永磁无刷直流电机转矩波动及其抑制的探讨

永磁无刷直流电机换相转矩脉动的抑制研究王春杰;刘国智;孙仲明;袁宋伟【摘要】永磁无刷直流电机因其自身结构与换相方法的特质,导致其在运行过程中存在较大的换相转矩脉动,阻碍了它在高精尖领域中的运用.针对这一问题,本文将通过滞环电流控制策略对实际相电流与给定的参考电流进行实时对比,使电机能够获得合理的触发信号.最后,利用MATLAB软件进行仿真验证,该策略成功地削弱了换相转矩脉动,完善了永磁无刷直流电机的工作特性.【期刊名称】《天津理工大学学报》【年(卷),期】2016(032)002【总页数】4页(P5-8)【关键词】永磁无刷直流电机;滞环电流控制策略;换相转矩脉动抑制【作者】王春杰;刘国智;孙仲明;袁宋伟【作者单位】天津理工大学自动化学院天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津300384;天津理工大学自动化学院天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津300384;天津理工大学自动化学院天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津300384;天津理工大学自动化学院天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津300384【正文语种】中文【中图分类】TM33永磁无刷直流电机通过电子换相器件解决了由于机械换相装置给有刷电机导致的噪声大、通讯扰动、使用寿命较短等缺陷.除了保留直流电机的优点外，永磁无刷直流电机还配有机身体积较小、控制方法简单、单位能量力矩较大以及运转稳定的优良特性，推动其在航空以及自动化等高精尖领域中都获得了成功实践［1］.然而，由于电机所采用的换相控制方法以及自身结构特点，使得永磁无刷直流电机在应用中最难以解决的问题是转矩脉动［2］.转矩脉动会干扰系统的控制性能，导致电机在运转期间会产生转速波动［3］.因此，若能使永磁无刷直流电机的换相转矩脉动得到有效减小，将不仅促使其运行性能得到极大改善，还将推动其在更高精度系统领域中得到应用［4］.近年来，针对如何抑制换相转矩脉动的研究成为了热点，学者们做出了很多杰出贡献，提供了宝贵经验.文献［5］通过滞环电压控制策略，以便在换相过程期间使电机导通、关断相两者电流改变速率得以相等，从而削弱换相转矩脉动对于系统转速与转矩性能的干扰，但此方法多适用于高速控制系统中，应用范围有限.文献［6］分别对5种控制方法进行了研究，对比了它们给电机系统所引起的不同影响，然而没有给出具体控制策略.本文将分析换相转矩脉动起因，并据此引入了较为有效的应对策略：滞环电流控制策略.通过对比相电流的瞬时值与参考值，据此在换相期间对电机施以合理的触发信号，从而使开通、关断相的电流改变速率得以相等，也使非换相中的电流不抖动，因此对换相转矩脉动现象进行有效抑制.为便于分析问题，这里做如下假设：1）忽略定子齿槽的影响；2）忽略电机内的损耗；3）绕组均匀布置，彼此对称；4）磁感应强度为梯形均匀分布.图1为永磁无刷直流电机的电子电路示意图.在其调速控制系统中，一般采用位置传感器检测转子位置，并根据转子位置来完成换相，通常采用二二导通调制方式. 电机绕组的电压方程可表示为：其中：UA，UB，UC为定子绕组各相端电压；iA，iB，iC为定子绕组各相电流；eA，eB，eC为各相绕组的反电动势；R为每相绕组的电阻；LM为各绕组的等效电感. 图2表示为三相电流与反电动势对比图形（图2中π表示为180°）.电机的电磁转矩方程可表示为：式（2）中：ωr为转子的机械角速度.由式（2）可以看出，在转速ωr维持不变的情形下，要让永磁无刷直流电机达到平稳运行的目的，eAiA、eBiB、eCiC之和就必须保持恒定，因此，相电流与反电动势须保持同相位的关系且均为方形波.永磁无刷直流电机采用二二导通方式，即任何工况下都仅有两相绕组处于接通的状态，而第三相处于关断.然而，由于绕组自身电感和绕组间互感对绕组相电流变化产生的阻碍影响，开通相和关断相电流变化速率不一致，造成非换相电流抖动，产生转矩的脉动现象，如图3中（a）图与（b）图所示.对此解决的有效方案是令导通、关断两相中的电流改变速度相同，维持非换相中的电流不发生抖动，如3图（c）所示.本文将通过滞环电流法对电流起到实时调节作用.