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永磁無刷直流電動機轉矩特性的研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:509

摘要:根據永磁無刷電動機的轉矩特性,分析了脈動轉矩產生的原因和抑制或消除的方法與措施。

0  引  言

   永磁無刷電動機因體積小、性能好、結構簡單、轉矩特性好、調節控制方便、調速范圍廣、動態響應快等特點而得到了越來越廣泛的應用,尤其應用在智能機器人航空航天、精密電子儀器與設備等對電機性能、控制精度要求比較高的領域和場合。轉矩脈動控制是衡量永磁無刷電動機性能好壞的一項重要指標,抑制轉矩脈動成為提高永磁無刷電動機伺服系統性能的關鍵。因此研究永磁無刷電動機轉矩特性及抑制或消除轉矩脈動具有十分重要的意義。

1轉矩特性

  永磁無刷電機傳動系統一般由逆變器、永磁同步電動機、控制系統和位置傳感器四部分組成。逆變器的通電方式往往采用三相六拍導通方式,每一瞬間有二相同時通電,有一相不通電,每一相繞組均有導通后120°,斷電60°,然后再導通120°,斷開60°。在這種通電方式下,定子繞組將產生一個步進式的旋轉磁場,從而造成電機的轉矩除平均值外還存在脈動轉矩。

  永磁無刷電動機,在電機轉子轉動時,由于定子槽的開口引起的氣隙磁導變化影響,因此電機還存在由于定子齒、槽變化而引起的脈動轉矩。

對于一般永磁無刷電動機,通常計算轉矩的方法是將三相系統轉換到二相d—q坐標系統,將定子電流分解為id、iq,可得轉矩公式如下: 式中, 為永磁體產生磁鏈;id、iq為定、轉子電流的

d、q軸分量;Ld、Lq為d、q軸電感。

   轉矩由兩部分組成,第一項為主轉矩,由定子q軸電流與永磁體磁鏈作用產生;第二項為磁阻轉矩。由于d、q軸磁阻不同產生。

   但是,上述公式是計算了基波磁動勢作用下電機產生的平均轉矩,不能計算電機的脈動轉矩。為此,可采用由電機磁場儲能對轉子位移的偏導數求得電機轉矩,其表示式為: 式中:P為電機極對數;Wm為電機的磁場儲能;Q為電機的轉子的位移角。

   從上式公式出發可以推導出雙邊勵磁(包括永磁體電機)的轉矩公式: 式中:ilo為定子電流;i11,為定子繞組電感; 為永磁體在定子繞組中產生的磁鏈;Wm2為永磁體產生的磁場能量。

   第一項:定子電流產生的磁阻轉矩,對表面式永磁電機,轉子轉動時L11,不變,轉矩為O;對內埋式永

磁電機L11會變,可產生磁阻轉矩。

   第二項:定子電流與永磁體產生磁鏈相互作用,產生電機的主轉矩。

   第三項:永磁體產生磁阻轉矩,轉子轉動時,齒槽對Wm2變化將會產生脈動轉矩。

2轉矩脈動分析

   永磁無刷電動機由于諧波磁動勢和齒槽效應等影響會產生較強的脈動轉矩?,F討論脈動產生的原因和抑制方法。    2·1  電磁因素引起的轉矩脈動

  電磁轉矩脈動是由于定子電流和轉子磁場相互作用而產生的轉矩脈動,它與電流波形、反電動勢波形、氣隙磁通密度的分布有直接關系。理想情況下,定子電流為方波,反電動勢波形為梯形波,平頂寬度為120°電角度,電磁轉矩為恒值。而實際電機中,由于設計和制造方面的原因,可能使反電動勢波形不是梯形波,或波頂寬度不為120°電角度;或者由于轉子位置檢測和控制系統精度不夠而造成電動勢與電流不能保持嚴格同步;或者電流波形偏離方波等,這些因素都會導致電磁轉矩脈動產生。

   抑制電磁因素引起的轉矩脈動的方法有:電機優化設計法、最佳開通角法、諧波消去法、轉矩反饋法等。

   優化設計法:在永磁無刷直流電動機中,磁極形狀、極弧寬度、極弧邊緣形狀不同時,對輸出電磁轉矩有很大影響。當氣隙磁通密度呈方波分布時,即反電動勢波形為理想的梯形波時,極弧寬度增加,則電磁轉矩增加,轉矩脈動減??;當極弧寬度達到π時,電機出力最大,而轉矩脈動為零。因此,可以通過選擇合理的無電磁轉矩脈動的電機磁極和極弧的設計方案,改變磁極形狀,或增加極弧寬度來有效消除電磁轉矩脈動。

