当转矩较大时,无刷直流电动机的机械特性(直流无刷电机转速不稳定)

1.DC无刷电机转矩波动的原因

1.非理想反电动势波形引起主电磁转矩波动。

从工作原理来说，正弦波驱动是一种高性能的控制方式。电流是连续的，三相正弦波交流电和三相绕组中的三相正弦波反电动势共同作用，产生平滑稳定的电磁转矩。理论上可以获得与旋转角度无关的均匀输出转矩，设计良好的系统可以实现3%以下的低纹波转矩。而方波驱动的定子磁场是不连续的，是逐步旋转的。从电磁转矩产生的原理来看，DC无刷电机的转矩波动比正弦波驱动的要大得多。虽然反电动势为梯形波，平顶宽度为120电角度，定子电流为方波，但在不考虑换相过程的情况下，产生的电磁转矩将是恒定的，理论上不存在转矩波动。但在实际电机中，由于设计和制造的原因，很难实现120电角度平顶宽的梯形波。事实上，大多数DC无刷电机的反电动势波形不是梯形，而是更接近正弦波。这样电流波形必然会偏离方波，这些非理想情况会导致其电磁转矩的原理波动。

2.换相引起的转矩波动

无刷DC电机工作时，定子绕组按一定顺序换向。即使在反电动势为平顶宽度为120的梯形波、定子电流为方波的理想情况下，由于相绕组中的电感，每两个状态之间也存在一个换向周期。当电枢绕组中的电流从一相切换到另一相时，有一个过渡过程。电流变化的滞后性使得换相时产生的电磁转矩明显波动，称为换相转矩波动。

3.齿槽效应引起的转矩波动。

DC无刷电机定子铁心有齿槽时，由于定子齿槽的存在，气隙不均匀，使得气隙磁导率不恒定。当转子处于不同角度时，气隙磁场会发生变化，从而产生齿槽转矩。齿槽转矩与转子位置有关，从而引起转矩波动。齿槽转矩是液磁电机的固有特性。当电机低速轻载运行时，齿槽转矩会引起明显的速度波动，产生振动和噪声。因此，如何降低齿槽转矩是永磁电机设计中比较重要的目标之一。

齿槽转矩的原因不同于上述两种转矩波动的原因。转矩波动的上述两个原因是定子电流和转子磁场的相互作用，而齿槽转矩是由定子铁心和转子磁场的相互作用产生的。消除齿槽效应的最好方法是采用无槽电机结构。无论采用何种形式，无槽电机电枢绕组的厚度始终是实际气隙的一部分，因此无槽电机的实际等效气隙比有槽电机大得多，所需励磁磁动势也大得多，这就限制了无槽电机早期的容量和发展。近年来，随着磁性材料的迅速发展，特别是钕铁硼等高磁能产品稀土永磁体的应用，为无槽电机的实用化创造了条件。采用无槽结构，齿槽效应引起的转矩波动可以完全消除，电枢反应和机械偏心引起的转矩波动可以大大减弱，因为超级气隙。

4.电枢反应引起的转矩波动

电枢磁动势对气隙永磁体主磁场的影响称为电枢反应。无刷DC电机的电枢反应很复杂。电枢反应磁动势会使气隙主磁场的波形发生畸变，空载时气隙主磁场的磁通密度不再是方波，反电动势也会发生畸变，从而引起转矩波动。大多数现代无刷DC电机由高性能稀土永磁体制成。如果采用瓦形表面贴装型，电枢反应对气隙主磁场的影响较弱。这是因为电枢反应磁

5.电机加工缺陷和材料不一致引起的扭矩波动。

加工缺陷和材料不一致也是DC无刷电机转矩波动的重要原因之一。比如电机在加工和装配时的尺寸和形状偏差，定子冲片的槽分布不均匀，定子内外圆偏心，定转子同轴度偏差等。轴承系统的摩擦力矩不均匀；转子位置传感器定位不准导致的转矩波动；各相绕组参数不对称和电子元件性能参数差异引起的转矩波动；磁路中各部分材料性能不一致引起的转矩波动，特别是各磁极的永磁体等。因此，提高制造水平也是减少转矩波动的重要措施。