由图4所示，滞环电流PWM控制元件的控制原理可表述为：以导通相AB举例，在电流的瞬时值与设定的电流值两者间的差值超过滞环宽度上限值的情况下，电子管VT1接通，VT4截止，电机接入正极电源，电流逐渐上升；反之，若在两电流间的差值小于滞环宽度下限值的情况下，电子管VT1截止，VT4接通，电机接入负极，电流逐渐下降，达到闭环调控电流的目的.滞环电流法的优势是：限流能力好，响应速度快.如图5所示为控制模块图，输入量分别是三相电流的瞬时值与给定参考值，输出量是调控逆变器的触发信号.在图1中所示的功率管开关VT1在导通期间，必须满足0≤t≤δTp，其中δ与Tp 分别表示为占空比与载波周期.因此有关系式：其中：Us为电源电压，L1= 2LM为线等效电感；R1= 2R为线电阻；E1= 2E为线反电势；r = L1/R1，i1为初始电流.进行线性化后，在功率管关断期间：δTp≤t≤Tp进行线性化后，根据式（7）与式（8）能够得到：其中，Im与I0分别为电流上、下限值，a0= Tp/г；a1=δ·a0；a2=（1 -δ）·a0，线性化后，根据式（9）和式（10）可得到：根据式（11）与式（12）能够得到：根据式（12）与式（13）能够得到：将代入式（14）与式（15）可得：电阻值RS能够表示为：那么，相电流的平均值可以表示为：线反电势可以表示为：因此，占空比可以表示为：由式（20）可以知道，当电机运行在相电流与转速一定的情况下，就可以自动确定占空比δ，随后即可选择较为合理的滞环宽，令实际的电流值得以不断地跟随参考电流值的波形而相应变化，达到闭环控制电流的目的.如图6所示，结合永磁无刷直流电机与滞环电流控制原理，组合出仿真模型，并对仿真曲线进行分析，用以检验仿真模型和控制策略的正确性与合理性.将各参数值分别设定如下：额定电压为US= 200 V，磁极对数为p = 1，额定转速为n = 1 500 r/min，给定转速为n*= 500 r/min，每个定子绕组的等效电感为LM= 8.9×10-4H，每相绕组的电阻为R = 2.8 Ω，转子的阻尼系数为B =8.3×10-6N·m·s/rad，转子的转动惯量为J = 2.5×10-6kg·m2，反电动势常数为Ke= 6×10-3V·s/rad.电机在仿真时从空载起转，在t = 0.1 s接入TL= 3.0 N·m的负载，分别得到以下仿真图像.由图7所示，电机的相电流与反电动势波形平稳，均为梯形波，并且两者跟随机转子的位置而不断地线性变化.在图8中所示，换相过程中关断、导通相两者电流变化速率相同，非换相电流值不改变.从图9中所示的转速与转矩曲线比较平稳，电机在t = 0 s时刻空载起动，在t = 0.1 s时刻对其施加扭矩为TL= 3.0 N·m的负载，电机响应速度较快，输出力矩Te快速增大.当负载逐渐增大之后，电机的转速稍微减慢，符合电机的运行特性，随后电机转速很快恢复正常，电机维持稳定运行.仿真结果证明上述建立的MATLAB仿真实验模型与所采用的滞环电流控制策略是有效准确的，控制系统具备优良的运行特性.本文首先分析了引发永磁无刷直流电机的本体结构与换相方法，指出了造成换相转矩脉动现象出现的影响因素，随后验证了利用滞环电流控制策略抑制脉动的可行性.经过仿真实验验证，滞环电流控制策略有效地缩小了换相过程中关断、导通相间的电流变化速率差值，使非换相中的电流得以保持不变，完善了电机性能.【相关文献】［1］贡俊，陆国林.无刷直流电机在工业中的应用和发展［J］.微特电机，2000（5）：15-19. ［2］叶振锋，雷淮刚.基于MATLAB的无刷直流电动机控制系统仿真［J］.电气传动自动化，2005（1）：23-25.［3］纪志成，姜建国，沈艳霞，等.永磁无刷直流电动机转矩脉动及其抑制方法［J］.微特电机，2003（5）：33-37.［4］谭建成.无刷直流电动机的换相转矩波动分析［J］.微电机，2011（6）：1-6.［5］SHI Ting Na，WANG Jian，ZHANG Ce，等. Direct power control for three-level PWM rectifier based on hysteresis strategy［J］.中国科学：技术科学：英文版，2012，（11）：3019-3028.［6］包向华，章跃进.五种PWM方式对无刷电动机换相转矩脉动的分析和比较［J］.中小型电机，2005（6）：48-52.。

