直流無刷電機產生轉矩波動的原因

　　1、非理想反電動勢波形引起原理性電磁轉矩波動

　　從工作原理看正弦波驅動是一種高性能的控制方式，電流是連續的、三相正弦波交流電流與三相繞組中的三相正弦波反電動勢共同作用產生光滑平穩的電磁轉矩。理論上可獲得與轉角無關的均勻輸出轉矩，良好設計的系統可做到3%以下的低紋波轉矩。而方波驅動定子磁場是非連續、步進式旋轉，從電磁轉矩產生原理就決定了直流無刷電機轉矩波動比正弦波驅動要大許多。盡管在反電動勢為梯形波，平頂寬度120°電角度，定子電流為方波的理想情況下，不考慮換相過程時，產生的電磁轉矩將為恒值，理論上沒有轉矩波動。但在實際電機，由于設計和制造方面的原因，很難做到反電動勢為平頂寬度120°電角度的梯形波；實際上，大多數直流無刷電機的反電動勢波形都不可能是梯形波，而更接近于正弦波；這樣，電流波形也就必然偏離方波，這些非理想情況都會導致其電磁轉矩存在原理性波動。

　　2、換相引起的轉矩波動

　　直流無刷電機工作時，定子繞組按一定順序換相。即使在符合反電動勢為平頂寬度120°電角度梯形波，定子電流為方波的理想情況下，由于相繞組存在電感，在每兩個狀態之間存在一個換相時段，電樞繞組中的電流從某一相切換到另一相時有一個過渡過程，電流變化的滯后使換相期間產生的電磁轉矩存在明顯的波動，稱為換相轉矩波動。

　　3、齒槽效應引起的轉矩波動

　　當直流無刷電機定子鐵心有齒槽時，由于定子齒糟的存在，氣隙不均勻，使氣隙磁導不是常數。當轉子處于不同角度時，氣隙磁場就要發生變化，產生齒槽轉矩。齒槽轉矩與轉子位置有關，因而引起轉矩波動。齒槽轉矩是水磁電機的固有特性，在電機低速輕載運行時，齒槽轉矩將引起明顯的轉速波動，并產生振動和噪聲。因此，如何削弱齒槽轉矩是永磁電機設計中較為重要的目標之。

　　齒槽轉矩產生的原因與前述兩種引起轉矩波動的原因不同。前述兩種引起轉矩波動的原因均在于定子電流與轉子磁場的相互作用，而齒槽轉矩是由定子鐵心與轉子磁場相互作用產生的。消除齒槽效應最好的方法就是采用無槽電機結構。無槽電機的電樞繞組不管采用何種形式，它的厚度始終是實際氣隙的一部分，因此無槽電機的實際等效氣隙比有槽電機要大得多，所需要的勵磁磁動勢也要大許多，這在早期限制了無槽電機的容量和發展。近年來，隨著磁性材料的迅猛發展，特別是釹鐵硼等高磁能積稀土永磁材料的應用，為無槽電機的實用化創造了條件。采用無槽結構，因為同時具有超大氣隙，除了能徹底消除齒槽效應引起的轉矩波動外，還能大幅度削弱由于電樞反應和機械偏心而產生的轉矩波動。

　　4、電樞反應引起的轉矩波動

　　電樞磁動勢對氣隙永磁主磁場的影響，稱為電樞反應。直流無刷電機的電樞反應比較復雜。電樞反應磁動勢會使氣隙主磁場波形發生畸變，氣隙主磁場的磁通密度不再是空載時的方波，反電動勢也隨之畸變，從而引起轉矩波動。現代直流無刷電機大多采用高性能的稀土永磁材料，若采用瓦片形表面貼裝式，則電樞反應對氣隙主磁場的影響比較微弱。這是因為電樞反應磁路要經過氣隙和永磁體，永磁材料的磁導率與空氣的磁導率是非常接近的，這就使電樞反應磁路的磁阻很大，交軸電樞反應的磁通很小，其對氣隙主磁場的影響可以忽略不計。但是對于內置式轉子結構，電樞反應的影響則不能夠忽略。

　　5、電機機械加工缺陷和材料不一致引起的轉矩波動

　　機械加工缺陷和材料的不一致也是引起直流無刷電機轉矩波動的重要原因之一。例如電機機械加工及裝配時產生的尺寸和形位偏差，定子沖片各槽分布不均勻，定子內、外圓偏心，定、轉子同軸度偏差等產生的單邊磁拉力；軸承系統的摩擦轉矩不均勻；轉子位置傳感器定位不準導致的轉矩波動；各相繞組參數不對稱及電子元器件性能參數的差異而導致的轉矩波動；磁路中各零件材料特別是每個磁極永磁體性能不一致而產生的轉矩波動等。因此，提高加工制造水平也是減少轉矩波動的重要措施。

