（电力电子与电力传动专业论文）永磁无刷直流电机的转矩脉动抑制的控制策略研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h e o b j e c t i v eo f t h i sd i s s e r t a t i o ni st om i n i m i z e t h et o r q u er i p p l eo f b l d cm o t o r a tf i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ep r i n c i p l e s ，t h eo p e r a t i o nt h e o r ya n dt h ec o n t r o l t e c h n i q u e so fb l d c m ( b r u s h l e s sd cm o t o r ) t h e na c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tb e m f o fd i f f e r e n tb l d c m o t o r , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e st h et o r q u er i p p l ei nt h eb l d c m w i t hi d e a l 1 2 0 。t r a p e z o i d a l w a v e f o r mb e m fa n dn o n i d e a lb e m fw a v e f o r m r e s p e c t i v e l y f u r t h e rm o r e t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t sd i f f e r e n tn o v e lc o n t r o lt e c h n i q u e s o f t h e t o r q u er i p p l em i n i m i z a t i o n i nb l d c m t h ei d e a lb e m fw a v e f o r mo f b l d c mi st r a p e z o i dw i t h1 2 0 。p l a t f o r mw i d t h i n t h e1 2 0 。c o n d u c t i o n m o d e ，t h es t a t o rc u r r e n ti sn o ti d e a ld u et ot h es t a t o ri n d u c t a n c e ， a n dt h e t o r q u er i p p l eo c c u r s f i r s t l y , t h e d i s s e r t a t i o n p r e s e n t sp r i n c i p l e s o f c o m m u t a t i o nt o q u ei nt h ec o n d i t i o no fi d e a lb e m fw a v e f o r m i na d d i t i o n ，t h e e f f e c t so nt h et o r q u er i p p l ec a u s e db yt h ep w m m o d e s ，o v e r l a p p i n gc o m m u t a t i o na n d s oo na r ea n a l y z e d ，a n dt h ec o n c l u s i o ni sr e a c h e d ：t h ec o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l e v a r i e sw i t ht h er o t o rs p e e d s e c o n d l y , t h ea p p l i c a b l es p e e dr a n g e so ft h em o t o r s u s i n g t h e o v e r l a p p i n g c o m m u t a t i o n t e c h n i q u e s a r e d e r i v e d f i n a l l y , t h e m a t l a b s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e dt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o lt e c h n i q u ei sa b l et om i n i m i z et h e c o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l e t h en o n i d e a lb e m fw a v e f o r mo fb l d c mi so f t e nc a u s e db yt w of a c t s o n ei s t h a tt h ep l a t f o r mw i d t ho fb e m fw a v e f o r mi sl e s st h a n1 2 0 。