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无刷直流电动机的转矩脉动及处理方法
内容简介:造成无刷直流电动机转矩脉动的原因很多,主要可以分为以下五个方面:1.电磁因素引起的转矩脉动。2.电流换向引起的转矩脉动。3.齿槽效应引起的转矩脉动。4.电枢反应引起的转矩脉动。5.机械加工引起的转矩脉动。
    无刷直流电动机输出转矩大,动态响应迅速,调速控制方便。可靠性高,因此它的应用越来越广泛。但是,无刷直流电动机固有的转矩脉动问题却一直限制着其在高精度系统中的应用。对于高精度系统。转矩脉动是衡量无刷直流电动机性能的一项重要指标。因此,分析转矩脉动形成的原因。研究消除或抑制转矩脉动的方法具有十分重要的意义。 
    造成无刷直流电动机转矩脉动的原因很多,主要可以分为以下五个方面: 
    1.电磁因素引起的转矩脉动 
    这是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动.它与电流波形、感应电动势波形、气隙磁通密度的分布有着直接关系。理想情况下,定子电流为方波,感应电动势为梯形波,平顶宽度为120°电角度,电磁转矩为恒值。而实际电机中.由于设计和制造方面的原因.很难保持感应电动势为梯形波,或者平顶宽度不是120°电角度:或者由于转子位置检测和控制系统精度不够而造成感应电动势与电流不能保持严格同步;或者电流波形偏离方波,只能近似地按梯形波变化等。这些因素的存在都会导致电磁转矩脉动的产生。抑制电磁因素引起的转矩脉动的方法有优化设计法、最佳开通角法、谐波消去法、转矩反馈法等。 
    (1)优化设计法。对于无刷直流电动机,磁极形状、极弧宽度、极弧边缘形状对输出电磁转矩都有很大的影啊。当气隙磁通密度呈方波分布时,即感应电动势波形为理想的梯形波时,极弧宽度增加.则电磁转矩增加,转矩脉动减小;当极弧宽度达到π时,电机功率最大,转矩脉动为零。据此,可以通过选择合理的无电磁转矩脉动的电机磁极和极弧的设计方案,改变磁极形状,或增加极弧宽度来有效消除电磁转矩脉动。 
    (2)最佳开通角法。通过电机优化设计可以消除电磁转矩脉动,但也有不足之处,例如:由于电机绕组的电感限制,即使电机采用恒流源供电.在换流过程中电流不能突变,流入定子绕组的电流波形也不可能是矩形波;另外.对于实际电机,气隙磁场很难保持理想的方波分布,绕组感应电动势波形也并非理想的矩形,这样就无法实现完全从硬件设计上消除电磁转矩脉动。因此.只能通过控制手段和策略来抑制转矩脉动。如采用最佳开通角的方法抑制电磁转矩脉动,即先推导出转矩脉动与开通角之间的函数关系式,再求取电流最优开通角,使电流波形和感应电动势波形的配合适当.从而达到削弱转矩脉动的目的。 
    (3)谐波消去法。由于无刷直流电机定子电流和转子磁场的非正弦,使得其相互作用产生的电磁转矩含有谐波分量,造成了转矩的脉动。电磁转矩脉动是由相电流和感应电动势相互作用而形成的。可以考虑通过控制电流的谐波成分来消除由此产生的转矩脉动。因为,在理想条件下,无刷直流电动机同频率的磁链谐波与电流谐波(三次谐波除外)相互作用可以产生恒定的转矩,不同次谐波之间是不会产生转矩的。当然,在实际情况下,由于电机的电感限制了电流的变化率,使得输入定子绕组的电流不可能是矩形波.而往往是梯形波。而且,磁链波形的平顶宽度也会小于理想时的120°电角度.使得不同次数的磁链谐波与电流谐波之间也产生了一定的谐波转矩。所以,确定最佳谐波电流的难度是很大的,这也使得谐波 
消去法的应用受到了限制。 
    (4)转矩反馈法。谐波消去法是一种开环控制方法,当存在绕组阻抗不对称和所测电流有误差等于扰时,控制精度将会受到影响。为了克服开环控制方法的缺点,人们提出了从反馈角度考虑抑制转矩脉动的方法,即以转矩为控制对象,进行闭环控制。转矩反馈法的基本原理就是.根据位置和电流信号通过转矩观测器得到转矩反馈信号.再通过转矩控制器反馈给无刷直流电动机的主电路,实现对转矩的实时控制,从而消除转矩脉动。但是,转矩反馈法结构较为繁杂,需预先确定电机参数.且算法复杂.实现起来比较困难。 
    2.电流换向引起的转矩脉动 
    无刷直流电动机工作时.定子绕组按一定顺序换流。由于各相绕组存在电感.阻碍电流的瞬时变化.每经过一个磁状态,电枢绕组中的电流从某一相切换到另一相时将引起电磁转矩的脉动。抑制由电流换向引起的转矩脉动的方法有电流反馈法、滞环电流法、重叠换向法、脉宽调制(PwM)斩波法等。 
    (1)电流反馈法。这种方法就是使非换向相电流保持恒定.从而使换向转矩脉动为零,因为非换向相电流的存在会导致一定的转矩脉动。一般来说,电流反馈控制可以分为两种形式,即直流侧电流反馈控制和交流侧电流反馈控制。直流侧电流反馈控制的电流反馈信号由直流侧取出,主要控制电流幅值。由于直流侧电流反馈控制是根据流过直流电源的电流信号进行的,因此只需要一个电流传感器便可得到电流反馈信号。交流侧电流反馈控制的电流反馈信号由交流侧取出.此时,根据转子的位置来确定要控制的相电流,使其跟随给定。在换向过程中,当非换向电流未到达给定值时,PwM控制不起作用;当非换向电流超过设定值时-PwM控制开始起作用.关断所有开关器件.使电流值下降,直至低于设定值再闭合被关断的开关器件,使其值上升,依此往复,即可实现非换向相电流的调节.直至换向完成。 
