無刷直流電機電壓前饋補償控制方法研究

張詠昕 李臨生 張博博

摘 要：無刷直流電機結構簡單、機械性能穩定，故而在現階段發電工業中得到廣泛關注與應用。然而由于多種因素所導致的電壓波動與諧波也是需要亟待解決的觀念難題。從具體的原因角度而言機械結構、電磁波動等一系列因素均能形成顯著影響，其中電磁場強的波動尤為重要。在實際的發電工程中我們可以通過電機電壓前反饋補償的方式予以控制。本文重點對其控制方法以及實現進行研究。

關鍵詞：無刷直流電機 電壓 前饋補償 方法

中圖分類號：TH862 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0038-02

無刷直流電機原理相對較為簡單，但是由于其具有電流的單一性，故而在結構方面存在一定的優勢。能夠消除由于電流轉換頻次所帶來的諧波影響。然而，從另一個角度而言此種發電模式受到電磁場強的擾動也更為顯著，對于電壓前饋補償的要求也相對較高。從現有的研究結果來看，學術界對于電壓前饋補償的意義及其方法已經達成了基本的共識。認為在永磁條件下，其磁場是存在某種波動的，而此種波動勢必會表現為發電電壓的諧波特性，從而影響發電的質量。但是，針對此種問題的解決方式則存在一定的爭議與更大的研究空間。從現有的研究結論角度來看，大致分為前饋補償與后端治理兩個方面。所謂的前饋補償主要是指通過人為調節的方式來利用電壓補償使之能夠維持在一個相對穩定的波動狀態，進而消除相關的諧波擾動；而所謂的后端治理則是通過對發電機加裝整流系統與裝置來對發電質量進行提升，其中電壓的前饋補償更為常見。本文以此為基本的研究方法，對該方法的具體要素與實現開展研究，旨在能夠為后續的相關實現與管理提供必要依據。

1 電壓前饋補償方法

所謂的電壓前饋補償主要是指對前段發電電壓的自動計算與補償機制來抑制由于磁場波動而帶來的諧波擾動。從實際的方法確定與使用方法過程中我們需要確定其補償的周期與具體的補償數值。從實踐的角度來看大致可以分為感應電動勢計算與反電勢的計算，具體內容如下。

1.1 感應電動勢計算

理論上永磁無刷直流電機主磁場為矩形波磁場，轉子轉動時會在定子中產生感應電動勢，該感應電動勢由激磁電動勢和電樞反應電動勢組成，且與電動機外加電壓方向不一致，它的存在嚴重影響了電機的運行性能。

而轉子對于定子中電場的切割是形成直流電動勢的根本來源。根據基礎物理的相關理論推導，感應電動勢可以表述為匝數與磁感線的乘積與2倍常數a的比值。從上述定義式中我們不難看出影響其變化的因素中除了長度、常數、匝數等客觀定值（只與發電機的設計相關，而與其運行狀態無關）。因此上述計算模式還可以利用常數C與磁場的乘積來進行描述。

在此種情況下，電場在轉動的過程中勢必會行車工完全且規整的正弦波圖像。

在考慮到存在擾動的情況下，我們可以按照曲線的計算規則對不同幅度下的轉動速度及其電勢進行函數對照，即實際的電動勢等于不同角度下瞬時電動勢的數理積分值。

經過簡化，端電壓可以表述為E與IR的總和。通過轉矩表達式來進行表征則為C、磁通量及電流的乘積。由此可知，當端電壓U保持不變時，E變大，I相應會變小，進而使轉矩變小，鑒于此，假如能實時補償E，使Ia保持不變，對穩定轉矩的意義重大。實踐中也往往是通過此種模式的計算來確定補償方式的。

1.2 反電勢計算

在確定了電勢計算模式的基礎上對電壓前饋補償的方式進行了具體總結。而從實際操作的過程中我們還必須了解其前饋補償中的具體補償規模，即對于補償電壓的控制。這也就需要我們對反電勢進行計算。

