永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的研究綜述

賀科寧，徐 蕾

（武警工程大學(xué)，陜西 西安 710086）

在社會(huì)中，電能是最常用且最為普遍的二次能源，而電機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)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(lái)越高，如何有效地節(jié)能減排以及提高電機(jī)效率迫在眉睫，對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高地要求，而現(xiàn)階段最具有優(yōu)勢(shì)的電機(jī)是永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡(jiǎn)寫(xiě)為PMSM）。隨著電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)和控制理論的發(fā)展，更加促進(jìn)了電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，但永磁同步電機(jī)最顯著的缺點(diǎn)就是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的存在，由于電機(jī)本體的設(shè)計(jì)、控制器的偏差或反電勢(shì)的畸變，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨之產(chǎn)生脈動(dòng)而影響了速度的穩(wěn)定性和電機(jī)的效率，因此對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究有著重要的意義。

1 永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析

隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)性能和應(yīng)用范圍要求越來(lái)越高，尤其對(duì)電機(jī)運(yùn)行速度的穩(wěn)定性提出了要求。但現(xiàn)實(shí)是，電機(jī)運(yùn)行中轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，影響了速度的穩(wěn)定，也增加了電機(jī)的能耗，所以轉(zhuǎn)矩輸出平滑度成為衡量電機(jī)控制動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)之一，如何克服轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)一直是國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究重點(diǎn)。而在電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要由以下3個(gè)因素造成：①電機(jī)本體方面，如磁路不對(duì)稱、定轉(zhuǎn)子不同軸等電機(jī)加工工藝原因和磁路飽和現(xiàn)象等，使永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電樞齒槽相互作用，引起齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；②電流諧波方面，由于逆變器的死區(qū)時(shí)間和開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通管壓降等等非理想因素影響的存在，使調(diào)速系統(tǒng)引入大量的高次電流諧波分量；③檢測(cè)誤差方面，由于電流傳感器的測(cè)量存在直流偏置，或者旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)量存在正交、偏置等誤差，會(huì)影響電機(jī)電流轉(zhuǎn)矩計(jì)算的精確性，使得電機(jī)產(chǎn)生檢測(cè)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

2 抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者根據(jù)這些原因特點(diǎn)進(jìn)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(diào)制技術(shù)?？臻g電壓調(diào)制技術(shù)理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通過(guò)對(duì)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(guò)逆變器的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來(lái)決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而形成PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）波形。這種方法使用的是全部的空間電壓矢量，其數(shù)量理論上是無(wú)限的，但是矢量的個(gè)數(shù)越多，矢量表越細(xì)分，會(huì)導(dǎo)致控制方法越復(fù)雜，控制性能無(wú)法得到保證。

（2）速度環(huán)輸出補(bǔ)償。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，將迭代學(xué)習(xí)控制器、重復(fù)控制器等控制環(huán)節(jié)與轉(zhuǎn)速外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器并聯(lián)，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)速環(huán)輸出的轉(zhuǎn)速指令值。通過(guò)跟蹤周期性給定實(shí)現(xiàn)周期性脈動(dòng)抑制，適用于具有重復(fù)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的工業(yè)過(guò)程。其中采用的PI迭代學(xué)習(xí)控制器作為反饋控制環(huán)的前饋電壓補(bǔ)償，有效抑制了周期脈動(dòng)，但考慮實(shí)際應(yīng)用中硬件電路的處理能力以及迭代學(xué)習(xí)算法的計(jì)算量問(wèn)題，在實(shí)際中尚未達(dá)到理想效果。

（3）死區(qū)補(bǔ)償法。①軟件補(bǔ)償法，一般以電壓誤差信號(hào)和電流極性為依據(jù)來(lái)對(duì)死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，常常設(shè)計(jì)為前饋模式。軟件補(bǔ)償只需設(shè)計(jì)死區(qū)補(bǔ)償算法寫(xiě)入電機(jī)控制系統(tǒng)中，省去了逆變器輸出電壓脈寬檢測(cè)電路，不用額外設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的硬件電路；②硬件補(bǔ)償法，在三相橋臂上增加實(shí)際輸出電壓檢測(cè)電路，測(cè)出逆變器輸出PWM波的脈寬，再與理想的參考PWM波脈寬進(jìn)行比較并獲得二者間的時(shí)間誤差，以此對(duì)逆變器實(shí)際輸出脈寬進(jìn)行補(bǔ)償，使之達(dá)到理想脈寬。在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)橄到y(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻，采樣獲得的電壓脈沖和理想脈沖之間存在一個(gè)控制周期的延遲時(shí)間，特別是當(dāng)相電流正負(fù)極性變換時(shí)，容易造成誤補(bǔ)償。

（4）諧波注入法。由于逆變器非線性特性及電機(jī)氣隙磁場(chǎng)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(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩平滑度降低。在實(shí)際運(yùn)用中，一種方法是提取各次諧波分量然后分別注入相應(yīng)諧波分量來(lái)抑制諧波電流，雖然效果很好但是系統(tǒng)過(guò)于復(fù)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(duì)高次諧波的抑制效果好。

但是從實(shí)際的使用效果來(lái)看，當(dāng)前沒(méi)有一種使永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化的控制方法。而現(xiàn)有的算法各有特點(diǎn)又存在缺陷，主要問(wèn)題是：①現(xiàn)代控制理論方法涉及的運(yùn)算量較大，對(duì)DSP控制芯片的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量提出了較高地要求；②由于現(xiàn)有技術(shù)的局限性對(duì)轉(zhuǎn)子位置的估算無(wú)法完全精準(zhǔn)；③在利用開(kāi)關(guān)控制的過(guò)程中不可避免的帶來(lái)擾動(dòng)；④難以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的非線性完全補(bǔ)償；⑤算法中缺少適應(yīng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中復(fù)雜變化的學(xué)習(xí)能力；⑥為保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行很難測(cè)算出一個(gè)最優(yōu)的控制量。

［1］吳玄玄.變頻空調(diào)壓縮機(jī)PMSM無(wú)傳感器控制系統(tǒng)研究［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2017.

［2］王碩，康勁松，鐘再敏，等.電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法綜述［J］.電源學(xué)報(bào)，2016，14（5）：24-32.

［3］韓曉博.永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017.