；t h eo t h e ri st h e c o g g i n gh a r m o n i c se x i s t e di nt h eb e m fw a v e f o r m a i m i n gt om i n i m i z et h et o r q u e r i p p l e i nc o n d i t i o no f n o n p e r f e c t b e m fw a v e f o r m ，t h ed i s s e r t a t i o n p r e s e n t a o p t i m u mc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o lt e c h n i q u e i nt h ep r o p o s e dt e c h n i q u et h eb e m f w a v e f o r mo fb l d c mn e e dt ob em e a s u r e di na d v a n c ea t f i r s t ，t h r o u g hc o m p u t e r s i m u l a t i o na n df r a m e t r a n s f o r m a t i o n ，t h eo p t i m u mq - a x i s c u r r e n tc o m m a n di s a c h i e v e d i no r d e rt om i n i m i z et h et o r q u er i p p l e ，t h eda n do - a x i sc u r r e n tc o m m a n d s h o e db ez e r o f u r t h e r m o r e ，t h r o u g hr e f e r e n c ef r a m et r a n s f o r m a t i o nf r o md q o - a x i st o a b e a x i s ，w ec a ng e tt h eo p t i m u mc u r r e n tc o m m a n di ns t a t i ca b er e f e r e n c ef r a m e i n i i 浙江大学硕士学位论文摘要 a d d i t i o n ，t h ec u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r o li sa d o p t e dt h em a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t s v e r i f i e dt h a tt h em o t o ri nt h ec o n t r o lt e c h n i q u ep r o d u c e sh a r d l ya n yc o m m u t a t i o n t o r q u er i p p l e t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s y s t e m a r e p r e s e n t e d i nt h e d i s s e r t a t i o n m a n y p r o b l e m s a r ee n c o u n t e r e di nt h er e s e a r c h ，a n dt h ea c c o r d i n g l ys o l u t i o n sa r ea l s og i v e n i nt h ed i s s e r t a t i o n ， 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 c u r r e n t h y s t e r e s i sc o n t r o l i i i 浙江大学硕士学位论文第一章 第一章绪论 摘要：本章首先简要回顾了永磁无刷直流电机的发展概况及基本结构；然后 就本课题的选题的背景和意义进行了阐述。