無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)波動力矩的抑制方法
王 強(qiáng) 孫 力 陸永平（哈爾濱工業(yè)大學(xué)150001）
摘 要 介紹幾種抑制無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)波動力矩的主要方法，并對這些方法進(jìn)行比較。
敘 詞 無刷直流電動機(jī)波動力矩抑制
1 引 言
無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)具有良好的控制特性、大的峰值力矩和高可靠性等優(yōu)點，因而在高精度位置和速率系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，對于這類高精度系統(tǒng)，波動力矩是一項重要指標(biāo)，影響著速率和位置精度，因此抑制無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)的波動力矩具有重要的意義，本文對抑制波動力矩的方法進(jìn)行了分類介紹。
2 波動力矩的幾種主要抑制方法
無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)的波動力矩可分為兩種成分，即電磁波動力矩和齒槽波動力矩，對于表面磁鋼無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)，通過齒極配合和采用分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，可以充分抑制齒槽波動力矩，波動力矩的主要成分是電磁波動力矩。電磁波動力矩主要是無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)三相電流和反電勢的恒定分量偏差、幅值偏差、相位偏差以及諧波成分產(chǎn)生的。根據(jù)波動力矩來源于電流和反電勢偏差這一特點，可將抑制波動力矩的各種方法作如下分類。
諧波消去法
力矩前饋法
力矩反饋法
直接力矩反饋法
間接力矩反饋法
磁場正弦化設(shè)計法
2.1諧波消去法
根據(jù)電磁波動力矩的產(chǎn)生原理，文獻(xiàn)[1]首先提出了必須根據(jù)氣隙磁密波形決定繞組電流波形，以消除電磁波動力矩，即諧波消去法。其主要的目的是消除電流和反電勢諧波成分產(chǎn)生的波動力矩，其基本原理如下：
當(dāng)無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)電流或反電勢含有諧波分量時，系統(tǒng)的平均電磁力矩和諧波力矩可表示為：
根據(jù)測得的或計算而得的各次電勢諧波成分，即可求解出****電流波形的各次諧波，從而得到了****電流波形，用它作為相電流參考信號，以抑制反電勢諧波產(chǎn)生的波動力矩，文獻(xiàn)[2]首先給出了這種方法的完整描述，文獻(xiàn)[3]介紹了獲取/mk的各種方法，原理上并沒有什么變化。文獻(xiàn)[4]計算了不同定子電流對/mk的影響，根據(jù)定子電流的數(shù)值，考慮電樞反應(yīng)對電勢諧波的影響，進(jìn)而計算出該電流下的/mk。
仿真和實驗研究表明，諧波消去法抑制較大的電勢諧波產(chǎn)生的波動力矩較為明顯，或者只可將波動力矩抑制于一定的水平。這是因為，該方法對電流調(diào)節(jié)器的帶寬有較高的要求，正常情況下，電流調(diào)節(jié)器無法使相電流完全復(fù)現(xiàn)電流指令中的各次諧波成分，因此，諧波消去法的作用是有限的。
2.2力矩前饋法
力矩前饋法是諧波消去法的發(fā)展，諧波消去法本質(zhì)上是一種開環(huán)方法，力矩前饋法與諧波消去法依據(jù)相同的原理，即用電流的諧波成分消除電勢諧波成分產(chǎn)生的波動力矩。與諧波消去不同，力矩前饋法是一種實時、在線補(bǔ)漏方法。
圖1是一種典型的用力矩前饋補(bǔ)償方法抑制波動力矩的系統(tǒng)的原理圖，其基本原理是，建立反電勢或力矩觀測器，由同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程估計出電勢或力矩的諧波成分，根據(jù)電勢或力矩諧波計算出電流指令i和i中應(yīng)包含的諧波成分，控制三相電流產(chǎn)生相應(yīng)的諧波成分，抑制波動力矩。