    (2)滞环电流法。在常用的电流控制方法中,除了上述方法外,还有滞环电流控制法。其基本原理是。在电流环中,采用滞环电流调节器(Hysresis current Regulator,HcR),通过比较参考电流和实际电流,使得换向时能够给出适合的触发信号。实际电流的幅值和滞环宽度的大小决定了HcR控制信号的输出。当实际电流小于滞环宽度的下限时,开关器件导通;随着电流的上升,达到滞环宽度的上限时,开关器件关断,使电流下降。实际电流可以是相电流,也可以是逆变器的输入电流。滞环电流法的特点是:应用简单,快速性好,具有限流能力。滞环电流控制方法可分为三种情况:由上升相电流控制的HCR.由非换向电流控制的HcR和由三相相电流独立控制的HcR。比较用这三种方法抑制换向转矩脉动效果的实验证明:后两种情况的换向转矩特性相同.对换向转矩脉动具有较好的抑制效果,且适用于低速。 
    (3)重叠换向法。电流反馈法、滞环电流法虽然解决了低速换向的转矩脉动问题,但通常在高速时效果不理想。现今,在高速段抑制换向转矩脉动较成熟的方法是重叠换向法。其基本原理是。换向时本应立即关断的功率开关器件并不是立即关断,而是延长了一个时间间隔,并将本不应开通的开关器件提前导通。在传统的重叠换向法中,重叠时间需预先确定.但选取合适的重叠时间较为困难,且不能最大限度地减小转矩脉动。 
    (4)PwM斩波法。PwM斩波法与交流侧电流反馈控制法较类似,即开关器件在断开前、导通后进行一定频率的斩波,控制换向过程中绕组的端电压.使得各换向电流上升和下降的速率相等,补偿总电流幅值的变化,抑制换向转矩脉动。与重叠换向法相比,该方法具有更小的转矩脉动,适合于精度要求更高的场合。 
    3.齿槽效应引起的转矩脉动 
    无刷直流电动机定子铁心为了安放定子绕组必然要有齿和植,由于定子齿槽的存在,引起气隙不均匀,一个齿距内的磁通相对集中于齿部.使气隙磁导不是常数。当转子旋转时。气隙磁场就要发生变化,产生齿槽力矩。齿槽力矩与转子位置有关,因而引起转矩脉动。齿槽力矩是永磁电机的固有特性,在电机低速轻载运行时,齿槽力矩将引起明显的转速波动,进而产生振动和噪声。因此,如何削弱齿槽力矩是永磁电机设计中较为重要的目标之一。 
    齿槽力矩产生的原因与前述两种引起转矩脉动的原因不同。前述两种引起转矩脉动的原因均在于定子电流与转子磁场的相互作用,而齿槽力矩是由定子铁心与转子磁场相互作用产生的,减少齿槽转矩脉动最普通的方法就是定子斜槽或转子斜极。另外,增大气隙,采用分数稽和磁性槽楔也有助于减小齿槽力矩的波动。当然,消除齿槽效应最好的方法就是采用无槽电机结构。 
    无槽电机的电枢绕组不管采用何种形式.它的厚度始终是实际气隙的一部分,因此无槽电机的实际等效气隙比有槽电机要大得多.所需要的励磁磁动势也要大许多.这在早期限制了无槽电机的容量和发展:近年来,随着磁性材料的迅猛发展.特别是钕铁硼等高磁能积稀土永磁材料的应用,为无槽电机的实用化创造了条件。采用无槽结构,因为同时具有超大气隙,除了能彻底消除齿槽效应引起的转矩脉动外,还能大幅度削弱由于电枢反应和机械偏心而产生的转矩脉动。 
    4.电枢反应引起的转矩脉动 
    电枢磁动势对气隙主磁场的影响.称为电枢反应。无刷直流电动机的电枢反应比较复杂,根据电枢反应的性质,电枢反应磁动势可分解为交轴分量和直轴分量。 
    交轴电枢反应磁动势会使气隙主磁场波形发生畸变.使气隙主磁场的磁感应强度不再是空载时的方渡,感应电动势也随之畸变。从而导致感应电动势与电枢电流的不匹配,进而引起转矩脉动。现在无刷直流电动机均采用高性能的稀土永磁材料,若采用瓦片形表面贴装式,则交轴电枢反应对气隙主磁场的影响会很微弱。这是因为交轴电枢反应磁路要经过气隙和永磁体[见图6 8(a)],永磁材料的磁导率与空气的磁导率是非常接近的,这就使交轴电枢反应磁路的磁阻很大,交轴电枢反应的磁通很小.其对气隙主磁场的影响可以忽略不计。 
    直轴电枢反应磁动势在转子旋转过程中对主磁场先去磁、后增磁(见图6—7),使负载每极总磁通在空载每极总磁通的附近变化。这样,感应电动势和电磁转矩也要发生变化,但影响不大。 
    5.机械加工引起的转矩脉动 
    机械加工和材料的不一致也是引起无刷直流电动机转矩脉动的重要原因之一。如电机机械加工及装配时产生的尺寸和形位偏差,定子冲片各槽分布不均匀.定子内外圆偏心.定、转子同轴度偏差等产生的单边磁拉力,轴承系统的摩擦转矩不均匀,转子位置传感器定位不准导致的转矩脉动.各相绕组参数不对称及电子元器件性能参数的差异而导致的转矩脉动.磁路中各零件材料特别是永磁体性能不一致而产生的转矩脉动等。因此。提高工艺加工水平也是减少转矩脉动的重要措施。 
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