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1、论文题目 : 无刷直流电动机转矩脉动抑制的研究 姓 名 : 专业名称 : 控制理论与控制工程 研究方向 ： 交流传动与伺服控制 指导教师 ： ） 日期:2011年2月30日青岛大学硕士研究生学位论文开题报告 专 业控制理论与控制工程论文起止日期201-12至20012-5课题来源导师自拟选题报告会日期0121论文题目无刷直流电动机转矩脉动抑制的研究研究方向电力电子与运动控制一选题的目的和意义现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次能源。而电机作为机电能量转换装置，经过一个多世纪的发展,其应用范围已遍及现代社会和国民经济的各个领域及环节。为了适应不同的实际应用，各种类型的电机应运而生,其中包括直
2、流电机、异步电机、同步电机、开关磁阻电机和各种其他类型的电机,其容量小到几毫瓦,大到百万千瓦。相比之下，直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点,但是传统直流电机均采用电刷以机械方式换向，因而存在机械摩擦,使电机寿命缩短，并带来了噪音、火花以及无线电干扰等问题,且制造成本高及维修困难。异步电机结构简单、制造方便、运行可靠、价格便宜,但其机械特性软、启动困难、功率因数低,不能经济地实现范围较广的平滑调速,且必须从电网吸收滞后的励磁电流，从而降低电网功率因数。他控式变频同步电机具有转矩大、效率和精度高、机械特性硬等优点，但调速困难、容易“失步”等弱点大大限制了它的应用范围。开关磁阻电机转子既无
3、绕组也无永磁体,其结构简单、成本低廉,在低速时具有较大的转矩,控制换相时无上下桥直通等问题,但其噪声和转矩波动相对较大,这在某种程度上限制了该类型电机的推广应用。无刷直流电机在保持传统直流电机优越的调速性能基础上，克服了原来机械换向和电刷引起的一系列问题,且具有效率高、功率密度大、功率因数高、体积小、控制精度高等明显优点。但是位置传感器的安装与使用，一般会增加电机的成本,并影响无刷直流电机控制系统的可靠性和工作寿命；另外,位置传感器装入电机内部,还可能会增大电机的体积，在汽车，航空航天,家用电器，办公自动化领域等对电机体积有严格要求与限制的行业中更适于使用无传感器无刷直流电机。于是对于无刷无位
4、置传感器直流电动机的转矩脉动抑制的研究就有了很大的意义。二 国内外研究动态目前，国内外无刷直流电机的一般控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB163无刷直流电机通用规范。国外发达国家队无刷直流电机的研究内容与中国大体相当,但美国和日本具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。日本在民用方面比较突出，而美国在军工方面更加先进。本文所要研究的是方波驱动的无刷直流电机，以下如无明确说明，无刷直流电机指方波驱动的无刷直流电机。当前的研究热点主要集中在以下三个方面:（1).研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量。（2).从电机设计和控制方法等方面出发，研究无刷直流电机转矩
5、波动抑制方法,从而提高其伺服精度,扩大其应用范围。(）设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器。2. 无位置传感器控制技术传统的方波驱动的无刷直流电机位置检测方法通过位置传感器来直接检测电机转子的位置,即直接位置检测法。无位置传感器控制技术主要通过电机内容易获取的电压或电流等信号，经过一定算法处理,得到转子位置信号,也称为转子位置间接检测法。此概念始于1966年德国Milner提出的电容移相换流位置估计法。常用的转子位置检测法如下图所示。 无刷直流电动机无传感器控制技术采用无位置传感器控制的无刷直流电机一般较难直接启动，因此其启动方式始终是研究的热点和难点。利用反电势法检测转子位置的
