无刷直流电机转矩脉动抑制方法综述

无刷直流电机转矩脉动抑制方法综述
周杰，侯燕
（河南工业大学电气工程学院，450007）
摘要：为扩大无刷直流电机在精度较高的伺服系统中的应用，必须尽量减小其转矩脉动。

详细论述了无刷直流电机各种有效的转矩脉动抑制方法，并进行分类归纳。

关键词：无刷直流电机；转矩脉动；综述
中图分类号：TM33 文献标识码：B 文章编号：1004-0420(2007)06-0005-04 The review on torque ripple minimization of brushless DC motors
ZHOU Jie，HOU Yan
(College of Electrical Engineering，Henan University of Technology，450007) Abstract：To enlarge the application of brushless DC motor in higher accurateness servos，the torque ripple of brushless DC motor must be minimized. Aiming at the torque ripple attenuation of brushless DC motor，many efficient methods were discussed and classified in detail. Key words：brushless DC motor; torque ripple; review
0 引言
近年来,无刷直流电机(BLDCM)以其体积小、结构简单、功率密度高、输出转矩大、动态性能好等特点而得到了广泛应用[1]，尤其是在机器人、精密电子仪器与设备等对电机性能、控制精度要求较高的场合和领域，其应用和研究更是受到普遍重视。

目前，无刷直流电机最突出的问题就是具有转矩脉动，转矩脉动会直接降低电力传动系统控制特性和驱动
系统的可靠性，并带来振动、谐振、噪声等问题。

因此抑制转矩脉动就成为提高BLDCM伺服系统性能的关键问题。

针对此问题，研究人员提出了不同的解决方案，然而各种方案都有自身的优缺点，也并不都适合所有的工作场合。

所以有必要把各种抑制转矩脉动的方法进行分类总结，从而对实际应用和进一步研究新方法提供借鉴。

1 齿槽转矩脉动
齿槽转矩是由转子的永磁体磁场同定子铁心的齿槽相互作用,在圆周方向产生的转矩。

此转矩与定子的电流无关，它总是试图将转子定位在某些位置。

在变速驱动中，当转矩频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。

齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。

目前，抑制齿槽转矩脉动的方法主要集中于优化电机本体设计上，常见的有以下几种：
a.斜槽法：定子斜槽或转子斜极是抑制齿槽转矩脉动最有效且应用广泛的方法之一。

该方法主要用于定子槽数较多且轴向较长的电机。

实践证明，斜槽使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减小。

例如，采用斜槽角度为10°时，齿槽转矩的基波转矩幅值相当于直槽时的90%，3次谐波幅值相当于直槽时的30%，5次谐波幅值相当于直槽时的19%。

但值得注意的是，为产生恒定的电磁转矩，反电动势波形必须是平顶宽度大于120°电角度的理想梯形波，而斜槽或斜极引起的绕组反电动势的正弦化将会增大电磁转矩纹波。

因此选择合适的斜槽角度是有效抑制齿槽转矩脉动的关键；
b.分数槽法：此方法可以提高齿槽转矩基波的频率，使齿槽转矩脉动量明显减少。

但是，采用了分数槽后，各极下绕组分布不对称而使电机的有效转矩分量部分被抵消，电机的平均转矩也会因此而相应减小;
c.磁性槽楔法:采用磁性槽楔法就是在电机的定子槽口上涂压一层磁性槽泥，固化后形成具有一定导磁性能的槽楔。

