直流無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的原因_如何降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

　　1、非理想反電動(dòng)勢(shì)波形引起原理性電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

　　從工作原理看正弦波驅(qū)動(dòng)是一種高性能的控制方式，電流是連續(xù)的、三相正弦波交流電流與三相繞組中的三相正弦波反電動(dòng)勢(shì)共同作用產(chǎn)生光滑平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩。理論上可獲得與轉(zhuǎn)角無(wú)關(guān)的均勻輸出轉(zhuǎn)矩，良好設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可做到3%以下的低紋波轉(zhuǎn)矩。而方波驅(qū)動(dòng)定子磁場(chǎng)是非連續(xù)、步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)，從電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理就決定了直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比正弦波驅(qū)動(dòng)要大許多。盡管在反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，平頂寬度120°電角度，定子電流為方波的理想情況下，不考慮換相過(guò)程時(shí)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩將為恒值，理論上沒(méi)有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。但在實(shí)際電機(jī)，由于設(shè)計(jì)和制造方面的原因，很難做到反電動(dòng)勢(shì)為平頂寬度120°電角度的梯形波；實(shí)際上，大多數(shù)直流無(wú)刷電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形都不可能是梯形波，而更接近于正弦波；這樣，電流波形也就必然偏離方波，這些非理想情況都會(huì)導(dǎo)致其電磁轉(zhuǎn)矩存在原理性波動(dòng)。

　　2、換相引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

　　直流無(wú)刷電機(jī)工作時(shí)，定子繞組按一定順序換相。即使在符合反電動(dòng)勢(shì)為平頂寬度120°電角度梯形波，定子電流為方波的理想情況下，由于相繞組存在電感，在每?jī)蓚€(gè)狀態(tài)之間存在一個(gè)換相時(shí)段，電樞繞組中的電流從某一相切換到另一相時(shí)有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，電流變化的滯后使換相期間產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩存在明顯的波動(dòng)，稱(chēng)為換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

　　3、齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

　　當(dāng)直流無(wú)刷電機(jī)定子鐵心有齒槽時(shí)，由于定子齒糟的存在，氣隙不均勻，使氣隙磁導(dǎo)不是常數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于不同角度時(shí)，氣隙磁場(chǎng)就要發(fā)生變化，產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，因而引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。齒槽轉(zhuǎn)矩是水磁電機(jī)的固有特性，在電機(jī)低速輕載運(yùn)行時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩將引起明顯的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，并產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。因此，如何削弱齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中較為重要的目標(biāo)之。

　　齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原因與前述兩種引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的原因不同。前述兩種引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的原因均在于定子電流與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用，而齒槽轉(zhuǎn)矩是由定子鐵心與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。消除齒槽效應(yīng)最好的方法就是采用無(wú)槽電機(jī)結(jié)構(gòu)。無(wú)槽電機(jī)的電樞繞組不管采用何種形式，它的厚度始終是實(shí)際氣隙的一部分，因此無(wú)槽電機(jī)的實(shí)際等效氣隙比有槽電機(jī)要大得多，所需要的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)也要大許多，這在早期限制了無(wú)槽電機(jī)的容量和發(fā)展。近年來(lái)，隨著磁性材料的迅猛發(fā)展，特別是釹鐵硼等高磁能積稀土永磁材料的應(yīng)用，為無(wú)槽電機(jī)的實(shí)用化創(chuàng)造了條件。采用無(wú)槽結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥瑫r(shí)具有超大氣隙，除了能徹底消除齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)外，還能大幅度削弱由于電樞反應(yīng)和機(jī)械偏心而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

　　4、電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

　　電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙永磁主磁場(chǎng)的影響，稱(chēng)為電樞反應(yīng)。直流無(wú)刷電機(jī)的電樞反應(yīng)比較復(fù)雜。電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)會(huì)使氣隙主磁場(chǎng)波形發(fā)生畸變，氣隙主磁場(chǎng)的磁通密度不再是空載時(shí)的方波，反電動(dòng)勢(shì)也隨之畸變，從而引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)?，F(xiàn)代直流無(wú)刷電機(jī)大多采用高性能的稀土永磁材料，若采用瓦片形表面貼裝式，則電樞反應(yīng)對(duì)氣隙主磁場(chǎng)的影響比較微弱。這是因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)磁路要經(jīng)過(guò)氣隙和永磁體，永磁材料的磁導(dǎo)率與空氣的磁導(dǎo)率是非常接近的，這就使電樞反應(yīng)磁路的磁阻很大，交軸電樞反應(yīng)的磁通很小，其對(duì)氣隙主磁場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì)。但是對(duì)于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電樞反應(yīng)的影響則不能夠忽略。

　　5、電機(jī)機(jī)械加工缺陷和材料不一致引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

　　機(jī)械加工缺陷和材料的不一致也是引起直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的重要原因之一。例如電機(jī)機(jī)械加工及裝配時(shí)產(chǎn)生的尺寸和形位偏差，定子沖片各槽分布不均勻，定子內(nèi)、外圓偏心，定、轉(zhuǎn)子同軸度偏差等產(chǎn)生的單邊磁拉力；軸承系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩不均勻；轉(zhuǎn)子位置傳感器定位不準(zhǔn)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；各相繞組參數(shù)不對(duì)稱(chēng)及電子元器件性能參數(shù)的差異而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；磁路中各零件材料特別是每個(gè)磁極永磁體性能不一致而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等。因此，提高加工制造水平也是減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的重要措施。

