抑制直流無(wú)刷電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方法

　　直流無(wú)刷電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

　　（1）只考慮電感、忽略繞組電阻的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析。

　　（2）考慮繞組電阻和電感換相過(guò)程的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析。

　　（3）換相時(shí)間t1的計(jì)算與t1/T條件的分析。

　　抑制直流無(wú)刷電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方法

　　1、電流反饋調(diào)節(jié)法

　　非換相相電流的變動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，電流反饋調(diào)節(jié)方法就是使換相相電流保持恒定，從面使換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為零。一般來(lái)說(shuō)，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)由直流母線取出，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(guò)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。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(lái)確定要控制的相電流，使其跟隨設(shè)定電流值指令。在換相過(guò)程中，當(dāng)非換相相電流未到達(dá)設(shè)定值時(shí)，PWM控制不起作用；當(dāng)非換相相電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)PWM控制開(kāi)始起作用，使電流值下降，實(shí)現(xiàn)對(duì)非換相相電流的調(diào)節(jié)，保持穩(wěn)定。

　　在電流反饋閉環(huán)控制中，常采用滯環(huán)電流控制法。其基本原理是電流環(huán)采用環(huán)電流調(diào)節(jié)器，通過(guò)比較設(shè)定電流和實(shí)際電流，由實(shí)際電流的幅值和滯環(huán)寬度的大小決定滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器控制信號(hào)的輸出。當(dāng)實(shí)際電流小于滯環(huán)寬度的下限時(shí)，開(kāi)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(kāi)關(guān)器件關(guān)斷，使電流下降。實(shí)際電流可以是相電流，也可以是逆變器的母線電流。滯環(huán)電流法的特點(diǎn)是：應(yīng)用簡(jiǎn)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、由非換相相電流控制的和由三相相電流獨(dú)立控制的。比較這三種方法抑制換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)效果的實(shí)驗(yàn)證明：后兩種情況的換相轉(zhuǎn)矩特性相同。對(duì)換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)具有較好的抑制效果，且適用于低速。在換相期間通過(guò)滯環(huán)控制法直接控制非換相相電流來(lái)減少換相期間電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)的控制策略。根據(jù)換相期間電磁轉(zhuǎn)矩正比于非換相相電流，且非換相相電流參考值為常數(shù)，在確定了要控制的非換相相電流和相應(yīng)的參考電流后，通過(guò)滯環(huán)比較器控制其相電流，保證換相期間非換相相電流跟蹤其參考值，就可以有效減少換相期間電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。文中提到的控制方法轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，電路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的三相滯環(huán)控制，具有功率管損耗小和效率高的特點(diǎn)，非常適用于高性能的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　另一種基于控制換相電流的方法。該方法以換相電流為研究對(duì)象，通過(guò)使關(guān)斷相電流的下降率等于開(kāi)通相電流的上升率來(lái)維持電流在換相期間的穩(wěn)定，從而減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。即在換相期間通過(guò)施加合適的補(bǔ)償電壓于A、C兩相繞組面使C相電流保持恒定，達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在地鐵屏蔽門(mén)的應(yīng)用中取得良好效果，使電流波動(dòng)減少8%，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減少10%。

　　2、重疊換相法

　　電流反饋法、滯環(huán)電流法雖然解決了低速換相的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題，但在高速時(shí)通常效果不理想。在高速段抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較成熟的方法是重疊換相法。其基本原理是：換相時(shí)本應(yīng)立即關(guān)斷的功率開(kāi)關(guān)器件并不是立即關(guān)斷，而是延長(zhǎng)了一個(gè)時(shí)間間隔；將尚不應(yīng)開(kāi)通的開(kāi)關(guān)器件提前開(kāi)通。在傳統(tǒng)的重疊換相法中，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，大了會(huì)過(guò)補(bǔ)償，小了又會(huì)造成補(bǔ)償不足。為此，在常規(guī)重疊換相法的基礎(chǔ)上，引人了定頻采樣電流調(diào)節(jié)技術(shù)。此技術(shù)在重疊期間采用PWM控制抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，使重疊時(shí)間由電流調(diào)節(jié)過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而避免了對(duì)重疊區(qū)間的大小難以確定的問(wèn)題。但是該方法必須保證足夠高的電流采樣頻率和開(kāi)關(guān)頻率才有效。另外，該方法雖然對(duì)抑制高速下?lián)Q相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)有效，但需要離線求解開(kāi)關(guān)狀態(tài)并且算法復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。

