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| 微特電機(jī)論文：無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) |
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無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
無刷直流電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，調(diào)速控制方便．可靠性高，因此它的應(yīng)用越來越廣泛。但是，無刷直流電動(dòng)機(jī)固有的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題卻一直限制著其在高精度系統(tǒng)中的應(yīng)用。對(duì)于高精度系統(tǒng)．轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是衡量無刷直流電動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，分析轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)形成的原因．研究消除或抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法具有十分重要的意義。
造成無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因很多，主要可以分為以下五個(gè)方面：
1．電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
這是由于定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)．它與電流波形、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形、氣隙磁通密度的分布有著直接關(guān)系。理想情況下，定子電流為方波，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波，平頂寬度為120°電角度，電磁轉(zhuǎn)矩為恒值。而實(shí)際電機(jī)中．由于設(shè)計(jì)和制造方面的原因．很難保持感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波，或者平頂寬度不是120°電角度：或者由于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和控制系統(tǒng)精度不夠而造成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電流不能保持嚴(yán)格同步；或者電流波形偏離方波，只能近似地按梯形波變化等。這些因素的存在都會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生。抑制電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法有優(yōu)化設(shè)計(jì)法、****開通角法、諧波消去法、轉(zhuǎn)矩反饋法等。
(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)法。對(duì)于無刷直流電動(dòng)機(jī)，磁極形狀、極弧寬度、極弧邊緣形狀對(duì)輸出電磁轉(zhuǎn)矩都有很大的影啊。當(dāng)氣隙磁通密度呈方波分布時(shí)，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為理想的梯形波時(shí)，極弧寬度增加．則電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減�。划�(dāng)極弧寬度達(dá)到π時(shí)，電機(jī)功率****，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為零。據(jù)此，可以通過選擇合理的無電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的電機(jī)磁極和極弧的設(shè)計(jì)方案，改變磁極形狀，或增加極弧寬度來有效消除電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
(2)****開通角法。通過電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以消除電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但也有不足之處，例如：由于電機(jī)繞組的電感限制，即使電機(jī)采用恒流源供電．在換流過程中電流不能突變，流入定子繞組的電流波形也不可能是矩形波；另外．對(duì)于實(shí)際電機(jī)，氣隙磁場(chǎng)很難保持理想的方波分布，繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形也并非理想的矩形，這樣就無法實(shí)現(xiàn)完全從硬件設(shè)計(jì)上消除電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因此．只能通過控制手段和策略來抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。如采用****開通角的方法抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，即先推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與開通角之間的函數(shù)關(guān)系式，再求取電流****開通角，使電流波形和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形的配合適當(dāng)．從而達(dá)到削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。
(3)諧波消去法。由于無刷直流電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的非正弦，使得其相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩含有諧波分量，造成了轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由相電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互作用而形成的。可以考慮通過控制電流的諧波成分來消除由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因?yàn)椋诶硐霔l件下，無刷直流電動(dòng)機(jī)同頻率的磁鏈諧波與電流諧波(三次諧波除外)相互作用可以產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，不同次諧波之間是不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的。當(dāng)然，在實(shí)際情況下，由于電機(jī)的電感限制了電流的變化率，使得輸入定子繞組的電流不可能是矩形波．而往往是梯形波。而且，磁鏈波形的平頂寬度也會(huì)小于理想時(shí)的120°電角度．使得不同次數(shù)的磁鏈諧波與電流諧波之間也產(chǎn)生了一定的諧波轉(zhuǎn)矩。所以，確定****諧波電流的難度是很大的，這也使得諧波
