换相期间无刷直流电机转矩脉动的抑制策略

微特电机2007年第9期D驱动控制rive and co n trol无刷直流电动机转矩脉动抑制控制方法39收稿日期:2007-01-15改稿日期:2007-02-25无刷直流电动机转矩脉动抑制控制方法王 俊1,毛鹏军1,彭 中2(1.河南科技大学,河南洛阳471003;2.苏州电器科学研究所有限公司,江苏苏州215011)摘 要:对无刷直流电动机转矩脉动的产生机理进行了分析,并通过对数学模型和运行状态的分析,得出了转矩脉动的大小及影响因素。

然后通过P WM 调制的方法对换相过程中产生的转矩脉动进行了补偿,对不同的转速范围提出了不同的补偿方式。

最后通过实验仿真验证了补偿方式的有效性。

关键词:无刷直流电动机;转矩脉动;P WM 调制中图分类号:T M 33 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2007)09-0039-03The M ethod toM ini m ize the Comm utation Torque R ipple in Brushless DC M otorWANG Jun 1,MAO P eng -jun 1,PENG Zhong2(1.H enan Un iversity of Science and Tec hno l o gy ,Luoyang 471003,China ;2.Suzhou E lectrica lApparat u s Research Institute Co .,Ltd ,Suzhou 215011,China)Abstract :The reasons of to rque r i pp l e i n brushless DC m oto r w as ana l yzed .T he v al ues o f torque ripple and the e ffects reasons w ere com e out through t he ana l yzing and m ode ling o f t he operation .T hen ,the correspondi ng P WM mode to com pen -sate t he comm utati on torque ri pple in different ve l oc ity secti ons was proposed .In t he end ,the si m ulation results showed tha t the m ethod was practica.lK ey word s :brush l ess DC m otor (BLDC M );torque r i pp l e ;P WM m odulate0引 言无刷直流电动机最大的特点就是它以半导体开关元件代替了由电刷和换向器组成的机械换向结构。

2006年第21卷第2期 电 力 学 报 Vol.21No.22006 (总第75期) JOURNAL OF ELECT RIC POWER (Sum.75)文章编号: 1005-6548(2006)02-0157-03无刷直流电动机转矩脉动的抑制刘会飞, 王淑红(太原理工大学,山西太原 030024)The Torque Ripple Minimization of Brushless DC MotorLIU Hui fei, WANG Shu hong(Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)摘 要: 转矩脉动是制约无刷直流电动机发展的重大障碍,因此本文分析了无刷直流电动机转矩脉动产生的原因,并提出了相应的策略加以抑制。

同时,着重对电流换相时所引起的转矩脉动进行了研究,发现采用重叠换相技术可减小这种转矩脉动。

关键词: 无刷直流电动机;转矩脉动;重叠换相中图分类号: TM36+1 文献标识码: A Abstract: Torque ripple is the important obstacle that influences the development of brushless DC mo tor,so this paper analyzes the producing reasons of torque ripple of brushless DC motor and introduces v arious methods to m inim ize torque ripple.At the same time torque pulsation in circuit commutation is analyzed and researched chiefly,and overlapping commutation technolog y is offered in order to reduce this torque pulsation.Key Words: brushless DC motor;torque ripple; overlapping commutation方波型永磁无刷直流电动机(BLDCM)因其体积小、性能好、结构简单、可靠性高、输出转矩大,同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性等特点,从它一出现就受到人们的青睐。

一种抑制无刷直流电动机换相转矩脉动的新方法魏嘉涛;林荣文【摘要】无刷直流电动机具有传统直流电动机的优点,可以低速大功率运行,可以省去减速机直接驱动大的负载,同时体积小、重量轻、出力大.因此,在各行各业得到了广泛的应用.但缺点是转矩脉动较大.在Z源逆变器的基础上,本文提出用一种改进型的Z源逆变器来抑制无刷直流电动机换相转矩脉动,改进型的Z源拓扑相对于传统拓扑减少了一个电容.因此可减小电路的体积及设计成本.该拓扑的升压能力与传统拓扑相当,并且不存在传统拓扑那样的起动回路,不存在起动冲击问题,无需采用软起动策略,起动过程简单.而且能够有效地抑制换相转矩脉动.【期刊名称】《电气技术》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】5页(P16-20)【关键词】无刷直流电动机;转矩脉动;改进型Z源逆变器【作者】魏嘉涛;林荣文【作者单位】福州大学电气工程与自动化学院,福州 350108;福州大学电气工程与自动化学院,福州 350108【正文语种】中文无刷直流电动机具有输出转矩大、高效率、低效率、控制简单等特点，被广泛的应用在各行各业。

