换相期间无刷直流电机转矩脉动的抑制策略

点研究 了非 理想 反电势 、 关断相和开通相相电流变化速率不等这 两个 因素 引起 的转矩脉动 ， 了抑 制这两个 为 因素引起的转矩脉动 ， 出了分段控制的策略 。该策略集成 了转 矩直接控制 和重叠换相法 的优点 ， 以有效 提 可 抑制由非理想反电势 、 关断相和开通相相 电流变化速率不等引起的转矩脉动。通过仿真分析验证了该方法和 其中两种方法单独应用时的差异 ， 明了分段控制策略在换相期间抑制转矩脉动的有效性。 证
小 。 因此 ， 文 主要研 究换 相期 间 的转 矩 脉动 。 本
对关断相电流下降速率和开通相电流上升相速率
分析 ， 在换 相期 间 得 出相 应 的 占空 比进 行 单 独 控
制， 转矩脉 动得 到 了一 定抑 制 ， 但该方 法 忽略 了关 断相 反 电势变 化对 占空 比的影 响 。文 献 ［ ］ ６ 中基 于重 叠换 相方 法 提 出关 断相 延 迟 关 断 ８时 间 ， 该 方法 可使其 波 动 的最 大值 减小 到一个 较 为可 观 的
ｉ ｃ
／ ＾ 、
电机 电磁转 矩表 达式 为
（ ） 速 时 Ｃ高
＝
（） １
图 ２ 换相期 三相 电流波形示 意图
式 中 ： —— 电磁转矩 ； Ｐ —— 极对 数 ；
图 ２中的波形 图表 明 ： 不 同的速 度 区间下 ， 在 非 换相 相 电流 的变 化 趋 势是 不 同 的 ， 而 造成 转 从 矩 脉动 的变化 趋势 是不 同的。 １ ２ 非理 想 反 电势 引起 的转 矩脉 动 ．
下， 因逆 变器 电压 输 出受 限 ， 矩 波动不 能得 到有 转
效 的控 制 。文献 ［ ］ 析 了 非理 想 反 电势 对 转矩 ２分
脉 动 的影 响 ， 出用 转 矩 直 接 控制 的方 法 对非 理 提
想 反 电势 引起 的转 矩 脉 动进 行 抑 制 ， 是 该 方法 但
只适 用于速 度变 化不 大 的场 合 。文 献 ［ ］ 出电 ３提 流预 测控制 方 法 ， 结合 直 流 母 线 负 电 流 消 除 的方 法对 转矩 脉动进 行 抑 制 ， 是 该 方法 对 相 电流 和 但
（ ｏｏｉ ｎｔｕｅ Ｂ ｉａ ｇＵ ｉ ｒ ｔ， ｅ ｉｇ１０ ９ ， ｈｎ ） Ｒ ｂ ｔ ｓＩｓ ｔｔ， ｅ ｎ ｎｖ ｓｙ Ｂ ｉｎ ０ １ １ Ｃ ｉａ ｃ ｉ ｈ ｅｉ ｊ
Ａｂｔａｔ Ｔ ｒｕ ｉｐ ａ ｎｉ ｏｔ ｔ ａｔｒ ｆ ｃ ｎ ｈ ｅ ｏ ｎｅｏ ｂｕｈｅｓＤ ｏｏ Ｂ Ｄ Ｍ） ｓｒｃ： ｏｑ ｅｒ ｌ ｗ ｓａ ｐｅ ｍｐｒ ｎ ｃ ｆ ｔ ｇｔｅｐ ｒ ｒ ｃ ｆ ｒｓｌ Ｃ ｍ ｔｒ（ Ｌ Ｃ ． ａ ｆ ｏ ａｅ ｉ ｆ ｍａ ｓ
数值 ， 仅在 高速 时有 效 。 但
在换 相期 间 ， 不能 忽略 非理 想反 电势 、 断相 关
式 中 ： 、 、 —定 子绕 组相 电流 ； ｉ ｉ —
— —