无刷直流电机换相转矩脉动分析及抑制近年来，随着技术的进步，无刷直流电机（BLDC）经常被应用到多种领域，这种电机具有良好的稳定性、可靠性、节能性和高效率等特点。

无刷直流电机采用驱动器来驱动其旋转，并通过换相来控制其转速。

但是，在实际的换相过程中，由于硬件结构和电路的特性，会引起换相转矩脉动这种不利的现象。

因此，为了提高无刷直流电机的精确性和可靠性，如何有效的抑制换相转矩脉动成了当前应用无刷直流电机的研究人员面临的一个重要问题。

为了解决换相转矩脉动问题，我们首先需要了解换相转矩脉动的本质及其影响因素。

首先，换相转矩脉动是由于驱动器控制电机时产生的脉动现象，其主要原因是电机的动态特性，例如电机的电流响应与输入电压时间延迟、滞后特性，以及电机阻抗等。

此外，控制器的设计也会影响换相转矩脉动的大小，例如电压控制（PWM）、电流控制等。

此外，电机的结构参数，如齿数、磁极和电枢直径等，也会影响换相转矩脉动的大小。

为了降低换相转矩脉动，需要从两个方面出发。

首先，。

控制算法设计。

控制算法是控制电机转矩脉动的核心，根据电机的特性，采用适当的控制算法，可以有效的抑制换相转矩脉动。

例如，在电机控制中采用模糊控制和自适应控制等算法，可以有效的抑制转矩脉动；此外，采用调整电压滤波器参数的方法也可以减小换相转矩脉动。

其次，需要采取设计优化的方法。

设计优化可以改变电机结构参数，提高电机控制系统的精确度，从而有效地减少换相转矩脉动。

例如，可以考虑增加电机齿数，增加舵机驱动器输出电流，减少电机阻抗等。

此外，可以从电机材料和结构参数方面考虑优化结构，以降低电机内部转矩脉动。

此外，为了更好的抑制换相转矩脉动，除了考虑控制算法和设计优化外，还可以考虑采用某种机械补偿方法。

比如，采用小型回路控制器，可以有效抑制换相转矩脉动，其原理是在无刷直流电机换相过程中，采用小型回路控制器对转矩信号进行补偿，从而减小换相转矩脉动的大小。

综上所述，换相转矩脉动是应用无刷直流电机的一个致命性问题，控制算法、设计优化和机械补偿等方法可以有效的抑制换相转矩脉动，从而提高无刷直流电机的精确性和可靠性。

永磁无刷直流电动机换相脉动转矩及抑制方法肖遥剑;冯浩;仰韩英;赵浩【摘要】通过分析永磁无刷直流电动机的换相过程,得到了电动机绕组电流换相产生的脉动转矩表达式.为了验证理论分析的正确性,首先对电流换相产生的脉动转矩及相关特性进行了仿真,然后采用永磁旋转角加速度传感器对电动机轴上的脉动转矩进行了实际测量,验证了电机输出转矩中的脉动转矩分量的客观存在性及相关特性.针对脉动转矩,提出了一种基于峰谷互补的抑制方法,并建立了对应的实验平台开展了实验研究,理论分析和实验测量取得了一致的结果,从而证明了该抑制方法的正确性.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2019(040)001【总页数】6页(P58-63)【关键词】计量学;无刷直流电机;电流换相;脉动转矩抑制;Matlab仿真【作者】肖遥剑;冯浩;仰韩英;赵浩【作者单位】杭州电子科技大学自动化学院,浙江杭州310000;杭州电子科技大学自动化学院,浙江杭州310000;杭州电子科技大学自动化学院,浙江杭州310000;嘉兴学院,浙江嘉兴314001【正文语种】中文【中图分类】TB9711 引言永磁无刷直流电机具有控制简单、效率高、单位体积功率大等特点,但由于其在换相过程存在较严重的脉动转矩,因此,脉动转矩的成因及其抑制就成为永磁无刷直流电动机驱动系统研究的热点之一。