   最佳開通角法:通過優化電機設計可以消除轉矩脈動,但也有不足之處,如由于電機繞組的電感限制,即使電機采用恒流供電,在換流過程中電感電流不能突變,灌入定子繞組的電流波形不可能是矩形波;另外,對于實際電機,氣隙磁場很難保持理想的方波分布,繞組反電勢波形也并非理想的矩形,這樣就無法實現完全從硬件設計上消除電磁轉矩脈動。因此,只能通過控制手段和策略來消除脈動。如采用最佳開通角的方法抑制電磁轉矩脈動,通過控制最優開通角而達到削弱轉矩脈動的目的。

   諧波消去法:由于無刷直流電機定子電流和轉子磁場的非正弦,使得其相互作用產生的電磁轉矩含有諧波轉矩,造成了轉矩的脈動。根據電磁轉矩脈動是由相電流和反電動勢相互作用的原理,可以考慮通過控制電流的諧波來消除由此產生的轉矩波動。不同次諧波電流和諧波反電勢的結合,會產生具有相同角頻率的諧波轉矩分量,其中以角頻率為6ω的諧波轉矩分量所占比重最大,也是希望抑制的轉矩分量。采用給恒流源通以特定形式補償電流的方法供電給電動機,產生和角頻率6ω的諧波轉矩分量大小相等,相位差180。的轉矩,以抵消或抑制該諧波轉矩分量,可使轉矩的脈動量大大減少。

轉矩反饋法:從諧波消去法的工作原理可知,諧波消去法的作用是有限的,因是開環控制方法,存在繞組阻抗不對稱和所測電流有誤差等于擾時,控制精度會受到影響。為了克服開環控制方法的缺點,提出從反饋角度考慮抑制轉矩脈動的方法,即以轉矩為控制對象,實現閉環控制,從而消除轉矩脈動。

2·2齒槽效應引起的轉矩脈動

   由于定子鐵心槽齒的存在,使得永磁體與對應的電樞表面的氣隙磁導不均勻,當轉子旋轉時,使得在一個磁狀態內,磁路磁阻發生變化,從而引起轉矩脈動。電磁因素和電流換向引起的轉矩脈動是定子電流與轉子磁場相互作用產生的,而齒槽引起的轉矩脈動是轉子磁場相互作用產生的,與定子電流無關。

   抑制由齒槽引起的轉矩脈動的方法主要集中于優化電機設計,主要包括:斜槽法、輔助凹槽法等。

   斜槽法:由于無刷直流電機的電樞磁場為非圓形跳躍式旋轉磁場,理論和實踐證明,斜槽或斜磁鋼能抑制轉矩波動,經過推導計算可以得出,斜槽使電機電磁轉矩各次諧波的幅值均有所減少。例如:采用斜增角度δ=10°,電磁轉矩的基波轉矩幅值相當于直槽時的90%,3次諧波幅值相當于直槽時的30%,5次諧波轉矩相當于直槽時的19%。斜槽還使定位轉矩各次諧波的幅值都得到衰減,當δ=10°時,各次諧波幅值均為零。因此,定子采用斜槽或轉子采用斜槽是減少齒槽轉矩脈動有效的芳法。也是抑制齒槽轉矩脈動較廣泛的方法之一。

   當設計電機采用適合的斜槽角度(如占:δ=10°)時,可以大大減少電磁轉矩諧波分量的幅值。消除定位轉矩,同時又不至于對電磁轉矩的基波造成大的影響,減小電機的輸出功率。為避免斜槽法的不足,也有提出采用奇數槽或分數槽,使電動機的槽數與極對數之間無公約數,以消弱轉子轉動時引起的磁場波動,也有助于減少齒槽轉矩脈動。

輔助凹槽法:采用齒面加輔助凹槽的方法,是削弱齒槽轉矩脈動的另一方法。由諧波平衡法可確定:通過輔助凹槽,可增加齒槽轉矩脈動的基波次數,次數越高,幅值越小。當齒面上加2個輔助凹槽后,除基波四倍次的諧波分量以外,其他諧波皆被消去,從而有效地減小了電動機磁阻轉矩。

