梁 超，段富?！嚲?，段雨男

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116023；2.航空工業(yè)蘭州萬里航空機(jī)電有限責(zé)任公司，蘭州 730070）

0 引言

無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor，BLDCM)是一種轉(zhuǎn)子為永磁體，帶轉(zhuǎn)子位置信號，通過電子換向控制的電機(jī)。采用電子換向取代傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向，減少硬件電路，避免產(chǎn)生危害電機(jī)本體的火花，增加使用壽命，提高電機(jī)可靠性；采用新型永磁材料作為轉(zhuǎn)子，極大地減小電機(jī)的體積和重量，簡化結(jié)構(gòu)，同時避免了使用勵磁繞組的鐵損和銅損。此外，高能量密度、大輸出轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)，使得無刷直流電機(jī)在航空、航天、汽車等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-4]。

由于結(jié)構(gòu)、制造工藝和控制方式等原因，無刷直流電機(jī)在工作時不可避免會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，從而導(dǎo)致電機(jī)振動并產(chǎn)生噪聲，嚴(yán)重限制其在高精度轉(zhuǎn)矩控制領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。針對無刷直流電機(jī)在工作時存在的轉(zhuǎn)矩脈動問題，分析了轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生原因，綜述了通過控制電流、控制轉(zhuǎn)矩、增加拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方法抑制轉(zhuǎn)矩脈動的研究現(xiàn)狀。

1 轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生原因

引起轉(zhuǎn)矩脈動的原因有以下3個。

（1）齒槽效應(yīng)。定子齒槽導(dǎo)致無刷直流電機(jī)的氣隙磁場畸變，從而導(dǎo)致電機(jī)工作時產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。

（2）非理想反電動勢。由于加工工藝的差別以及電樞反應(yīng)的存在，感應(yīng)電動勢不可能是理想梯形波，從而使得感應(yīng)電動勢與相電流不匹配，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動。

（3）繞組換相。由于電機(jī)繞組電感的存在和逆變器的恒定電壓，電機(jī)在換相時會出現(xiàn)開通相與關(guān)斷相電流變化率不等的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動。

目前主要通過優(yōu)化電機(jī)磁極結(jié)構(gòu)，達(dá)到抑制齒槽轉(zhuǎn)矩脈動的目的[6-7]。對于制造精良的無刷直流電機(jī)，齒槽轉(zhuǎn)矩脈動和非理想反電動勢導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動較小，而換相轉(zhuǎn)矩脈動卻可能達(dá)到平均轉(zhuǎn)矩的50%，因此將非理想反電動勢考慮在內(nèi)，以最大程度減小轉(zhuǎn)矩脈動為目的[8]，研究抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動方法迫在眉睫。

2 電流控制法

由于電流開通相與關(guān)斷相電流變化率不等，導(dǎo)致?lián)Q相轉(zhuǎn)矩脈動，可通過對電流進(jìn)行控制，保證非換相電流值恒定，從而達(dá)到轉(zhuǎn)矩恒定的目的。常見方法有PWM法、重疊換相法和電流預(yù)測法。

PWM法通過斬波控制換相過程中的電壓幅值，使得關(guān)斷相電流的變化速率與開啟相電流的變化速率相同。根據(jù)導(dǎo)通相的調(diào)制區(qū)間和控制的逆變器橋臂不同，可將其分為PWM_ON_PWM、 ON_PWM、 PWM_ON、 H_PWM_L_ON、H_ON_L_PWM。受到調(diào)制方式和占空比的影響，轉(zhuǎn)矩脈動不斷變化，因此要實(shí)現(xiàn)在全速范圍盡可能地降低轉(zhuǎn)矩脈動，需要采用不同占空比的電壓調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動最小化[9]，并且由于電感的存在，PWM調(diào)制會使非導(dǎo)通繞組相電流進(jìn)行續(xù)流，使得反電動勢不再是理想的梯形，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動。LIU 等[10]提出一種新的區(qū)域相關(guān)PWM 方法，將正常工作60°區(qū)域分成2個30°子區(qū)域，并且對前后2個子區(qū)域，采用合適的PWM調(diào)制方式，抑制轉(zhuǎn)矩脈動。LI等[11]提出動態(tài)調(diào)節(jié)斬波占空比，拓寬了PWM法應(yīng)用范圍。

重疊換相法通過延遲關(guān)斷相的關(guān)斷時間或者提前開通相的打開時間，使得非換相的電流基本保持不變，從而抑制轉(zhuǎn)矩脈動。王大方等[12]通過理論推導(dǎo)，得出在不同的負(fù)載和轉(zhuǎn)速下相電流信號與提前換相時間之間的關(guān)系，并且在換相過程對三相電壓同時進(jìn)行PWM調(diào)制來提高其調(diào)節(jié)精度，從而抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動。

