(天津成科自動(dòng)化工程技術(shù)有限公司，天津 300384)

0 引言

無刷直流電機(jī)采用的是高磁能的永磁材料，隨著電力電子器件和技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的新型電機(jī)。它同時(shí)擁有交流電機(jī)與直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可靠性能高、維護(hù)簡(jiǎn)單、易于控制等特點(diǎn)。在家電、自動(dòng)化領(lǐng)域、工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如何抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題及提高無刷直流電機(jī)的控制精度，本文介紹無刷直流電機(jī)的背景和現(xiàn)狀，并對(duì)電機(jī)的控制策略進(jìn)行分析。

1 無刷直流電機(jī)的背景和現(xiàn)狀

交流感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，但是調(diào)節(jié)性能不好。交流同步機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，起動(dòng)性能差。直流電機(jī)的調(diào)節(jié)性能和起動(dòng)性能好，但早期的有刷直流電機(jī)成本高，同時(shí)存在火花噪聲、電磁干擾等問題。無刷直流電機(jī)在換向方面通過電子換向，取代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向器，從而使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。隨著永磁材料的成功研制，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如電冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)等領(lǐng)域。無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)正不斷的代替原先使用的感應(yīng)電機(jī)，具有高效率、體積小、噪聲低、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)；辦公自動(dòng)化領(lǐng)域的VCD、DVD、CD 主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及硬盤驅(qū)動(dòng)器用的電機(jī)等運(yùn)用在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備上的，都有無刷直流電機(jī)，這些電機(jī)具有精度高、轉(zhuǎn)速高、使用壽命長、抗無線電干擾能力強(qiáng)特性，工業(yè)制造機(jī)器領(lǐng)域的精密數(shù)控機(jī)床、工業(yè)縫紉機(jī)，采用的都是無刷直流電機(jī)，具有運(yùn)行精度高、成本低、機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

目前，帶位置傳感器無刷直流電機(jī)在生產(chǎn)工藝和控制技術(shù)方面已經(jīng)趨于成熟，并形成了GJB 1983、GB/T 21418—2008等一系列的標(biāo)準(zhǔn)，無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制技術(shù)還未成熟，包括無位置控制、變結(jié)構(gòu)控制、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等技術(shù)，成為無刷直流電機(jī)的研究熱點(diǎn)。

2 控制策略

2. 1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生原因

無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題產(chǎn)生的原因主要有兩類：一類是轉(zhuǎn)子齒槽與定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而導(dǎo)致電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形產(chǎn)生畸變，因此而引起的脈動(dòng)，稱為齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；另一類是換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如式(1)，定子繞組電感存在，換相時(shí)存在延時(shí)，斷開相電流的下降過程和接入相相電流的上升過程需要一定的時(shí)間完成，電流波形不是理想的方波，從而形成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

(1)

式中，ia、ib、ic—三相繞組電流;ea、eb、ec—三相反電動(dòng)勢(shì);Te—電磁轉(zhuǎn)矩;ω—電機(jī)機(jī)械角速度。

對(duì)于第一類齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)采用CAD、CAE等技術(shù)對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化與改進(jìn)；對(duì)于第二類換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)需要通過控制算法與硬件電路設(shè)計(jì)來解決轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。

2.2 無刷直流電機(jī)控制策略

抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)常用方法包括：基于無差拍控制的抑制策略、基于髙低轉(zhuǎn)速調(diào)制的抑制策略、三相調(diào)制換相的抑制策略和三段式調(diào)制換相的抑制策略。

無刷直流電機(jī)換相過程中三相都參與能量交換，更為接近交流電機(jī)的瞬態(tài)過程，不論是換相區(qū)間還是非換相區(qū)間，都要對(duì)無刷直流電機(jī)的電流快速精確的控制，本文將無差拍控制器用于無刷直流電機(jī)的電流控制中。無刷直流電機(jī)三相電動(dòng)勢(shì)公式見式(2)

(2)

式中，ω—角速度；keA、keB、keC—電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。

基于無差拍控制的抑制策略目的包括：非換相區(qū)間控制非理想電動(dòng)勢(shì)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和換相區(qū)間控制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)兩個(gè)目的。因此為了達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制目的，無刷直流電機(jī)都需要維持電磁功率不變，最終協(xié)調(diào)控制三相電流，本文選擇DBC控制器作為電流控制器。

抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制器，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

控制器是雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，包括速度環(huán)和電流跟蹤環(huán)，電流內(nèi)環(huán)采用DBC控制器控制方法，速度環(huán)將實(shí)際的轉(zhuǎn)速與給定的轉(zhuǎn)速間的誤差，輸出為電流給定，電流跟蹤環(huán)對(duì)電流給定進(jìn)行跟蹤，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證，在低速，小電流運(yùn)行時(shí)，相時(shí)間較短，換相過程中電動(dòng)勢(shì)不變；在高速、大電流運(yùn)行時(shí)，其換相時(shí)間可能較長，甚至可能超過60度范圍[1]。

基于髙低轉(zhuǎn)速調(diào)制的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略:當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電機(jī)反電勢(shì)較低，此時(shí)，接入相電流上升速度大于關(guān)斷相電流下降速度,導(dǎo)致d△Te/dt>0,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這時(shí)基本思路是：減小接入相電流的上升速度，使與關(guān)斷相電流下降速度相等，這樣在換相期間可以保持非換相相電流保持不變，從而抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，電機(jī)反電勢(shì)較高，接入相相電流上升速度小于關(guān)斷相相電流下降速度，導(dǎo)致d△Te/dt<0,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這時(shí)基本思路是：減小關(guān)斷相相電流的下降速度,使與接入相相電流上升速度相等，或者是增加接入相相電流上升速度,使與關(guān)斷相相電流下降速度相等，這樣在換相期間可以保證非換相相電流保持不變，從而抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生。但是在運(yùn)行過程中，對(duì)高低速的判斷以及反電勢(shì)E的收集復(fù)雜程度程度較高，算法較為復(fù)雜，給控制帶來一定困難。

三相調(diào)制策略抑制換相期間轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是在全速段范圍內(nèi)進(jìn)行的，提出了調(diào)整非換相相與關(guān)斷相關(guān)的PWM占空比，而保持接入相恒通的調(diào)制策略，使接入相電流上升速度和關(guān)斷相相電流下降速率大小相等而方向相反。如圖2所示。三相換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制基本策略圖，通過調(diào)整2種方式的關(guān)斷相與非換相相調(diào)制占空比，變可以完成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制。

圖2 三相換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制基本策略[2]

三段式調(diào)制換相的抑制策略是在全速段范圍內(nèi)通過對(duì)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制。如圖3所示的三段式換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制基本策略圖，在一個(gè)周期中分為3個(gè)階段，通過合理選擇斷開相占空比與非換相占空比，來抑制換相期間轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖3 三段式換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制基本策略[2]

3 結(jié)語

本文針對(duì)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)原因進(jìn)行了重點(diǎn)分析，通過不同的控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的控制，其目是控制關(guān)斷相相電流下降速度與接入相相電流上升速度相等，從而減小無刷直流電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使無刷直流電機(jī)在高性能控制領(lǐng)域得到進(jìn)一步應(yīng)用。