6、无刷直流电机三段式启动方法已较为成熟,该方法从电机启动到稳定运行可分为三个阶段,分别为:转子定位、加速和切换。其他无位置传感器控制下的电机启动方法，如预定位启动法、升频升压同步启动法和短时检测脉冲转子定位启动法等也都有了一定的应用。2.2转矩波动抑制研究电磁转矩是衡量电机性能的重要指标。相比于正弦波驱动的无刷直流电机，方波驱动的无刷直流电机由于电动机定子绕组的电流必须根据转子位置传感器检测的信号按一定逻辑关系换流,它所产生的气隙磁势必须是跳跃式的，而永磁转子却是连续旋转的,这就必然导致定、转子磁场相互作用产生的电磁转矩是脉动的。按转矩脉动产生的原因，可分为:电磁因素引起的转矩波动、电流换向引起
7、的转矩波动、齿槽引起的转矩波动、电枢反应和机械工艺引起的转矩脉动等。前三种所占比重较大,对电机性能影响较大。22.1电流换向引起的转矩脉动无刷直流电动机工作时,定子绕组的电流必须根据转子位置传感器检测的信号按一定逻辑关系换流，由于各相绕组存在电感，阻碍电流的瞬时变化，每经过一个磁状态,电枢绕组中的电流从某一相切换到另一相时将引起电机转矩的脉动。抑制由电流换向引起的转矩脉动的方法有: (1）.电流反馈法一般来说,电流反馈控制可以分为两种形式：一种是直流侧电流反馈控制， 其电流反馈信号由直流侧取出,主要控制电流幅值。然而当高速时，即U4E时,电流控制手段不再有效。对此，可在控制环节中加入电流PWM
8、控制器，使其直流侧电流反馈法同样适用于高速阶段。因此,该方法适用于较宽的转速范围。另一种是交流侧电流反馈控制。电流反馈信号由交流侧取出，此时,根据转子的位置来确定要控制的相电流，使其跟随给定。该方法是通过控制PW信号所对应的逆变器的开关状态实现的。文献【15】采用的即为交流侧电流反馈控制方法，为避免换向时反电动势的影响，作者提出对电动机中性点电压和逆变器中性点电压的差值做出补偿。而在实际运行时，为了使相电流更好地跟踪参考电流，在电流控制环中加入了预测环节,通过电动机位置信号给出换向时所需的参考电流波形,由此可得到较为光滑的转矩波形,从而抑制了换向转矩脉动。(2）.滞环电流法此方法应用简单,快速
9、性好,且具有限流能力。在电流环中采用滞环电流调节器,通过比较参考电流和实际电流,在换相时给出适合的触发信号,控制开关器件。实际电流的幅值和滞环宽度的大小决定了滞环电流调节器控制信号的输出。滞环电流控制方法可分为三种情况:由上升相电流控制的HCR(HtresurrentRegultor，滞环电流调节器)，由非换向电流控制的HCR和由三相相电流独立控制的HCR。比较这三种方法抑制换向转矩脉动效果的实验证明：后两种情况的换向转矩特性相同，对换向转矩脉动具有较前者更好的抑制效果,适用于低速。().重叠换向法电流反馈法、滞环电流法虽然解决了低速换向的转矩脉动问题,但通常在高速时效果不理想。现今,在高速段
10、,抑制换向转矩脉动较成熟的方法是重叠换向法。传统的重叠换向法中,重叠时间需预先确定，但选取合适的重叠时间较为困难，且不能从最大程度上减小转矩脉动。因此，在常规重叠换向法的基础上,引入定频采样电流调节技术,形成了采用PWM控制的重叠换向法。但是该方法必须保证足够高的电流采样频率和开关频率才有效。另外，该方法虽然对抑制高速下换相转矩脉动有效，但需要离线求解开关状态并且算法复杂,在实际应用中有一定的局限性。()P斩波法为解决滞环电流法高速时效果不理想的问题,可使开关器件在断开前、导通后进行一定频率的斩波,控制换相过程中绕组端电压,使得各换相电流上升和下降的速率相等,补偿总电流幅值的变化,抑制换向转矩