接着，本章对国内外在转矩脉动方面 的研究现状和研究成果进行了综合分析；在本章的最后介绍了本文后续各章的主 要内容。 1 1 永磁无刷直流电机的发展及基本原理 1 1 1 无刷直流电机的发展 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用已遍及国民经 济的各个领域以及人们的日常生活中。电动机的主要类型有同步电动机，异步电 动机( 又称感应电动机) ，直流电动机三种。众所周知，直流电动机具有运行效 率高和调速性能好等诸多优点，但是传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法 进行换相，由于相对的机械摩擦而产生的噪声，火花，电磁干扰以及寿命短等致 命弱点再加上制造成本高以及维修困难的缺点，大大限制了它的应用范围，致使 目前工农业生产上的大多数场合均采用三相异步电动机。 科学技术的进步，新技术新材料的不断涌现促进了电动机的推陈出新。在上 世纪3 0 年代，就有人开始研制以电子管换相来代替电刷机械换相的无刷直流电 机。至1 9 5 5 年，美国人d - 哈利森等人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。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了实用阶段【l 】。 1 1 2 基本工作原理及结构 随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件如 g t r ，m o s f e t , i g b t 等相继出现，以及高性能的永磁材料如钐钴，钕铁硼等的问 世，近几十年以来，永磁无刷直流电机的本体及其相关控制技术得到迅猛的发展。 “永磁无刷直流电机”的概念已经由特指的“电子管换相的永磁直流电机”延拓 至“所有具备有刷直流电机外部特性的电子换相式永磁电动机”。文献删中对无 刷直流电机定义为： “永磁无刷直流电机是一种具有定子( 电枢) 绕组和永磁或凸极软磁铁转子 的电机。通过一系列由转子位置传感器及译码器控制的静止开关器件和直流电源 给定子绕组供电。在没有调节器时，电机的转速与直流侧的电压大小成正比。” 浙江大学硕士学位论文第一章 典型的永磁无刷直流电机控制系统如图1 一l 所示，主要由电动机本体，位 置传感器和功率逆变器三部分组成。一般根据电机设计的磁场分布( 反电动势的 波形) 可把永磁无刷直流电机分为两种，习惯上把具有正弦波分布的叫自控式永 磁同步电动机【”( p m s m ) ，把具有梯形波分布的叫永磁无刷直流电机( b l d c m ) 。 卜一强6 7 马岛7 毛f 烹一 掣 图卜1 永磁无刷直流电机控制系统 方波型无刷直流电机由于反电动势是梯形波，通过控制逆变器的输出电压和 电流使之为一与反电动势保持适当相位的方波即可以产生有效电磁转矩。这种情 况下逆变器的控制只需要位置传感器提供转子的几个关键位置的离散信号，因此 方波型无刷直流电机控制容易实现，常用于一些对转矩脉动要求不高，特别是对 电机功率密度要求较高的场合。正弦型永磁直流无刷电机的基本结构与方波型 的相似，不同之处是其反电动势的波形按正弦波设计，国内外文献中习惯将其称 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 ) 。其逆变器控制常采用s p w m 技 术或滞环控制技术等调制出正弦电压或电流，并与电机反电动势保持适当的相位 关系，从而产生比较平滑的电磁转矩。这种电机控制需要提供必需的转子位置信 号，与方波型无刷直流电机相比，它的结构较复杂，而且成本较高，特别是常用 的连续位置传感器一光电编码盘的市场价格甚至要高出数百瓦的永磁电动机本 体的成本【5 】。但是正弦型永磁同步电机理论上不产生转矩脉动，调速比高( 达 1 0 0 0 0 或以上) ，定位精度高，所以在要求高精度速度和位置控制场合应用较多。 2 圈 浙江大学硕士学位论文第一章 永磁无刷直流电机的内部结构与传统的直流电机相比较，如图1 2 所示，无 刷直流电机的结构是将传统直流电机的定转子“倒”了过来，其定子是多相绕组， 一般是三相y 接法的绕组。，转子由永久磁钢按一定的机对数( 2 p = 2 ，4 ，6 ) 组成。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，位置传感 器一般位于定子绕组中。常用的位置传感器有以下几种 2 1 ： ( 1 ) 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置检测的，有：开口变压器， 铁磁谐振电路，接近开关等多种类型。 ( 2 ) 光电式位置传感器 ( 3 ) 磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器主要是指利用半导体磁敏元件来检测转子磁钢位置的装 置，其基本原理是霍尔效应和磁阻效应。这种传感器一般又称霍尔传感器，它可 分为线性型和开关型两种，实际应的较多的是开关型霍尔传感器。 1 2 课题背景及研究意义 1 2 1 无刷直流电机的优缺点 方波型永磁直流无刷电机主要有以下优点【1 3 1 4 1 ： ( 1 ) 噪音小：与传统的直流电机相比，由于没有电刷，所以不会产生由于机械 换相引起的噪音。 ( 2 ) 效率高：由于b l d c m 的转子是永磁体，它可以提供恒定的磁场而不需要 消耗能量，因此有文献认为b l d c m 是所有电机中效率最高的一种。 ( 3 ) 控制简单：在个电磁周期内只需知道转子的六个关键位置信号。如果忽 略电机定子绕组的电阻，电机的转矩与电流成正比，转速与电压成正比，因此控 制系统较容易实现。由于这些原因，世界上许多功率半导体器件公司都生产 b l d c m 产品。特别是在最近，由于b l d c m 的专用集成控制芯片的问世，进一 步减小了控制系统的成本。 ( 4 ) 功率密度高：方面由于电机转子没有绕组，减小了电机的体积，并且电 机的发热主要在电机定子上，有利于电机的散热。另一方面，钐钴，钕铁硼等高 性能永磁材料的应用，进一步提高了电机的功率密度。 但是b l d c m 同样也存在一些缺点： ( 1 ) 永磁材料价格昂贵：虽然我国是稀土永磁材料大国，但是由于生产工艺等 原因，高性能的永磁材料依然依赖进口，大大增加了电机成本。 ( 2 ) 转子去磁：b l d c m 如果控制不当，定子电流产生的磁势和高温都可能使 - 3 浙江大学硕士学位论文第一章 ( 2 ) 转子去磁：b l d c m 如果控制不当，定子电流产生的磁势和高温都可能使 转子永磁体去磁( d e m a g n e t i z a t i o n ) 。 表1 1 永磁无刷直流电动机与直流伺服电动机的性能比较【1 0 项目永磁直流无刷电动机直流伺服电动机 适用寿命至少2 0 0 0 0 h 3 0 0 0 5 0 0 0 h 取决于轴承的使用寿命对负载和环境条件变化明 显 维修基本不需维修需定期检查和更换电刷 噪声小( 无电刷噪声)大( 有电刷噪声) 效率很高( 因为电机产生的热量高( 主要是整流损耗和励 从定子散发，冷却效率高)磁损耗，但是其发热在转 子，冷却效率较低) 过载能力大( 热常数大，转矩大)中等( 热常数小，电流受 电刷过载能力限制) 功率密度高较高 动态响应性能很快( 转动惯量小)快( 转动惯量较大) 表1 2 永磁无刷直流电机与交流异步电机的性能比较 项目永磁直流无刷电动机交流异步电机 效率高( 无转子损耗)低( 有转子绕组损耗) 定子励磁电流不需要( 磁场由转子提供)需要 控制系统简单复杂( 矢量控制，直接转 矩控制) 功率密度高低 动态响应性能很快( 转动惯量小)快( 转动惯量较大) 调速范围小( 很窄的弱磁范围)大( 宽弱磁范围，并容易 实现) 价格高( 主要是永磁体价格较低 贵) 1 2 2 无刷直流电机的应用场合 ( 1 ) 家用电器 随着人们生活水平的提高，高效，节能，低噪音，具有环保功能的“绿色家 电”越来越受到人们的欢迎。在空调行业，永磁无刷直流电机的应用已经成为衡 量空调技术水准的重要指标之一。目前，交频空调技术已从异步电机变频控制发 展到无刷直流电机的变转速控制，即市场上所宣传的“直流变频空调”，其压缩 机电机和室内，室外风机都采用永磁无刷直流电机，与采用交流异步电机变频 空调相比，无刷直流电机变转速空调具有启动功率大，效率高，节能，抗电压波 动能力强等优点。 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 ，4 浙江大学硕士学位论文第一章 衣机的电机类型主要有异步电动机，开关磁阻电机和无刷直流电动机三大类。永 磁无刷直流电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。 ( 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异步电机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，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，主要包括以下几个方面：低速运行的平 稳性：速度控制的精度；低速大转矩输出和快速的转矩动态响应性能。 ( 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 用矢量控制的异步电动机已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，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。 