無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩脈動的抑制新方法
沈艷霞，李發(fā)啟，紀志成
(江南大學(xué)，江蘇無錫214122)
摘要：無刷直流電動機固有的轉(zhuǎn)矩脈動限制了其應(yīng)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(zhuǎn)矩脈動。基于Simulin和PLECS對系統(tǒng)的仿真，驗證了該方法的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；轉(zhuǎn)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(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機，它具有響應(yīng)快速、效率高、功率密度火，調(diào)速性能好等一系列優(yōu)點，現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速場合[1]。固有的轉(zhuǎn)矩脈動缺點，限制了它在高精度速度、位置控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
引起無刷電動機轉(zhuǎn)矩脈動的原因有三種[2-4]:齒槽轉(zhuǎn)矩脈動，因非理想反電勢引起的轉(zhuǎn)矩脈動以及換相轉(zhuǎn)矩脈動。其中前兩種轉(zhuǎn)矩脈動主要是與電機的制造工藝和轉(zhuǎn)子磁鋼充磁不理想有關(guān)，可以通過對電機本體改造加以抑制。換相轉(zhuǎn)矩脈動主要是在換相過程中由于逆變器是120。導(dǎo)通方式，電流是方波，開通相電流的增加和關(guān)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(zhuǎn)矩的不等，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。對于換相轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)在國內(nèi)外已有許多研究方法一，例如文獻[5]中提到的電流滯環(huán)控制，通過控制開通相電流的上升速度，使其和關(guān)斷相的電流下降速度一致，從而抑制轉(zhuǎn)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(yù)測法，根據(jù)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(qū)域減小換相轉(zhuǎn)矩脈動的控制規(guī)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(zhì)上為開環(huán)補償，補償措施適應(yīng)性差，在實際應(yīng)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(zhuǎn)矩脈動問題，本文提出采用非換相電流恒定法，根據(jù)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(shù)，使在換相過程中保持開通相電流上升和關(guān)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(shù)計算正確，便能夠保證非換相電流恒定，有效抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動。
1無刷直流電動機換相轉(zhuǎn)矩脈動分析
假設(shè)：(1)三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱；(2)忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)等影響；(3)電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)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(shù)學(xué)模型如下[8]:
式中：ua、ub、uc分別為A、B、C三相端電壓；Ia、Ib、Ic、為三相繞組電流；ea、eb，ec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(zhuǎn)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(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生換相轉(zhuǎn)矩脈動。
下面以上橋換相為例分析換相過程轉(zhuǎn)矩脈動，當導(dǎo)通相有AC換為BC時，電機換相前運行穩(wěn)定狀態(tài)，即AC相電流恒定，B相電流為零，換相前方程為：
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