（电力电子与电力传动专业论文）无刷直流电动机转矩脉动的研究.pdf

上海海事大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) i sad cm o t o r u s i n ge l e c t r o nj c c o m m u t a t i o ni n s t e a do ft h em e c h a n i c a ic o m m u t a t i o n s oi th a se x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c so fd cm o t o r s ，s u c ha sg o o ds t a r ta n dt i m i n gp e r f o r m a n c e a n d o nt h eo t h e rh a n di to v e r c o m e st h ef r i c t i o nd i s a d v a n t a g e so fo r d i n a r yd cm o t o r r a d i c a l l yw i t h i t ss i m p l eb r u s h l e s ss t r u c t u r e i th a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e di n m a n yi n d u s t r i a ld o m a i n s ，s u c ha sa v i a t i o n s ，r o b o t s ，d i g i t a lm a c h i n et o o l s a n d i nm e d i c a io rh o m ea p p l i a n c e s b u tt h eb l d c mh a st h ed i s a d v a n t a g e so f t o r q u ep u l s a t i o n ，w h i c hi si nt h ew a yo fa c h i e v i n ga c c u r a t ep o s i t i o na n ds p e e d o fh i g h e rp e r f o r m a n c e t h eo b j e c t i v eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st os t u d yt h ec o n t r o l t e c h n o l o g y t om i n i m i z et h et o r q u ep u l s a t i o no fb l d c m f r o mt h eb a s i co p e r a t i o np r i n c i p l e sa n de l e c t r o m a g n e t i cr e l a t i o n so ft h e b r u s h l e s sd cm o t or ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h er e a s o n so fp r o d u c i n gt o r q u e p u l s a t i o na n de s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a im o d e l t h ed i s s e r t a t i o ne s p e c i a l l y d e t a i l st h et o r q u ep u l s a t i o np r o d u c e db yc o m m u t a t i o na n dc o m m u t a t i o nd e a d b a n d ( c b d ) ，a n dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n dm a t h e m a t i c a la n a l y s i s ，s o m er a t i o n a l a p p r o a c h e sa r ep r o p o s e dt oe l i m i n a t e t h i sk i n do f t o r q u ep u l s a t i o n t h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r o v i d e dt od e m o n s t r a t et h ev a l i d i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d t a k i n g ab r u s h l e s sd cm o t o rw i t h p o w e ro f2 2 k ，a so b j e c t t h i s d i s s e r t a t i o nd e s i g n sh i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o is y s t e mw i t ht m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7a s i t sm i c r o p r o c e s s o r 。