但是永磁伺服系统中存在的转矩脉动的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，转矩脉动的问题更加突出，由于没有减速 机构，电机产生的转矩脉动直接传递到负载，负载干扰也直接传到电机轴上，这 些因素都将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，由于永磁直流无刷电动机具有效率高，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 以及家电领域得到广泛应用，但是其固有的转矩脉动缺陷会引起转速波动，机械 震动和噪声，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机的转矩脉动抑制技术一直都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中应用 的并不多，特别是在国内这方面的差距较大。因此研究永磁无刷直流电机转矩脉 动抑制技术，并将其实用化，具有重要的显示意义。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机的转矩脉动，以求能进一步拓宽 永磁无刷直流电机的应用范围。 5 浙江大学硕士学位论文 第一章 1 3 永磁无刷直流电机转矩脉动产生的机理及分类 转矩特性是电动机性能的一项重要指标，其中最主要的是电机产生的平均转 矩的大小和转矩的平稳性。无刷直流电机的转矩脉动一直是制约其在要求转速位 置控制精度高的场合的应用的主要原因。根据无刷直流电机的转矩产生机理的不 同，转矩脉动主要分为以下两类【6 】：齿槽转矩和纹波转矩。 ( 1 ) 齿槽转矩( c o g g i n gt o r q u e ) ：由于电机定子的齿槽与转子的永磁体磁钢相 互作用产生的转矩，这个转矩随空间位置的变化周期性变化，它表现为总是试图 将转子定位在某些位置，这个转矩与定子的电流无关。 ( 2 ) 纹波转矩( r i p p l et o r q u e ) ：由于定子电流产生的磁动势与转子永磁磁通相 互作用而产生的转矩，包括两部分： ( a ) 磁阻转矩( r e l u c t a n c et o r q u e ) ：由于转子的转动引起的磁阻变化与定 子电流生的磁势相互作用而产生转矩磁阻转矩，它与转子的位置有关。 ( b ) 电磁转矩( m u t u a lt o r q u e ) ：定子电流产生磁动势与转子永磁磁通相互 作用产生的转矩。 永磁无刷直流电机对外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，一般可通过调整转子磁钢的宽度，定子分数槽绕组 或采用定子斜槽，转子错极的方法来抑制齿槽转矩。一般直流无刷直流电机的转 子多采用表面安装式磁钢结构，对于表面安装式磁钢结构的无刷直流电机，由于 永磁体的磁导率和空气的基本相等，转子磁阻基本不随转子位置的变化而变化，因 此磁阻转矩也可以忽略。方波型无刷直流电机转矩脉动的主要部分就是由于电流 和反电动势偏离理想波形而产生的转矩脉动。 高1p 沙 ( a ) 方波型无刷直流电机( b ) 正弦型永磁同步电机 图1 - - 3 永磁无刷直流电机理想的反电动势和电流波形 1 4 转矩脉动抑制国内外的研究现状 根据转矩脉动产生的机理的不同，采用的转矩脉动抑制的方法主要是两种： 一种是电机本体优化设计，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 过调整加在电机定子绕组上的电压或电流波形来抑制转矩脉动。 6 渐江文学硕士学谊论文第一章 隧疆躐滋霞圈盛圈蕊麓瀚圈 置置豳圆 ( 5 ) 篡它方法：包括在能够产嫩足够大的励磁磁势的前提下采用无槽武绕 组；减小邂子槽墨宽度和使用磁性楗楔等。 i 3 2 反奄动势波形伉纯设计研究概况嗍 永磁光刷直流电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 磁转矩脓渤的主要原因。从电瓿设诗浆角度来看，逶过气豫齿攒，定予绕组的馕 讫设诗，往绕缝反电动势渡形尽可辘接近理想波形，可以藏小电磁转矩辕动。对 于正弦型永磁电机，应尽量减少反电动势的谐波成分，使反电动势的波形尽可能 7 浙江大学硕士学位论文第一章 接近正弦：而对于方波型永磁无刷直流电机，其反电动势则是越接近方波效果越 好。 ( 1 ) 磁钢形状和充磁方式：对表面粘贴式磁钢结构的电机，磁钢的形状和 充磁方式对气隙磁场的分布有很大的影响，如图l 一5 所示，当电机极数较少时， 径向充磁得到的气隙磁密接近方波而平行充磁得到的气隙磁密接近正弦波。当极 数较多时两者产生的波形类似。 