董少波，程小华
                                                         （华南理工大学电力学院)
       摘要：转矩脉动是无刷直流电动机的固有缺陷，它限制了其在高精度系统中的应用。该文详细论述了转矩脉动产生的各种原因，并给出了相应的有效的抑制方法。
     关键词：转矩脉动；无刷直流电机；抑制方法
     中图分类号：TM36+1    文献标志码：A    文章编号：100l一6848(2010)08—0083—04

0  引  言
       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。本文详细论述了转矩脉动产生的各种原因以及有效的抑制方法，对各种方法进行了分类并分析了各种方法的优缺点。
1  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赢接关系{1}。在理想情况下，定子电流为方波，反电动势波形为梯形波，平顶宽度为120。电角度，电磁转矩为恒值。而实际电机中，由于设计和制造方面的原因，可能使反电动势不是梯形波，或者波顶宽度不为120。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的产生。抑制电磁因素引起的转矩脉动的方法有：电机优化设计法、****开通角法、谐波消去法、转矩反馈法等。
1.1电机优化设计法

     对于永磁无刷直流电动机，磁极形状、极弧宽度、极弧边缘形状不同时，对输出电磁转矩有很大影响{2}。当气隙磁通密度呈方波分布时，即反电动势波形为理想的梯形波时，极弧宽度增加，则电磁转矩增加，转矩脉动减小；当极弧宽度达到π时，电机出力****，转矩脉动为零。据此，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，改变磁极的形状，或增加极弧宽度来有效消除电磁转矩脉动。
1．2****开通角法

    此方法通过控制手段和策略来抑制电磁转矩脉动，首先推导出转矩脉动与开通角之间的函数关系式，再求取电流的****开通角，使电路波形和反电动势波形的配合适当，通过控制****开通角而达到削弱转矩脉动的目的。文献[3_4]采用了这种方法。
1．3谐波消去法

    由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。电磁转矩脉动是由相电流和反电动势相互作用形成的，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动势谐波的结合，会产生具有相同角频率的谐波转矩分量。文献[5]对无刷直流电机的转矩特性进行了深入的研究，分析了由谐波引起的转矩脉动。在理想条件下，同次的磁链谐波与电流谐波(3次谐波除外)相互作用产生恒定的转矩，不同次谐波之间是不产生转矩的。
1.4转矩反馈法

   转矩反馈法是一种闭环控制方法，基本原理是：根据位置和电流信号通过转矩观测器得到转矩反馈信号，再通过转矩控制器反馈给无刷直流电机主回路，实现对转矩的控制，从而消除转矩脉动。但转矩反馈法节构较为复杂，需预确定电机参数且算法复杂，实现比较困难。
2电流换向引起的转矩脉动
   永磁无刷直流电动机工作时，定子绕组按一定顺序换流，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啼目切换到另一相时将引起电机转矩的脉动。抑制由电流换相引起的转矩脉动的方法有：电流反馈法、滞环电流法、重叠换相法、PwM斩波法等。
2.1电流反馈法
   非换相相电流的存在导致换相转矩脉动，很多文献通过各种方法致力于使非换相相电流保持恒定，从而使转矩脉动为零

