永磁同步電機轉矩脈動抑制的研究綜述

賀科寧，徐 蕾

（武警工程大學，陜西 西安 710086）

在社會中，電能是最常用且最為普遍的二次能源，而電機作為機電能量轉換裝置，其電能消耗就占總電能消耗的70%。隨著合理利用有限資源的呼聲越來越高，如何有效地節能減排以及提高電機效率迫在眉睫，對電機的穩定性和可靠性提出了更高地要求，而現階段最具有優勢的電機是永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡寫為PMSM）。隨著電力電子技術、微機控制技術和控制理論的發展，更加促進了電機調速技術的發展，但永磁同步電機最顯著的缺點就是轉矩脈動的存在，由于電機本體的設計、控制器的偏差或反電勢的畸變，電機的轉矩隨之產生脈動而影響了速度的穩定性和電機的效率，因此對轉矩脈動的研究有著重要的意義。

1 永磁同步電機的轉矩脈動分析

隨著工業的發展，對永磁同步電機系統性能和應用范圍要求越來越高，尤其對電機運行速度的穩定性提出了要求。但現實是，電機運行中轉矩不穩定，影響了速度的穩定，也增加了電機的能耗，所以轉矩輸出平滑度成為衡量電機控制動態性能的重要指標之一，如何克服轉矩脈動一直是國內外專家學者的研究重點。而在電機運行中產生轉矩脈動主要由以下3個因素造成：①電機本體方面，如磁路不對稱、定轉子不同軸等電機加工工藝原因和磁路飽和現象等，使永磁體產生的磁場與電樞齒槽相互作用，引起齒槽轉矩脈動；②電流諧波方面，由于逆變器的死區時間和開關管導通管壓降等等非理想因素影響的存在，使調速系統引入大量的高次電流諧波分量；③檢測誤差方面，由于電流傳感器的測量存在直流偏置，或者旋轉變壓器的測量存在正交、偏置等誤差，會影響電機電流轉矩計算的精確性，使得電機產生檢測轉矩脈動。

2 抑制轉矩脈動的關鍵技術研究

國內外專家學者根據這些原因特點進行了多年的研究，并取得了一定的研究成果。主要有以下4種：

（1）空間電壓矢量調制技術。空間電壓調制技術理論基礎是平均值等效原理，即在一個開關周期內通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。通過逆變器的不同開關狀態所產生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結果來決定逆變器的開關狀態，從而形成PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）波形。這種方法使用的是全部的空間電壓矢量，其數量理論上是無限的，但是矢量的個數越多，矢量表越細分，會導致控制方法越復雜，控制性能無法得到保證。

（2）速度環輸出補償。在同步旋轉坐標系下，將迭代學習控制器、重復控制器等控制環節與轉速外環的PI調節器并聯，以補償轉速環輸出的轉速指令值。通過跟蹤周期性給定實現周期性脈動抑制，適用于具有重復運動性質的工業過程。其中采用的PI迭代學習控制器作為反饋控制環的前饋電壓補償，有效抑制了周期脈動，但考慮實際應用中硬件電路的處理能力以及迭代學習算法的計算量問題，在實際中尚未達到理想效果。

（3）死區補償法。①軟件補償法，一般以電壓誤差信號和電流極性為依據來對死區效應進行補償，常常設計為前饋模式。軟件補償只需設計死區補償算法寫入電機控制系統中，省去了逆變器輸出電壓脈寬檢測電路，不用額外設計對應的硬件電路；②硬件補償法，在三相橋臂上增加實際輸出電壓檢測電路，測出逆變器輸出PWM波的脈寬，再與理想的參考PWM波脈寬進行比較并獲得二者間的時間誤差，以此對逆變器實際輸出脈寬進行補償，使之達到理想脈寬。在實際應用中，因為系統當前時刻，采樣獲得的電壓脈沖和理想脈沖之間存在一個控制周期的延遲時間，特別是當相電流正負極性變換時，容易造成誤補償。

（4）諧波注入法。由于逆變器非線性特性及電機氣隙磁場畸變因素的影響，定子電流畸變，電流中含有大量高次諧波，而這些諧波分量會導致電機轉矩平滑度降低。在實際運用中，一種方法是提取各次諧波分量然后分別注入相應諧波分量來抑制諧波電流，雖然效果很好但是系統過于復雜；另一種就是提取總諧波電流然后整體注入以抑制諧波電流，這種方法對高次諧波的抑制效果好。

但是從實際的使用效果來看，當前沒有一種使永磁同步電機轉矩脈動最小化的控制方法。而現有的算法各有特點又存在缺陷，主要問題是：①現代控制理論方法涉及的運算量較大，對DSP控制芯片的運算速度和存儲容量提出了較高地要求；②由于現有技術的局限性對轉子位置的估算無法完全精準；③在利用開關控制的過程中不可避免的帶來擾動；④難以實現永磁同步電機的非線性完全補償；⑤算法中缺少適應動態系統中復雜變化的學習能力；⑥為保持系統的穩定運行很難測算出一個最優的控制量。

［1］吳玄玄.變頻空調壓縮機PMSM無傳感器控制系統研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2017.

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