无刷直流电机低速转矩脉动抑制控制方法

无刷直流电机低速转矩脉动抑制控制方法

陶方方

广东省佛山市528000

摘要：无刷直流电机具有性能优良、结构简单、操作便捷、使用效率高等优势，在工业生产、制造领域得到了广泛应用，但应用中由于成本控制等原因往往采取无位置传感器控制方法，极易出现较为明显的脉动转矩问题。基于此，文章从无刷直流电机低速转矩脉动产生原因入手，重点分析有效抑制低速转矩脉动的方法，确保无刷直流电机的高效运作，并为后续的工程建设作业提供有效参考。

关键词：无刷直流电机；低速转矩脉动抑制；控制方法

引言：无刷直流电机结合了交流及直流电机的优点，被广泛应用于计算机办公设备、工业控制、医疗卫生、汽车家电等多个领域，但由于其本身极易受到结构限制，出现低速转矩脉动问题，影响使用效果，因此，相关技术人员需尽量提高重视，有效抑制噪声、抖动等转矩脉动问题，从而延长电机使用寿命，满足实际使用需求。

一、低速转矩脉动产生原因

在无刷直流电机低速运行的过程中，由于输入的电流强度逐渐减小，将使得定转子的感应磁场强度随之下降，对于定转子的吸引力逐渐减弱，进而拉长磁场力矩，降低拖动力，不定子磁场与转子磁场不匹配，将发生脱节、失步等问题，最终导致转子转速降低，产生低速转矩脉动。具体可分为以下几点原因。

（一）齿槽转矩脉动

齿槽转矩实际上就是绕组构件在断电时，转子永磁体及定子齿之间产生的切向分量，具有周期性波动的特点。在低速运行的情况下，齿槽转矩将使得电机出现噪声、振动等问题，影响电机正常运行。从实际情况来看，无刷直流电机主要以梯形波的方式为电枢绕组提供反电动势，进而形成方波电流，但受到波形影响，在此过程中将出现电磁转矩波动问题[1]。

（二）换相转矩脉动

换相转矩脉动产生于无刷直流电机在导通状态下发生换相动作的过程中。电机绕组实际上属于感性负载元件的一种，在换相时，导通及关断电流将出现续流情况，导致电流的变化速率不同。无刷直流电机采用了电子换相的方式确保电机平稳工作，但需注意保证其换相信号的精确性。通过观察可知，通电线圈的状态会随换相动作发生改变，但其原有的互感及电感将阻碍电流变化，造成力矩异变，实际脉动值高于标准值的50%，极大降低了无刷直流电机的工作精确性[2]。

（三）电流测量误差

在测量电流信号时，受到运算放大器、检测电阻、传感器等因素的影响，将使得电流的测量值与标准值之间存在极大误差，进而出现增益失配及直流偏置误差问题。其中，若是传感器的增益出现偏差，将使得其转矩发生频率振荡问题，进而引发增益失配现象。若是出现运算放大器零漂电压、霍尔传感器正负电压失衡等问题将导致直流偏置发生误差，代表了标准电压及偏置电压值间的偏差[3]。

二、低速换相转矩脉动的抑制方法

（一）齿槽转矩脉动处理法

为有效处理齿槽转矩脉动问题，当前较为常见的解决方法包含分数槽法、无齿槽绕组法、斜槽法、闭口槽法四种，技术人员可依据实际需要灵活原则不同的处理方式，并引进最优电流进行控制，利用输入反向谐波电流的方法对原有的畸变电流进行补偿，进而起到降低转矩脉动的作用，也可利用相反电动势及定子电流结合的方法保证电机的稳定运行，或将转矩充当反馈量，利用滞环控制转矩，使其起到抑制脉动的作用，确保无刷直流电机的稳定运行。

（二）重叠换相法

重叠换相法主要包含延迟换相及超前换相两种形式，可通过电流补偿的方式抑制转矩脉动。先应明确重叠时间及角度，为提高精确性，可在原有电机结构上设计定频采样电流调节模块，使得电流可自动依据换相时间进行调整，如图1。但需注意，该方式对于电机开关及芯片的要求较高。使用重叠换相法虽然可平衡关断相及导通相的斜率，但其具有较大局限性，由此，相关技术人员可设计绕组电阻模型，以获取较为精确的换相时间[4]。

图 1 重叠换相区间的确定

（三）电流预测法

从实际情况来看，低速换相期间产生的非换相电流会逐渐增大，导致无刷直流电机的换相转矩也随之增加，但在高速状态下将出现相反情况。由此进行分析可知，电机的实际运行状态不同，其电流预测方式也会发生相应改变，此时就需要重新制定控制规则。但考虑该方式无需区分电机高速或低速的运行状态，因此控制方式较为简单，相关技术人员参考以上工作原理创新了重叠换相法+电流预测法的形式，可通过调制非换相及关断相脉冲宽度，使得二者具有相同的占空比，并由此判断下一阶段的非换相电流大小。该方式使用简单且对芯片的性能要求不高，具有极强的使用优势。具体控制框图如图2[5]。

图 2 电流预测控制框图

（四）滞环控制法

滞环控制法实际上就是通过比较标准值与滞环比较电路中的电流采样值调整开关状态的。电机在低速运行状态下的导通相电流上升速率较快，为保证其与换相电流的斜率数值相等，可利用滞环控制法限制电流变化速度，进而达到抑制转矩脉动的目的。

（五）直接转矩控制法

使用直接转矩控制法实际上就是利用直接控制电机转矩的方式将其限制在标准工作范围内，可通过收集采样定子的电流及电压值设计相应的坐标系，并由此针对磁链及转矩的数值进行估算，再将该数值与标准值进行差值计算，并带入滞环比较器中，获取相应的脉冲触发信号，最后选取合理的电压空间矢量，有效解决转矩脉动问题

[6]。

结论：综上而言，当前科学技术的发展，使得结合了直流及感应电机优势的无刷直流电机得到了广泛的应用，但考虑到该电机在低速运行状态下其转矩脉动较大，不满足精细化发展要求，使得电机的实际使用成效有限。为进一步优化以上问题，相关技术人员可利用齿槽转矩脉动处理法、电流预测法、滞环控制法、重叠换相法、直接转矩控制法等多种形式，有效解决电机低速转矩不平滑、反应不灵敏等问题，减少电机运行期间抖动频率，控制好低速转矩脉动，进一步增强电机使用性能。

参考文献：

[1]曹伟,胡敏强,杨建飞,等.基于零矢量的无刷直流电机直接转矩控制转矩脉动抑制方法研究[J].南京师范大学学报(工程技术版),2018,18(02):1-8.

[2]王培侠,姜卫东,王金平,等.基于电流滞环控制的无刷直流电机多状态换相转矩脉动抑制方法[J].电工技术学报,2018,33(22):5261-5272.

[3]朱兵,董艮滔,何昱煜,等.基于电流控制的无刷直流电机换相转矩脉动抑制策略[J].工业控制计算机,2020,33(08):135-136.

[4]李自成,孔庆尧,曾丽.基于有限状态模型预测控制的无刷直流电机转矩脉动抑制方法[J].微电机,2020,53(04):60-65+76.

[5]祝仰明.无速度传感器感应电机无差拍直接转矩控制极低速运行研究[D].哈尔滨工业大学,2022.

[6]钱忠.无速度传感器感应电机直接转矩控制技术研究[D].华中科技大学,2022.