无刷直流电机的设计及优化

无刷直流电机的设计及优化

陈旭东  ,侯言孟

杭州精导智能科技有限公司  浙江杭州 311101

摘要：反电势法检测是目前无刷直流电机无位置传感器控制运用最为成熟的方法，转速变化时换向误差角度与反电势过零时间间隔关系调整了过零点的延时，实时补偿了换向误差。但由于单相无刷直流电机在运行时无不通电绕组，无法直接测得反电势，采用基于相电流分时复用的方法来实现对转子位置的检测，需提前关断功率开关管，使相电流归零并持续一段时间，容易使得电机电磁转矩产生波动，降低电机性能。有学者采用磁链观测法，通过电压电流积分补偿得到磁链估计转子位置，要求主控芯片不断计算当前磁链并进行查表，占用芯片大量的计算内存，且该方法本身易受电机参数变化的影响。结合了改进I/f与磁链观测法，实现了全速域稳定控制，为本文的研究提供了思路。本文主要分析无刷直流电机的设计及优化。

关键词：无刷直流电机；电磁设计；有限元仿真；齿槽转矩

引言

无刷直流电机凭借其运行效率高、调速性能好等优点，广泛应用于电动汽车、民用家电、军事行业等领域。一方面，单相无刷直流电机由于定子绕组数的减小，控制电路的功率器件数量也大大减小，且本体结构的简化，使得控制系统的成本大大降低，在风机、泵类应用场合占据着绝对优势。另一方面，无位置传感器控制技术可以克服位置传感器在体积结构、成本、温度、可靠性等方面带来的限制，满足小型单相无刷直流风机的技术特点，并实现系统效率优化。因此近年来，无位置传感器控制技术已经成为了单相无刷直流电机控制系统的研究热点。

1、电机优化理论基础及其控制策略

电机的振动与噪音是电机的一个极其重要的性能参数，也是非常复杂的一项研究内容，而振动是电机噪音的根源，因此，研究电机的振动产生机理是对电机振动、噪音优化研究的基础。电机产生振动的因素有很多，总结归纳有：转子动、静不平衡产生的振动；受电机磁场影响，产生径、轴向力、径向不平衡力、转矩波动导致的振动；电机的其他机械装置如轴承引起的振动等。其中，对电机磁路进行优化，改善转矩脉动是改善电机振动与噪音的一个重要方法，而齿槽力矩和电磁转矩波动是导致无刷直流电机的转矩脉动的两个重要力矩参数。齿槽力矩，在无刷直流电机中，是由转子的永磁体与定子齿之间的相互吸引产生，是转子永磁体尝试与定子齿保持在一条线上而产生的圆周方向的吸引力。而电磁转矩波动（下文简称转矩波动）的产生与电机的相反电动势波形和电机的控制方法有关，无刷直流电机根据设计的不同，其相反电动势波形通常可分为梯形波与正弦波，而其常用的控制策略亦主要分为方波驱动与正弦波驱动。因有刷直流电机换相磨损、电火花等问题，永磁无刷直流电机应运而生。用永磁体取代有刷直流电机的励磁绕组，转子在永磁体形成的磁场中旋转形成旋转磁场。通过由功率开关管等电子元器件组成的电子换向器的作用，定子磁动势与转子磁动势做通向旋转，从而使得转子受力始终保持相同的方向和大小。

2、控制系统硬件设计

在实际应用中应提供人机接口，实现电机正反转、起停、速度和圈数的设定。为此设计基于‘ARM+DSP’双控制器为核心搭建的硬件平台。ARM负责控制系统的通信和人机交互，ＤＳＰ负责控制系统的核心控制功能。两控制器相对独立，交换数据量小，能都独立完成各自主要任务，控制器间的通信通过CAN总线实现，控制系统具有较高的实时性，能够提供充足的冗余备份电路。DSP控制器为无刷直流电机变换电路提供PWM控制信号；A／D实现电压、电流和温度等模拟量信号的采样；CAP用于接收电机霍尔信号。ARM用于控制与上位机和触摸屏通信，通过PWM信号控制磁粉制动器，I／O用于对开关量的监测和控制。