目前永磁无刷直流电机脉动转矩抑制方法主要分为2大类:一类是从电机本体设计入手,来消除齿槽所产生的转矩[1～6];另一类是从控制策略入手来降低电流换相所产生的脉动转矩[7～11]。

虽然对于齿槽所产生的脉动转矩已得到抑制,但是对于电流换相所产生的脉动转矩没能得到有效的抑制,实际检测发现永磁无刷直流电机脉动转矩的普遍存在,而且脉动非常严重。

本文从理论上分析了电流换相产生的脉动转矩,并通过仿真和实际测量证实了理论分析结果的正确性;提出了一种由永磁无刷直流电动机产生振幅相同、相位相反的2个脉动转矩通过峰谷互补实现脉动转矩抑制的方法,该抑制方法的有效性也通过实验方法得到了验证。

无刷直流电机换相转矩脉动分析及抑制今天，无刷直流电机已经成为机器人技术和智能设备的重要组成部分。

无刷直流电机在实际应用中，常常伴随着脉动，甚至会影响其精度和可靠性。

因此，分析无刷直流电机（BLDC）换相转矩脉动，并针对脉动进行抑制，对于BLDC电机的高效运行具有重要意义。

一般来说，BLDC换相转矩脉动的产生是由于模块内的无刷直流电机的基本特性所导致的。

它的发生取决于绕组连接方式、换相控制器设计以及磁铁设计等因素。

BLDC脉动电机可以从三个方面分析，分别是：脉动温度、力矩和角度，它们是研究BLDC换相转矩脉动最基本的分析参数。

要想了解BLDC换相转矩脉动的机理，就必须分析这三项参数的变化，并且针对其中的脉动进行抑制，以便获得良好的驱动性能。

为了抑制BLDC换相转矩脉动，大多数技术方法都是基于延迟时间的控制，即增加模块内的换相控制器的延迟时间，以增加绕组停止状态的时间。

此外，还可以通过调整磁铁内磁通率及磁路磁束密度来抑制脉动。

数字控制器会根据实时获取的信号，调整换相结构，以降低脉动，从而提高无刷直流电机的精度和可靠性。

此外，可以通过计算机模拟对BLDC换相转矩脉动的抑制进行深入研究。

首先，通过模拟软件分析BLDC换相结构和无刷直流电机的特性，然后根据研究结果，选择合适的参数，如换相电路设计、磁铁磁通率、延迟时间等，以有效地抑制脉动。

本文详细阐述了无刷直流电机换相转矩脉动分析及抑制的具体技术方法。

首先，结合基本特性分析了脉动温度、力矩和角度变化，然后，根据分析结果选择有效的抑制手段，如延迟控制、调整磁铁磁通率，最后，通过计算机模拟进行深入研究。

经过系统的研究，可以获得有效的结果，从而提高无刷直流电机的精度和可靠性。

无刷直流电机转矩脉动抑制方法综述
1无刷直流电机转矩脉动抑制方法综述
无刷直流电机作为可靠性强、动态性能优良的传动机构，被广泛应用于现代机器人、智能家居等控制领域。

然而由于调速过程中，无刷直流电机的转矩脉动是一个主要影响控制性能的因素，抑制它的工作就显得尤为重要。

目前，无刷直流电机转矩脉动抑制已延伸到许多方面，如PID调节、传感器反馈、软件实现等，分别又有不同种类。

1.1PID调节
PID调节是利用控制器中的PID参数可以改变电机的推力从而起到抑制脉动的作用。

此外，由于PID的高效性、实时性和灵活性，它可以在控制电机转矩脉动时有更好的效果。

1.2传感器反馈
传感器反馈是指采用电流或转速传感器对电机运行时的电流和转速进行实时反馈，以使50~60Hz信号只对实际加载有用，避免不受控浪涌，进而有效抑制无刷用电机的转矩脉动。

1.3软件实现
软件实现主要通过数字过滤算法来抑制转矩脉动。

数字过滤算法，利用滤波器可以准确预测模型，实时估计和预测转矩的脉动随时
间的变化，来进行精准的抑制。

这种方法对任何形式的转矩过程具有很大的鲁棒性，方便在新的情境中调试。

以上就是关于无刷直流电机转矩脉动抑制方法的综述。

未来，研究人员还将进一步探究这一领域，以更有效地控制电机转矩脉动。