無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制綜述

卞經(jīng)博

摘 要：無(wú)刷直流電機(jī)具有效率高、可靠性強(qiáng)、尺寸緊湊和控制簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，十分受市場(chǎng)歡迎。然而，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是限制無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文介紹了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，綜述了脈沖寬度調(diào)制（PWM）法、重疊換相法、滯環(huán)控制法和電流預(yù)測(cè)法。研究表明，這些方法都能在特定應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)起到很好的抑制作用。

關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī);轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制;換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

中圖分類號(hào)：TM33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）12-0029-03

Review of Torque Ripple Suppression of Brushless DC Motor

BIAN Jingbo

（Anhui University of Science & Technology，Huainan Anhui 232001）

Abstract： Brushless DC motors have the advantages of high efficiency， strong reliability， compact size and simple control， and are very popular in the market. However， torque ripple is one of the key issues that limit the development of brushless DC motors. This paper introduces the mechanism of torque ripple， and summarizes the pulse width modulation （PWM） method， overlap commutation method， hysteresis control method and current prediction method. Research shows that these methods can effectively suppress torque ripple in specific application scenarios.

Keywords： brushless DC motor;torque ripple suppression;commutation torque ripple

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無(wú)論是工業(yè)生產(chǎn)還是日常生活，都離不開(kāi)電能的使用。直流電機(jī)具有控制方式簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。但是，有刷直流電機(jī)采用機(jī)械換相，因此存在機(jī)械摩擦，這不僅影響著運(yùn)行的穩(wěn)定性，還需要定期更換電刷。無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。但是，受本身制造缺陷、現(xiàn)在電機(jī)控制策略不完善等影響，無(wú)刷直流電機(jī)在運(yùn)行中容易產(chǎn)生抖動(dòng)、噪聲等不穩(wěn)定因素，這類現(xiàn)象被稱為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。正是由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的存在，無(wú)刷直流電機(jī)在一些高精度領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，近幾年，人們對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的研究熱度不減，本文對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及其抑制方法進(jìn)行綜述。

1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生原因

1.1 齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

齒槽轉(zhuǎn)矩是繞組不通電時(shí)定子齒和轉(zhuǎn)子永磁體之間相互作用的切向分量，表現(xiàn)為周期性波動(dòng)。在低速率運(yùn)行的情況下，齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，振動(dòng)和噪聲過(guò)大[1]。常見(jiàn)的解決方法有斜槽法、分?jǐn)?shù)槽法、閉口槽法和無(wú)齒槽繞組法等[2-3]。

無(wú)刷直流電機(jī)采用梯形波作為反電動(dòng)勢(shì)來(lái)給電樞繞組提供方波電流，但梯形波無(wú)法達(dá)到完全理想的波形，導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。針對(duì)這一問(wèn)題，可從采用最優(yōu)電流控制，通過(guò)控制注入與造成電流畸變的諧波相反電流來(lái)補(bǔ)償原本畸變的電流，達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的;通過(guò)定子電流與相反電動(dòng)勢(shì)配合，達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果;將轉(zhuǎn)矩作為反饋量，為達(dá)到抑制脈動(dòng)的效果，利用滯環(huán)將轉(zhuǎn)矩抑制在一個(gè)相對(duì)較小的值[3]。

1.2 換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因是無(wú)刷直流電機(jī)工作時(shí)處于兩兩導(dǎo)通狀態(tài)，一旦換相，就會(huì)發(fā)生換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[4]。電機(jī)繞組是感性負(fù)載，在換相的過(guò)程中，關(guān)斷相與導(dǎo)通相的電流變化并非瞬間發(fā)生，存在續(xù)流狀況，導(dǎo)致關(guān)斷相電流的下降速率與導(dǎo)通相電流的上升速率不一致[5]。無(wú)刷直流電機(jī)利用電子換相來(lái)代替機(jī)械換相，因此為了使得電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，必須保證換相信號(hào)正確。無(wú)刷直流電機(jī)換相期間，線圈通電狀態(tài)會(huì)改變一次。但是，線圈中電感及互感的存在會(huì)阻礙電流的正常變化，造成力矩異常變化。因?yàn)閾Q相造成的脈動(dòng)超過(guò)平均值的一半，所以換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是引起無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要原因。這就限制了無(wú)刷直流電機(jī)在一些高精度場(chǎng)合的應(yīng)用。因此，要抑制無(wú)刷直流電機(jī)換相期間引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

2 換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制方法

2.1 脈沖寬度調(diào)制（PWM）法

無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析結(jié)果表明，脈沖寬度調(diào)制方式為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的主要因素。有研究采用五種較為典型的脈沖寬度調(diào)制方式，從定量角度得出結(jié)論：當(dāng)直流電壓大于反電動(dòng)勢(shì)的4倍時(shí)，才能通過(guò)PWM抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[6]。