由永磁無刷直流電機的構造可知，其轉子為永磁體，定子線圈通過外加電源產生旋轉磁場，經由電磁感應驅動轉子旋轉，在此過程中轉子永磁體會對定子線圈產生感應電動勢，此時，U=Ea+IaR。由于永磁無刷直流電機的轉子磁場類似正弦，因此定子線圈所產生的感應電動勢在轉速很高時會對轉矩平滑性產生很大的影響，該反電勢波形計算可以通過正弦值與夾角電勢來予以確定。簡而言之，在DSP為基準的計算體系中，反電勢則主要是指在固定位點下所形成的空間分布下的電壓補償規模。

從上述的兩個過程計算中我們可以從電壓前饋補償的方法以及具體計算規則方面對后續的相關體系建設形成有效的保障。在按照一定的工程規格加以建設的前提下，形成有效的補償機制。

2 電壓前饋補償實現及效果分析

在確定了其具體方法與計算規范的基礎上，我們有必要對具體的電壓前饋應用與實踐方式進行總結。在本文的研究過程中重點總結其前饋體系的落實及其可能產生的效果。

在實際的控制過程中，對永磁直流無刷電機采用移相控制的方法。移相控制時，任意狀態下只有分屬不同橋臂的兩個功率管導通，這時會在定子線圈產生矩形電壓脈沖。當電機啟動后，感應電動勢E將導致輸入電壓發生畸變；當轉速較高時，畸變嚴重，此時將影響電機轉矩平滑。為了最大程度消除感應電動勢對控制效果帶來的負面影響，擬在產生感應電動勢時增大PWM占空比，用以補償由感應電動勢帶來的壓降，該方法亦稱為電壓前饋補償法。永磁直流無刷電機的三相定子繞組為Y形連接，采用移相通電的控制方式時，任意狀態下只有分屬不同橋臂的兩個功率管導通，并且每隔60°電角度（1/6周期）進行一次換相，每次換相只有一個功率管變化，每個周期中任一功率管導通120°電角度。

上述方式決定了在以功率為評價標準的導通順序形成了有效固定。從而使得電勢與反電勢之間產生了有效疊加。在正弦波動情況下對波峰與波谷進行合理的規劃與調配。與此同時，此種模式在一定程度上還能夠滿足對電壓調配的上上限限定，避免由于過度的調節而產生另一個層面上的擾動。

為了進一步認證此種電壓前饋補償方式的有效性，本文采取波形擬合的方式來對其進行具體的判斷。通過仿真軟件形成多組發電機電流與電壓輸出圖，在通過擬合的手段對其周期的合規性以及諧波電流出現的比例進行計算及評價。通過評價發現，此種電壓前饋方式在電流控制波形方面沒有明顯的凹陷，且分布在極短的時間內所形成的循環波動；在時間與相電波形方面則形成了超過萬分之一的重合比，故而在實際的應用過程中可以被認定為合規；在電壓控制波形方面也表現出與電流控制相同的趨勢。由上述結果可以判斷通過電壓前饋補償控制的方式對客觀上消除無刷直流發電機諧波具有較高的效能。適宜在后續的相關工程應用中予以實現。

除了上文分析所得到的結論之外，同樣存在一些其他方式能夠對諧波產生一定的治理效果，且我們也需要意識到諧波并不是發電機整流治理的唯一目的。這也需要我們在后續的研究過程中予以不斷完善，并通過多種法方共同作用的方式來進一步提升發電質量與效能。

3 結語

通過上文的研究我們重點對于無刷直流發電機電壓前饋補償的必要性與作用進行了系統闡述。同時按照感應電勢計算以及反電勢計算的模式對電壓前饋補償的方法及其計算方式進行了分析；最后提出電壓前反饋補償的具體實現模式并對該種模式下的具體效果與有效性進行評估。希望在本文研究所取得結論的基礎上能夠為進一步形成更為有效的發電治理，為進一步提升發電質量貢獻力量。

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