消去法的應(yīng)用受到了限制。
(4)轉(zhuǎn)矩反饋法。諧波消去法是一種開環(huán)控制方法，當(dāng)存在繞組阻抗不對(duì)稱和所測(cè)電流有誤差等于擾時(shí)，控制精度將會(huì)受到影響。為了克服開環(huán)控制方法的缺點(diǎn),人們提出了從反饋角度考慮抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，即以轉(zhuǎn)矩為控制對(duì)象，進(jìn)行閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)矩反饋法的基本原理就是．根據(jù)位置和電流信號(hào)通過轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器得到轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)．再通過轉(zhuǎn)矩控制器反饋給無刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制，從而消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但是，轉(zhuǎn)矩反饋法結(jié)構(gòu)較為繁雜，需預(yù)先確定電機(jī)參數(shù)．且算法復(fù)雜．實(shí)現(xiàn)起來比較困難。
2．電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
無刷直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)．定子繞組按一定順序換流。由于各相繞組存在電感．阻礙電流的瞬時(shí)變化．每經(jīng)過一個(gè)磁狀態(tài)，電樞繞組中的電流從某一相切換到另一相時(shí)將引起電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。抑制由電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法有電流反饋法、滯環(huán)電流法、重疊換向法、脈寬調(diào)制(PwM)斬波法等。
(1)電流反饋法。這種方法就是使非換向相電流保持恒定．從而使換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為零，因?yàn)榉菗Q向相電流的存在會(huì)導(dǎo)致一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。一般來說，電流反饋控制可以分為兩種形式，即直流側(cè)電流反饋控制和交流側(cè)電流反饋控制。直流側(cè)電流反饋控制的電流反饋信號(hào)由直流側(cè)取出，主要控制電流幅值。由于直流側(cè)電流反饋控制是根據(jù)流過直流電源的電流信號(hào)進(jìn)行的，因此只需要一個(gè)電流傳感器便可得到電流反饋信號(hào)。交流側(cè)電流反饋控制的電流反饋信號(hào)由交流側(cè)取出．此時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來確定要控制的相電流，使其跟隨給定。在換向過程中，當(dāng)非換向電流未到達(dá)給定值時(shí)，PwM控制不起作用；當(dāng)非換向電流超過設(shè)定值時(shí)-PwM控制開始起作用．關(guān)斷所有開關(guān)器件．使電流值下降，直至低于設(shè)定值再閉合被關(guān)斷的開關(guān)器件，使其值上升，依此往復(fù)，即可實(shí)現(xiàn)非換向相電流的調(diào)節(jié)．直至換向完成。
(2)滯環(huán)電流法。在常用的電流控制方法中，除了上述方法外，還有滯環(huán)電流控制法。其基本原理是。在電流環(huán)中，采用滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器(Hysresis current Regulator，HcR)，通過比較參考電流和實(shí)際電流，使得換向時(shí)能夠給出適合的觸發(fā)信號(hào)。實(shí)際電流的幅值和滯環(huán)寬度的大小決定了HcR控制信號(hào)的輸出。當(dāng)實(shí)際電流小于滯環(huán)寬度的下限時(shí)，開關(guān)器件導(dǎo)通；隨著電流的上升，達(dá)到滯環(huán)寬度的上限時(shí)，開關(guān)器件關(guān)斷，使電流下降。實(shí)際電流可以是相電流，也可以是逆變器的輸入電流。滯環(huán)電流法的特點(diǎn)是：應(yīng)用簡單，快速性好，具有限流能力。滯環(huán)電流控制方法可分為三種情況：由上升相電流控制的HCR．由非換向電流控制的HcR和由三相相電流獨(dú)立控制的HcR。比較用這三種方法抑制換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)效果的實(shí)驗(yàn)證明：后兩種情況的換向轉(zhuǎn)矩特性相同．對(duì)換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有較好的抑制效果，且適用于低速。
(3)重疊換向法。電流反饋法、滯環(huán)電流法雖然解決了低速換向的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，但通常在高速時(shí)效果不理想�，F(xiàn)今，在高速段抑制換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較成熟的方法是重疊換向法。其基本原理是。換向時(shí)本應(yīng)立即關(guān)斷的功率開關(guān)器件并不是立即關(guān)斷，而是延長了一個(gè)時(shí)間間隔，并將本不應(yīng)開通的開關(guān)器件提前導(dǎo)通。在傳統(tǒng)的重疊換向法中，重疊時(shí)間需預(yù)先確定．但選取合適的重疊時(shí)間較為困難，且不能****限度地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
(4)PwM斬波法。PwM斬波法與交流側(cè)電流反饋控制法較類似，即開關(guān)器件在斷開前、導(dǎo)通后進(jìn)行一定頻率的斬波，控制換向過程中繞組的端電壓．使得各換向電流上升和下降的速率相等，補(bǔ)償總電流幅值的變化，抑制換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。與重疊換向法相比，該方法具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，適合于精度要求更高的場(chǎng)合。