　?。?）優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)法

　　直流無(wú)刷電機(jī)的磁極形狀、極弧寬度、極弧邊緣形狀對(duì)輸出電磁轉(zhuǎn)矩都有很大的影響。通過(guò)選擇合理的電機(jī)磁極形狀或極弧寬度，以及定子繞組的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使反電動(dòng)勢(shì)波形盡可能接近理想波形，來(lái)降低電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。例如，對(duì)表面粘貼式磁鋼結(jié)構(gòu)的電機(jī)。常采用向充磁而使氣隙磁通密度更接近方波。又如，為了增加無(wú)刷直流電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的平頂寬度，可采用整距集中繞組（q=1）等方法。

　　通過(guò)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以適當(dāng)降低電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但由于電機(jī)繞組的電感存在，即使電機(jī)采用恒流源供電，在換流過(guò)程中電流不能突變，流入定子繞組的電流波形還不可能是方波。另外，對(duì)于實(shí)際電機(jī)，氣隙磁場(chǎng)很難保持理想的方波分布，繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形更難以達(dá)到理想的梯形波，這樣就無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全從電機(jī)設(shè)計(jì)上消除電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。因此，只能通過(guò)控制手段來(lái)抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

　?。?）最佳電流法

　　一種解決方法就是采用控制方法尋找最佳的定子電流波形來(lái)消除轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。同時(shí)，這種最佳電流法也能消除齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。但是，最佳電流法需要對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行精確測(cè)定，而反電動(dòng)勢(shì)的實(shí)時(shí)檢測(cè)比較困難。目前較多采用的方法是對(duì)反電動(dòng)勢(shì)離線測(cè)量，然后計(jì)算出最優(yōu)電流進(jìn)行控制。因?yàn)槭孪刃枰x線測(cè)量，所以其可行性就大大降低。

　?。?）最佳開(kāi)通角法

　　采用最佳開(kāi)通角的方法抑制電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，即先推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與開(kāi)通角之間的函數(shù)關(guān)系式，再求取電流最優(yōu)開(kāi)通角，使電流波形和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形的配合適當(dāng)，從而達(dá)到削弱轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的目的。

　?。?）諧波消去法

　　諧波消去法是通過(guò)控制電流的諧波成分來(lái)消除轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方法。直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)中電流或反電動(dòng)勢(shì)含有諧波成分時(shí)，根據(jù)測(cè)得的或計(jì)算得的各次轉(zhuǎn)矩諧波成分，即可求解出最佳電流波形的各次諧波，繼而得到最佳電流波形，以此作為相電流參考信號(hào)，以消除反電動(dòng)勢(shì)諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是由相電流和反電動(dòng)勢(shì)相互作用的原理，適當(dāng)選取電流諧波成分（5次、7次），消除了六次、十二次諧波轉(zhuǎn)矩（諧波轉(zhuǎn)矩中主要部分）。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，諧波消去法的作用是有限的，只可以把轉(zhuǎn)矩波動(dòng)消除到某一程度。確定最佳諧波電流的難度是很大的，這也使得諧波消去法的應(yīng)用受到了限制。

　　（5）轉(zhuǎn)矩反饋法

　　諧波消去法是一種開(kāi)環(huán)控制方法，當(dāng)存在繞組阻抗不對(duì)稱(chēng)和所測(cè)電流有誤差等干擾時(shí)，控制精度將會(huì)受到影響。為了克服開(kāi)環(huán)控制方法的缺點(diǎn)，人們提出了從反饋角度考慮抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方法，即以轉(zhuǎn)矩為控制對(duì)象，進(jìn)行閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)矩反饋法的基本原理是根據(jù)位置和電流信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器得到轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)，再通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制器控制直流無(wú)刷電機(jī)的主電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制，從而消除轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。但是，轉(zhuǎn)矩反饋法結(jié)構(gòu)較為繁雜，需預(yù)先確定電機(jī)參數(shù)，且算法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。

　?。?）簡(jiǎn)易正弦波電流驅(qū)動(dòng)

　　直流無(wú)刷電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形一般為梯形波，但在實(shí)際應(yīng)用中，為了消除齒槽轉(zhuǎn)矩，常采用斜槽、分?jǐn)?shù)槽、合理設(shè)計(jì)磁極形狀和充磁方向等措施，這些措施往往使得電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形更接近正弦波。對(duì)于這類(lèi)電機(jī)，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)比采用120°導(dǎo)通型三相六狀態(tài)方波驅(qū)動(dòng)更有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但是傳統(tǒng)的正弦波驅(qū)動(dòng)的電流控制方法，不僅控制算法復(fù)雜，而且大都需要高分辨率的位置傳感器，這就導(dǎo)致體積和成本都大大増加，在一些特殊的場(chǎng)合無(wú)法使用。針對(duì)反電動(dòng)勢(shì)波形接近正弦的直流無(wú)刷電機(jī)，提出一種基于六個(gè)離散位置信號(hào)的自同步SVPWM控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法與傳統(tǒng)的120°導(dǎo)通控制方式相比，可以在不損失平均電磁轉(zhuǎn)矩的條件下，有效地抑制電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。