、模型不确定因素和外部扰动估计，得到广义状态误差并 对扰动项进行前馈补偿；三是通过非线性状态误差反馈控制律( n o n l i n e a rs t a t ee r r o r f e e d b a c kc o n t r o ll a w ，n l s e f ) 实现了“小误差大增益，大误差小增益 的非线性控制。 也就是说，a d r c 既控制了系统的状态，又控制了状态的各阶微分，同时还兼顾到扰动的 动态补偿，因此使系统在稳定性和鲁棒性方面都有显著提高。自抗扰控制器利用跟踪微分 器和扩张状态观测器处理参考输入和系统输出，并最终通过系统状态误差的非线性组合以 及前馈补偿环节得出系统的控制输入；该控制器采用配置非线性结构代替经典控制中的线 性加权和形式，构成非线性状态误差反馈控制律，有效提高了误差的处理效率，因而改善 了无刷直流电机闭环系统的控制性能【2 】。 1 4 2 4p w m 斩波控制策略 电机处于换相动态过程时，由于电机三相绕组的电阻和电感等电子元器件的特点，使 得换相过程中的开通相和关断相的电流不能发生突变，并且它们的电流变化率也不相同， 所以电磁转矩会不同程度的产生一定的波动，影响电机运行，为此可以通过在开关器件在 断开前、导通后进行一定频率的斩波，控制换相过程中绕组的端电压，使电流变化率相等， 补偿电流幅值的变化。这是一种比较有效地控制转矩波动的一种策略。在理想反电动势无 刷直流电机下，本文采用了p w m 调制策略来控制电机换相过程中的转矩波动【27 1 。 1 4 3 非理想反电动势波形产生的电磁转矩波动研究状况 4 桂林理工大学硕士论文 通过对电机本体比如对定子或者转子等进行优化设计，虽然可以使反电动势波形的宽 度无限地接近理想波，但是无法彻底消除由于非理想反电动势无刷直流电机产生转矩波 动，即使在电机控制系统中给定的激励电流的波形为理想方波。这是产生转矩波动不可避 一 免的缺陷，因此可以考虑从控制策略这个方面来入手 3 4 1 。 在电机本体一定的情况下，通过寻找最好的定子电流波形来弥补由于非理想反电动势 波形造成的相位的偏移，从而达到减少或者直至消除电磁转矩波动。与此同时，该电流还 可以弥补由于电机本身导致的电磁转矩波动的问题，如齿槽转矩波动，这是该电流法控制 的优点；其不足是，为满足实现这个目的，必须要精确测定在线实时的反电动势，计算出 其波形宽度，然而在实际应用过程中，却很难。这样它的可行性就降低。目前有很多种方 法来控制非理想反电动势波形下无刷直流电机转矩波动，以下是几种较为常见的方法【1 9 1 ： 1 4 3 1 滞环电流控制策略 该控制策略采用滞环调节器对电流环进行一系列的控制，通过比较参考电流时系统中 的反馈电流得出一个换相的触发信号，控制逆变器中的开关器件，达到换相的目的。电流 的实际幅值和电流滞环宽度的大小决定了调节器控制信号的输出。从稳态和动态两个方面 一 来设计电流调节器，基本上可以满足对电流的条件作用，保证电磁转矩的大小在适合的范 围之内。电流环应有较好的跟随特性，其控制对象一般是双惯性型的，因此采用p i 调节器 可以满足它的要求【3 。 。 电流环控制策略可以控制开通相得电流上升速率来控制换相转矩波动，理想情况下， 换相期间的电磁转矩与非换相相电流之间是正比的关系，呈线性关系，并且非换相电流的 参考值是给定的，是跟恒定值，只要确定了要控制非换相的实际相电流和参考电流之后， 再经滞环比较器比较两者的差值，对差值进行调节来控制其相电流，保证换相期间的非换 相电流能够实时跟随参考值，就可以有效控制换相期间电磁转矩的波动。 1 4 3 2 重叠换相控制策略 重叠换相控制策略，顾名思义，就是电机在换向过程中，由于反电动势的不理想及其 电流不能发生突变而采取的一种控制方法，比如该方法对开通相提前一个角度开通，对关 断相进行延迟关断以获取稳定的电磁转矩波动。它是一种应用比较广泛和较成熟的控制方 法，它包括提前换相和滞后换相两种方法，本文就采用了提前换相的方法来控制电磁转矩 波动【1 2 】【3 5 】。 1 4 3 3 先进控制理论结合智能控制理论控制策略 由于现代控制理论和智能控制理论突破了经典控制理论应用的局限性，它们不需要有 精确的数学模型，便可把一个复杂的控制系统形象地描述出来，并且可以解决相关的问题， 大大提高了工作效率，减轻了工作负担，而无刷直流电机控制系统是一个不确定的，非线 桂林理工大学硕士论文 性和多变量的系统，因此将现代控制理论和智能控制理论应用于电机控制系统备受人们的 关注。已有相关的文献指出采用r b f 神经网络分别对转子位置和其绕组电流进行在线估 计，使激励电流更加接近方波，减小了由于电流波形不理想而引起的电磁转矩波动 s o l 。 以上主要分析了电磁转矩波动的产生原理及其介绍根据不同类型的转矩波动而采用 的转矩波动控制策略的研究现状，得出电磁转矩波动是无刷直流电机需要克服的重点和难 点之一，根据无刷直流电机的应用发展趋势来看，有必要对该问题进行深入的研究。 