　　3、PWM斬波法

　　滯環(huán)電流法較好地解決了低速時(shí)的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題，但在高速時(shí)效果不理想。PWM新波法與交流側(cè)電流反饋控制法較類似，即開(kāi)關(guān)器件在斷開(kāi)前、導(dǎo)通后進(jìn)行一定頻率的斬波，控制換相過(guò)程中繞組的端電壓，使得各換相電流上升和下降的速率相等，補(bǔ)償總電流幅值的變化，抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。與重疊換相法相比，該方法具有更小的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，適合于精度要求更高的場(chǎng)合。

　　4、電流預(yù)測(cè)控制法

　　直流無(wú)刷電機(jī)在高速區(qū)和低速區(qū)的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)有所不同，研究抑制方法時(shí)大都分開(kāi)考慮。然而在實(shí)際應(yīng)用中，受到電機(jī)轉(zhuǎn)速、供電電壓等因素的影響，難以按照理論分析的那樣將換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分為高速區(qū)和低速區(qū)而采取不同的抑制措施。因此，就很有必要尋求一種能夠在全速度范圍內(nèi)有效抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方法。電流預(yù)測(cè)控制方法就滿足了這一要求。它以換相電流為研究對(duì)象，推導(dǎo)出電機(jī)在高速區(qū)和低速區(qū)運(yùn)行時(shí)的換相電流預(yù)測(cè)控制規(guī)則，確保換相期間關(guān)斷相的電流下降率和開(kāi)通相的電流上升率相等，從而使非換相相繞組的相電流在換相期間保持恒定，減小換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，同時(shí)在該方法中結(jié)合使用了消除直流母線負(fù)電流的方法，使換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)得到進(jìn)一步的抑制。該換相電流預(yù)測(cè)控制方法算法簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易、適應(yīng)性強(qiáng)、效果明顯，無(wú)論是在開(kāi)環(huán)控制、傳統(tǒng)的電流PI控制，還是在采用現(xiàn)代智能控制算法的控制系統(tǒng)中均能夠很好地被嵌入到換相期間，有效地抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

　　5、轉(zhuǎn)矩直接控制法

　　轉(zhuǎn)矩直接控制方法，采用兩相導(dǎo)電方式，無(wú)須坐標(biāo)變換，并在繞組換相期間考慮了直流電源有限的供電能力。在換相期間，當(dāng)控制上升相繞組對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管的占空比達(dá)到100%時(shí)，若仍存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，就導(dǎo)通下降相繞組對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管，進(jìn)行斬波控制，降低下降相電流的下降速率，而該開(kāi)關(guān)管的占空比可以通過(guò)計(jì)算得到。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，該方法能有效地抑制非理想反電動(dòng)勢(shì)直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。該方法只適用于速度變化不太顯著的場(chǎng)合。

　　6、轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制法

　　針對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，近年來(lái)提出了轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法。它以電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩為控制對(duì)象，根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的直接控制，從而減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。若通過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器給出反饋信號(hào)，則系統(tǒng)響應(yīng)較慢，且大多只能工作在靜態(tài)或低速狀態(tài)下。若通過(guò)利用電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和一些容易測(cè)量的狀態(tài)變量構(gòu)成轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，則運(yùn)算相當(dāng)復(fù)雜，而且參數(shù)變化也會(huì)帶來(lái)一定誤差。這些問(wèn)題尚待完善解決。