1.DC無刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的原因

1.非理想反電動(dòng)勢(shì)波形引起主電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

從工作原理來說，正弦波驅(qū)動(dòng)是一種高性能的控制方式。電流是連續(xù)的，三相正弦波交流電和三相繞組中的三相正弦波反電動(dòng)勢(shì)共同作用，產(chǎn)生平滑穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。理論上可以獲得與旋轉(zhuǎn)角度無關(guān)的均勻輸出轉(zhuǎn)矩，設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)3%以下的低紋波轉(zhuǎn)矩。而方波驅(qū)動(dòng)的定子磁場(chǎng)是不連續(xù)的，是逐步旋轉(zhuǎn)的。從電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理來看，DC無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比正弦波驅(qū)動(dòng)的要大得多。雖然反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，平頂寬度為120電角度，定子電流為方波，但在不考慮換相過程的情況下，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩將是恒定的，理論上不存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。但在實(shí)際電機(jī)中，由于設(shè)計(jì)和制造的原因，很難實(shí)現(xiàn)120電角度平頂寬的梯形波。事實(shí)上，大多數(shù)DC無刷電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形不是梯形，而是更接近正弦波。這樣電流波形必然會(huì)偏離方波，這些非理想情況會(huì)導(dǎo)致其電磁轉(zhuǎn)矩的原理波動(dòng)。

2.換相引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

無刷DC電機(jī)工作時(shí)，定子繞組按一定順序換向。即使在反電動(dòng)勢(shì)為平頂寬度為120的梯形波、定子電流為方波的理想情況下，由于相繞組中的電感，每?jī)蓚€(gè)狀態(tài)之間也存在一個(gè)換向周期。當(dāng)電樞繞組中的電流從一相切換到另一相時(shí)，有一個(gè)過渡過程。電流變化的滯后性使得換相時(shí)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩明顯波動(dòng)，稱為換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

3.齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

DC無刷電機(jī)定子鐵心有齒槽時(shí)，由于定子齒槽的存在，氣隙不均勻，使得氣隙磁導(dǎo)率不恒定。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于不同角度時(shí)，氣隙磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，從而引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。齒槽轉(zhuǎn)矩是液磁電機(jī)的固有特性。當(dāng)電機(jī)低速輕載運(yùn)行時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)引起明顯的速度波動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。因此，如何降低齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中比較重要的目標(biāo)之一。

齒槽轉(zhuǎn)矩的原因不同于上述兩種轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的原因。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的上述兩個(gè)原因是定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用，而齒槽轉(zhuǎn)矩是由定子鐵心和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生的。消除齒槽效應(yīng)的最好方法是采用無槽電機(jī)結(jié)構(gòu)。無論采用何種形式，無槽電機(jī)電樞繞組的厚度始終是實(shí)際氣隙的一部分，因此無槽電機(jī)的實(shí)際等效氣隙比有槽電機(jī)大得多，所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)也大得多，這就限制了無槽電機(jī)早期的容量和發(fā)展。近年來，隨著磁性材料的迅速發(fā)展，特別是釹鐵硼等高磁能產(chǎn)品稀土永磁體的應(yīng)用，為無槽電機(jī)的實(shí)用化創(chuàng)造了條件。采用無槽結(jié)構(gòu)，齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)可以完全消除，電樞反應(yīng)和機(jī)械偏心引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)可以大大減弱，因?yàn)槌?jí)氣隙。

4.電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙永磁體主磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。無刷DC電機(jī)的電樞反應(yīng)很復(fù)雜。電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)會(huì)使氣隙主磁場(chǎng)的波形發(fā)生畸變，空載時(shí)氣隙主磁場(chǎng)的磁通密度不再是方波，反電動(dòng)勢(shì)也會(huì)發(fā)生畸變，從而引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。大多數(shù)現(xiàn)代無刷DC電機(jī)由高性能稀土永磁體制成。如果采用瓦形表面貼裝型，電樞反應(yīng)對(duì)氣隙主磁場(chǎng)的影響較弱。這是因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)磁

5.電機(jī)加工缺陷和材料不一致引起的扭矩波動(dòng)。

加工缺陷和材料不一致也是DC無刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的重要原因之一。比如電機(jī)在加工和裝配時(shí)的尺寸和形狀偏差，定子沖片的槽分布不均勻，定子內(nèi)外圓偏心，定轉(zhuǎn)子同軸度偏差等。軸承系統(tǒng)的摩擦力矩不均勻；轉(zhuǎn)子位置傳感器定位不準(zhǔn)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；各相繞組參數(shù)不對(duì)稱和電子元件性能參數(shù)差異引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；磁路中各部分材料性能不一致引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，特別是各磁極的永磁體等。因此，提高制造水平也是減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的重要措施。