a ) 弓形磁钢平行充融( b ) 瓦形磁锅平行充磁( c ) 瓦形磁钢径行充磁 接近正弦- 接近方波 图1 5 磁钢形状及充磁方式对气隙磁场分布的影响 ( 2 ) 绕组类型：在相同的气隙磁密波形下，绕组结构的不同，感应的反电动势 波形也不同。对正弦型的永磁无刷直流电机，为减少反电动势的谐波成分，常采 用短距分布绕组；对方波型无刷直流电机，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 。电角度，此时气隙磁场的 平项宽度只要大于1 2 0 。，就能满足产生平顶宽度大于1 2 0 。电角度的理想梯形波 反电动势的条件。 1 3 3 理想方波型无刷直流电机换相转矩脉动抑制研究概况 方波型无刷直流电机一般采用1 2 0 。导通方式，每6 0 。电角度换相一次，由 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。根据电机转速的不同，换相时开通相电流，关断相电 流和非换相相电流的变化情况有三种，如图1 6 所示。 i 舻a 三爿扣“，锦：一岛牛 “，勺勺坠遍牛 i 冉争专7 2 并一“冉栌销一 “冉掣z 3 争卜 。 矽一。- _ 7 r 。1 7 ，。a 磐。a 勺终。a 勺喜冬 ”“。1 “ 世“ 筌一至_ 0 蕊= t c = i l xt c = i l l k lk = l “l k ( a ) k b ) l k c i 时的电流变化情况( b ) k b = i k c 时的电流变化情况( c ) k b i k c | 时的电流变化情况 图1 6 不同电流变化率的情况下的电流脉动 8 浙江大学硕士学位论文第一章 ：三三兰e 三工二嚣三三兰e 三蚤芒嚣三= j e 三工兰 嚣二二云三三三二嚣二二云三三己兰：二面鬯三芒 嚣e 三三三i i 嚣云匠三三竺主i 嚣e 芒三二矗 嚣三兰三 二兰三篙三罂三匾二三三嚣岳三 二! 三 ：詈二三三兰e 三e 嚣二三三兰己三高警! ! 二墨e 三互u 9 5 = u 9 5 二二二叠砷9 5 上酗l 圈噩噩墨j 囝噩噩噩碉圈噩登噩噩 9 浙江大学硕士学位论文 第一章 0 in i 。h 产弋气氏尹毋手一 x i 蕊 ( a ) 常规重叠换相法( b ) 电流定频采样与重叠换相法 图1 8 电流定频采样与重叠换相抑制转矩脉动 仿真实验证明，在电流采样频率为2 0 0 k h z 时，与常规的重叠换相相比，转 矩脉动系数从4 3 减小到了2 3 。 利用这种方法抑制转矩脉动，在反电动势为理想梯形波，电机运行在 4 e m 7 _ 二三干、门兰：厂 。l 口 一 i 口5 各 1x l p 5 也黜次 氅 i b 5谐 j 影优；：一v n n o 盏卧j 口7波 | a b c ki c - qxj 9 7 _ ! 靼；弓 叠 j 嘲。 加 i 口+ 一x l q l l h11 塑! 吕土：砭hp i t 砭多一二一卜一 叫m ，= 0 卜一jt 矗一i # 1 0 ) 谐波消除法的控制原理圈 浙江大学硕士学位论文第一章 坐标系d 归的变换和谐波的叠加得到印轴电流的参考值，经过电流调节器和中性 点电压补偿，限幅，最后产生s v p w m 波形。控制框图如图1 1 2 所示。 文献【1 1 】中实验表明，这种方法能够有效的抑制较大的反电动势谐波产生 的电磁转矩脉动。但是也有很多缺点： ( 1 ) 这种方法本质上属于静态下以反电动势谐波成分为依据的开环控制方 法，加上电流调节器带宽的限制，相电流很难复现参考波形中的高次谐波，因此 其作用是有限的。 ( 2 ) 该系统经过多次坐标变换和电流，转速调节，控制系统非常复杂，使 无刷直流电机系统失去了控制简单的优点； ( 3 ) 进行坐标变换需要知道连续的转子位置，如果使用光学编码器，则会 大大增加系统的成本，光学编码器的市场价格甚至要高出数百瓦的永磁电机的本 体的价格【8 1 。再加上价格也不菲的电流传感器和复杂的控制系统的成本，整个系 统的实际应用将受到极大的限制。因此，可以认为，这种利用谐波消除法来进行 非理想方波型永磁无刷直流电机转矩脉动抑制的理论意义要远远大于其实际应 用价值。 2 转矩闭环控制法【1 0 】 为了提高系统的动态响应性能，近年来又提出了转矩闭环直接控制的方法。 这种方法以电机的瞬时电磁转矩为控制对象，根据实际转矩反馈信号，通过转矩 调节器实现对瞬时转矩的直接控制，从而减小转矩脉动。 转矩直接控制的关键是准确得到转矩反馈信号，按反馈信号获得方式的不 同，可分为宜接转矩反馈和间接转矩反馈两种方法，直接转矩反馈一般通过连接 在电机输出轴上的力矩传感器直接测量电机的输出转矩作为反馈信号。但是力矩 传感器等测量装置需安装在电机与负载之间，影响电机系统结构的紧凑性：同时 力矩传感器比较笨重，信号通过电刷输出，往往会降低系统的刚度，使系统的响 应变慢。另一方面，一般的力矩传感器的频带较窄，只能工作在静态和低速条件 下进行转矩的测量，响应快，频带宽的力矩传感器价格十分昂贵，这些缺点都限 制了直接转矩反馈的实际应用。 