t h ec o n t r o ls y s t e ma l s oa d o p t si m l3 4 0 0i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e ( i p m ) p r o d u c e db yc y n t e ct oe n h a n c et h ei n t e g r a lr e l i a b i l i t ya n d s e c u r i t y t h es m a l la n dh i g he f f i c i e n c ys w i t c hp o w e ri su s e di nt h i ss y s t e mt o s u p p l yp o w e rf o rt h ec o n t r o ls y s t e m ，d r i v ec i r c u i t ，a n do t h e re x t e n d e df u n c t i o n c i r c u i t s 1 ns o f t w a r e 。t h em e t h o do fr e d u c i n gc o m m u t a t i o nt o r q u ep u l s a t i o ni s b r o u g h ti n t oe f f e c t k e yw o r d s ：b l d c m ；t o r q u ep u l s a t i o n ；c o m m u t a t i o nc o n t r o l ；s w i t c hp o w e r 论文独创性说明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 、 作者签名： 岁船盔童日期：砷，6 3 - 、劢 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅，学校可 以上网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其 他复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 、 作者签名：；忑0 向导师签名： 够字卫 日期：弘p 西加 上海海事大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 无刷直流电动机保持了直流电动机的优良特性，又以电子换相代替机械换相 使电机的结构简单，因而在快速性、可控性、可靠性、经济性、和效率等方面具 有明显的优势。随着新型电力电子器件和控制技术的发展，以及各种新型永磁材 料的出现和制造工艺的提高，无刷直流电动机在当今国民经济各个领域，如医疗 器械、数控机床、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益广泛。 转矩特性是电动机性能的重要指标，其中最主要的是平均转矩和转矩的平稳 性。由于本身的结构特点，无刷直流电动机的平均转矩可以做得比其它类型的电 机高，但是转矩的平稳性却不如一般电机。其转矩脉动缺陷，会引起转速波动、 电磁振动和噪声，从而限制了其在一些要求高精度位置、速度控制系统中的应用。 本章首先介绍无刷直流电动机的基本组成及其工作原理，在简要分析无刷直 流电动机转矩脉动生成的原因后，对无刷直流电动机的发展历史及其转矩脉动问 题的国内外研究现状进行了综述，最后对本文的主要研究内容进行了介绍。 1 2 无刷直流电动机的基本组成及工作原理 1 2 1 无刷直流电动机的基本组成 无刷直流电动机的结构原理如图1 - 1 所示。它主要由电动机本体、位置传感 器和电子开关线路三部分组成【1 。 电子开关线路 一一一一一一一一二 ， ， ， t - - - - - 一1 图1 - 1 无刷直流电动机的原理框图 上海海事大学硕士学位论文 电动机本体的定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，在实际应 用中多为三相，三相绕组又可分为星形联接和角形联接。转予由永久磁钢按一定 极数( 2 p 一2 ，4 ，) 组成。图1 中的电动机本体为三相星形联接，转子为两极。三 相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，在图1 中a 相、b 相、c 相绕组分别与功率开关管v 1 与v 4 、v 3 与v 6 、v 5 与v 2 相接。 位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接，在无郦直流电动机中起着测定 转子磁极位置的作用，为电子开关线路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极 的位置信号转换成电信号去控制定子绕组换相。目前在无刷直流电动机中常用的 位置传感器有电磁式、光电式和磁敏式位置传感器。