　　抑制直流無刷電機轉矩波動的方法

　　（1）優化電機設計法

　　直流無刷電機的磁極形狀、極弧寬度、極弧邊緣形狀對輸出電磁轉矩都有很大的影響。通過選擇合理的電機磁極形狀或極弧寬度，以及定子繞組的優化設計，使反電動勢波形盡可能接近理想波形，來降低電磁轉矩波動。例如，對表面粘貼式磁鋼結構的電機。常采用向充磁而使氣隙磁通密度更接近方波。又如，為了增加無刷直流電機反電動勢的平頂寬度，可采用整距集中繞組（q=1）等方法。

　　通過電機優化設計可以適當降低電磁轉矩波動，但由于電機繞組的電感存在，即使電機采用恒流源供電，在換流過程中電流不能突變，流入定子繞組的電流波形還不可能是方波。另外，對于實際電機，氣隙磁場很難保持理想的方波分布，繞組感應電動勢波形更難以達到理想的梯形波，這樣就無法實現完全從電機設計上消除電磁轉矩波動。因此，只能通過控制手段來抑制轉矩波動。

　　（2）最佳電流法

　　一種解決方法就是采用控制方法尋找最佳的定子電流波形來消除轉矩波動。同時，這種最佳電流法也能消除齒槽轉矩波動。但是，最佳電流法需要對反電動勢進行精確測定，而反電動勢的實時檢測比較困難。目前較多采用的方法是對反電動勢離線測量，然后計算出最優電流進行控制。因為事先需要離線測量，所以其可行性就大大降低。

　　（3）最佳開通角法

　　采用最佳開通角的方法抑制電磁轉矩波動，即先推導出轉矩波動與開通角之間的函數關系式，再求取電流最優開通角，使電流波形和感應電動勢波形的配合適當，從而達到削弱轉矩波動的目的。

　　（4）諧波消去法

　　諧波消去法是通過控制電流的諧波成分來消除轉矩波動的方法。直流無刷電機系統中電流或反電動勢含有諧波成分時，根據測得的或計算得的各次轉矩諧波成分，即可求解出最佳電流波形的各次諧波，繼而得到最佳電流波形，以此作為相電流參考信號，以消除反電動勢諧波產生的轉矩波動。根據電磁轉矩波動是由相電流和反電動勢相互作用的原理，適當選取電流諧波成分（5次、7次），消除了六次、十二次諧波轉矩（諧波轉矩中主要部分）。仿真和實驗結果表明，諧波消去法的作用是有限的，只可以把轉矩波動消除到某一程度。確定最佳諧波電流的難度是很大的，這也使得諧波消去法的應用受到了限制。

　　（5）轉矩反饋法

　　諧波消去法是一種開環控制方法，當存在繞組阻抗不對稱和所測電流有誤差等干擾時，控制精度將會受到影響。為了克服開環控制方法的缺點，人們提出了從反饋角度考慮抑制轉矩波動的方法，即以轉矩為控制對象，進行閉環控制。轉矩反饋法的基本原理是根據位置和電流信號通過轉矩觀測器得到轉矩反饋信號，再通過轉矩控制器控制直流無刷電機的主電路，實現對轉矩的實時控制，從而消除轉矩波動。但是，轉矩反饋法結構較為繁雜，需預先確定電機參數，且算法復雜，實現起來比較困難。

　　（6）簡易正弦波電流驅動

　　直流無刷電機的反電動勢波形一般為梯形波，但在實際應用中，為了消除齒槽轉矩，常采用斜槽、分數槽、合理設計磁極形狀和充磁方向等措施，這些措施往往使得電機的反電動勢波形更接近正弦波。對于這類電機，采用正弦波電流驅動比采用120°導通型三相六狀態方波驅動更有利于減小轉矩脈動。但是傳統的正弦波驅動的電流控制方法，不僅控制算法復雜，而且大都需要高分辨率的位置傳感器，這就導致體積和成本都大大増加，在一些特殊的場合無法使用。針對反電動勢波形接近正弦的直流無刷電機，提出一種基于六個離散位置信號的自同步SVPWM控制方法。實驗結果表明，此方法與傳統的120°導通控制方式相比，可以在不損失平均電磁轉矩的條件下，有效地抑制電磁轉矩波動。