2.3電流換向引起的轉矩脈動

永磁無刷直流電動機工作時,定子繞組按一定順序換流,由于各相繞組存在電感,阻礙電流的瞬時變化,每經過一個磁狀態,電樞繞組中的電流從某一相切換到另一相時將引起電機轉矩的脈動。抑制由電流換向引起的轉矩脈動的方法有:電流反饋法、滯環電流法、重疊換向法、PWM斬波法等。

電流反饋法:電流反饋控制一般可以分為兩種形式:一是直流側電流反饋控制,另一是交流側電流反饋控制。直流側電流反饋控制,其電流反饋信號從直流側輸出,主要控制電流幅值。由于直流側電流反饋控制是根據通過直流電源的電流信號進行的,因此只需要一個電流傳感器便可得到電流反饋信號。即在換向的動態過程中,反饋信號反映的是待建立的相電流的信息,在換向進行時,待建立的電流未達到給定值,則電流的控制使待建立的相電流的絕對值向增長的方向變化,直至換向完成。交流側電流反饋控制,電流反饋信號由交流側輸出,此時,根據轉子的位置來確定要控制的相電流,使其跟隨給定。該控制是通過控制PWM信號所對應的逆變器的開關狀態實現的。即在換向過程中,當非換向電流未到達給定值時,PWM控制不起作用,當非換向電流超過設定值時,PWM控制開始起作用,并斷所有開關器件,使電流值下降,直至再閉合被關斷的開關器件,使其值上升。以此往復,即可實現非換向相電流的調節,直至換向完成。

重疊換向法:電流反饋法解決了低速換向的轉矩脈動問題,但通常在高速時效果不理想。在高速段,抑制換向轉矩脈動較成熟的方法是重疊換向法,即換向時,本應立即關斷的功率開關器件并不是立即關斷,而是延長了一個時間間隔,并將本不應開通的開關器件提前導通。傳統的重疊換向法中,重疊時間需預先確定,但選取合適的重疊時間較為困難,且不能從最大程度上減小轉矩脈動。

PWM斬波法:PWM斬波法與交流側電流反饋控制方法較類似。即開關器件在斷開前、導通后進行一定頻率的斬波,控制換向過程中繞組端電壓,使得各換向電流上升和下降的速率相等,補償總電流幅值的變化,抑制換向轉矩脈動。該方法對電機高速段相電流換向引起的轉矩脈動起到了很好的抑制作用。與重疊換向法相比,該方法具有更小的轉矩脈動,適合于精度要求更高的場合。

2.4  電樞反應和機械加工引起的轉矩脈動

 電樞反應對轉矩脈動的影響主要有:(1)電樞反應對氣隙磁場發生畸變,改變了轉子永磁體在空載時的方波氣隙磁感應強度分布波形,使氣隙磁場的前極尖部分被加強,后極尖部分被削弱。該畸變的磁場與定子通電相繞組相互作用,使電磁轉矩隨定、轉子相對位置的變化而脈動。(2)在任一磁場狀態內,相對靜止的電樞反應磁場與一連續旋轉的轉子主磁場相互作用而產生的電磁轉矩因轉子位置的不同而變化,從而產生轉矩脈動。

 適當增大電機氣隙,設計磁路時使電機在空載時測到足夠飽和,或者電機選擇瓦形或環形永磁體徑向勵磁結構等方法都可削弱由電樞反應引起的轉矩脈動。機械加工因素引起的轉矩脈動有:制造電機所用材料的不一致性、轉子的偏心、各相繞組的不對稱等??赏ㄟ^選擇高質量材料,提高工藝加工水平來減小由機械加工引起的轉矩脈動。3  結  論

  本文論述了永磁無刷電機轉矩脈動產生原因及其相應的抑制方法。永磁無刷直流電機調速系統的關鍵是對轉矩的控制,怎樣將轉矩脈動控制在盡可能小的范圍內?怎樣在直接驅動的應用場合避免轉矩脈動引起的電機速度控制特性惡化,進一步提高電機的轉矩性能等等有許多問題值得深究與解決。上述消除轉矩脈動的方法有些已被廣泛應用,且取得了較滿意的效果,但還尚有不足之處。

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