此外，为了减小无刷直流电 动机的体积，降低其成本，使其适应高温、高湿、污浊空气等恶劣的工作环境， 还出现了省去上述外置式转子位置传感器，而利用定子绕组的反电动势作为转子 磁钢位置信号的无位置传感器无刷直流电动机。 无刷直流电动机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺 序和时间，即用来控制电动机定子绕组准确换相，确保无刷直流电动机在运行过 程中定、转子两磁场始终保持基本上垂直，以提高其运行效率。电子开关线路将 位置传感器产生的信号进行逻辑处理产生相应的开关状态，以一定的顺序触发功 率开关，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产 生持续不断的转矩。 当定子绕组通电时，定子绕组电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互 作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号， 去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子 位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同 步的，因而起到了机械换相器的换相作用。 可见，所谓无刷直流电动机，就其基本结构丽言，可以认为是一台由电子开 关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的无刷直流电动机系统。 1 2 2 无刷直流电动机的工作原理 由无刷直流电动机的组成来看，它实际上是一个由电动机本体、电子开关线 路及转子磁钢位置传感器组成的闭环系统。电动机本体有星形连接方式和角形连 接方式，电子开关线路的逆变器可采用半桥电路或全桥电路，因此，不同的选择 会使电动机产生不同的性能并且成本也不同【2 】。下面对此作一个对比。 f 1 1 绕组利用率 与普通直流电动机不同，无刷直流电动机的绕组是断续通电的。适当地提高 绕组通电利用率可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角 2 上海海事大学硕士学位论文 度来看，定子绕组三相比四相好，四相比五相好，电子开关线路逆变器采用全桥 控制比半桥控制好。 ( 2 ) 转矩的波动 无刷直流电动机的输出转矩脉动比普通直流电动机大，因此希望尽量减小转 矩脉动。一般相数越多，转矩的脉动越小。全桥驱动比半桥驱动转矩的脉动小。 ( 3 1 电路成本 相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高。全桥驱动比半桥驱动 所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高。 综合上述分析，目前以三相星形全桥驱动方式应用最多。以下就以三相星形 全桥驱动的无届直流电动机为例，如图1 - 2 ，来分析其工作原理。 图1 2 三相星形全桥驱动无刷直流电动机主电路原理图 图中，u s 为直流母线电压；v t v 6 为功率开关器件，现在多用i g b t 或 p m o s f e t ：v d l 一v d 6 为续流二极管。 1 、无刷直流电动机的导通方式 对于如图1 2 所示的y 联接绕组三相全控桥式电路来说，其导通方式可分为 二二导通方式和三三导通方式两种。 1 二二导通方式 所n - - - 导通方式是指每瞬间有两个功率管导通，每隔1 6 周期( 6 0 0 电 角度) 换相一次，每次换相一个功率管，桥臂之间左右换相，每个功率管导通 1 2 0 。电角度。各功率管的导通顺序为v 6 v 1 、v l v 2 、v 2 v 3 、v 3 v 4 、v 4 v 5 、v 5 v 6 、 v 6 v 1 、，相应的三相绕组的通电顺序依次为a b 、a c 、b c 、b a 、c a 、c b 、 a b 、。从下表1 一l 可以看出，在1 个周期内电动机共有6 个通电状态，每个 1 一 状态都是两相同对导通，每个晶体管导通角为三竺。 3 2 三三导通方式 所谓三三导通方式是指每一瞬间有三个功率管导通，每隔1 6 周期( 6 0 0 电 上海海事大学硕士学位论文 角度) 换相一次，每次换相一个功率管，一个桥臂上下管之间换相，每个功率管 导通1 8 0 。电角度。各功率管的导通顺序为v 6 v i v z 、v 1 v 2 v 3 、v 2 v 3 v 4 、v 3 v 4 v 5 、 v 4 v 5 v 6 、0 v 6 v l 、v 6 v 1 v 2 、。 以下分析均以二二导通方式为侧，因此有6 - 1 、1 - 2 、2 - 3 、3 - 4 、4 - 5 、5 - 6 六 个不同的运行扇区( 如图1 3 所示) 。 表1 - 1 两相导通三相星形六状态导通顺序表 电角度。 詈等 。 等等 h aa b b cc 导电顺序 b c c a ab y 导通导通 v 2 导通导通 v 3导透导透 v 导通导通 v s导通导通 v b导通导通 2 、无刷直流电动机的换相 假设无剧直流电动机只有一对磁极，利用磁敏式霍尔元件作为位置传感器， 电动机的转子位置、定子绕组换相、相应的各相反电动势波形及转子位置信号如 图1 3 所示。 三扭定子绕组电流正方向为从a 、b 、c 端流入，x 、y 、z 端流出( o 表示 电流流入，o 表示电流流出) ，按右手定则，三相定子绕组产生的正向磁动势f a 、 f b 、f c 如图中所示。