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永磁无刷直流电动机转矩特性的研究

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:390

摘要:根据永磁无刷电动机的转矩特性,分析了脉动转矩产生的原因和抑制或消除的方法与措施。

0  引  言

   永磁无刷电动机因体积小、性能好、结构简单、转矩特性好、调节控制方便、调速范围广、动态响应快等特点而得到了越来越广泛的应用,尤其应用在智能机器人航空航天、精密电子仪器与设备等对电机性能、控制精度要求比较高的领域和场合。转矩脉动控制是衡量永磁无刷电动机性能好坏的一项重要指标,抑制转矩脉动成为提高永磁无刷电动机伺服系统性能的关键。因此研究永磁无刷电动机转矩特性及抑制或消除转矩脉动具有十分重要的意义。

1转矩特性

  永磁无刷电机传动系统一般由逆变器、永磁同步电动机、控制系统和位置传感器四部分组成。逆变器的通电方式往往采用三相六拍导通方式,每一瞬间有二相同时通电,有一相不通电,每一相绕组均有导通后120°,断电60°,然后再导通120°,断开60°。在这种通电方式下,定子绕组将产生一个步进式的旋转磁场,从而造成电机的转矩除平均值外还存在脉动转矩。

  永磁无刷电动机,在电机转子转动时,由于定子槽的开口引起的气隙磁导变化影响,因此电机还存在由于定子齿、槽变化而引起的脉动转矩。

对于一般永磁无刷电动机,通常计算转矩的方法是将三相系统转换到二相d—q坐标系统,将定子电流分解为id、iq,可得转矩公式如下: 式中, 为永磁体产生磁链;id、iq为定、转子电流的

d、q轴分量;Ld、Lq为d、q轴电感。

   转矩由两部分组成,第一项为主转矩,由定子q轴电流与永磁体磁链作用产生;第二项为磁阻转矩。由于d、q轴磁阻不同产生。

   但是,上述公式是计算了基波磁动势作用下电机产生的平均转矩,不能计算电机的脉动转矩。为此,可采用由电机磁场储能对转子位移的偏导数求得电机转矩,其表示式为: 式中:P为电机极对数;Wm为电机的磁场储能;Q为电机的转子的位移角。

   从上式公式出发可以推导出双边励磁(包括永磁体电机)的转矩公式: 式中:ilo为定子电流;i11,为定子绕组电感; 为永磁体在定子绕组中产生的磁链;Wm2为永磁体产生的磁场能量。

   第一项:定子电流产生的磁阻转矩,对表面式永磁电机,转子转动时L11,不变,转矩为O;对内埋式永

磁电机L11会变,可产生磁阻转矩。

   第二项:定子电流与永磁体产生磁链相互作用,产生电机的主转矩。

   第三项:永磁体产生磁阻转矩,转子转动时,齿槽对Wm2变化将会产生脉动转矩。

2转矩脉动分析

   永磁无刷电动机由于谐波磁动势和齿槽效应等影响会产生较强的脉动转矩。现讨论脉动产生的原因和抑制方法。    2·1  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°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,可能使反电动势波形不是梯形波,或波顶宽度不为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等,这些因素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、最佳开通角法、谐波消去法、转矩反馈法等。

   优化设计法:在永磁无刷直流电动机中,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。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,电机出力最大,而转矩脉动为零。因此,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,改变磁极形状,或增加极弧宽度来有效消除电磁转矩脉动。

   最佳开通角法:通过优化电机设计可以消除转矩脉动,但也有不足之处,如由于电机绕组的电感限制,即使电机采用恒流供电,在换流过程中电感电流不能突变,灌入定子绕组的电流波形不可能是矩形波;另外,对于实际电机,气隙磁场很难保持理想的方波分布,绕组反电势波形也并非理想的矩形,这样就无法实现完全从硬件设计上消除电磁转矩脉动。因此,只能通过控制手段和策略来消除脉动。如采用最佳开通角的方法抑制电磁转矩脉动,通过控制最优开通角而达到削弱转矩脉动的目的。

   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。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来消除由此产生的转矩波动。不同次谐波电流和谐波反电势的结合,会产生具有相同角频率的谐波转矩分量,其中以角频率为6ω的谐波转矩分量所占比重最大,也是希望抑制的转矩分量。采用给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6ω的谐波转矩分量大小相等,相位差180。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。

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于扰时,控制精度会受到影响。为了克服开环控制方法的缺点,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,从而消除转矩脉动。