磁性槽楔减少了定子槽开口的影响，使定子与转子间的气隙磁导
分布更加均匀，从而减少由于齿槽效应而引起的转矩脉动。

由于磁性槽楔材料的导磁性能不是很好，因而对于转矩脉动的削弱程度有限;d.闭口槽法:闭口槽即定子槽不开口，槽口材料与齿部材料相同。

因槽口的导磁性能较好，所以闭口槽比磁性槽楔能更有效地消除转矩脉动。

但采用闭口槽，给绕组嵌线带来极大不便，同时也会大大增加槽漏抗，增大电路的时间常数，从而影响电机控制系统的动态特性。

除了上述的几种方法外，还有辅助凹槽法、齿槽宽度配合法、虚拟槽法等，都能有效抑制齿槽转矩脉动。

但以上方法大都会使电机结构复杂，加工难度提高，同时，在多数情况下会降低效率并带来其它问题。

2 非理想反电动势波形引起的转矩脉动
当无刷直流电机的反电动势不是理想的梯形波，而控制系统依然按照理想梯形波的情况供给方波电流时，就会引起电磁转矩脉动。

一种解决方法是，通过对电机本身气隙齿槽、定子绕组的优化设计，使反电动势波形尽可能接近理想波形，从而减小电磁转矩脉动。

例如，对表面粘贴式磁钢结构的电机，常采用径向充磁而使气隙磁密更接近方波。

又如，为了增加无刷直流电机反电动势的平顶宽度，常采用整距集中绕组。

另一种解决方法就是采用合适的控制方法，寻找最佳的定子电流波形来消除转矩脉动。

同时，这种最佳电流法也能消除齿槽转矩脉动。

但是，最佳电流法需要对反电动势进行精确测定，而反电动势的实时检测比较困难。

目前多用的方法是对反电动势离线测量，然后计算出最优电流进行控制。

因为事先需要离线测量，所以其可行性就大大降低。

3 换相转矩脉动
由于无刷直流电机相电感的存在使电枢绕组电流从一相切换到另一相时会产生换相延时,从而形成电机换相过程中的转矩脉动。

换相转矩脉动是无刷直流电机工作于120°导通方式下时特有的问题。

对于一台制造精良的无刷电机来说，其齿槽转矩脉动和谐波转矩脉
动均较小，而换相转矩脉动却可以达到平均转矩的50%左右。

因此，抑制换相转矩脉动成为减小电机整体转矩脉动的关键问题。

a.重叠换相法：重叠换相法是一种较早发展起来的换相转矩脉动抑制方法。

其工作原理是：换相时，本应立即关断的功率开关器件并不是立即关断，而是延长了一个时间间隔，并将本不应开通的开关器件提前开通一个角度，这样可以补偿换相期间的电流跌落，进而抑制转矩脉动。

传统的重叠换相法中，重叠时间需预先确定，而选取合适的重叠时间比较困难，大了会过补偿，小了又会造成补偿不足。

为此，在常规重叠换相法的基础上，引入了定频采样电流调节技术。

此技术在重叠期间采用PWM控制抑制换相转矩脉动，使重叠时间由电流调节过程自动调节，从而避免了对重叠区间的大小难以确定的问题。

但是该方法必须保证足够高的电流采样频率和开关频率才有效。

另外，该方法虽然对抑制高速下换相转矩脉动有效，但需要离线求解开关状态并且算法复杂，在实际应用中有一定的局限性;
b.滞环电流法：此方法应用简单，快速性好，且具有限流能力。

在电流环中采用滞环电流调节器，通过比较参考电流和实际电流，在换相时给出适合的触发信号，控制开关器件。

实际电流的幅值和滞环宽度的大小决定了滞环电流调节器控制信号的输出。

当实际电流小于滞环宽度的下限时，开关器件导通；随着电流的上升，达到滞环宽度的上限时，开关器件关断，使电流下降。

实际电流可以是相电流，也可以是逆变器的输入电流。

文献[2]中采用电流滞环控制方式控制开通相的电流上升速率来抑制低速下的换相转矩脉动，但对高速区的转矩脉动没给出解决办法。

文献[3]提出了在换相期间通过滞环控制法直接控制非换相相电流来减少换相期间电磁转矩脉动的控制策略。

根据换相期间电磁转矩正比于非换相相电流,且非换相相电流参考值为常数，在确定了要控制的非换相相电流和相应的参考电流后，通过滞环比较器控制其相电流，保证换相期间非换相相电流跟踪其参考值，就可以有效减少换相期间电磁转矩的脉动。

文中提到的控制方法转矩脉动小，电路简单易实现，相对于传统的三相滞环控制，具有功率管损耗小和效率高的特点，非常适用于高性能的伺服驱动系统;
c.PWM斩波法：滞环电流法较好地解决了低速时的换相转矩脉动问题,但在高速时效果不理想。

为解决这个问题，可使开关器件在断开前、导通后进行一定频率的斩波，控制换相过程中绕组端电压，使各换相电流上升和下降的速率相等，补偿总电流幅值的变化，从而抑制换相转矩脉动。

文献[4],[5]分析了换相转矩脉动与PWM调制方式的关系，得出结论：在相同的平均电磁转矩下，单斩方式比双斩方式的稳态转矩脉动小，在相同的PWM占空比及相同的母线电压下，单斩方式的绕组电流稳态值要大于双斩方式的绕组电流稳态值。

在四种单斩调制方式中，PWM-ON调制方式的换相转矩脉动最小，因而常采用PWM-ON单斩方式来减小无刷直流电机的换相转矩脉动;
d.电流预测控制：一般理论认为，无刷直流电机在高速区的换相转矩脉动减小，而低速区则增大，研究抑制方法时大都分开考虑。