假设电机顺时针旋转，在t 时刻，转子直轴d 轴位于如图中 扇区内所示的位置。电流从c 相绕组流入，b 相绕组流出，两定子绕组电流的合 成磁动势f c b 与转子磁场垂直，产生最大转矩。此时，a 相反电动势e 。为零。 在合成磁动势f c b 的作用下，转子顺时针旋转3 0 0 以后。n t 。时刻，电机转 子d 轴与b 相负磁动势f b 垂直，如图中6 - 1 扇区所示。这时如果定子绕组电流 方向不变，而转子继续转下去，定子绕组合成磁动势与转子磁场作用形成的转矩 会越来越小，系统的运行效率便会降低。因此，此时逆变器功率器件触发组合状 态应该为v 1 、v 6 导通，其余均关断，电流从v 管滚入a 糨绕组，经 爿一一y b ，再从b 相绕组流出，经v 6 管回到电源，在合成磁动势f a b 的作用下转子继续旋转。 4 上海海事大学硕士学位论文 ， t 、： ： f ： - ： i - 2b1 5t e t t of i t d 7 ，叁 澄，截 a a a 壤嫩翅；臻 ) f xxx 2 一f 日。f cn f ， f f 图i - 3 无刷直流电动机挟相示意图 在时刻，c 相反电动势e ，为零。转子再颀时针旋转3 0 0 后，到t ，时刻，转 子d 轴与a 相磁动势f a 垂直，此时，霍尔检测电路根据电机转子磁极的位置使 输出信号h c 在时亥0 翻转，控制器根据位置检测信号的翻转进行换相控制，逆 变器功率器件的触发组合状态为v 1 、v 2 导通( 即图中1 2 扇区) ，其余均关断， 电流由管v l 流入a 相绕组，经4 一x z c ，从v 2 管回到直流电源，在合 成磁动势f a c 的作用下转子继续旋转。在t ，时刻，b 相反电动势为零。在t 。时 刻，d 轴与c 相磁动势f c 垂直。此时，霍尔检测电路根据电机转子磁极的位置 使输出信号h b 翻转，控制器根据位置检测信号的翻转进行换相控制，逆变器功 率器件的触发组合状态为v 2 、v 3 导通( 即图中2 - 3 扇区) ，其余均关断，电流由 v 3 管流入b 相绕组，经b y z c ，再从v 2 管回到直流电源，在合成磁 动势f b c 的作用下转子继续旋转。依此类推，霍尔检涣4 电路根据电机转子磁极的 位置改变相应的位置输出信号，位置信号的每一次翻转都意味着相应的换相时刻 的到来，因此，控制芯片根据电机转子位置信号的变化进行换相控制，使电机转 子在电磁转矩的作用下按图中顺时针方向旋转。正确换相有赖于准确的位置检 测，位置检测电路是系统控制的关键。 3 、无刷直流电动机定子磁链及反电动势波形 无刷直流电动机从永磁体激磁在电枢上产生的反电动势波形上划分，可以分 5 上海海事大学硕士学位论文 为梯形波电动机( 也称无刷直流电动机) 和正弦波电动机( 也称交流同步电动机) 3 。梯形波电动机的反电动势波形为波顶大于1 2 0 。电角度的梯形波，正弦波电 动机的反电动势波形为正弦波。理论上讲，梯形波电动机用同相位的方波( 或梯 形波) 电流脉冲驱动，正弦波电动机用同相位的正弦波电流驱动，就能得到平滑 的或最小纹波的转矩。然而，要做到这一点是非常困难的，电机加工过程中机械 加工所带来的误差造成感应电动势的不完全对称、永磁材料磁性能的不一致、磁 极极弧系数的限制、定子换相过程的影响、工作过程中电机参数的变化等都会带 来转矩的脉动。本文重点讨论梯形波反电动势， 无刷直流电机定子采用集中绕组方式，以获得良好的梯形波反电动势形状。 无刷直流电动机气隙主磁通密度b 的分布波形示于图1 4 ( a ) ，当转子旋转电角 速度埘为恒值时，定子每相绕组反电动势波形与磁通密度分布波形应该一致，为 了简化分析，可将它近似为梯形波，其波形示于图1 - 4 ( b ) 。 b 疋，j o 号 玎、号石j 石 ( a ) k 7 r 1 l ，| 。，厶 吣q 扫l 兰伊 ( b ) 图1 4 无刷直流电动机气隙磁通及反电动势波形 定子每相绕组反电动势在睢2 n 区间内的函数表达式为 6 k e f o ) 2 f 0 s “ 三z z t 6 k 。山 吉zs 甜c 詈石 一昙k 。2 r + s k 。i 5 玎甜c 吾玎 c - ， 一k 竺；纠。坠石 。 66 6 玎k a l t _ 1 2 k 。珊i 1 1 玎s “s h 其中琏7 为电动势系数，棚为电机的电角速度。k 。的推导见下一章，它与 b m 成正比。 6 上海海事大学硕士学位论文 上式是在理想情况下确定的，其他两相在相位上依次相差等电角度。在某 一固定转速下按时间轴建立的无刷直流电机三相反电动势波形如图1 - 5 所示。 e a 气 e b _ l _ 22 吨 4 - 5h k f “ 1 0 r 千 f0 11 帅。 2 40 。 a1 0 ，对 图1 - 5 在某一固定转速下按时间轴 建立的三相反电动势波形 4 、无刷直流电动机的调速 通常，无刷直流电机是通过调节输入电机的直流平均电压达到调节转速的目 的。调节方式有两种：一种为p a m ( p u l s ea m p l i t u d em o d e ) 脉冲幅值调制方式， 另一种为p w m ( p u l s ew i d t hm o d e ) 脉宽调制方式。在p a m 方式中，直流母线 电压u s 可调，逆变器功率开关器件只负责电机换相控制，通过调节直流母线电 压u s 的大小调节电机转速。