相 绕组 电感 ； 相绕 组互 感 ； 端 电压 ；
和开通 相 相 电流 变 化 速 率 不 等 对 转 矩 脉 动 的 影 响 。同时 ， 开始 的 几个 调制 周 期 内 ， 矩 脉动 换相 转 最 大 。因此 ， 本文提 出用分段控 制 的方 法抑 制换相
Ｋｅ ｏｄ ： ｒ ｓｌ ｓ ｔｒ（ Ｌ Ｍ ） ｏ ｙｗ ｒ ｓ ｂ ｕｈｅ ｍｏｏ Ｂ ＤＣ ｓ ＤＣ ；ｃｍｍｕａｉｎｔｒｕ ｉｐｅ ｅｍｅ ｔ ｏ ｔｏ；ｔｒ ｕ ｉ ｔｔ ｑ ｅｒ ｌ；ｓｇ ｎ ｎｒｌ ｏｑ ｅｄ－ ｏ ｏ ｐ ｃ
ｒｃ ｏ ｔ ｌ Ｄ Ｃ） ｖｒａ ｐｎ ｏ ｅｔ ｎｒ （ Ｔ ；ｏ ｅｌｐ ｉｇｃ ｍｍｕａｉｎ ｃ ｏ ｔｔ ｏ
的转 矩脉 动 由于相绕 组 电路 电感 和 电 阻 的影 响 ， 换 相 在
非理想反电势引起 的转矩脉动是电机本身的 结 构原 因造成 的 ， 法 避免转 矩脉 动 的产生 ， 能 无 只 从控 制策 略上 减小 由非 理想 反 电势引起 的转 矩脉
动。
期 间 ， 断相 的 电流不 能瞬 间为 零 ， 关 开通 相 的电流 不 能 瞬 间上升 到稳 态值 。造 成非 换 相相 电流 发生 波动 ， 而引起 转 矩脉 动 。 从
１ 换 相 转 矩 脉 动 分 析
假 设无 刷直 流 电机 三 相 对 称 ， 电机 为 三 相 六
『 ａ
Ｉ
ｆ ｂ
．
拍， 两两 相 导通控 制 。其 等效 电路 如 图 １ 示 。 所
ｆ
Ｈ 璺 Ｊ
（ ） 速 时 ａ低
ｆ
ｆ ｃ
（ ） 速 时 ｂ中
・
．
一
图 １ 三 相 无 刷 直 流 电机 等 效 电 路 图
一
２１ —
控制与应用技术 Ｅ Ａ 眦
迫 札 与粒 Ｊ 用 ２１， １ ） 应 ０１ ８（１ ３
／ ｖ 一
绕组 匝数 ；
…
ｓ —绕 组在 定子 内径 表面 围成 的面积 ， 于 — 等 极 距和 导体有 效 长度 的乘积 。 因为永磁 体 气 隙磁 密 （ 分 布 波形 不 是 理 ） 想 的梯 形波 ， 而 导致 反 电势 也不 是 理 想 的 梯形 从 波 。反 电势波形 和其 对转 矩 的影 响如 图 ３所 示 。
பைடு நூலகம்
Ｓ ｒ ｔ ｇ ｏ Ｓ ｐｒ ｓ ｒ ｅ Ｒｉ ｐｌ ｔ ａ ｅ ｙ ｔ ｕｐ ｅ ｓＴｏ ｑｕ ｐ ｅ Ｄｕｒｎ ｍ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｉ ｇ Ｃｏ ｔ ｔｏ ｆ Ｂｒ ｈ ｅ ｓＤ Ｃ ｏ ｏ ｕｓ ｌｓ Ｍ ｔｒ
Ｌ ａｉｂ ｎ ＣＨＯＵ －ｈ ｎ ＩＨｕ — ｉｇ， Ｗｕ ｓ ｅ ｇ， ＺＨＡＮＧ ｎ ｃ ｏ Ｙａ —ｈａ
期 间的转矩 脉动 ， 即在 换相开始 的几个 周期 内采用
一
—
—
Ｅ —稳 态 时相反 电势 ； —
， —一 稳 态 时相 电流 。
重 叠换相法 ， 其后 的整 个换相期 间采用 转矩直 接控
制 法 。通过仿 真试验验 证 了该 方法 的有效性 。