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。其反馈信号由直流侧取出，主要控制电流幅值。由于它是根据流过直流电源的电流信号进行的，因此只需要一个电流传感器便可得到电流反馈信号。文献[6]对此方法进行了分析。另．种是交流侧电流反馈控制。其反馈信号由1交流侧取出，此时，根据转子的位置米确定要控制的相电流，使其跟随给定。在换相过程中，当非换相电流术到达给定值时，PwM控制不起作用；当非换楞电流趣过设定值时，PwM控制开始起作用，关断所有开关器件，使电流值下降，直至低于设计值再闭合被关断的开关器件，使其值上升，以此往复，即可实现非换相相电流的调节，直至换相完成。
2.2滞环电流法
   其基本原理是：在电流环中，采用HcR，通过比较参考电流和实际电流，使得换相时能够给出适合的触发信号。实际电流的幅值和滞环宽度的大小决定了HcR控制信号的输出。当实际电流小于滞环宽度的下限时，IGBT器件导通；随着电流的上升，达到滞环宽度的上限时，IGBT器件关断，使电流下降。实际电流可以是相电流，也可以是逆变器的输入电流。滞环电流法的特点是：应用简单，快速性好，具有限流能力。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，由非换相相电流控制的HcR和由二三相相电流独立控制的HcR。实验证明：后两种情况的换相转矩特性相同，对换相转矩脉动具有较前者更好的抑制效果，适用于低速。
2.3重叠换相法
   其工作原理是：换相时，本应立即关断的功率开关器件并不是立即关断，而是延长了一个时间间隔，并将本不应开通的开关器件提前开通一个角度，这样可以补偿换相期间的电流跌落，进而抑制转矩脉动，传统的重叠换相法中，重叠时间需预先确定，而选取合适的重叠时间比较困难，大了会过补偿，小了又会造成补偿不足。为此，在常规重叠换相法的基础上，引入了定频采样电流凋节技术。此技术在重叠期间采用PwM控制抑制换相转矩脉动，使重叠时间由电流调节过程自动调节，从而避免了对重叠区间的大小难以确定的问题。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。文献[7]对此方法做了详细介绍。
2.4 PwM斩波法
  PwM斩波法与交流侧反馈控制法较类似，即开关器件在断开前、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F降的速率相等；补偿总电流幅值的变化，抑制换相转矩脉动，与重叠换相法相比，该方法具有更小的转矩脉动，适合于精度要求更高的场合。
　　采用不同的PwM调制方式，换相时脉动电流出现的大小和时问不同：在无刷直流电动机控制系统中，当采用120。两两导通方式时，每个电周期有六个扇区，每个扇区各占60。，此时PwM捌制方式有五种类型：①ON—PwM型：各管前60“叵通，后60。
　　进行PwM调制；②PwM—ON型：各管前60。进行PwM调制，后60。为恒通方式；③H—PwM—L一0N型：上桥臂进行PwM调制，下桥臂恒通方式；④H一0N—L—PwM型：上桥臂恒通，下桥臂进行PwM调制；⑤H—PwM—L—PwM型：上下桥臂都进行PwM调制。第五种方式的开关动态损耗是其他四种方式的两倍，使系统效率降低，并给散热带来网难，因此一般不采用。文[8]中，分析了换相时续流对电压和电流的影响，认为当采用ON—PwM调制方式时，续流所产生的脉动电流最小，对系统的影响也最小。文献{9]分析了PwM调制方式对换相转矩脉动的影响，认为当采用PwM—ON斩波法调制方式时，换相转矩脉动最小。
3齿槽引起的转矩脉动
    齿槽引起的转矩脉动也称为磁阻转矩脉动，是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引起的。齿槽转矩是永磁电机的固有特。h牛，当电机处于低速轻载运行时，齿槽转矩将会表现的非常明显，从而产生振动和噪声，目前常用的抑制齿槽转矩的方法有：
3.l斜槽
    削弱齿槽转矩的最常用的方法是定子斜槽和转子斜极{10}。通过计算得到斜槽系数，并选取****的斜槽系数。但是，这种方法的缺点在于将会减少绕组反电动势的高次谐波，使绕组反电动势更接近于正弦波。这样对于正弦型无刷直流电机而言．有利于减少电磁转矩纹波；而对于方波型无刷直流电机而言将会增加电磁转矩纹波。
3.2分数槽
    对于较难采用重叠换相的永磁电机，可以采用分数槽来处理。所谓分数槽，就是定子槽数和转子极数不是整数倍关系，这样做可以使齿槽转矩的频率增加，幅值减小，但这种方法对加工工艺的要求较高，同时会引起平均转矩的减少。文献：11详细的介绍了这种方法。
3.3磁极分块移位
   由于转子斜极会使成本大大增加，并且加工工．艺也会变得复杂，因而应用中往往采用磁极分块移位法，由通过计算得到磁极极弧系数，然后再把它优化，最后把几段分块磁钢沿周向错开一定角度安放米近似等效成一个连续的磁极，通常有两种移位方法：连续移位和交差移位，前者消除的是磁钢分块数目整数倍以外的所有齿槽转矩谐波成分，后者只能消除齿槽转矩的奇数次谐波，对偶数次谐波没有影响{12-13}。
3.4其他方法
   采用虚拟齿和虚拟槽即当每极每相槽数很小时，通过虚拟把每极每相槽数变多，这样再采用斜槽，就可以消除齿槽转矩；采用无槽式绕组即通过采用高性能的永磁材料来提供足够的励磁，这样在定子中就可以采用无槽式绕组，目前有三大类：环形绕组、非重叠集中绕组和杯形绕组；还有诸如减小定子槽口宽度和采用磁性槽楔等方法都为减小齿槽转矩提供了帮助。
4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反应在两个方面：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，后扳尖部分被削弱。该畸变的磁场与定子通电相绕组相互作用，使电磁转短随定、转子相对位置的变化而脉动；二是在任一磁状态内，相对静止的电枢反应磁场与连续旋转的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。
　　为了减小电枢反应对因气隙磁场畸变而产生的转矩脉动的影响，电机应选择瓦形或环形永磁体径向励磁结构，并适当增大气隙。另外，也可以设计电机齿部磁路的饱和度使电机在空载时达到足够饱和。
5机械加工引起的转矩脉动
   除了以卜几种主要的原因外，机械加I．和材料的不一致也是引起转矩脉动的重要原因之一。如电机机械加工及装配时产生的尺寸和形位偏差引起的，如定子冲片各槽分度不均，定子内外圆偏心，定、转子同轴度偏差等产生的单边磁拉力导致转矩脉动；轴承系统的摩擦力不均匀叠加的波动力矩；转子位冕传感器的定位不准确导致的转矩脉动；各相绕组电阻电感参数不对称及电子元器件性能参数的差异导致的转矩脉动；磁路中各零件材料特别是永磁体性能不一致产生的转矩脉动等。因此，提高加工水平也是减少转矩脉动的重要方法。
6结论及展望
   本文系统分析了无刷直流电动机转矩脉动产生的各种可能原因以及常用的抑制方法。在实际应用中，要根据具体场合和不同要求选用适当的控制方法，或者几种方法进行综合运用。另外，随着人工智能技术的快速发展，其在电机控制领域的运用也日渐深入，特别是神经网络控制和自适应控制是目前研究的重点。因此，在尤刷直流电机的转矩脉动抑制问题的研究中，采用智能控制来抑制转矩脉动也是一个重要的方向。