PWM法存在占空比無法精確計(jì)算，重疊換相法難以精確計(jì)算出重疊時間，因此PWM法和重疊換相法會出現(xiàn)過補(bǔ)償或者補(bǔ)償不足的情況，不能達(dá)到理想的轉(zhuǎn)矩脈動抑制目標(biāo)。

電流預(yù)測法通過采集當(dāng)前的電流值，并據(jù)此對下一周期的電流值進(jìn)行估算，從而調(diào)節(jié)施加電壓占空比，使轉(zhuǎn)矩輸出值保持不變。王曉遠(yuǎn)等[13]將電流預(yù)測控制與PWM_ON 法相結(jié)合，以速度控制器輸出的電流為參考電流，將測量得到的負(fù)載電流與之比較，從而計(jì)算出開通相和關(guān)斷相的占空比，實(shí)現(xiàn)電流控制。圖1所示為電流預(yù)測控制策略框圖。然而該方法并沒有考慮外界擾動帶來的電壓變化。CHENG等[14]在建立預(yù)測模型和反饋控制的基礎(chǔ)上，增加了實(shí)時優(yōu)化環(huán)節(jié)，以避免外界擾動對預(yù)測模型的影響，從而達(dá)到通過控制換相電流保持在穩(wěn)定狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動抑制。

圖1 電流預(yù)測控制策略框圖

3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)法

為實(shí)現(xiàn)開通相和關(guān)斷相電流變化率相等，抑制轉(zhuǎn)矩脈動，除上述提到的對電流控制外，還可通過調(diào)節(jié)直流母線電壓實(shí)現(xiàn)。當(dāng)直流母線電壓是相反電勢峰值的4倍時，開通相和關(guān)斷相的電流變化率近似相等，可基本消除換相轉(zhuǎn)矩脈動。改變母線電壓一般通過改變硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償。

JUN 等[15]將CUK 變換器與逆變器電路相結(jié)合，如圖2 所示。通過PWM 斬波調(diào)節(jié)開關(guān)管，調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)母線電壓升降，達(dá)到低速時降低直流母線電壓并在高速時增加，實(shí)現(xiàn)在全速范圍內(nèi)抑制轉(zhuǎn)矩脈動。因使用PWM 法調(diào)節(jié)電壓，必然存在PWM 調(diào)制時存在的過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償情況。KAMALAPATHI 等[16]使用基于功率校正因數(shù)的集成CUK變換器，并將MFO算法從輸入電壓信號中收集數(shù)據(jù)集，將分離的數(shù)據(jù)集被發(fā)送到模糊邏輯控制器，從而調(diào)節(jié)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時調(diào)節(jié)母線電壓。

圖2 基于CUK 變換器的BLDCM驅(qū)動系統(tǒng)

SHI 等[17]將單端初級電感變換器（SEPIC）用于無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的調(diào)節(jié)，如圖3 所示，并通過開關(guān)選擇器根據(jù)速度對直流母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。在每個整流開始時，S2關(guān)閉，S3 打開；SEPIC 停止調(diào)整，輸出電壓保持恒定；一旦換相結(jié)束，S2 接通，S3 斷開，SEPIC 再次開始調(diào)節(jié)，其輸出電壓將在下一次換相前達(dá)到期望值。VISWANATHAN 等[18]在對SPEIC 進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，將其與三級DCLMI 相結(jié)合，改進(jìn)后驅(qū)動電路具有更高的靜態(tài)增益和更小的開關(guān)電壓應(yīng)力。由于慣性原因，SEPIC響應(yīng)速度不夠快，當(dāng)速度變化較大時，需要一定的時間才能到達(dá)穩(wěn)態(tài)。

圖3 基于SEPIC的BLDCM驅(qū)動系統(tǒng)

CAO 等[19]通過在直流電源和逆變器之間插入獨(dú)特的X型變換器實(shí)現(xiàn)換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制策略，如圖4 所示。根據(jù)前端和后端MOSFET 的切換狀態(tài)，構(gòu)造了4 種切換矢量。在此基礎(chǔ)上分析了換相矢量組合對換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制和電機(jī)調(diào)速的影響。該方法通過在換相期間采用統(tǒng)一的換相矢量，可有效地抑制整個換相速度范圍內(nèi)的換相轉(zhuǎn)矩脈動，而不需要根據(jù)速度范圍切換控制策略。此外，通過設(shè)計(jì)換相和正常導(dǎo)通期間的換相矢量的持續(xù)時間和順序，可避免逆變器橋臂上開關(guān)器件承受較大電壓應(yīng)力。