三相 电流 波形 图如 图 ２所 示 。
关 键 词 ： 刷 直 流 电机 ；换 相 转 矩 脉 动 ； 段 控 制 ；转矩 直接 控 制 ； 叠 换 相 无 分 重 中图 分 类 号 ： Ｍ ３ １２ Ｔ ３ 文献 标 志 码 ： 文 章 编 号 ：６ ３６４ （ ０ １ １ － ２ －５ Ｔ ０ ．： Ｍ ３ Ａ １７ － ０ ２ １ ） １０ ００ ５ ０
Ｔｈ ｏ ｍｕ ａｉｎ ｔｒ ｕｅ ｒｐｐｅ ｗａ ｎ ｙｚ ｄ，ｆ ｃ ｉ ｇｏ ｈ ｏ ｑ ｅ ｒｐｐ ｅｃ ｕ ｅ ｂ ｏ —ｄ ａ ａ ｋ ＥＭ Ｆ ｎ ｈ ｓ ｅ ｃｍ ｔ ｔ ｏ ｑ ｉ ｌ ｓａ ａ ｅ ｏ ｌ ｏ ｕｓｎ ｎ ｔ ｅ ｔｒ ｕ ｉ ｌ ａ ｓ ｄ ｙ ｎ ｎ ｉ ｅ ｌｂ ｃ ａ ｄｔｅａ— ｃ ｎ ｎｇ ｓ ｅ ｄ ｏ ｕ ｒ ｎ ｎ ｈ ｃ ｍｉ ｇ ｐｈ ｓ ｎ ｅ ｃ ｎｄｎｇ ｓ ｅ ｆ ｃ ｒｅ ｔｉ ｔ ｅ ｏ ｔｏ ｎ ａ ｅ ｗｅ ｅ ｎ ｔｅ ｅ ｄｉ ｐ ｅ ｆｃ ｒｅ ｔｉ ｔ ｅ ｕｐ ｏ ｎ ａ ｅ ａ ｄ ｄ ｓ ｅ ｉ ｐｅ ｄ ｏ ｕ ｒ ｎ ｎ ｈ ｕ ｇ ｉ ｇ ｐｈ ｓ ｒ ｏ — ｑｕ ． Ｔｈ ｅ ｍ ｅ ｏ ｔｏ ｔａ ｅ ｙ ｗａ ｒ ｐ ｓ ｄ Ｔｈ ｔａｅ ｃ ｎｅ ｒ ｔｄ ｔ ｅ ａ ａ ａ ｅ ｏ ｏ ｑ ｉｅ ｔｃ ｎｔｏ １ ａ ｅ ｓ ｇ ｎｔｃ ｎ ｒｌｓｒｔ ｇ ｓｐ ｏ ｏ ｅ ． ｅ ｓｒ ｔｇ ｗｈｉｈ ｉ ｔｇ ａｅ ｈ ｄｖ ｎｔｇ ｆｔｒ ｕｅ ｄｒ ｃ ｏ ｒ ｌ ｙ
ａ ｄ ｏ ｅ ｌｐ ｉ ｇ ｃ ｍｍｕ ａｉｎ ｍｅ ｈ ｄ ｃ ｕ ｄ ｅｆｃ ｉｅｙ ｓ ｐ ｒ ｓ ｈ ｏ ｑ ｅｒ ｐ ｅ ｃ ｕ ｅ ｙ ｔ ｅ ｔ ａ ｔｒ ｎｉ ｎ ｄ ｎ ｖ ｒ ｐ ｎ ｏ ａ ｔｔ ｔ ｏ ｏ ｌ ｆ ｔ ｌ ｕ ｐ ｅ ｓｔ ｅ ｔｒ ｕ ｐ ｌ ａ ｓ ｄ ｂ ｈ ｏ ｅ ｖ ｉ ｗｏ ｆｃｏ ｓ ｍｅ ｔ ｅ ｏ ａ ｏｅ ｂ ｖ ．Ｔ ｅ ｓ ｌｔ ｎ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｓ ｏ ｅ ｈ ｉ ｅ ｅ ｃ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅ ｓｒｔ ｇ ｎ ｈ ｗｏ ｍｅｈ ｄ ｓ ｇ ａｏ ｅ，ａ ｄ ｈ ｉ ａｉ ｘ ｅ ｍｕ ｏ ｉ ｎ ｓ ｈ ｗ ｄ ｔ ｅ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｂ ｔ ｅ ｔ ｅ ｙ ａ ｄ ｔ ｅ ｔ ｔ ｏ ｓｕ ｉ ｌ ｎ ｆ ｈ ａ ｎ ｎ ｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｖ ｌ ｉ ｆｔ ｅ ｓ ｇ ｎ ｏ ｔ ｌｓｒｔ ｇ ｕ ｐ ｅ ｓｎ ｈ ｏｑ ｅ ｒｐ ｌ ｕ ｉ ｇ ｃ ｍｍｕ ａ ｉｎ ｒ ｖ ｈ ａ ｉ ｔ ｏ ｅ ｍｅ ｔｃ ｎ ｒ ｔａｅ ｓ ｐ ｒ ｓ ｉｇ ｔ ｅ ｔ ｒ ｕ ｉ ｐ ｅ ｄ ｒｎ ｏ ｄｙ ｈ ｏ ｙ ｔｔ ． ｏ