在p w m 方式中，直流母线电压u s 不可调，逆变器 功率开关器件不但负责无刷直流电机的换相控制，而且通过斩波调节电机输入电 压的平均值，从而达到调节转速的目的。 1 3 无刷直流电动机的发展 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经 济及社会生活的各个领域，早期主要类型是直流电动机、异步电动机及同步电动 机( 二者常统称为交流电动机) ，相应的也就形成了直流电动杌伺服驱动系统( 又 称直流传动系统) 和交流伺服驱动系统( 又称交流传动系统) 。在8 0 年代以前， 由于受相关技术发展的限制，同时直流电动机也较交流电动机诞生早，且直流伺 服技术较交流伺服技术成熟，因此，直流伺服驱动系统一直占主导地位。但是由 于传统直流电动机均采用电刷以机械方法进行换相，带来不可克服的“机械磨损、 电火花、噪声、无线电干扰、寿命短”等致命弱点。因此，早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电动机 的基本思想。1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等人首次申请了用晶体管换相线路代替 有刷直流电动机机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。1 9 7 8 年， 7 上海海事大学硕士学位论文 原联邦德国m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易展览会上正式推 出其m a c 永磁无刷直流电动机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电动机真正 进入实用阶段。8 0 年代在国际上开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波 无刷直流电动机7 1 。 近几十年来，由于电动机本体及其相关学科的迅猛发展，“无刷直流电动机” 的概念已由最初的具有电子换相的直流电动机发展到泛指切具有有刷直流电 动机外部特性的电子换相电动机。无刷直流电机的发展亦使得电机理论与大功率 开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能材 料的结合更加紧密。如今无刷直流电动机集特种电机、变速机构、检测元件、控 制软件与硬件于一体，形成为新一代伺服系统，且体现着当今应用科学的许多最 新成果，显示出广泛的应用前景和强大的生命力。目前无刷直流电动机已广泛应 用在计算机外围设备( 如软驱、硬盘、光驱等) 、办公自动化设备( 如打印机、 复印机、扫描仪、绘图仪、复印机等) 、家电( 如洗衣机、空调、风扇等) 、音像 设备( 如v c d 、摄影机、录像机等) 、汽车、电动自行车、数控机床、机器人、 医疗设各等方面和领域。 为了进一步提高无刷直流电动机伺服系统的驱动性能。除了要在发展永磁材 料和提高制造工艺方面克服无刷直流电动机在使用过程中的“退磁”问题和齿槽 转矩对其转矩脉动影响，还需改进逆变器性能、发展高精度的速度及位置检测器 件，并采用新的控制簧略与先进的控制系统实现方式，在整体上提高系统的控制 性能。 1 4 无刷直流电动机的转矩脉动问题 无刷直流电动机结构简单、运行可靠、维护方便，运行效率高，但运行中存 在的转矩脉动问题，影响了它在精确的位置控制和高性能的速度控制领域的发 展。造成无刷直流电动机转矩脉动的原因很多，分析转矩脉动的生成原因、研究 抑制转矩的测量方法已成为无刷直流电动机研究的热点。 电磁因素，如转矩脉动气隙磁通密度的分布不均匀、电流的波形不同以及不 同的绕组形式等会影响定予电流和转子磁场作用而形成的转矩，产生转矩脉动； 无刷直流电机每经过一个磁状态，定子绕组中的电流就要进行一次换相，而换相 时电流不能突变，这神换相电流也会引起转矩脉动：由于定子齿槽的存在，使得 在一个磁状态内，极下磁阻发生变化而引起转矩脉动；一是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气隙磁感应强度分布波形，该畸交的磁 场与定子通电相绕组相互作用，使电磁转矩随定、转子相对位置的变化而脉动： 机械加工和材料的不一致会引起转矩脉动。 上海海事大学硕士学位论文 1 5 无刷直流电动机转矩脉动问题的研究现状 由于无刷直流电动机具有一系列的优点，更适合于高性能的伺服系统，但如 何在较宽的调速范围内减小转矩脉动一直是伺服系统研究的主要问题。在最近的 二十年里，国内外有大量的文献研究这个课题，从总体上来看，这些转矩脉动抑 制技术可以分为两大类：一类是从电机本体设计入手，通过气隙磁场、定转子结 构、绕组形式等的合理设计，来消除齿槽力矩，使反电动势波形接近理想波形； 另一类是从控制策略入手，通过调整加在电机绕组上的电压或电流来弥补电机本 体和逆变器与理想特性的偏差，抑制转矩脉动。 从电机本体设计入手：采用斜槽、分数槽、虚拟齿和虚拟稽、无槽电机等 2 3 ，2 4 1 可以削弱齿槽引起的转矩脉动；采用高性能的稀土永磁材料、转子采用瓦片形表 面贴装型式等，可以自4 弱气隙主磁场的气隙磁感应强度分布波形f 2 6 】；选择合理 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 因素引起的转矩脉动等 8 】。 