1.DC無刷電機轉矩波動的原因

1.非理想反電動勢波形引起主電磁轉矩波動。

從工作原理來說，正弦波驅動是一種高性能的控制方式。電流是連續的，三相正弦波交流電和三相繞組中的三相正弦波反電動勢共同作用，產生平滑穩定的電磁轉矩。理論上可以獲得與旋轉角度無關的均勻輸出轉矩，設計良好的系統可以實現3%以下的低紋波轉矩。而方波驅動的定子磁場是不連續的，是逐步旋轉的。從電磁轉矩產生的原理來看，DC無刷電機的轉矩波動比正弦波驅動的要大得多。雖然反電動勢為梯形波，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，產生的電磁轉矩將是恒定的，理論上不存在轉矩波動。但在實際電機中，由于設計和制造的原因，很難實現120電角度平頂寬的梯形波。事實上，大多數DC無刷電機的反電動勢波形不是梯形，而是更接近正弦波。這樣電流波形必然會偏離方波，這些非理想情況會導致其電磁轉矩的原理波動。

2.換相引起的轉矩波動

無刷DC電機工作時，定子繞組按一定順序換向。即使在反電動勢為平頂寬度為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，每兩個狀態之間也存在一個換向周期。當電樞繞組中的電流從一相切換到另一相時，有一個過渡過程。電流變化的滯后性使得換相時產生的電磁轉矩明顯波動，稱為換相轉矩波動。

3.齒槽效應引起的轉矩波動。

DC無刷電機定子鐵心有齒槽時，由于定子齒槽的存在，氣隙不均勻，使得氣隙磁導率不恒定。當轉子處于不同角度時，氣隙磁場會發生變化，從而產生齒槽轉矩。齒槽轉矩與轉子位置有關，從而引起轉矩波動。齒槽轉矩是液磁電機的固有特性。當電機低速輕載運行時，齒槽轉矩會引起明顯的速度波動，產生振動和噪聲。因此，如何降低齒槽轉矩是永磁電機設計中比較重要的目標之一。

齒槽轉矩的原因不同于上述兩種轉矩波動的原因。轉矩波動的上述兩個原因是定子電流和轉子磁場的相互作用，而齒槽轉矩是由定子鐵心和轉子磁場的相互作用產生的。消除齒槽效應的最好方法是采用無槽電機結構。無論采用何種形式，無槽電機電樞繞組的厚度始終是實際氣隙的一部分，因此無槽電機的實際等效氣隙比有槽電機大得多，所需勵磁磁動勢也大得多，這就限制了無槽電機早期的容量和發展。近年來，隨著磁性材料的迅速發展，特別是釹鐵硼等高磁能產品稀土永磁體的應用，為無槽電機的實用化創造了條件。采用無槽結構，齒槽效應引起的轉矩波動可以完全消除，電樞反應和機械偏心引起的轉矩波動可以大大減弱，因為超級氣隙。

4.電樞反應引起的轉矩波動

電樞磁動勢對氣隙永磁體主磁場的影響稱為電樞反應。無刷DC電機的電樞反應很復雜。電樞反應磁動勢會使氣隙主磁場的波形發生畸變，空載時氣隙主磁場的磁通密度不再是方波，反電動勢也會發生畸變，從而引起轉矩波動。大多數現代無刷DC電機由高性能稀土永磁體制成。如果采用瓦形表面貼裝型，電樞反應對氣隙主磁場的影響較弱。這是因為電樞反應磁

5.電機加工缺陷和材料不一致引起的扭矩波動。

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

第二，抑制DC無刷電機轉矩波動的方法

(1)電機設計方法的優化

無刷DC電機的極形狀、極弧寬度和極弧邊緣對輸出電磁轉矩有很大影響。通過選擇合理的電機極形或極弧寬度，優化定子繞組設計，使反電動勢波形盡可能接近理想波形，從而降低電磁轉矩波動。比如表面貼裝磁鋼結構的電機。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電機反電動勢的平頂寬度，可以采用全程集中繞組(q=1)等方法。

通過電機的優化設計，可以適當減小電磁轉矩波動。但由于電機繞組的電感，即使電機采用恒流源供電，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，對于實際電機來說，氣隙磁場很難保持理想的方波分布，繞組感應電動勢波形更難達到理想的梯形波，因此在電機設計中無法完全消除電磁轉矩波動。因此，只能通過控制來抑制轉矩波動。

(2)最優電流法

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矩波動。同時，這種最優電流方法還可以消除齒槽轉矩波動。但是，最優電流法需要精確測量反電動勢，反電動勢的實時測量比較困難。目前常用的方法是離線測量反電動勢，然后計算出最優電流進行控制。由于事先需要離線測量，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矩波動，即先推導出轉矩波動與開度角的函數關系，然后得出電流的最佳開度角，使電流波形與感應電動勢波形適當匹配，從而達到削弱轉矩波動的目的。

(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矩波動的方法。當無刷電機系統中的電流或反電動勢含有諧波分量時，根據測量或計算的轉矩諧波分量，可以求出最優電流波形的諧波，進而得到最優電流波形，作為相電流參考信號，消除反電動勢諧波引起的轉矩波動。根據電磁轉矩波動是相電流和反電動勢相互作用的原理，適當選取電流的諧波分量(5次和7次)，消除6次和12次諧波轉矩(諧波轉矩的主要部分)。仿真和實驗結果表明，諧波消除法只能在一定程度上消除轉矩波動。最優諧波電流的確定非常困難，限制了消諧方法的應用。

(5)轉矩反饋法

諧波消除法是一種開環控制方法。當存在繞組阻抗不對稱、測量電流誤差等擾動時，控制精度會受到影響。為了克服開環控制方法的缺點，人們從反饋的角度提出了抑制轉矩波動的方法，即以轉矩為控制對象，進行閉環控制。轉矩反饋法的基本原理是根據位置和電流信號，通過轉矩觀測器得到轉矩反饋信號，然后通過轉矩控制器控制無刷DC電機的主電路，實現對轉矩的實時控制，從而消除轉矩波動。但是，轉矩反饋法結構復雜，需要預先確定電機參數，算法復雜，難以實現。

(6)簡單的正弦波電流驅動

無刷DC電機的反電動勢波形一般為梯形，但在實際應用中，為了消除齒槽轉矩，往往采用一些措施，如斜槽、分數槽、合理設計磁極形狀和充磁方向等。這些措施往往使電機的反電動勢波形更接近正弦波。對于這類電機，采用正弦波電流驅動比采用120導通三相六態方波驅動更有利于減小轉矩脈動。然而，傳統的正弦波驅動的電流控制方式不僅控制算法復雜，而且大多需要高分辨率的位置傳感器，導致體積和成本大幅增加，無法用于一些特殊場合。針對反電勢波形接近正弦的無刷DC電機，提出了一種基于六個離散位置信號的自同步SVPWM控制方法。實驗結果表明，與傳統的120導通控制方法相比，該方法能夠在不損失平均電磁轉矩的情況下，有效抑制電磁轉矩波動。