第二，抑制DC無刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方法

(1)電機(jī)設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化

無刷DC電機(jī)的極形狀、極弧寬度和極弧邊緣對(duì)輸出電磁轉(zhuǎn)矩有很大影響。通過選擇合理的電機(jī)極形或極弧寬度，優(yōu)化定子繞組設(shè)計(jì)，使反電動(dòng)勢(shì)波形盡可能接近理想波形，從而降低電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。比如表面貼裝磁鋼結(jié)構(gòu)的電機(jī)。采用法向磁化，使氣隙磁通密度更接近方波。再比如，為了增加無刷DC電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的平頂寬度，可以采用全程集中繞組(q=1)等方法。

通過電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以適當(dāng)減小電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。但由于電機(jī)繞組的電感，即使電機(jī)采用恒流源供電，換向過程中電流也不可能突然變化，流入定子繞組的電流波形也不可能是方波。此外，對(duì)于實(shí)際電機(jī)來說，氣隙磁場(chǎng)很難保持理想的方波分布，繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形更難達(dá)到理想的梯形波，因此在電機(jī)設(shè)計(jì)中無法完全消除電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。因此，只能通過控制來抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

(2)最優(yōu)電流法

一種解決方案是使用控制方法找到最佳定子電流波形來消除轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。同時(shí)，這種最優(yōu)電流方法還可以消除齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。但是，最優(yōu)電流法需要精確測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)，反電動(dòng)勢(shì)的實(shí)時(shí)測(cè)量比較困難。目前常用的方法是離線測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)，然后計(jì)算出最優(yōu)電流進(jìn)行控制。由于事先需要離線測(cè)量，其可行性大大降低。

(3)最佳張角法

采用最佳開度角的方法來抑制電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，即先推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與開度角的函數(shù)關(guān)系，然后得出電流的最佳開度角，使電流波形與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形適當(dāng)匹配，從而達(dá)到削弱轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的目的。

(4)諧波消除法

消諧法是通過控制電流的諧波分量來消除轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方法。當(dāng)無刷電機(jī)系統(tǒng)中的電流或反電動(dòng)勢(shì)含有諧波分量時(shí)，根據(jù)測(cè)量或計(jì)算的轉(zhuǎn)矩諧波分量，可以求出最優(yōu)電流波形的諧波，進(jìn)而得到最優(yōu)電流波形，作為相電流參考信號(hào)，消除反電動(dòng)勢(shì)諧波引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是相電流和反電動(dòng)勢(shì)相互作用的原理，適當(dāng)選取電流的諧波分量(5次和7次)，消除6次和12次諧波轉(zhuǎn)矩(諧波轉(zhuǎn)矩的主要部分)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，諧波消除法只能在一定程度上消除轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。最優(yōu)諧波電流的確定非常困難，限制了消諧方法的應(yīng)用。

(5)轉(zhuǎn)矩反饋法

諧波消除法是一種開環(huán)控制方法。當(dāng)存在繞組阻抗不對(duì)稱、測(cè)量電流誤差等擾動(dòng)時(shí)，控制精度會(huì)受到影響。為了克服開環(huán)控制方法的缺點(diǎn)，人們從反饋的角度提出了抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方法，即以轉(zhuǎn)矩為控制對(duì)象，進(jìn)行閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)矩反饋法的基本原理是根據(jù)位置和電流信號(hào)，通過轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器得到轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)，然后通過轉(zhuǎn)矩控制器控制無刷DC電機(jī)的主電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制，從而消除轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。但是，轉(zhuǎn)矩反饋法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要預(yù)先確定電機(jī)參數(shù)，算法復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。

(6)簡(jiǎn)單的正弦波電流驅(qū)動(dòng)

無刷DC電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形一般為梯形，但在實(shí)際應(yīng)用中，為了消除齒槽轉(zhuǎn)矩，往往采用一些措施，如斜槽、分?jǐn)?shù)槽、合理設(shè)計(jì)磁極形狀和充磁方向等。這些措施往往使電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形更接近正弦波。對(duì)于這類電機(jī)，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)比采用120導(dǎo)通三相六態(tài)方波驅(qū)動(dòng)更有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。然而，傳統(tǒng)的正弦波驅(qū)動(dòng)的電流控制方式不僅控制算法復(fù)雜，而且大多需要高分辨率的位置傳感器，導(dǎo)致體積和成本大幅增加，無法用于一些特殊場(chǎng)合。針對(duì)反電勢(shì)波形接近正弦的無刷DC電機(jī)，提出了一種基于六個(gè)離散位置信號(hào)的自同步SVPWM控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的120導(dǎo)通控制方法相比，該方法能夠在不損失平均電磁轉(zhuǎn)矩的情況下，有效抑制電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。