从控制策略入手：通过控制最优开通角使电流波形和反电动势波形的配合适 当，而达到肖q 弱转矩脉动的目的 9 ，1 0 】；通过控制电流的谐波成分来消除由此产 生的转矩波动 1 1 1 ；p w m 斩波法、重叠换相法及电流反馈法等补偿电流幅值的 变化，抑制换相转矩脉动等【5 1 。 近年来，随着现代控制理论的发展，智能控制技术在无刷直流电动机中也得 到了应用。较单输入单输出，依赖精确的数学模型的经典控制理论，现代控制理 论以状态变量为基础，对应多输入，多输出，抗干扰能力好和实时性好。目前应 用于无刷直流电机的控制方法主要集中在模型参考自适应，滑模变结构，状态观 测器等方面r t 1 0 。随着人工智能技术的发展，专家系统，模糊控制理论，人 工神经元网络等智能控制的最新成果开始进入电机控制领域i n f 1 4 ，给进一步 提高无刷直流电动机的控制性能提供了一条全新的途径。 综上所述，由于无刷直流电动机具有效率高，功率密度大，转动惯量小。调 速性能好等一系列优点，已经在工业、交通、航空航天、军工、伺服控制领域以 及家用电器领域得到广泛应用。但是无刷直流电动机系统中存在的转矩脉动问 题，一直是伺服控制领域的一大难题，尤其是在直接驱动应用场合，转矩脉动问 题更为突出。由于没有减速机构，电机产生的转矩脉动直接传递到负载，而负载 干扰也直接传到电机轴上，这些都使伺服系统的速度位置控靠悴 性极度恶化。因 此。研究高性能的转矩脉动抑制技术，消除转矩脉动，提高转矩动态响应，对提 高永磁伺服系统的控制性能、拓宽其应用领域有重要的现实意义。 9 上海海事大学硕士学位论文 1 ，6 本文研究的主要内容 本章介绍了无刷直流电动机的基本组成及其工作原理，简要分析无刷直流电 动机转矩脉动生成的原因，对无刷直流电动机的发展历史及其转矩脉动问题的国 内外研究现状进行了综述。除本章和第六章全文的总结外，本文主要研究的内容 如下： 第二章从无刷直流电动机的结构原理图出发，对无刷直流电动机的基本电磁 关系式进行推导，建立无刷直流电动机等效电路，并分析无刷直流电动机绕组和 磁场因素对电磁转矩的影响。 第三章分析无刷直流电动机转矩脉动的生成原因及相应的抑制方法。对各种 生成原因，分别从电机本体优化设计和从电机控制策略入手研究转矩脉动抑制的 方法。重点阐述从控制策略入手削弱电磁因素和换相引起的转矩脉动的方法。 第四章详细分析造成换相转矩脉动的原因和理论计算方法，根据理论推导， 重点从工程角度分析换相转矩脉动的抑制方法。利用仿真验证采用换相补偿的方 法减小或消除换相转矩脉动的有效性。此外，针对六路p w m 脉冲信号的死区问 题，分析不同的p w m 切换方式形成的死区不同，对转矩脉动的影响也不同。 第五章介绍以2 2 k w 无刷直流电动机为控制对象，应用1 1 公司的d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为微处理器的无刷直流电动机控制系统的软硬件设计。硬件驱动 部分使用智能功率模块i p m 。为了减小换相转矩脉动，软件设计中实现换相转矩 脉动的抑制方法。 l o 上海海事大学硕士学位论文 第二章无刷直流电动机的基本电磁关系 无刷直流电动机的电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等基本物理量及其 相互关系，以及通电绕组的空间分布和气隙磁感应强度波形这些电动机内部机电 能量转换的重要因素是研究无刷直流电动机转矩脉动抑制问题及整个控制系统 的关键。 2 1 无刷直流电动机的基本关系式 1 、电枢绕组感应电动势 理想的方波无刷直流电动机稳定运行时，带电导体处于相同的磁场下。设电 枢绕组每相串联匝数为w s ，则每相绕组的感应电动势为： e 。2 w s bl v ( 2 1 ) 式中，玩气隙磁感应强度； 卜导体的有效长度； v 导体相对于磁场的线速度。 而线速度 y = 杀n = 2 p o v 云 z ， 式中，d 定子的内径； n 电机转速； p 。极对数： f 极距，r ；里。 2 p o 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 屯。b , 一l a v ( 2 3 ) 式中：a 计算极弧系数。 电机气隙径向磁场沿圆周方向的分布是不均匀的。为了便于磁路的计算，引 入了计算极弧系数口。它可以定义为计算极弧宽度与极距的比值：也可以定义为 气隙平均磁通密度与最大磁通密度的比值。 将式( 2 - 2 ) 、式( 2 3 ) 代入式( 2 1 ) 得每相绕组感应电动势为 上海海事大学硕士学位论文 e - ：孕峨丸盯 ( 2 - 4 ) 1 ) 口 从直流端看，星形联结的无刷直流电动机感应电动势e ，由两相绕组经逆变 器串联组成，所以有 e 一2 e 一面2 p o 丸n e 办挥 ( 2 5 ) 式中c 。一警q 为电动势常数。 上) 口 2 、电抠电流 在每个导通时间内有以下电压平衡方程式( 为了便于分析，假设不考虑开关 管开关动作的过渡过程和定子绕组的电感。) u ，一2 a u e ，+ 2 r( 2 6 ) 式中u 开关管的饱和管压降： ，每相绕组方波电流幅值。 由式( 2 6 ) 得 ，u , - 2 a u - e , ( 2 - 7 ) 2 r 、。 3 、电磁转矩 在任一时刻，电机的电磁转矩l 。