摘要：對(duì)由電磁因素引起的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的原理分析和理論探討的基礎(chǔ)上，以兩相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例給出了相應(yīng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)公式的推導(dǎo)過(guò)程，提出了一種通過(guò)控制電機(jī)電流抑制電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的策略和實(shí)現(xiàn)方法，并通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制；控制策略
0 引 言
引起無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的因素很多，主要有：電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，諧波引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，電流換向引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，電樞反應(yīng)和機(jī)械工藝引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等。通過(guò)優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)和改進(jìn)制造工藝可以有效地減小齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、電樞反應(yīng)和機(jī)械工藝等引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。文獻(xiàn)[1-2]提出的重疊換向法、換向時(shí)刻控制母線電流等，可有效地抑制無(wú)刷直流電機(jī)的換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。本文對(duì)電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行了深入研究。首先以兩相無(wú)刷直流電機(jī)為例推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)公式，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析；在此基礎(chǔ)上，提出減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的策略和實(shí)現(xiàn)方法；最后給出通過(guò)場(chǎng)路耦合的有限元仿真，驗(yàn)證電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及其抑制方法的可行性。
1 無(wú)刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)
由于無(wú)刷直流電機(jī)的定子繞組電流波形為梯形波(近似為方波)，并且轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一定電角度電流換向一次(兩相繞組為90°，三相繞組為60°）稱為一個(gè)磁狀態(tài)。一個(gè)磁狀態(tài)期間由于永磁體轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不變，隨著轉(zhuǎn)子位置的變化，定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用必然發(fā)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，這種轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是非常復(fù)雜的。為便于分析，下面對(duì)一對(duì)磁極的兩相無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行分析。作如下假定：
(1)忽略齒槽、換相過(guò)程和電樞反應(yīng)等影響；(2)電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；(3)氣隙磁場(chǎng)和電流波形均為理想方波；(4)轉(zhuǎn)速的變化在一個(gè)磁狀態(tài)期間保持不變。
圖l為電流由A相帶流入、X相帶流出對(duì)應(yīng)的一個(gè)磁狀態(tài)內(nèi)轉(zhuǎn)子磁極與定子繞組位置的變化。
圖中β(π/2≤β≤π)為永磁體磁極寬度。圖1(a)為磁狀態(tài)的初始位置，磁極S、N的中心線分別與A相帶、x相帶的一條邊對(duì)齊，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩最小。圖1(b)為磁狀態(tài)的中心位置，磁極s、N的中心線分別與A相帶、x相帶的中心線對(duì)齊，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩****。圖1(c)為磁狀態(tài)的終止位置，磁極s、N的中心線分別與A相帶、x相帶的另一條邊對(duì)齊，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩最小。磁極s的位置角分別為：
電流進(jìn)行適當(dāng)調(diào)制的示意圖。圖3(a)為梯形波電流；圖3(b)說(shuō)明對(duì)梯形波電流的平頂部分進(jìn)行調(diào)制，即在梯形波電流的平頂期間適當(dāng)降低PwM的占空比，這樣轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)下降。同時(shí)，PWM的****占空比適當(dāng)提高，保持輸出電流的有效值變化不大，以防止平均轉(zhuǎn)矩的下降。
3仿真
場(chǎng)路耦合的有限元方法利用電路方程及定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)與場(chǎng)量關(guān)系的有限元方程求解。首先計(jì)算定子繞組的直流電阻、繞組端部的漏電感等，把計(jì)算的集中參數(shù)加入到場(chǎng)路耦合模型的電路方程中。仿真時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，對(duì)PwM的占空比進(jìn)行調(diào)制，使電機(jī)電樞磁場(chǎng)的激勵(lì)源為期望的電流波形。仿真分析選取的電機(jī)為兩極、定子24槽、額定轉(zhuǎn)速3 000 r／min、額定功率1．6 kw的轉(zhuǎn)子表面貼磁鋼的兩相無(wú)刷直流電機(jī)。
圖4、圖5分別為電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制前和抑制后A相繞組的電流。為便于比較，電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制前后繞組電流的有效值基本保持不變。圖6為電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制前和抑制后輸出轉(zhuǎn)矩的比較。
由仿真結(jié)果表明，電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制前和抑制后輸出平均轉(zhuǎn)矩約為5．5 N·m，而其電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分別為56％、18％，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減少38％，抑制效果明顯。
當(dāng)然，電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制后還存在一定的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，原因主要是由于齒槽效應(yīng)和電流換向等引起的。
4結(jié)論
本文通過(guò)分析無(wú)刷直流電機(jī)電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提出對(duì)電流的平頂部分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)制，可有效抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減少38％，這為無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用于高精度、高性能的伺服系統(tǒng)提供了一種切實(shí)可行的方法。
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