LI 等[20]基于Z 源變換器降壓—升壓能力，引入擊穿矢量來調(diào)節(jié)直流母線電壓，通過在正常導(dǎo)通和換相過程中采用相同的調(diào)制方式，并調(diào)節(jié)擊穿矢量和有源矢量占空比，可消除換相轉(zhuǎn)矩脈動。圖5 所示為基于Z 源變換器的無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。

圖4 基于X型變換器的BLDCM驅(qū)動系統(tǒng)

圖5 基于Z源變換器BLDCM驅(qū)動電路

JIANG 等[21]提出一種無電感升壓前端變換器（NIBFE），即使用1 個二極管、1 個MOSFET 和1 個電容實(shí)現(xiàn)母線電壓的調(diào)節(jié)，如圖6所示。該策略在保證非換相周期內(nèi)的正常速度調(diào)節(jié)的前提下，通過適當(dāng)選擇開關(guān)矢量來提升直流母線電容器電壓。該方法結(jié)構(gòu)簡單，可節(jié)省空間并降低成本，但不能實(shí)現(xiàn)寬速度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩脈動抑制。

圖6 基于NIBFE的BLDCM驅(qū)動系統(tǒng)

4 直接轉(zhuǎn)矩控制法

相較于電流控制法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)法，直接轉(zhuǎn)矩控制由于直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈，因此具有良好轉(zhuǎn)矩輸出、響應(yīng)速度快、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，同時可避免電機(jī)參數(shù)變化帶來的影響[22]。

PAN 等[22]提出一種單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 方法來觀測磁鏈，觀測不需要速度自適應(yīng)，也不容易受到速度估計(jì)誤差的影響。通過在觀測器增益中引入PI分量，可減少直流偏移效應(yīng)，并據(jù)此提出一個最佳開關(guān)表，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動最小化。安群濤等[23]根據(jù)轉(zhuǎn)矩環(huán)輸出和磁極位置決定施加的電壓矢量，以實(shí)現(xiàn)磁鏈的自控制。并采用滑模觀測器對反電動勢進(jìn)行觀測，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩實(shí)時控制。

ZHOU等[24]根據(jù)定子電流狀態(tài)方程構(gòu)造了具有反電動勢自適應(yīng)的定子電流估計(jì)器，并利用自適應(yīng)律得到反電動勢；然后利用鎖相環(huán)對轉(zhuǎn)子位置角進(jìn)行估計(jì)；最后根據(jù)估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置角，計(jì)算轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈。WANG 等[25]在考慮電阻和電感偏差對傳統(tǒng)反電動勢滑模觀測器及相關(guān)轉(zhuǎn)矩觀測結(jié)果的影響基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)滑模觀測器來估計(jì)無刷直流電機(jī)的反電動勢，然后從反電動勢估計(jì)中得到轉(zhuǎn)矩估計(jì)。OZTURK等[26]針對傳統(tǒng)滑模觀測器存在的系統(tǒng)抖振問題，提出了一種具有正切函數(shù)的優(yōu)化滑模觀測器，在觀測器中引入連續(xù)光滑的正切函數(shù)以減弱抖振現(xiàn)象，然后將其用于反電動勢觀測和直接轉(zhuǎn)矩控制。

5 結(jié)束語

在一些高精度轉(zhuǎn)矩控制領(lǐng)域，無刷直流電機(jī)在工作時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動會極大地影響其應(yīng)用，因此通過改進(jìn)控制算法進(jìn)行轉(zhuǎn)矩脈動抑制成為當(dāng)前無刷直流電機(jī)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。本文提到的電流控制法、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)法以及直接轉(zhuǎn)矩控制法通過對無刷直流電機(jī)不同的參數(shù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動最小的目的。

電流控制法中的PWM法和重疊換相法因無法準(zhǔn)確估計(jì)占空比和重疊時間，因此容易存在過補(bǔ)償或者欠補(bǔ)償?shù)膯栴}，電流預(yù)測法可很好地克服這一缺點(diǎn)，然而需要對外界干擾帶來的影響進(jìn)行實(shí)時優(yōu)化。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)法通過調(diào)節(jié)母線電壓抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動，但該方法會增加額外的硬件電路，提高控制器的成本。直接轉(zhuǎn)矩控制通過直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動抑制，其具有良好轉(zhuǎn)矩輸出、響應(yīng)速度快、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，同時可避免電機(jī)參數(shù)變化帶來的影響，但是會帶來計(jì)算量大的問題。