1 5 本文的研究意义 在现实中，无刷直流电机是一个复杂的系统，不易用精确的数学模型来表达电机各个 物理量的状态，从而也无法获取整体模型的精确数学模型，因此依靠获取精确的数学模型 来达到控制目的传统的经典控制方法已经不满足对无刷直流电机电磁转矩的控制要求【2 】。 本文假设在一定条件下对无刷直流电机电磁转矩波动控制策略的研究。 本文主要分析影响无刷直流电机转矩波动的因素，在无刷直流电机换相过程中，采用 提前换相加电流控制策略来实现对电磁转矩波动的控制，并通过实验结果来验证这一控制 策略的可行性，为迸一步研究无刷直流电机电磁转矩性能提供了借鉴的意义。 1 6 本文的研究内容及安排 无刷直流电机电磁转矩波动控制技术研究备受广大工作者的关注。本文主要通过采用 控制策略来实现对电磁转矩波动的控制。从理论上分析，根据反电动势无刷直流电机在换 相过程所呈现状态的不同，可以分为理想梯形波和非理想梯形波的反电动势两种情况来进 行研究，并对这两种情况采取相应的控制策略来实现对电磁转矩波动的控制。本文研究内 容作如下的安排： 第1 章，绪论简要介绍了无刷直流电机的发展进程、应用领域及其产生电磁转矩波动 的原理，详细地概述电磁转矩波动控制策略的研究现状，进而就本课题的研究意义作说明。 第2 章，本章主要建介绍无刷直流电机结构特点以及建立由电压，电压和电磁转矩之 间的电机数学推导式，并根据电机数学模型的推导式，建立了电机的动态模型，为研究电 磁转矩波动作一个铺垫。 第3 章，本章主要研究三相六个状态1 2 0 0 导通方式控制下理想方波型无刷直流电机的 换相转矩脉动抑制技术。首先研究分析了在理想梯形波反电动势的无刷直流电机条件下， 对影响电磁转矩波动的因素进行了深入的分析，其中有换相过程中，电流变化对转矩的影 响以及在不同p w m 调制方式下，分析和研究电磁转矩波动，并对各种p w m 调制下产生 的电磁转矩波动进行了分析比较，得出p w mo n 方式产生的转矩波动最小，通过调节占 6 桂林理工大学硕士论文 空比可以控制转矩波动。 第4 章，本章主要对无刷直流电机在非理想反电动势下对影响电磁转矩波动进行分析 研究，分析反电动势平顶波形对转矩波动的影响，采用提前开通相关的开关元器件来弥补 由于反电动势平顶波形的缺陷而造成的转矩波动及其应用缺陷，提出将提前导通角结合电 流控制策略来实现对转矩波动的控制。 第5 章，本章主要针对第3 章和第4 章对无刷直流电机转矩波动技术分析研究理论结 果和提出的相关控制策略，利用功能强大的仿真软件m a t l a b s i m u l 玳k 平台，组建了 以无刷直流电机为主体的控制系统的仿真实验模型，经过对无刷直流电机仿真模型各个不 同功能模块进行了合理的设计，模拟仿真b l d c m 在所提出理论下控制策略，进行研究分 析，验证了所提出的方法的正确性。 第6 章，对全文进行总结和未来工作的展望。 1 7 本章小结 本章简要介绍了无刷直流电机的发展进程和本课题的研究背景和意义，重点讲述了无 刷直流电机电磁转矩波动的产生原理及其控制策略，最后对本课题的研究内容作简要地安 排。 7 桂林理工大学硕士论文 1 引言 第2 章无刷直流电机的结构特点及数学建模 无刷直流电机是一个由多个变量，非线性及其强耦合的控制系统，对其性能的研究是 比较重要的，电磁转矩波动，作为体现无刷直流电机比较重要的性能之一，对其分析和研 究有着重要的现实意义。因此对无刷直流电机的数学建模是必不可少的。 2 2 无刷直流电机组成原理 无刷直流电机由电机本体、转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成的洲。基本 组成如图2 1 所示： 2 2 1 电机本体部分 图2 1 无刷直流电机组成原理 无刷直流电机本体在结构上与永磁同步电机相类似，主要有包含电枢绕组的定子和装 有永磁极的转子组成。 2 2 1 1 定子结构特点 首先，定子是电机本体静止的部分，由导磁的嵌有单相或者多相对称绕组的铁心、导 电电枢绕组( y 型连接或者三角连接) 及其绕组用的一些零部件、绝缘材料和引出部分等 组成。 1 定子铁心一般由硅钢片压制而成，采用硅钢片就是为了减少主定子的铁耗。硅钢 片冲成带有齿槽的环形冲片，在槽内嵌放电机绕组，槽数视绕组的相数和极对数而定；为 减少铁心的涡流损耗，冲片表面涂绝缘漆或磷化处理；为了减少噪声和寄生转矩，定子铁 心采用斜槽，一般斜一个槽距【2 】。 2 定子绕组是电机本体的一个最重要的部件，当电机接上电源后，电流流入绕组， 8 桂林理工大学硕士论文 产生磁动势，磁动势与转子产生的励磁磁场相互作用而产生电磁转矩。常用的绕组形势有 整距集中绕组、短距分布绕组和整距分布绕组等，不同的绕组形势给电机带来不同的反电 势波形，进而影响电机的性能。无刷直流电机的反电势一般设计成梯形波，它与一定相位 的方波电流