第二，抑制DC无刷电机转矩波动的方法

(1)电机设计方法的优化

无刷DC电机的极形状、极弧宽度和极弧边缘对输出电磁转矩有很大影响。通过选择合理的电机极形或极弧宽度，优化定子绕组设计，使反电动势波形尽可能接近理想波形，从而降低电磁转矩波动。比如表面贴装磁钢结构的电机。采用法向磁化，使气隙磁通密度更接近方波。再比如，为了增加无刷DC电机反电动势的平顶宽度，可以采用全程集中绕组(q=1)等方法。

通过电机的优化设计，可以适当减小电磁转矩波动。但由于电机绕组的电感，即使电机采用恒流源供电，换向过程中电流也不可能突然变化，流入定子绕组的电流波形也不可能是方波。此外，对于实际电机来说，气隙磁场很难保持理想的方波分布，绕组感应电动势波形更难达到理想的梯形波，因此在电机设计中无法完全消除电磁转矩波动。因此，只能通过控制来抑制转矩波动。

(2)最优电流法

一种解决方案是使用控制方法找到最佳定子电流波形来消除转矩波动。同时，这种最优电流方法还可以消除齿槽转矩波动。但是，最优电流法需要精确测量反电动势，反电动势的实时测量比较困难。目前常用的方法是离线测量反电动势，然后计算出最优电流进行控制。由于事先需要离线测量，其可行性大大降低。

(3)最佳张角法

采用最佳开度角的方法来抑制电磁转矩波动，即先推导出转矩波动与开度角的函数关系，然后得出电流的最佳开度角，使电流波形与感应电动势波形适当匹配，从而达到削弱转矩波动的目的。

(4)谐波消除法

消谐法是通过控制电流的谐波分量来消除转矩波动的方法。当无刷电机系统中的电流或反电动势含有谐波分量时，根据测量或计算的转矩谐波分量，可以求出最优电流波形的谐波，进而得到最优电流波形，作为相电流参考信号，消除反电动势谐波引起的转矩波动。根据电磁转矩波动是相电流和反电动势相互作用的原理，适当选取电流的谐波分量(5次和7次)，消除6次和12次谐波转矩(谐波转矩的主要部分)。仿真和实验结果表明，谐波消除法只能在一定程度上消除转矩波动。最优谐波电流的确定非常困难，限制了消谐方法的应用。

(5)转矩反馈法

谐波消除法是一种开环控制方法。当存在绕组阻抗不对称、测量电流误差等扰动时，控制精度会受到影响。为了克服开环控制方法的缺点，人们从反馈的角度提出了抑制转矩波动的方法，即以转矩为控制对象，进行闭环控制。转矩反馈法的基本原理是根据位置和电流信号，通过转矩观测器得到转矩反馈信号，然后通过转矩控制器控制无刷DC电机的主电路，实现对转矩的实时控制，从而消除转矩波动。但是，转矩反馈法结构复杂，需要预先确定电机参数，算法复杂，难以实现。

(6)简单的正弦波电流驱动

无刷DC电机的反电动势波形一般为梯形，但在实际应用中，为了消除齿槽转矩，往往采用一些措施，如斜槽、分数槽、合理设计磁极形状和充磁方向等。这些措施往往使电机的反电动势波形更接近正弦波。对于这类电机，采用正弦波电流驱动比采用120导通三相六态方波驱动更有利于减小转矩脉动。然而，传统的正弦波驱动的电流控制方式不仅控制算法复杂，而且大多需要高分辨率的位置传感器，导致体积和成本大幅增加，无法用于一些特殊场合。针对反电势波形接近正弦的无刷DC电机，提出了一种基于六个离散位置信号的自同步SVPWM控制方法。实验结果表明，与传统的120导通控制方法相比，该方法能够在不损失平均电磁转矩的情况下，有效抑制电磁转矩波动。