2.1‘ARM+DSP’通信模块

ARM与DSP通信模块通过CAN即控制局域网络实现，CAN是一种支持分布式实时控制的串口通信网络。CAN总线由CAN＿H和CAN＿L两条信号线组成，其通信速率最高达1MB／S，通信距离最远可达10KM，具有点对点、一点对多点和全局广播等多种传播方式，采用CRC校验，数据通信可靠性强。为实现控制器与CAN总线之间信号的正常收发，需在控制器与总线间接入总线驱动器。总线驱动器分为高速CAN总线驱动器和容错CAN总线驱动器，系统采用高速CAN总线驱动器PCA82C250T。电路中引入光耦6N137，实现电—光—电转换，信号相互隔离、单向传输，保证电路具有良好的电绝缘和抗干扰，提高控制器间的工作可靠性。同时由于光耦输入端是电流型的低阻元件，具有良好的共模抑制能力。

2.2电机电磁转矩（正弦波驱动）

正弦波驱动为电流源控制，假定电机的相反电动势波形为理想的正弦波（忽略电感影响以简化计算），通过控制电机相电流为正弦且与其相对应的相反电动势同相，国内已有研究人员针对方波驱动与正弦波驱动的转矩波动进行了研究，其分析对象为一相反电动势波形既不是标准方波也不是标准正弦波的电机，通过对两种驱动模式下电机的转矩波动对比，结果表明方波驱动的电磁转矩要大于正弦波驱动的电磁转矩，但电磁转矩脉动也更高。一般正弦波驱动的驱动控制较方波驱动控制更为复杂，且成本更高。近年来，FOC的控制策略逐步成熟，FOC技术将正弦波通过CLARK及PARK变换，分解为两个直流波，使得正弦波驱动类似如方波驱动，简化了正弦波驱动技术，因此，在技术与成本上，FOC优势逐步明显。相对于获得120°恒定相反电动势平顶波，获得接近于正弦波的相反电动势波形的方法是更多的，而通过优化电机气隙长度大小来获得正弦波相反电动势波形是其中的一种方式。下面分析相反电动势的产生机理。

3、电机气隙优化

电机气隙经过优化后，可以获得较为理想的相反电动势正弦波形及较低的齿槽力矩。MAXWELL模拟分析的结果虽然在一定程度上与样机的实测数据存在偏差，但从整体角度看，其结果是基本一致的，验证了通过对气隙的优化，有效地消除了高阶次谐波对整个电机运行产生的转矩波动的影响。通过本文的分析，我们有如下结论：（１）优化电机气隙后，受气隙磁阻的影响，电机的气隙磁密更接近正弦分布。（２）优化气隙电机的相反电动势波形接近于正弦波分布，有效消除了高阶次谐波的存在，同时，电机的输入功率有所上升。（３）在采用FOC的驱动条件下，优化气隙电机的相电流波形与其相反电动势波形相对应，均接近于正弦波分布，因而获得较小的转矩波动，电机运行更加平稳，电机振动得到较好的优化，这符合本文在第一节所分析的正弦波控制理论式（７）中的理想要求。同时也可以看出，电机相反电动势对电机FOC-控制的相电流产生重要影响，非理想正弦波的相反电动势使电机同样无法获得理想的正弦相电流波形。由此可见，获得理想正弦波相反电动势波形是获得正弦波控制策略中理想状态的先决条件。（４）优化气隙电机受齿槽的影响得到了有效的削弱，电机齿槽力矩得到较好的改善，电机的转矩脉动与电磁损耗相应得到优化。

结束语

低速大扭矩永磁无刷直流电机正成为农业机械的应用趋势，针对低速大扭矩永磁无刷直流电机进行了模型构建，借鉴高速永磁无刷直流电机的控制策略，搭建仿真模型，对比直接转矩控制和矢量控制两种策略在低速大扭矩永磁无刷直流电机控制中的效果，通过仿真结果，应证了矢量控制策略在低速大扭矩同步电机的控制中同样可以取得较好的控制效果。

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