力矩前饋法比較復(fù)雜，對采樣、檢測電路的精度要求較高，需要快速的數(shù)字信號處理 器，實現(xiàn)困難，其方法和技術(shù)尚不成熟，仍處反饋方法抑制波動力矩的于研究階段，文獻(xiàn)報道也較少[5]。
2.3力矩反饋法
力矩反饋方法是以瞬時力矩作被控量，根據(jù)獲取的反饋力矩信號實現(xiàn)對瞬時力矩的直接控制，因此也稱之為瞬時力矩控制法。
力矩反饋信號的準(zhǔn)確獲取是力矩反饋實現(xiàn)的關(guān)鍵，按反饋信號獲取方式的不同，力矩反饋法分為直接力矩反饋法和間接力矩反饋法[5]。
直接力矩反饋法有兩大缺點，第一，這種方法需要在電機(jī)與負(fù)載轉(zhuǎn)軸之間安裝位移或應(yīng)變傳感器來測量瞬時力矩，這種傳感器的制造和安裝都比較困難；第二，需要昂貴的高響應(yīng)信號處理設(shè)備，這是因為信號處理設(shè)備的帶寬必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所檢測的瞬時力矩的信號的帶寬。這兩點原因限制了直接力矩反饋法的應(yīng)用。
間接力矩反饋法是根據(jù)測量的電機(jī)參數(shù)和狀態(tài)變量計算瞬時力矩，丁可表示為：
間接力矩反饋法的核心是式(2)中各系數(shù)的獲取，按其獲取方式可將間接力矩反饋方法分為測量法、觀測法和綜合法。
測量法，忽略電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響，通過測取空載反電勢，用最小方差參數(shù)辨識的方法求得式的各系數(shù)。
觀測法，建立力矩觀測器，通過測得的系統(tǒng)電壓、電流等狀態(tài)變量估計式(2)備系數(shù)，常用的方法有電壓積分法和平均力矩估計法。
綜合法，綜合法融合了測量法和觀測法，通過測取空載電勢獲取式(2)各系數(shù)的基值，根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，應(yīng)用觀測法的手段對這些系數(shù)加以修正。
力矩反饋法算法也比較復(fù)雜，對各種波動力矩都有抑制作用。
2.4磁場正弦化設(shè)計法
磁場正弦化設(shè)計法是一種與前三種方法截然不同的方法，是通過磁場的正弦化設(shè)計，盡可能減小電勢中的諧波成分（3次諧波除外）。這方面的研究開展較早，文獻(xiàn)[6]介紹了解析法計算空載氣隙磁場的方法，分析了極弧變化、極對數(shù)、氣隙以及充磁形式等因素對氣隙磁密空間諧波的影響，文獻(xiàn)[7]介紹了一種用雙層表面磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來消除電勢諧波的方法，文獻(xiàn)[8]應(yīng)用電磁場反問題求解的方法，計算了正弦氣隙磁場的磁鋼形狀，作了大量的實驗研究。磁場正弦化設(shè)計法可大幅度降低由電勢諧波產(chǎn)生的波動力矩。
3結(jié)論
通過以上幾種抑制波動力矩方法的討論，可以得出結(jié)論：
a．諧波消去法對較大的電勢諧波產(chǎn)生的波動力矩有明顯的抑制作用，其效果受電流環(huán)帶寬的限制。
b．力矩前饋法結(jié)構(gòu)、算法復(fù)雜，主要應(yīng)用于穩(wěn)速系統(tǒng)。
c．磁場正弦化設(shè)計法可有效地抑制電勢諧波產(chǎn)生的波動力矩，采用磁場正弦化設(shè)計后，波動為矩主要表現(xiàn)為電流的幅值、相位和函數(shù)誤差產(chǎn)生的P次、2P、6P的波動力矩。
d．力矩反饋法實時性好，對各種波動力矩均有抑制作用，與磁場正弦化設(shè)計法結(jié)合使用可收到較好的效果。
《微電機(jī)》創(chuàng)刊于1972年，是由西安微電機(jī)研究所主辦的電工技術(shù)類核心期刊，是中國電工技術(shù)學(xué)會微特電機(jī)專業(yè)委員會會刊，中國電器工業(yè)協(xié)會微電機(jī)分會會刊，機(jī)械工業(yè)微電機(jī)科技情報網(wǎng)網(wǎng)刊。
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