机械 角频 率 。 换相 期 间 ， 响转 矩 产 生 脉 动 的 主要 因 素包 影
— —
括两 部 分 ： 理想 反 电势 、 断相和 开通 相 电流 变 非 关 化速 率不 等 。下 面 主要 从 这两 个 因素进 行分 析 。
１ １ 关 断相 和 开通 相 相 电流 变 化 速 率 不等 引起 ．
控制与应用技 术 Ｅ Ｃ ＭＡ
迫 札 再楦 芾 应 用 ２１， １ ） Ｊ ０１ ８（１ ３
换 相 期 间无刷 直流 电机 转 矩脉 动 的抑 制 策 略
李 怀兵 ， 丑 武胜 ， 张延 超 （ 北京航 空航 天 大学 机 器人研 究所 ， 北京
摘
１０ ９ ） ０ １ １
要 ：无刷直流电机的转矩 脉动是影 响其性 能的重要 因素。针对换相期 间的转矩脉 动进 行 了分析 ， 重
以Ａ Ｃ相 导通 转 换 到 Ｂ Ｃ相导 通 的换 相 过程 为例进 行 说 明 。三相 电流公 式 如下 ：
ｔ ‘
ａ
以 Ａ相绕 组 匝链 的永 磁 磁 链 为 例 来 说 明相 反 电势波 形 。反 电势计算 公 式如下 ：
： 一
ｄｔ
（ ）＝ ０
（） 口
（） ３
一
一
ｔ
㈦＝ 臣刚
式 中 ： （ ） ｔ 口 —— 转 子 位 置 角 为 ｎ时 ， 绕 组 匝 ｐ 相 （） ２
、 ～
： ３Ｌ 一 （
—
Ｍ）
￡
ｔ
链 的永 磁磁 通 ；
Ｂ（ ） ０ —— 转 子永磁 体径 向气 隙磁 密 分 布 ， 沿
一
角 呈梯 形分 布 ；
文献 ［ －］ 换相 转矩 脉动 进行 了深 入研究 。 １ 对 ６ 文献 ［］ １ 采用 基 于人 工神 经 网络 的智 能 控制 方 法 对 转矩 脉动 进行 抑 制 ， 是 该 方法 在 大 转 矩 情况 但
、 札 再拄 制 应 用 ２ １， （１ 毛 ｝ ０１ ８ １ ） ３
控制与应用技术 Ｅ Ｃ ＭＡ
存 在转 矩脉 动 ， 是影 响其应 用 的一个 主要 原 因。 这
无 刷直 流 电机 的转 矩 脉 动按 换 相 时 刻 分 为 ： 非换
母 线 电流 的采 集 精度 要 求 很 高 。文 献 ［ —］ 于 ４５ 基
相 期 间转矩 脉动 和换 相期 间转矩 脉动 。非 换相期 间转矩 脉动 相对 于换 相期 间转矩 脉 动其 波 动值较
０ 引 言
永 磁 无 刷 直 流 电 机 （ ｒｓｌ ｓ Ｄ ｔｒ Ｂ ｕｈｅ Ｃ Ｍｏ ， ｓ ｏ Ｂ Ｄ Ｍ） Ｌ Ｃ 因具 有 高 效 率 、 寿 命 、 噪 声 、 制 简 长 低 控 单 等优 点 ， 很 多 场 合得 到越 来 越 多 的应 用 。转 在 矩 特性 是 电机性 能 的重 要 指标 ， 无 刷 直 流 电机 但