由两相绕组的合成磁场与转子永磁场相互 作用而产生，则 乙一罢一等= 学 协s ， 由式( 2 4 ) 和式( 2 8 ) 可见，感应电动势与转子转速成正比，电磁转矩和 直流电机的电枢电流成正比，因此无刷直流电动机与有刷直流电动机一样具有良 好的控制性能a 电机的转速较低时，感应电动势很小，转速越高，感应电动势越 大；控制电机的电流，能直接控制电机的转矩。 式中q = 堡6 0 为电机的机械角速度。所以 乙。芏2 p 譬。艺e o # 一n i 一4 胞p o _ 峨丸，。q 九， ( ：，) 一帅2 册胞w 5 r ”1 一u r r m l 。厶。77 式中q ：兰堕q 为转矩常数。 圭壅塑至奎兰堡主兰垡笙茎 4 、转速 将式( 2 5 ) 代入式( 2 7 ) 得 n 二：一 ( 2 1 0 ) c 。丸 一 空载转速为 n ；u , 了- = _ ：2 一a u ：u 写- 2 a u ；7 5 口u , - 2 a u ( 2 - 1 1 ) e 丸三塑q 丸 风啦丸 1 5 a 5 、屯动势系数与转矩系数 电动势系数为 e 。等。c 。丸= 煮q 丸 ( 2 - 1 2 ) ，l 1 ) 口 转矩系数为 巧，每，g 丸。鱼哆九( 2 - 1 3 ) 当电机转速以角速度q 来表示时，则电动势系数为 k ，告面e 3 一h 6 0 k 。 ( 2 - 1 4 ) 6 0 用电机电角速度来表示，对于单相绕组有e ：丘。 将式( 2 1 1 ) 代入式( 2 1 4 ) ，得 足。= 罢急吐九= 鲁吐丸喝 ( 2 - 1 5 ) 可见电动势系数与转矩系数群相等。 2 2 无刷直流电动机的等效电路 以典型三相桥式无刷直流电动机为咧，在分析时方便起见，假定： ( 1 ) 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等影响： ( 2 ) 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； ( 3 ) 各相绕组对称，其对应的电路单元完全一致。 在电机反电动势为梯形波的无刷直流电动机中，电力电子开关逆变器输出方 1 3 上海海事大学硕士学位论文 e ! 2 f 言景耋】。医 + 未【差蔓誊】，匿】+ 匿 c ：s ， 式中，e 。，e 6 ，e 。为定子各相反电动势；。，i 。为定子各相电流；u 。，u 。，u 。为定子 各相电压；r 。，r 6 ，r 。为定子各相绕组电阻；l 。，l 。，l 。为定子各相绕组自感； l 。，l k ，l 。，l 。，l k ，l 。为定子各相绕组问的互感。由于转子是永磁的，忽略它 的磁阻影响，可以认为l ，l k ，l 。，l 。，l k ，l 。为常数，与转子位置无关。假设三 i i l 。晤罢兰 医 + 去 蔓差蔓 。匡1 + 匡】 c z 一- ， 又因为：乞+ + i 。- 0 ，则( 2 1 7 ) 式可整理为 卧刖卧引 沼 图2 - 1 无刷直流电机的等效电路 1 4 上海海事大学硕士学位论文 2 ，3 无刷直流电动机绕组和磁场因素对电磁转矩的影响 无刷直流电动机定子绕组通电后，与转子磁钢所产生的磁场相互作用，产生 力或转矩驱使转子带动外负载一起转动。从而决定了电动机的运动过程。转子磁 钢转动后，其磁力线反过来又切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，反 过来又影响了电动机内电动势的平衡关系。可见通电绕组和磁场之间的相互作 用，是电动机内部机电能量转换的主要媒介。 由于电机在每个磁状态( 6 0 。电角度) 内的电磁作用是相同的，敌以下分 析一个磁状态的转矩变化情况，分析假定导体在电枢表面均匀分布，忽略齿槽及 换相等因素对磁场的影响。 无刷直流电动机定子绕组导体沿定子圆周排列，通电后产生的磁场形成与转 予磁场相同的极对数。气隙磁场分布与绕组在空间的相互位置关系，如图z ，2 所 示。图中气隙磁感应强度呈方波分布，宽度为口。为产生足够的电磁转矩，卢应 1 _ 满足等g 卢s 石z 表示在所选择的坐标中气隙磁感应强度轴线的空间位置。z j 是一个变化量，随着转子的旋转在一个磁状态中双z 。变化到z ：。五和z ：分别为 个磁状态的换相初始位置和终了位置，故有石一z ：，冬电角度。 l i 笪 l _ 一： ： 一 荆器 卜1 1 剖2 ，2 气隙磁场与通电绕组的位置关系 在图2 2 中，当z 等于要时气躲磁感应强度轴线与通电绕组a 、c 空闻 一。群 上海海事大学硕士学位论文 轴线重合，是该磁状态的中间位置，这时定转子磁场正交，产生最大电磁转矩。 当y 处于而或z ：位置时( z 。- 要，z ：- 要) ，气隙磁感应强度波形分别如虚线和 oj 双点线所示。电枢绕组a 、c 相所产生的空间合成磁场，对转子磁场产生最大直 轴去磁或增磁电枢反应，此时电磁转矩为最小值。 现在分析计算当气隙磁感应强度轴线在该磁状态中任何一位置时 ( z 。( z ：) 的电磁转矩。根据单个导体在磁场中受力的基本公式，可以得到对 于某一磁场位置z 时的电磁转矩表达式为： 芦 r ( o ，声) 一广，以，p 瓷口 ( 2 1 9 ) 。z i 式中：，( 们通电导体在电枢内表面的分布电流， ，p ) 。 o o 口( 詈 l 詈 日( 等 。詈( 日 - h g - ( 2 - 2 0 ) - i 等日, 了l l a r o 半( 日m 根据一个磁状态内气隙磁场与定子通电绕组的相对位置，可以分为三种情 形： l 、z 一7 疗 g ”- ，z + 旦2 色 6 此情形为磁状态的初始阶段，气隙磁场只与部分通电导体相互作用而产生电 磁转矩。