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王 强 孙 力 陆永平（哈尔滨工业大学150001）
摘 要 介绍几种抑制无刷直流电动机系统波动力矩的主要方法，并对这些方法进行比较。
叙 词 无刷直流电动机波动力矩抑制
1 引 言
无刷直流电动机系统具有良好的控制特性、大的峰值力矩和高可靠性等优点，因而在高精度位置和速率系统中得到了广泛的应用，对于这类高精度系统，波动力矩是一项重要指标，影响着速率和位置精度，因此抑制无刷直流电动机系统的波动力矩具有重要的意义，本文对抑制波动力矩的方法进行了分类介绍。
2 波动力矩的几种主要抑制方法
无刷直流电动机系统的波动力矩可分为两种成分，即电磁波动力矩和齿槽波动力矩，对于表面磁钢无刷直流电动机系统，通过齿极配合和采用分数槽绕组结构，可以充分抑制齿槽波动力矩，波动力矩的主要成分是电磁波动力矩。电磁波动力矩主要是无刷直流电动机系统三相电流和反电势的恒定分量偏差、幅值偏差、相位偏差以及谐波成分产生的。根据波动力矩来源于电流和反电势偏差这一特点，可将抑制波动力矩的各种方法作如下分类。
谐波消去法
力矩前馈法
力矩反馈法
直接力矩反馈法
间接力矩反馈法
磁场正弦化设计法
2.1谐波消去法
根据电磁波动力矩的产生原理，文献[1]首先提出了必须根据气隙磁密波形决定绕组电流波形，以消除电磁波动力矩，即谐波消去法。其主要的目的是消除电流和反电势谐波成分产生的波动力矩，其基本原理如下：
当无刷直流电动机系统电流或反电势含有谐波分量时，系统的平均电磁力矩和谐波力矩可表示为：
根据测得的或计算而得的各次电势谐波成分，即可求解出****电流波形的各次谐波，从而得到了****电流波形，用它作为相电流参考信号，以抑制反电势谐波产生的波动力矩，文献[2]首先给出了这种方法的完整描述，文献[3]介绍了获取/mk的各种方法，原理上并没有什么变化。文献[4]计算了不同定子电流对/mk的影响，根据定子电流的数值，考虑电枢反应对电势谐波的影响，进而计算出该电流下的/mk。
仿真和实验研究表明，谐波消去法抑制较大的电势谐波产生的波动力矩较为明显，或者只可将波动力矩抑制于一定的水平。这是因为，该方法对电流调节器的带宽有较高的要求，正常情况下，电流调节器无法使相电流完全复现电流指令中的各次谐波成分，因此，谐波消去法的作用是有限的。
2.2力矩前馈法
力矩前馈法是谐波消去法的发展，谐波消去法本质上是一种开环方法，力矩前馈法与谐波消去法依据相同的原理，即用电流的谐波成分消除电势谐波成分产生的波动力矩。与谐波消去不同，力矩前馈法是一种实时、在线补漏方法。
图1是一种典型的用力矩前馈补偿方法抑制波动力矩的系统的原理图，其基本原理是，建立反电势或力矩观测器，由同步旋转参考坐标系下的状态方程估计出电势或力矩的谐波成分，根据电势或力矩谐波计算出电流指令i和i中应包含的谐波成分，控制三相电流产生相应的谐波成分，抑制波动力矩。
力矩前馈法比较复杂，对采样、检测电路的精度要求较高，需要快速的数字信号处理 器，实现困难，其方法和技术尚不成熟，仍处反馈方法抑制波动力矩的于研究阶段，文献报道也较少[5]。
2.3力矩反馈法
力矩反馈方法是以瞬时力矩作被控量，根据获取的反馈力矩信号实现对瞬时力矩的直接控制，因此也称之为瞬时力矩控制法。
力矩反馈信号的准确获取是力矩反馈实现的关键，按反馈信号获取方式的不同，力矩反馈法分为直接力矩反馈法和间接力矩反馈法[5]。
直接力矩反馈法有两大缺点，第一，这种方法需要在电机与负载转轴之间安装位移或应变传感器来测量瞬时力矩，这种传感器的制造和安装都比较困难；第二，需要昂贵的高响应信号处理设备，这是因为信号处理设备的带宽必须远远高于所检测的瞬时力矩的信号的带宽。这两点原因限制了直接力矩反馈法的应用。
间接力矩反馈法是根据测量的电机参数和状态变量计算瞬时力矩，丁可表示为：
间接力矩反馈法的核心是式(2)中各系数的获取，按其获取方式可将间接力矩反馈方法分为测量法、观测法和综合法。
测量法，忽略电枢反应对气隙磁场的影响，通过测取空载反电势，用最小方差参数辨识的方法求得式的各系数。
观测法，建立力矩观测器，通过测得的系统电压、电流等状态变量估计式(2)备系数，常用的方法有电压积分法和平均力矩估计法。
综合法，综合法融合了测量法和观测法，通过测取空载电势获取式(2)各系数的基值，根据系统的运行状态，应用观测法的手段对这些系数加以修正。
力矩反馈法算法也比较复杂，对各种波动力矩都有抑制作用。
2.4磁场正弦化设计法
磁场正弦化设计法是一种与前三种方法截然不同的方法，是通过磁场的正弦化设计，尽可能减小电势中的谐波成分（3次谐波除外）。这方面的研究开展较早，文献[6]介绍了解析法计算空载气隙磁场的方法，分析了极弧变化、极对数、气隙以及充磁形式等因素对气隙磁密空间谐波的影响，文献[7]介绍了一种用双层表面磁钢转子结构来消除电势谐波的方法，文献[8]应用电磁场反问题求解的方法，计算了正弦气隙磁场的磁钢形状，作了大量的实验研究。磁场正弦化设计法可大幅度降低由电势谐波产生的波动力矩。
3结论
通过以上几种抑制波动力矩方法的讨论，可以得出结论：
a．谐波消去法对较大的电势谐波产生的波动力矩有明显的抑制作用，其效果受电流环带宽的限制。
b．力矩前馈法结构、算法复杂，主要应用于稳速系统。
c．磁场正弦化设计法可有效地抑制电势谐波产生的波动力矩，采用磁场正弦化设计后，波动为矩主要表现为电流的幅值、相位和函数误差产生的P次、2P、6P的波动力矩。
d．力矩反馈法实时性好，对各种波动力矩均有抑制作用，与磁场正弦化设计法结合使用可收到较好的效果。
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