然而在实际应用中，受到电机转速、供电电压等因素的影响，根本无法按照理论分析的那样将换相转矩脉动分为高速区和低速区而采取不同的抑制措施。

因此，就很有必要寻求一种能够在全速度范围内有效抑制换相转矩脉动的方法。

文献[6]提出的电流预测控制方法就满足了这一要求。

文中以换相电流为研究对象，提出并推导出电机在高速区和低速区运行时的换相电流预测控制规则，确保换相期间关断相的电流下降率和开通相的电流上升率相等,从而使非换相相绕组的相电流在换相期间保持恒定，减小换相转矩脉动，同时在该方法中结合使用了消除直流母线负电流的方法，使换相转矩脉动得到进一步的抑制。

该换相电流预测控制方法算法简单、实现容易、适应性强、效果明显，无论是在开环控制、传统的电流PI控制，还是在采用现代智能控制算法的控制系统中均能够很好地被嵌入到换相期间，有效地抑制换相转矩脉动。

无刷直流电机的反电动势波形一般为梯形波,但在实际应用中,为了消除齿槽转矩,常采用斜槽、分数槽、合理设计磁极形状和充磁方向等措施,这些措施往往使得电机的反电动势波形更接近正弦。

对于这类电机,采用正弦波电流驱动比采用120°导通型三相六状态方波驱动更有利于减小转矩脉动。

但是传统的正弦波驱动无刷直流电机的电流控制方法,不仅控制算法复杂,而且大都需要高分辨率的光电编码器，这就导致体积和成本都大大增加，在
一些特殊的场合无法使用。

文献[7]就针对反电动势波形接近正弦的无刷直流电机，提出一种基于六个离散位置信号的自同步SVPWM 控制方法。

实验结果表明,此方法与传统的120°导通控制方式相比，可以在不损失平均电磁转矩的条件下,有效地抑制电磁转矩脉动，值得推广。

针对转矩脉动，近年来提出了转矩闭环控制方法。

它以电机的瞬时转矩为控制对象，根据实际转矩反馈信号，通过转矩调节器实现对瞬时转矩的直接控制，从而减小转矩脉动。

若通过力矩传感器给出反馈信号，则系统响应较慢，且大多只能工作在静态或低速状态下。

若通过利用电机的结构参数和一些容易测量的状态变量构成转矩观测器，则运算相当复杂，而且参数变化也会带来一定误差。

可见，只有完善解决这些问题才能推动此方法的实际应用。

4 现代控制理论及智能控制在转矩脉动抑制中的应用
无刷直流电机是一多变量、非线性、强耦合的复杂系统，很难用精确的数学模型来描述，这就突出了经典控制理论的局限性，同时也促进了现代控制理论的发展。

文献[8]按自适应控制原理设计了电磁转矩估计器，根据电流和转角通过自适应控制律计算转矩脉动的主要谐波系数，从而计算出电磁转矩估计值。

由指定值与估计值的误差确定电流调节器输出的电流波形，控制PWM电压型逆变器驱动电机，实现转矩脉动最小化控制。

在一定的转速下，这种控制方法能使转矩脉动降到额定转矩的2%以下。

其控制精度依赖于对反电动势谐波分布情况的清楚了解，并且对电机参数的变化较为敏感，一般在较小的转速范围内效果比较明显。

文献[9]用卡尔曼滤波实现转矩脉动最小化控制，认为转子磁链为正弦波，对转子磁链进行辨识，然后接入磁链估计器对转子磁链进行补偿，从而消除转矩脉动。

这种方法不需要预先精确知道反电动势谐波分布，并且可对测量误差和模型误差进行补偿，使控制达到
较高的精度。

实验证明，该方法在很大的转速范围内能实现转矩脉动最小化控制，但控制较复杂，成本较高，推广应用较困难。

神经网络控制是智能控制的一个重要分支领域。

它是一种基本上不依赖于模型的控制方法，比较适用于具有不确定性或高度非线性的控制对象，具有较强的适应和学习功能。

文献[10]提出了通过神经网络控制抑制无位置传感器无刷直流电机转矩脉动的新策略。

该方案利用两个径向基函数（RBF）神经网络分别对转子位置与在给定转矩下的绕组参考电流进行在线估计,并根据参考电流调节注入绕组中的实际电流，使之更接近方波，最大限度抑制了由于电流波形不理想而引起的转矩脉动。

5 结束语
由以上分析可知，目前常见的抑制无刷直流电机转矩脉动的方法大致分为两类，一是优化电机本体的设计，二是采取各种控制策略。

在实际应用中应根据具体场合和不同要求选用某种适当的控制方法，或者是几种方法的综合应用。

随着人工智能技术的发展，专家系统、模糊控制理论、人工神经网络的最新成果开始深入电机控制领域。

特别是神经网络控制技术，具有很强的自适应能力、非线性映射能力、和快速的实时信息处理能力等特性，这些正是高性能无刷直流电机调速系统所要求的特性。

可见，在无刷直流电机转矩脉动抑制问题的研究中，采用智能化控制是一个重要发展方向。

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