2·2齿槽效应引起的转矩脉动

   由于定子铁心槽齿的存在,使得永磁体与对应的电枢表面的气隙磁导不均匀,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是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,主要包括:斜槽法、辅助凹槽法等。

   斜槽法:由于无刷直流电机的电枢磁场为非圆形跳跃式旋转磁场,理论和实践证明,斜槽或斜磁钢能抑制转矩波动,经过推导计算可以得出,斜槽使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减少。例如:采用斜增角度δ=10°,电磁转矩的基波转矩幅值相当于直槽时的90%,3次谐波幅值相当于直槽时的30%,5次谐波转矩相当于直槽时的19%。斜槽还使定位转矩各次谐波的幅值都得到衰减,当δ=10°时,各次谐波幅值均为零。因此,定子采用斜槽或转子采用斜槽是减少齿槽转矩脉动有效的芳法。也是抑制齿槽转矩脉动较广泛的方法之一。

   当设计电机采用适合的斜槽角度(如占:δ=10°)时,可以大大减少电磁转矩谐波分量的幅值。消除定位转矩,同时又不至于对电磁转矩的基波造成大的影响,减小电机的输出功率。为避免斜槽法的不足,也有提出采用奇数槽或分数槽,使电动机的槽数与极对数之间无公约数,以消弱转子转动时引起的磁场波动,也有助于减少齿槽转矩脉动。

辅助凹槽法:采用齿面加辅助凹槽的方法,是削弱齿槽转矩脉动的另一方法。由谐波平衡法可确定:通过辅助凹槽,可增加齿槽转矩脉动的基波次数,次数越高,幅值越小。当齿面上加2个辅助凹槽后,除基波四倍次的谐波分量以外,其他谐波皆被消去,从而有效地减小了电动机磁阻转矩。

2.3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:电流反馈法、滞环电流法、重叠换向法、PWM斩波法等。

电流反馈法:电流反馈控制一般可以分为两种形式:一是直流侧电流反馈控制,另一是交流侧电流反馈控制。直流侧电流反馈控制,其电流反馈信号从直流侧输出,主要控制电流幅值。由于直流侧电流反馈控制是根据通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。即在换向的动态过程中,反馈信号反映的是待建立的相电流的信息,在换向进行时,待建立的电流未达到给定值,则电流的控制使待建立的相电流的绝对值向增长的方向变化,直至换向完成。交流侧电流反馈控制,电流反馈信号由交流侧输出,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。该控制是通过控制PWM信号所对应的逆变器的开关状态实现的。即在换向过程中,当非换向电流未到达给定值时,PWM控制不起作用,当非换向电流超过设定值时,PWM控制开始起作用,并断所有开关器件,使电流值下降,直至再闭合被关断的开关器件,使其值上升。以此往复,即可实现非换向相电流的调节,直至换向完成。

重叠换向法:电流反馈法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。在高速段,抑制换向转矩脉动较成熟的方法是重叠换向法,即换向时,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导通。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。

PWM斩波法:PWM斩波法与交流侧电流反馈控制方法较类似。即开关器件在断开前、导通后进行一定频率的斩波,控制换向过程中绕组端电压,使得各换向电流上升和下降的速率相等,补偿总电流幅值的变化,抑制换向转矩脉动。该方法对电机高速段相电流换向引起的转矩脉动起到了很好的抑制作用。与重叠换向法相比,该方法具有更小的转矩脉动,适合于精度要求更高的场合。

2.4  电枢反应和机械加工引起的转矩脉动

 电枢反应对转矩脉动的影响主要有:(1)电枢反应对气隙磁场发生畸变,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,使电磁转矩随定、转子相对位置的变化而脉动。(2)在任一磁场状态内,相对静止的电枢反应磁场与一连续旋转的转子主磁场相互作用而产生的电磁转矩因转子位置的不同而变化,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测到足够饱和,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。机械加工因素引起的转矩脉动有:制造电机所用材料的不一致性、转子的偏心、各相绕组的不对称等。可通过选择高质量材料,提高工艺加工水平来减小由机械加工引起的转矩脉动。3  结  论

  本文论述了永磁无刷电机转矩脉动产生原因及其相应的抑制方法。永磁无刷直流电机调速系统的关键是对转矩的控制,怎样将转矩脉动控制在尽可能小的范围内?怎样在直接驱动的应用场合避免转矩脉动引起的电机速度控制特性恶化,进一步提高电机的转矩性能等等有许多问题值得深究与解决。上述消除转矩脉动的方法有些已被广泛应用,且取得了较满意的效果,但还尚有不足之处。

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