2.2 重疊換相法

重疊換相法一般有兩種方式，即超前換相和延遲換相，其原理是利用電流補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制。首先要提前確定好重疊時(shí)間以及重疊換相的角度，由于換相的時(shí)間非常短，人們很難確定最佳的換相時(shí)間和換相角度。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，有研究對(duì)重疊換相法進(jìn)行了改進(jìn)，在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了定頻采樣電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，使得電流自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的換相時(shí)間，但這種方法也不是完美的，對(duì)電機(jī)開(kāi)關(guān)頻率和控制驅(qū)動(dòng)芯片都有很高的要求[7]。重疊換相法雖然可以使得導(dǎo)通相及關(guān)斷相電流變化斜率相等，但只能使用特定的數(shù)學(xué)模型，具有很大的局限性[8]。有學(xué)者將繞組電阻加入數(shù)學(xué)模型，以此來(lái)得到更好的換相時(shí)間[9]。

2.3 滯環(huán)控制法

滯環(huán)控制法的原理是通過(guò)滯環(huán)比較電路中的電流采樣值與人們所給出的設(shè)定值，控制開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷和導(dǎo)通。電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)存在導(dǎo)通相電流上升過(guò)快的問(wèn)題，有研究為了使得換相電流的斜率絕對(duì)值相等，利用滯環(huán)電流法控制電流的上升速率，從而抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[10]。電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，可以采用滯環(huán)電流法抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得換相期間非換相電流接近給定值。這種方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)頻率要求很高[11]。

2.4 電流預(yù)測(cè)法

現(xiàn)有研究認(rèn)為，非換相相電流會(huì)在換相期間增大，使得無(wú)刷直流電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩增大，高速運(yùn)行時(shí)效果相反。但是，電機(jī)的高速和低速的界定很難劃分，因此要找到一個(gè)能在全速范圍內(nèi)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)均能有效抑制的方法[12]。有研究提出將電流預(yù)測(cè)法和重疊換相法相結(jié)合，基本原理為換相期間對(duì)關(guān)斷相和非換相相進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，使得兩者具有相同的占空比，占空比的大小由下一時(shí)刻非換相相電流的大小決定[13]。這種方法的原理較為簡(jiǎn)單，并且對(duì)編程芯片的性能要求不高，試驗(yàn)也證明了這種方法的可行性。電流預(yù)測(cè)控制框圖如圖1所示。

2.5 直接轉(zhuǎn)矩控制法

這種方法的基本原理是直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)矩限制在一定的范圍內(nèi)。如圖2所示，利用采樣定子的電壓及電流值，在電機(jī)定子坐標(biāo)系下對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行估算，將得到的估算值與給定值作差，然后將差值輸入滯環(huán)比較器中，從而輸出對(duì)應(yīng)的脈沖觸發(fā)信號(hào)，選取合適的電壓空間矢量，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制[14]。

2.6 其他方法

除了上述方法，換相轉(zhuǎn)矩的抑制方法還有很多。例如，在電路中加入改進(jìn)型Z源逆變器，有效地解決了以往啟動(dòng)電流大、輸入電流續(xù)流的問(wèn)題[15]。換相時(shí)，可以提高母線電壓來(lái)補(bǔ)償非換相相電流的變化，達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的，但是這種方法用于高速區(qū)的效果不明顯[16]。將電流預(yù)測(cè)法與重疊換相法相結(jié)合也是一種較好的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方案[17]。近年來(lái)，諸多研究人員提供了很多可靠的無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩抑制方法[18-20]。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，人們可以采用不同的抑制策略。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)刷直流電機(jī)以其不可取代的優(yōu)點(diǎn)被人們廣泛使用，而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的存在嚴(yán)重限制了其在高精度場(chǎng)合的應(yīng)用。本文論述的方法都能夠通過(guò)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)不同參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。脈沖寬度調(diào)制法和重疊換相法對(duì)占空比與重疊時(shí)間的估算并不準(zhǔn)確，因此容易造成過(guò)補(bǔ)償、欠補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，而電流預(yù)測(cè)法就能很好地解決這一問(wèn)題，但是需要消除外界干擾帶來(lái)的影響。直接轉(zhuǎn)矩控制法具有良好的轉(zhuǎn)矩輸出，響應(yīng)速度快，但是會(huì)帶來(lái)計(jì)算量大的問(wèn)題。總之，針對(duì)某些特定應(yīng)用環(huán)境，如高負(fù)載、高運(yùn)行速度等，要找到一種最契合的方法，最大限度地減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的負(fù)面影響。

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