無刷直流電機轉矩脈動控制技術

(天津成科自動化工程技術有限公司，天津 300384)

0 引言

無刷直流電機采用的是高磁能的永磁材料，隨著電力電子器件和技術的發展而發展起來的新型電機。它同時擁有交流電機與直流電機的優點，可靠性能高、維護簡單、易于控制等特點。在家電、自動化領域、工業等領域廣泛應用，如何抑制無刷直流電機轉矩脈動問題及提高無刷直流電機的控制精度，本文介紹無刷直流電機的背景和現狀，并對電機的控制策略進行分析。

1 無刷直流電機的背景和現狀

交流感應電機結構簡單、運行穩定，但是調節性能不好。交流同步機運行穩定，起動性能差。直流電機的調節性能和起動性能好，但早期的有刷直流電機成本高，同時存在火花噪聲、電磁干擾等問題。無刷直流電機在換向方面通過電子換向，取代了有刷直流電機的機械換向器，從而使電機運轉起來。隨著永磁材料的成功研制，無刷直流電機的應用領域非常廣泛，如電冰箱、空調、洗衣機等領域。無刷直流電機和永磁同步電機正不斷的代替原先使用的感應電機，具有高效率、體積小、噪聲低、開發周期短等優點；辦公自動化領域的VCD、DVD、CD 主軸驅動電機以及硬盤驅動器用的電機等運用在計算機外圍設備上的，都有無刷直流電機，這些電機具有精度高、轉速高、使用壽命長、抗無線電干擾能力強特性，工業制造機器領域的精密數控機床、工業縫紉機，采用的都是無刷直流電機，具有運行精度高、成本低、機械結構緊湊等特點。

目前，帶位置傳感器無刷直流電機在生產工藝和控制技術方面已經趨于成熟，并形成了GJB 1983、GB/T 21418—2008等一系列的標準，無位置傳感器無刷直流電機控制技術還未成熟，包括無位置控制、變結構控制、轉矩脈動等技術，成為無刷直流電機的研究熱點。

2 控制策略

2. 1 轉矩脈動產生原因

無刷直流電動機轉矩脈動問題產生的原因主要有兩類：一類是轉子齒槽與定子結構設計而導致電機反電動勢波形產生畸變，因此而引起的脈動，稱為齒槽轉矩脈動；另一類是換相轉矩脈動，無刷直流電機轉矩表達式如式(1)，定子繞組電感存在，換相時存在延時，斷開相電流的下降過程和接入相相電流的上升過程需要一定的時間完成，電流波形不是理想的方波，從而形成轉矩脈動。

(1)

式中，ia、ib、ic—三相繞組電流;ea、eb、ec—三相反電動勢;Te—電磁轉矩;ω—電機機械角速度。

對于第一類齒槽轉矩脈動采用CAD、CAE等技術對電機結構進行合理優化與改進；對于第二類換相轉矩脈動需要通過控制算法與硬件電路設計來解決轉矩脈動問題。

2.2 無刷直流電機控制策略

抑制轉矩脈動常用方法包括：基于無差拍控制的抑制策略、基于髙低轉速調制的抑制策略、三相調制換相的抑制策略和三段式調制換相的抑制策略。

無刷直流電機換相過程中三相都參與能量交換，更為接近交流電機的瞬態過程，不論是換相區間還是非換相區間，都要對無刷直流電機的電流快速精確的控制，本文將無差拍控制器用于無刷直流電機的電流控制中。無刷直流電機三相電動勢公式見式(2)

(2)

式中，ω—角速度；keA、keB、keC—電動勢系數。

基于無差拍控制的抑制策略目的包括：非換相區間控制非理想電動勢引起的轉矩脈動和換相區間控制換相轉矩脈動兩個目的。因此為了達到抑制轉矩脈動的控制目的，無刷直流電機都需要維持電磁功率不變，最終協調控制三相電流，本文選擇DBC控制器作為電流控制器。

抑制無刷直流電機轉矩脈動的控制器，如圖1所示。

圖1 系統控制框圖

控制器是雙閉環控制結構，包括速度環和電流跟蹤環，電流內環采用DBC控制器控制方法，速度環將實際的轉速與給定的轉速間的誤差，輸出為電流給定，電流跟蹤環對電流給定進行跟蹤，經過實驗平臺驗證，在低速，小電流運行時，相時間較短，換相過程中電動勢不變；在高速、大電流運行時，其換相時間可能較長，甚至可能超過60度范圍[1]。

基于髙低轉速調制的換相轉矩脈動抑制策略:當轉速較低時，電機反電勢較低，此時，接入相電流上升速度大于關斷相電流下降速度,導致d△Te/dt>0,產生轉矩脈動，這時基本思路是：減小接入相電流的上升速度，使與關斷相電流下降速度相等，這樣在換相期間可以保持非換相相電流保持不變，從而抑制轉矩脈動的產生；當轉速較高時，電機反電勢較高，接入相相電流上升速度小于關斷相相電流下降速度，導致d△Te/dt<0,產生轉矩脈動，這時基本思路是：減小關斷相相電流的下降速度,使與接入相相電流上升速度相等，或者是增加接入相相電流上升速度,使與關斷相相電流下降速度相等，這樣在換相期間可以保證非換相相電流保持不變，從而抑制轉矩脈動的產生。但是在運行過程中，對高低速的判斷以及反電勢E的收集復雜程度程度較高，算法較為復雜，給控制帶來一定困難。

三相調制策略抑制換相期間轉矩脈動是在全速段范圍內進行的，提出了調整非換相相與關斷相關的PWM占空比，而保持接入相恒通的調制策略，使接入相電流上升速度和關斷相相電流下降速率大小相等而方向相反。如圖2所示。三相換相轉矩脈動抑制基本策略圖，通過調整2種方式的關斷相與非換相相調制占空比，變可以完成轉矩脈動的抑制。

圖2 三相換相轉矩脈動抑制基本策略[2]

三段式調制換相的抑制策略是在全速段范圍內通過對開關管實現換相轉矩脈動抑制。如圖3所示的三段式換相轉矩脈動抑制基本策略圖，在一個周期中分為3個階段，通過合理選擇斷開相占空比與非換相占空比，來抑制換相期間轉矩脈動。

圖3 三段式換相轉矩脈動抑制基本策略[2]

3 結語

本文針對無刷直流電機的轉矩脈動原因進行了重點分析，通過不同的控制策略實現對無刷直流電機的控制，其目是控制關斷相相電流下降速度與接入相相電流上升速度相等，從而減小無刷直流電機的換相轉矩脈動，使無刷直流電機在高性能控制領域得到進一步應用。