3．齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
無刷直流電動(dòng)機(jī)定子鐵心為了安放定子繞組必然要有齒和植，由于定子齒槽的存在，引起氣隙不均勻，一個(gè)齒距內(nèi)的磁通相對(duì)集中于齒部．使氣隙磁導(dǎo)不是常數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)。氣隙磁場(chǎng)就要發(fā)生變化，產(chǎn)生齒槽力矩。齒槽力矩與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，因而引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。齒槽力矩是永磁電機(jī)的固有特性，在電機(jī)低速輕載運(yùn)行時(shí)，齒槽力矩將引起明顯的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。因此，如何削弱齒槽力矩是永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中較為重要的目標(biāo)之一。
齒槽力矩產(chǎn)生的原因與前述兩種引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因不同。前述兩種引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因均在于定子電流與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用，而齒槽力矩是由定子鐵心與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的，減少齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最普通的方法就是定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極。另外，增大氣隙，采用分?jǐn)?shù)稽和磁性槽楔也有助于減小齒槽力矩的波動(dòng)。當(dāng)然，消除齒槽效應(yīng)****的方法就是采用無槽電機(jī)結(jié)構(gòu)。
無槽電機(jī)的電樞繞組不管采用何種形式．它的厚度始終是實(shí)際氣隙的一部分，因此無槽電機(jī)的實(shí)際等效氣隙比有槽電機(jī)要大得多．所需要的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)也要大許多．這在早期限制了無槽電機(jī)的容量和發(fā)展：近年來，隨著磁性材料的迅猛發(fā)展．特別是釹鐵硼等高磁能積稀土永磁材料的應(yīng)用，為無槽電機(jī)的實(shí)用化創(chuàng)造了條件。采用無槽結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥瑫r(shí)具有超大氣隙，除了能****消除齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)外，還能大幅度削弱由于電樞反應(yīng)和機(jī)械偏心而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
4．電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙主磁場(chǎng)的影響．稱為電樞反應(yīng)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)比較復(fù)雜，根據(jù)電樞反應(yīng)的性質(zhì)，電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)可分解為交軸分量和直軸分量。
交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)會(huì)使氣隙主磁場(chǎng)波形發(fā)生畸變．使氣隙主磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度不再是空載時(shí)的方渡，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也隨之畸變。從而導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電樞電流的不匹配，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)�，F(xiàn)在無刷直流電動(dòng)機(jī)均采用高性能的稀土永磁材料，若采用瓦片形表面貼裝式，則交軸電樞反應(yīng)對(duì)氣隙主磁場(chǎng)的影響會(huì)很微弱。這是因?yàn)榻惠S電樞反應(yīng)磁路要經(jīng)過氣隙和永磁體[見圖6 8(a)]，永磁材料的磁導(dǎo)率與空氣的磁導(dǎo)率是非常接近的，這就使交軸電樞反應(yīng)磁路的磁阻很大，交軸電樞反應(yīng)的磁通很�。鋵�(duì)氣隙主磁場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì)。
直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)主磁場(chǎng)先去磁、后增磁(見圖6—7)，使負(fù)載每極總磁通在空載每極總磁通的附近變化。這樣，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩也要發(fā)生變化，但影響不大。
5．機(jī)械加工引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
機(jī)械加工和材料的不一致也是引起無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的重要原因之一。如電機(jī)機(jī)械加工及裝配時(shí)產(chǎn)生的尺寸和形位偏差，定子沖片各槽分布不均勻．定子內(nèi)外圓偏心．定、轉(zhuǎn)子同軸度偏差等產(chǎn)生的單邊磁拉力，軸承系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩不均勻，轉(zhuǎn)子位置傳感器定位不準(zhǔn)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)．各相繞組參數(shù)不對(duì)稱及電子元器件性能參數(shù)的差異而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)．磁路中各零件材料特別是永磁體性能不一致而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等。因此。提高工藝加工水平也是減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的重要措施。 |
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