间接转矩反馈法是指转矩反馈信号通过间接测量方法得到，一般是利用电机 的结构参数和一些容易测量的状态变量，如电压，电流，角位移及角速度等，构 成转矩观测器，进行转矩闭环控制，其控制原理图如图l 1 1 所示。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第一章 图卜1 1 基于观测器的转矩直接控制原理图 对于空间磁场正弦分布的永磁同步电机有： = 詈( f 。+ 6 e j l 2 0 + i c e j 2 4 0 ) = i 。+ j i p “s = ( u a + u b e j l 2 0 + u c e j 2 4 0 ) = “口+ ，“口 鼍s = 如s rs i 。) d t = q a + 归8 t = p ( b i s ) = 9 p ( t a i 8 一坳如) ( 1 2 ) 式中i s , u ，甲，分别为定子电流空间矢量，定子电压空间矢量和定子磁链空间 矢量；i a ，i p ，“口，：，、壬，口分别为定子电流，电压和磁链空间矢量在& 筘坐标系下 的分量；p 为极对数，船为定子电阻。只有测出电机的三相电压和电流，根据式 ( 1 2 ) 就可估算得到电机的转矩。但是当电机的气隙磁场分布为非正弦时，由 于反电动势谐波与定子电流谐波相互作用也会产生恒定电磁转矩及各次谐波转 矩，因此转矩观测要复杂得多。并且由于转矩观测必须预先知道电机绕组的电阻 和电感值，电机运行时的磁路饱和与温升都将引起参数的变化。从而引起转矩观 测器的误差。并且转矩观测器运算复杂，需要高性能的微处理器或数字信号处理 器d s p 来完成，系统的成本较高。 ( 3 ) 智能控制技术在转矩脉动抑制中的应用口6 】【1 7 】 传统的电机控制策略一般都是基于拉普拉斯变换的经典控制理论，对应单输 入单输出，以p i d 控制为代表，磁场定向控制，非线性解耦控制都属于这种控 制方法，是目前在电机控制中应用最广泛也是最成熟的控制方法。但是由于它 们都依赖精确的数学模型，因而都有对负载的适应能力差，抗干扰能力差和对系 统的参数变化敏感等缺点。由于电机系统是多变量，非线性，强耦合的复杂系统， 很难用精确的数学模型来描述，这就使得基于精确数学模型的传统控制方法存在 一定的局限性。 现代控制理论以状态变量为基础，对应多输入，多输出，目前应用于永磁无 刷直流电机的控制方法主要集中在模型参考自适应，滑模变结构，状态观测器等 1 3 浙江大学硕士学位论文第一幸 方面【2 卜。) 。随着人工智能技术的发展，专家系统，模糊控制理论，人工神经元 网络等智能控制的最新成果开始进入电机控制领域叫一，】，给进一步提高永磁无 刷直流电机的控制性能提供了一条全新的途径。特别是神经网络控制技术，作为 一种大规模并行，分布式信息处理系统，它具有很强的自适应能力，非线性映射 能力，容错能力和无需先验知识的概括能力等特性，因此它可以通过自学习，对 系统的各种特性进行描述，并可以通过自学习和自组织得出相应的控制策略。此 外，由于大规模并行处理技术的采用，使得神经元网络具有很快的信息处理速度， 控制的实时性更强，这也正是高性能电机调速系统所要求的特性。神经网络的这 些特点使得它和传统的控制方法相比，具有明显的优越性。但是神经网络控制在 电机控制领域的应用还只是刚刚起步，主要停留在理论研究阶段，大规模的应用 还需一段时间。 1 5 本文研究的主要内容及结构安排 永磁无刷直流电机的转矩脉动抑制技术主要包括电机本体结构的优化设计 和电机控制策略的研究两个方面，本文只研究通过新型控制策略来抑制无刷直流 电机的电磁转矩脉动。根据永磁无刷直流电机的反电动势的不同，对理想梯形波 和非理想梯形波反电动势两种情况，分别提出了两种不同的控制策略，进行转矩 脉动抑制。除了第一章的课题意义和文献综述等内容外，本文其余三章的主要内 容分布安排如下： 第二章主要研究三相六状态t 2 0 0 导通方式控制下方波型无刷直流电机的换 相转矩脉动抑制技术。首先在理想反电动势的条件下分析了影响换相转矩脉动的 因素和转矩脉动大小。并由此分析了调制方式，重叠换相角等对换相转矩脉动的 影响，得出了采用重叠换相技术的适用范围。 第三章主要研究了非理想梯形波反电动势的无刷直流电机的转矩脉动抑制 技术。在第三章的开始首先分析了齿槽转矩抑制措施对反电动势的波形的影响； 接着对永磁无刷直流电机在1 2 0 。导通和1 8 0 。导通方式下的转矩脉动和转矩电流 比等方面进行了比较和分析；接着提出了一种基于最优电流跟踪的转矩脉动抑制 控制方法，并通过m a t l a b 仿真对这种方法进行了验证。 第四章的主要内容是实验的硬件系统和软件的编程流程，最后给出了基于滞 后重叠换相法抑制转矩脉动的实验波形。 第五章是本文主要内容的总结和进一步工作的展望。 