11、脉动。文献【35】【36】分析了换相转矩脉动与PM调制方式的关系,得出结论:在相同的平均电磁转矩下,单斩方式比双斩方式的稳态转矩脉动小,在相同的W占空比以及相同的母线电压下，单斩方式的绕组电流稳态值要大于双斩方式的绕组电流稳态值。在四种单斩调制方式中,W-N调制方式的换相转矩脉动最小,因而常采用W-ON单斩方式来减小无刷直流电机的换相转矩脉动。.2电磁因素引起的转矩脉动电磁转矩脉动是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动，它与电流波形、反电动势波形、气隙磁通密度的分布有直接关系。理想情况下，定子电流为方波，反电动势波形为梯形波，平顶宽度为120度电角度,则电磁转矩为恒值。而实际电机中，
12、由于设计和制造方面的原因，可能使反电动势波形不是梯形波，或者波顶宽度不为20度电角度;或者由于转子位置检测和控制系统精度不够而造成电动势与电流不能保持严格同步;或者电流波形偏离方波,只能近似地按梯形波变化等,这些因素的存在都会导致电磁转矩脉动产生。抑制电磁因素引起的转矩脉动的方法有： ().电机优化设计法可以通过选择合理的无电磁转矩脉动的电机磁极和极弧的设计方案,改变磁极形状，或增加极弧宽度来有效消除电磁转矩脉动。(2)最佳开通角法首先推导出转矩脉动与开通角之间的函数关系式，再求取电流最优开通角，使电流波形和反电势波形的配合适当,通过控制最优开通角而达到削弱转矩脉动的目的。（3).谐波消去法由
13、于无刷直流电机定子电流和转子磁场的非正弦，使得其相互作用产生的电磁转矩含有谐波转矩,造成了转矩的脉动。根据电磁转矩脉动是由相电流和反电动势相互作用的原理,可以考虑通过控制电流的谐波成分来消除由此产生的转矩波动。不同次电流谐波和反电势谐波的结合,会产生具有相同角频率的谐波转矩分量，其中以角频率为6的谐波转矩分量所占比重最大，也是希望抑制的转矩分量。采用恒流源通以特定形式补偿电流的方法供电给电动机，产生和角频率的谐波转矩分量大小相等,相位差18度的转矩,以抵消或抑制该谐波转矩分量，可使转矩的脉动量大大减少。随着伺服系统对响应性能的要求越来越高，要产生上述最佳谐波电流的难度越来越大,使谐波消去法的应
14、用受到了限制。（).转矩反馈法从谐波消去法的工作原理可知，谐波消去法的作用是有限的，因是开环控制方法,存在绕组阻抗不对称和所测电流有误差等干扰时,控制精度会受到影响。为了克服开环控制方法的缺点们提出从反馈角度考虑抑制转矩脉动的方法,即以转矩为控制对象，实现闭环控制。若通过力矩传感器给出反馈信号，则系统响应慢，且大多只能工作在静态或低速状态下。或者根据事先精确测量得到的永磁无刷直流电动机的气隙磁通和当前的电枢电流以及转子位置，通过逻辑判断和计算得到转矩反馈信号，但是这种方法需要预测定电机参数且算法复杂，实现比较困难。22.3齿槽引起的转矩脉动由于定子铁心齿槽的存在,使得永磁体与对应的电枢表面的气
15、隙磁导不均匀,当转子旋转时，使得在一个磁状态内，磁路磁阻发生变化，从而引起转矩脉动。电磁因素和电流换向引起的转矩脉动式定子电流与转子磁场相互作用产生的,而齿槽引起的转矩脉动是定子铁心与转子磁场相互作用产生的，与定子电流无关。抑制由齿槽引起的转矩脉动的方法主要集中于优化电机设计上,主要包括：斜槽法、辅助凹槽法和齿、槽宽度配合法等。2.24电枢反应引起的转矩脉动电枢反应对转矩脉动的影响主要有:(1).电枢反应使气隙磁场发生畸变，改变了转子永磁体在空载时的方波气隙磁感应强度分布波形，使气隙磁场的前极尖部分被加强,后极尖部分被削弱。该畸变的磁场与定子通电相绕组相互作用，是电磁转矩随定、转子相对位置的变化而脉动。().在任一磁状态内,相对静止的电枢反应磁场与连续旋转地转子主极磁场相互作用而产生的电磁转矩因转子位置的不同而发生变化,从而产生转矩脉动。适当增大电机气隙,设计磁路时使电机在空载时达到足够饱和,或者电机选择瓦形或环形永磁体径向励磁结构等方法都可削弱由电枢反应引起的转矩脉动。在有刷电机中,削弱电枢反应的主要方法是装设换向极和移动电刷。永磁无刷直流电机无法装设换向极,也无法装设电刷,但可
