(天津成科自動化工程技術(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)簡單、易于控制等特點(diǎn)。在家電、自動化領(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，起動性能差。直流電機(jī)的調(diào)節(jié)性能和起動性能好，但早期的有刷直流電機(jī)成本高，同時存在火花噪聲、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)；辦公自動化領(lǐng)域的VCD、DVD、CD 主軸驅(qū)動電機(jī)以及硬盤驅(qū)動器用的電機(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)矩脈動產(chǎn)生原因

無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動問題產(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)反電動勢波形產(chǎn)生畸變，因此而引起的脈動，稱為齒槽轉(zhuǎn)矩脈動；另一類是換相轉(zhuǎn)矩脈動，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，換相時存在延時，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間完成，電流波形不是理想的方波，從而形成轉(zhuǎn)矩脈動。

(1)

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

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

2.2 無刷直流電機(jī)控制策略

抑制轉(zhuǎn)矩脈動常用方法包括：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)三相電動勢公式見式(2)

(2)

式中，ω—角速度；keA、keB、keC—電動勢系數(shù)。

基于無差拍控制的抑制策略目的包括：非換相區(qū)間控制非理想電動勢引起的轉(zhuǎn)矩脈動和換相區(qū)間控制換相轉(zhuǎn)矩脈動兩個目的。因此為了達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動的控制目的，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)對電流給定進(jìn)行跟蹤，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證，在低速，小電流運(yùn)行時，相時間較短，換相過程中電動勢不變；在高速、大電流運(yùn)行時，其換相時間可能較長，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)矩脈動抑制策略:當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，電機(jī)反電勢較低，此時，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，這時基本思路是：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)矩脈動的產(chǎn)生；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，電機(jī)反電勢較高，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，這時基本思路是：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)矩脈動的產(chǎn)生。但是在運(yùn)行過程中，對高低速的判斷以及反電勢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)矩脈動的抑制。

圖2 三相換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制基本策略[2]

三段式調(diào)制換相的抑制策略是在全速段范圍內(nèi)通過對開關(guān)管實(shí)現(xiàn)換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制。如圖3所示的三段式換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制基本策略圖，在一個周期中分為3個階段，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。

圖3 三段式換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制基本策略[2]

3 結(jié)語

本文針對無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動原因進(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，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。