無刷直流電動機轉矩脈動的抑制新方法

    沈艷霞，李發啟，紀志成

    (江南大學，江蘇無錫214122)

    摘要：無刷直流電動機固有的轉矩脈動限制了其應用范圍。通過分析無刷直流電動機的換相過程．采用非換相相電流不變法。該方法保汪換相過程中非換相的電流恒定，從而有效抑制轉矩脈動。基于Simulin和PLECS對系統的仿真，驗證了該方法的有效性和可行性。

    關鍵詞：無刷直流電動機；轉矩脈動；PLECS

    中圖分類號：TM33  文獻標識碼：A  文章編號：1004一7018(2008)09—0001—03

                       

 O引  言

    永磁無刷電動機是隨著電力電子技術的發展而出現的一種新型電機，它具有響應快速、效率高、功率密度火，調速性能好等一系列優點，現今已廣泛應用于各種調速場合[1]。固有的轉矩脈動缺點，限制了它在高精度速度、位置控制系統中的應用。

    引起無刷電動機轉矩脈動的原因有三種[2-4]:齒槽轉矩脈動，因非理想反電勢引起的轉矩脈動以及換相轉矩脈動。其中前兩種轉矩脈動主要是與電機的制造工藝和轉子磁鋼充磁不理想有關，可以通過對電機本體改造加以抑制。換相轉矩脈動主要是在換相過程中由于逆變器是120^。導通方式，電流是方波，開通相電流的增加和關斷相電流的下降不同步，所以母線電流不是恒定值，這就引起轉矩的不等，即產生轉矩脈動。對于換相轉矩脈動現在國內外已有許多研究方法一，例如文獻[5]中提到的電流滯環控制，通過控制開通相電流的上升速度，使其和關斷相的電流下降速度一致，從而抑制轉矩脈動，這種方式主要適用在電機低速運行階段。文獻[6]中采用電流預測法，根據各個速度段的電機換相的情況，分別對不同的速度段進行不同的控制。文獻[7]中給出了電機在高速區域減小換相轉矩脈動的控制規則，采用無差拍控制方法取得了較好的控制效果，但其采用的方法本質上為開環補償，補償措施適應性差，在實際應用中并不一定能取得較好的效果。

    為削弱無刷直流電動機的轉矩脈動問題，本文提出采用非換相電流恒定法，根據保持非換相的電流恒定，汁算出換相過程中開通相的控制函數，使在換相過程中保持開通相電流上升和關斷相電流下降速度相同，即換相電流之和等于非換相電流，保證非換相電流恒等。不管在高速還是低速階段，只要控制函數計算正確，便能夠保證非換相電流恒定，有效抑制換相轉矩脈動。

1無刷直流電動機換相轉矩脈動分析

假設：(1)三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉子磁場分布皆對稱；(2)忽略齒槽、換相過程和電樞反應等影響；(3)電樞繞組在定子內表面均勻連續分布；(4)磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。則無刷直流電動機的數學模型如下[8]:

     

式中：u_a、u_b、u_c分別為A、B、C三相端電壓；I_a、I_b、I_c、為三相繞組電流；e_a、e_b，e_c三相反電勢；r為電機繞組電阻；L為電機相繞組電感；M為電機相間互感；p為微分算子。

對于轉子磁場接近方波的無刷電動機，電機繞組中的反電勢為梯形波。

　　根據無刷直流電動機的電壓方程，可得電機的等效電路，如圖l所示。

    

　　圖1無刷電動機等效電路圖

　　三相無刷直流電動機的瞬時轉矩表達式為：

   

　　式中：ω是電機角速度。

　　由式（2）可以看出，如果三相無刷電動機輸入為方波電流，就能保證電機輸出轉矩恒定。但是由于無刷直流電動機繞組電感的存在，電流變化慢，不可能有理想的方波電流，故會產生換相轉矩脈動。

　　下面以上橋換相為例分析換相過程轉矩脈動，當導通相有AC換為BC時，電機換相前運行穩定狀態，即AC相電流恒定，B相電流為零，換相前方程為：