1 4 浙江大学硕士学位论文第一章 1 6 本章主要内容小结 本章首先简要回顾了无刷直流电机的发展历史；然后对无刷直流电机的定义 进行了分析，并根据其气隙磁场的空间分布( 反电动势波形) 的不同，对无刷直 流电机进行了分类。接着对本课题的研究背景和意义进行了分析；在简要分析无 刷直流电机的转矩脉动产生的机理后，对转矩脉动抑制的国内外研究现状进行了 综述；最后对本文的后面各章的内容进行了简单的介绍。 1 5 浙江大学硕士学位论文第二章 第二章理想方波型永磁无刷直流电机的转矩脉动抑制 摘要：本章首先对永磁无刷直流电机的数学模型进行了推导，然后根据数学 模型分析了转矩脉动产生的机理。接着通过对电机运行在换流和非换流状态的分 析和建模，得出了在换流状态下几种最常见的调制方式下的换相转矩脉动的大 小，并提出了在不同的转速下抑制转矩脉动的方法，并通过仿真实验进行了验证。 2 1 永磁无刷直流电机的数学模型【1 】 誊 = 言丢兰 i + 丢鑫荔攀 i + 圣 c z 一， 1 6 浙江大学硕士学位论文 第二章 i l = 专毒兰 蓬 + 鲁 i ； 差 + 圣 。：一。， 图2 1 永磁无刷直流电机的数学模型 无刷直流电机的电磁转矩为： 乃= 盟警 ( 2 _ 5 ) 其中q 为转子的机械角速度。 在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的感应电动 势为： e m = ( p n 6 0 ) q ) m ” ( 2 6 ) 式中：n 电动机转速( 转分) ； o 。主磁通； p 极对数； 总导体数。 从变频器的直流端看，y 型联结的无刷直流电机感应电动势e d 由两相绕组 经逆变器串联组成，所以有： e a = 2 = ( p n 3 0 ) q b m ” ( 2 7 ) 因此，电磁转矩表达式可以化为： 乃= e d i d = ( p n x ) 中m i a ( 2 8 ) 式中：幻方波电流的幅值； q 2 石r d 6 0 。 转子运动方程为： 1 7 浙江大学硕士学位论文第二章 警柏一r d ， 式中：死负载转矩； j 电机转子与负载的转动惯量。 2 2 影响永磁无刷直流电机转矩脉动的因素 ( 2 9 ) 对方波型无刷直流电机，一般采用1 2 0 。控制方式，即：每个开关管导通1 2 0 0 ， 每6 0 。换相一次。换相时刻由开关型霍尔传感器输出信号的跳变来获得，如图2 2 所示。在这种控制方式下，稳态下，任一时刻只有两个开关管开通，每个换 相时刻一个开关管关断，另一个开关管开通，在理想情况下( 直流侧的电压为无 穷大，即定子绕组中的电流可以发生突变) ，每相绕组中的电流为1 2 0 0 电角度宽 的方波，此时根据无刷直流电机的转矩方程，电机产生的电磁转矩脉动为零。 实际中，由于电机定子绕组的电感和电阻的存在，直流侧电压的有限和电机 运行时反电动势的存在，都决定了换相时定子绕组电流是不可能为发生突变的， 即开通相和关断相的电流的变化率都是有限值，在反电动势为理想的梯形波的条 件下就产生了转矩脉动。下面以从t 6 向t 2 换相为例( 即图2 2 中阴影部分所 在的换相区间) ，分析影响转矩脉动大小的因素。 0 3 1r 。一 彳2 焉手2 卜产2 霹毡= = i 羲斥= = 寻 = = = = 薹彰r 七= = = = 二= ：粕 m - - - - , 潜g 彳= = = = 讣 憋兰型 m l t l l t 1 i t 3 l t 3 lt 5 | t 5 陌寸百n 习彳丌百同 圉2 - - 2 位置估感器信号与反电动势 一 电流信号的相位关系 换相前t 1 ，t 6 导通，电流从a ，b 两相绕组中通过，根据调制方式的不同， 其电流流向有四种情况，如图2 3 所示：换相后是t 1 ，t 2 导通，t 6 关断，a 相通电保持不变，b 相绕组中的电流通过二极管向上续流，电流的大小开始减小， c 相绕组中的电流从零开始上升，其电流的流向如图2 4 所示。 1 8 浙江大学硕士学位论文第二章 ( a ) 换相前t 1 ，t b n 时开通时的状态 n o 广士 ( c ) n n o 陪 _ 一 ( b ) 换相前t 1 开通，t 6 关断时的状态 n 。_ ，。 证w l i ( d ) 换相前t l ，t 6 同时关断时的状态 图2 3 换相前的开关状态与等效电路 v d 2 n ( a ) 换相后t 1 ，丁2 开通时的状态 ( b ) 换相后t 1 开通丁2 关断时的状态 图2 - 4 换相后的开关状态与等效电路 以直流电压的中点为参考点，假设开通的t 1 ，t 2 分别进行p w m 调制，可 以写出换相期间三相电压平衡方程： v s a l v d c l 2 l = v s c l 丑0 0月 oo 式中，v s 。= ( s 口一1 2 ) = ( s c 一1 2 ) v d c 上oo 0l0 00三 f | | + ( 2 1 0 ) 分别表示a ，c 相绕组对参考点o 之间的电压，s a