由式( 2 1 9 ) 可得此时的电磁转矩为： 叱小旷c 剐( 咖0 = c r b i 。( z + 譬一詈) c z 枷 2 、z 一垦2 巴 6z + 鸟2 堑6 此情形为磁状态的中间阶段，气隙磁场可以与所有的通电导体相互作用产生 电磁转矩。由式( 2 - 1 9 ) 可得： 疋( z ，卢) = 萨c ，b j ( o ) d o = 等c r 占， ( 2 2 2 ) 6 j s 、z 一争詈，z + 争詈 圭堡塑皇盔堂堡主差堡堡墨一 此情形为磁状态的尾部阶段，气隙磁场又不能与所有的通电导体相互作用。 由式( 2 1 9 ) 可得： l ( 朋) ，压5 uc 刚扣k 剐，( 詈罢) 沼2 s ) 定义电磁转矩脉动为 r个 f ；k 二生坠x 1 0 0 ( 2 - 2 4 ) k 式中，k 磁状态中电磁转矩的最大值； 乙。磁状态中电磁转矩的最小值； 乙磁状态中电磁转矩的平均值。 乙。虿1 瓦j 。2 丁b 圾( 2 - 2 5 ) 由式( 2 2 2 ) 可知 k 一等即 旺七6 由式( 2 2 1 ) 或( 2 2 3 ) 可知，当z 为趣= x ：一等时，电磁转矩达 到最小值，即 k ，隆詈p 。l沼：7 ) 驴去声伍+ 死+ 己k 协2 8 了一了 根据情况l 有：z t 詈+ 譬和彳t 詈一罢，对于孚c 声t 耳，有 詈一导t 詈+ 譬，因而区间为詈c zc 詈一鲁a 同样，根据情况2 有： i 5 $ g 一罢c z c 詈+ 譬：情况。有：詈+ 譬t zc 等a 则由式( 2 2 8 ) 可得 驴精；枷蘑蛳荐叫伢。， ，2 c ，b ，。0 ：，+ z i ：+ l ，) 1 7 圭塑塑皇查堂堡主兰垡笙茎 一 k - 声 p + 鲁一詈卜一等一譬一老。珈， 一蘑2 等劫一等p 一等) 6 。 。、一， 乙，毳( 詈一z + 譬p 货，等一譬一生1 2 因此， ( 2 - 3 1 ) ( 2 3 2 ) l ，三石c r b m i 。1 1 5 矛x z 一譬一警+ 等( 芦一孚) + 等一等一著1 。瑚， 一一姜q 风l ( 等一警+ 芸) 则由式( 2 2 4 ) 可得 t 。叠二垒t 0 0 乙 。兰竺：( 墨：盘竺( 2 - 3 4 ) 一昙c r 以l f 譬一警+ 妥1 = 望二兰 昙睁筇+ 等1 该式反映了电磁转矩脉动与方波气隙磁感应强度分布宽度的关系，如图2 - 3 所示。由图可见，随着气隙磁感应强度波形宽度卢的增加，转矩脉动呈单调下降。 当芦；娶( 约2 0 9 时) 时转矩脉动最大，达到近3 0 ：当声一石( 约3 1 4 ) 时， 电磁转矩脉动为零。 将式( 2 - 3 3 ) 代入式( 2 1 6 ) ，则有 足，；等；一昙c ，艮( 等一等+ 芸) c z s 。 由于c ，口。为常数，因而转矩系数砗只与气隙磁场感应强度波形宽度芦有 关。蝎”= 嘉偈”锅成舭由配4 强等班矾k r ”随 口的增加而增加，卢：万时，k ，”达到最大值，转矩系数k ，在此时也为最大值。 上海海事大学硕士学位论文 o 3 5 0 3 0 2 5 - 0 2 q 0 1 5 0 1 0 0 5 0 ， 图2 - 3 转矩脉动与气隙磁感应强度波形宽度的关系 2 2 4 2 2 2 1 6 2 1 2 2 0 8 2 0 4 2 1 9 6 1 _ 9 2 1 8 8 b 2 2 ，12 22 32 4 2 52 6 2 72 8 2 933 1 3 2 图2 4 转矩系数与气隙磁感应强度波形宽度的关系 由上分析可见，对于两相导通星形三相六状态的方波电动机来说，卢增大， 电磁转矩增加，转矩脉动减小；当口一_ j r 时，电机出力最大，而转矩脉动为零。 对于实际的电机，虽然芦不可能完全达到1 8 0 。电角度，但可以尽量提高极弧系 数，使其尽量大。 定子绕组空间分布与磁场空间分布要协调匹配，最终要能感生平顶宽度不 小于1 2 0 。电角度的梯形波电动势。所以，感应电动势波形可以综合反映绕组和 磁场因素的影响。 本章从无刷直流电动机的结构原理图出发，对无刷直流电动机的基本关系 式做了推导，分析了定子绕组感应电动势、电枢电流、电机转速、电磁转矩等基 本参数之间的联系，指出无刷直流电动机调速特性和有剧直流电动机基本相同： 上海海事大学硕士学位论文 可以通过调节直流电压进行调速，调节定子绕组电流可以改变输出转矩。 最后，分析了无刷直流电动机绕组和磁场因素对电磁转矩的影响。通过气 隙磁场分布与绕组在空间的相互位置关系，分析计算了气隙磁感应强度轴线在磁 状态中任何一位置肘的电磁转矩。根据计算得知，随着气隙磁感应强度波形宽度 一 芦的增加，转矩脉动下降，电磁转矩增加。当卢等时转矩脉动最大，达到近 j 3 0 ；当卢一石时，电磁转矩脉动为零，电机出力最大。 2 0 上海海事大学硕士学位论文 第三章无刷直流电动机转矩脉动的分析 无刷直流电动机的输出转矩大、动态响应快、惯量小、可靠性高、控制简单， 因此其应用越来越广泛。但是无刷直流电动机普遍存在的转矩脉动问题却一直限 制着其在高精度系统中的应用。对于高精度系统，转矩脉动是衡量无刷直流电动 机性能的一项重要指标。因此，分析转矩脉动形成的原因、研究抑制或消除转矩 脉动的方法具有十分重要的意义。 造成无刷直流电动执转矩脉动的原因很多，可以分为以下几个方面：电磁因 素引起的转矩脉动：电流换相引起的转矩脉动；齿槽效应