转矩特性是电动机性能的重要指标，无刷直流电动机的换相、齿槽效应、电枢反应等，都会产生转矩脉动。

齿槽效应、电枢反应产生的转矩脉动可以通过电动机设计来减少。

因此，无刷直流电动机的转矩脉动主要来源于换相时产生的转矩脉动。

有效地控制减少无刷直流电动机换相时刻产生的脉动，就能使电机稳定运行。

文献[2]分析了采用合理的PWM调制方式以及合适的重叠换相角减小电动机转矩脉动的理论。

但是要精确计算导通角，否则可能增大转矩脉动。

文献[3]分析了无刷直流电动机两种导通方式（二二导通和三三导通）下的转矩脉动。

通过比较发现在低速时候采用二二导通，转矩脉动小；在高速的时候采用三三导通，转矩脉动小。

文献[6]在对永磁直流电动机建立数学模型的基础上，对5种传统的PWM调制方式进行详细分析和比较。

通过比较发现在抑制换相期间电磁转矩脉动方面PWM_ON调制方式比其他四种调制方式具有更好的控制效果。

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.。

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。

无刷直流电机基于电流预测控制的转矩脉动抑制作者：吕德刚张辰光侯征东来源：《哈尔滨理工大学学报》2020年第05期摘要：针对无刷直流电机转矩脉动问题，提出了一种与换相重叠法相结合的电流预测控制方法来抑制换相转矩脉动。

在分析换相转矩脉动产生的原因的基础上，采用电流预测控制方法同ON_PWM导通方式相结合，对电机进行控制。

在换相期间对关断相和非换相相采用同步的PWM进行调制，确保在换相期间开通相的电流上升率和关断相电流的下降率相同，从而使非换相相电流在换相期间平稳过度，进而减小转矩脉动。

在电流预测控制的基础上，通过消除直流母线负续流，进一步抑制转矩脉动。

实验表明，本文提出的方法可在中低速范围内明显的减小转矩脉动，验证了该控制策略的正確性;消除直流母线负续流，转矩脉动得到进一步抑制。

关键词：无刷直流电机;转矩脉动;重叠换相;直流母线负续流;电流预测Abstract：Aiming at the torque ripple problem of brushless DC motor， a current predictive control method combined with commutation overlap method is proposed to suppress the commutation torque ripple. Based on the analysis of the cause of the commutation torque ripple， the current prediction control method is combined with the ON_PWM conduction mode to control the motor. During the commutation phase， the off-phase and non-commutation phase are modulated by synchronous PWM， ensuring that the current rise rate of the turn-on phase during commutation was the same as the turn-off phase current drop rate. Thus the non-commutated phase current was smoothly over-transformed during commutation， which in turn reduces torque ripple. On the basis of the current prediction control， the torque ripple was further suppressed by eliminating the negative current of the DC bus. Experiments show that the proposed method can significantly reduce the torque ripple in full speed range， verify the correctness of the control strategy， eliminate the DC bus negative freewheeling， and further suppress the torque ripple.Keywords：BLDCM; torque ripple; overlap commutation; DC bus negative freewheeling; current prediction0 引言由于存在转矩脉动，使得无刷直流电机很难应用于高精度高稳定性场合[1]，为了解决该问题，国内外学者做了大量的研究[2-5]。

一种抑制无刷直流电机转矩脉动的调制方法王少鹏;张安堂;王君力【摘要】针对无刷直流电机存在较严重的转矩脉动问题,提出在换相区采用三相绕组共同调制方法来减小换相转矩脉动;在导通区,采用滞环比较原理实现对电机转矩、磁链的跟踪控制,从而消除非换相转矩脉动.在电机转矩与输入能量之间建立联系,按照单周期控制思想,使系统能够准确控制输入能量,进而准确控制电机转矩.仿真和实验结果表明,相比于传统的控制方法,采用转矩脉动抑制方法,在换相区和导通区内的电流和电磁转矩波形都更平稳.并且当电机转速变化时,采用传统控制方法得到的电流和电磁转矩会产生波动;而采用脉动抑制方法时,电机转速变化对绕组电流的影响不大,电机能够相对稳定地输出电磁转矩,验证了文中理论分析的正确性和有效性.%Aimed at the problem that serious torque ripples exist in brushless DC motors (BLDCM),this paper proposes a three-phase cooperative modulation to eliminate the commutation torque ripple.During non-commutation,the paper proposes a direct torque control to eliminate torque ripple by adopting hysteresis comparison to follow-up control torque and flux linkage of BLDCM.The paper establishes a relationship between motors torque and input power.The method based on one cycle control enables the system to control input power accurately,even more control torque of BLDCM correctly.The simulated and experimental results show that the method of torque ripple suppression of current and electromagnetic torque waveform is smooth for a motor in speed changes compared with the traditional control method whose current and electromagnetic torque can produce fluctuations.When the torque ripplesuppression method is used,the influence of motor speed changes on the influence of winding current is small.Motor electromagnetic torque can relatively stably output.The validity and corrective of the theoretical analysis are verified.【期刊名称】《空军工程大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(018)003【总页数】6页(P73-78)【关键词】无刷直流电机;转矩脉动;单周期控制;三相共同调制;直接转矩控制【作者】王少鹏;张安堂;王君力【作者单位】空军工程大学防空反导学院,西安,710051;空军工程大学防空反导学院,西安,710051;空军工程大学防空反导学院,西安,710051【正文语种】中文【中图分类】TM351无刷直流电机(Brushless DC Motor,BLDCM)作为一种机电一体化新型产品,具有效率高、控制简单、结构稳定、功率密度大等优点,在工业控制、航空航天等领域都得到了广泛的应用[1-5]。