無刷直流電機基于電流預測控制的轉矩脈動抑制

呂德剛 張辰光 侯征東

摘 要：針對無刷直流電機轉矩脈動問題，提出了一種與換相重疊法相結合的電流預測控制方法來抑制換相轉矩脈動。在分析換相轉矩脈動產生的原因的基礎上，采用電流預測控制方法同ON_PWM導通方式相結合，對電機進行控制。在換相期間對關斷相和非換相相采用同步的PWM進行調制，確保在換相期間開通相的電流上升率和關斷相電流的下降率相同，從而使非換相相電流在換相期間平穩過度，進而減小轉矩脈動。在電流預測控制的基礎上，通過消除直流母線負續流，進一步抑制轉矩脈動。實驗表明，本文提出的方法可在中低速范圍內明顯的減小轉矩脈動，驗證了該控制策略的正確性;消除直流母線負續流，轉矩脈動得到進一步抑制。

關鍵詞：無刷直流電機;轉矩脈動;重疊換相;直流母線負續流;電流預測

Abstract：Aiming at the torque ripple problem of brushless DC motor， a current predictive control method combined with commutation overlap method is proposed to suppress the commutation torque ripple. Based on the analysis of the cause of the commutation torque ripple， the current prediction control method is combined with the ON_PWM conduction mode to control the motor. During the commutation phase， the off-phase and non-commutation phase are modulated by synchronous PWM， ensuring that the current rise rate of the turn-on phase during commutation was the same as the turn-off phase current drop rate. Thus the non-commutated phase current was smoothly over-transformed during commutation， which in turn reduces torque ripple. On the basis of the current prediction control， the torque ripple was further suppressed by eliminating the negative current of the DC bus. Experiments show that the proposed method can significantly reduce the torque ripple in full speed range， verify the correctness of the control strategy， eliminate the DC bus negative freewheeling， and further suppress the torque ripple.

Keywords：BLDCM; torque ripple; overlap commutation; DC bus negative freewheeling; current prediction

0 引 言

由于存在轉矩脈動，使得無刷直流電機很難應用于高精度高穩定性場合[1]，為了解決該問題，國內外學者做了大量的研究[2-5]。所以，如何減小電機換相時的轉矩脈動成為研究的熱點。

目前，在無刷直流電機轉矩脈動抑制方面，學術界已有很多研究成果[6-16]。文[6]通過對電機的換相時間進行控制，減慢換相期間電流的變化率，使開通相與關斷相電流變化率保持一致，從而達到抑制轉矩脈動的效果。但該方法需要明確電機運行于高速還是低速，再結合不同的控制策略，其實現過程比較復雜。文[7]采用PWM_ON_PWM的調制方式，雖然可以消除換相時非導通相上的續流，但對換相時間長短不能很好的確定。文[8-9]采用滯環控制方法來抑制非換相相電流在換相期間的脈動。但這種方法只解決了電機在高速運行下的轉矩脈動，低速時，抑制效果不理想。文[10-13]指出給直流母線加入DC-DC變換器，通過改變直流母線電壓的大小來平衡換相期間電流的變化，但這種方法受到DC-DC變換器響應速度的影響，且受電機參數影響較大，動態性能不理想。文[14]通過硬件電路檢測電流來判斷換相時刻，但這種方法用到了6個運放電路，成本很高。文[15]采用脈寬調制的方法，將每個脈寬分為三段調制，使電機換相時間可控，但其參數較多，計算量比較大。文[16]采用直接轉矩控制，將給定轉矩和反饋轉矩進行比較。但該方法對硬件電路要求比較高，需要同時采集每相電流，反電動勢和轉速，且容易受到外界因素干擾。

針對以上問題，本文提出了一種與換相重疊法相結合的電流預測控制策略。在換相期間，關斷相延遲一段時間關斷，這樣在換相期間就會有三個開關管同時導通，且關斷相和非換相相進行同步的PWM調制，其PWM占空比根據電流預測控制法得到。通過這種方法使電機的非換相相電流在換相期間保持恒定。同時，對該方法進一步優化，消除換相期間直流母線負續流，使轉矩脈動得到進一步抑制。最后，通過實驗驗證了該方法的有效性。

1 換相電流預測

1.1 換相電流預測控制分析

以電機運行于高速狀態下為例進行分析。AC換相到BC，A為關斷相，設其占空比為DA。由于電機采用ON_PWM調制，所以B為開通相，占空比為1，C為非換相相，且處于PWM（ON）狀態。在換相期間有：eA=eB=E，eC=-E，設相電流的幅值為i，|iC|=i。則有：

[7] 宋飛，周波，吳小婧. 抑制無刷直流電機換相轉矩脈動的新型補償策略[J]. 電工技術學報，2008， 23（11）：28.

SONG Fei，ZHOU Bo，WU Xiaojing. Novel Compensation Method to Suppress Commutation Torque Ripple for Brushless DC Motor[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2008，24（11）：28.

[8] LEE D H，AHN J W.A Current Ripple Reduction of a High-speed Miniature Brushless Direct Current Motor Using Instantaneous Voltage Control[J].Iet Electric Power Applications，2009，3（2）：85.

[9] 揭貴生，馬偉明.考慮換相時無刷直流電機脈寬調制方法研究[J].電工技術學報，2005，20（9）：66.

JIE Guisheng，MA Weiming.Research on the Pulse Width Modulation Methods of Brushless DC Motor Taking Consideration of Commutation[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2005，20（9）：66.

[10]NAM K Y，LEE W T，LEE C M，et al. Reducing Torque Ripple of Brushless DC Motor by Varying Input Voltage[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2006，42（4）：1307.

[11]SHI T，GUO Y，SONG P，et al. A New Approach of Minimizing Commutation Torque Ripple for Brushless DC Motor Based on DC-DC Converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010， 57（10）：3483.

[12]張曉峰，胡慶波，呂征宇. 基于BUCK變換器的無刷直流電機轉矩脈動抑制方法[J]. 電工技術學報，2005，20（9）：72.

ZHANG X. Torque Ripple Reduction in Brushless DC Motor Drives Using a Buck Converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2005，20（9）：72.

[13]陳基鋒，張曉峰，王斯然，等. 基于能量單元法的無刷直流電機導通區轉矩脈動[J]. 電工技術學報，2010，25（11）：36.

CHEN J.Conduction Torque Ripple in BLDCM Based on Energy Unit Method[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25（11）：36.

[14]LIN Y K，LAI Y S.Pulse-width Modulation Technique for BLDCM Drives to Reduce Commutation Torque Ripple Without Calculation of Commutation Time[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2012， 47（4）：1786.

[15]LIU Y，ZHU Z Q，HOWE D.Commutation-Torque-Ripple Minimization in Direct-Torque-Controlled PM Brushless DC Drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2007，43（4）：1012.

[16]李珍國，章松發，周生海，等.考慮轉矩脈動最小化的無刷直流電機直接轉矩控制系統[J].電工技術學報，2014，29（1）：139.

LI Zhenguo，ZHANG Songfa，ZHOU Shenghai，et al.Direct Torque Control of Brushless DC Motor Considering Torque Ripple Minimization[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（1）：139.

（編輯：溫澤宇）