無刷直流電機轉矩脈動抑制方法研究綜述

梁 超，段富海※，鄧君毅，段雨男

（1.大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116023；2.航空工業蘭州萬里航空機電有限責任公司，蘭州 730070）

0 引言

無刷直流電機(Brushless DC Motor，BLDCM)是一種轉子為永磁體，帶轉子位置信號，通過電子換向控制的電機。采用電子換向取代傳統有刷直流電機的機械換向，減少硬件電路，避免產生危害電機本體的火花，增加使用壽命，提高電機可靠性；采用新型永磁材料作為轉子，極大地減小電機的體積和重量，簡化結構，同時避免了使用勵磁繞組的鐵損和銅損。此外，高能量密度、大輸出轉矩等優點，使得無刷直流電機在航空、航天、汽車等多領域廣泛應用[1-4]。

由于結構、制造工藝和控制方式等原因，無刷直流電機在工作時不可避免會產生轉矩脈動，從而導致電機振動并產生噪聲，嚴重限制其在高精度轉矩控制領域的應用[5]。針對無刷直流電機在工作時存在的轉矩脈動問題，分析了轉矩脈動產生原因，綜述了通過控制電流、控制轉矩、增加拓撲結構等方法抑制轉矩脈動的研究現狀。

1 轉矩脈動產生原因

引起轉矩脈動的原因有以下3個。

（1）齒槽效應。定子齒槽導致無刷直流電機的氣隙磁場畸變，從而導致電機工作時產生齒槽轉矩脈動。

（2）非理想反電動勢。由于加工工藝的差別以及電樞反應的存在，感應電動勢不可能是理想梯形波，從而使得感應電動勢與相電流不匹配，導致轉矩脈動。

（3）繞組換相。由于電機繞組電感的存在和逆變器的恒定電壓，電機在換相時會出現開通相與關斷相電流變化率不等的現象，從而導致轉矩脈動。

目前主要通過優化電機磁極結構，達到抑制齒槽轉矩脈動的目的[6-7]。對于制造精良的無刷直流電機，齒槽轉矩脈動和非理想反電動勢導致的轉矩脈動較小，而換相轉矩脈動卻可能達到平均轉矩的50%，因此將非理想反電動勢考慮在內，以最大程度減小轉矩脈動為目的[8]，研究抑制換相轉矩脈動方法迫在眉睫。

2 電流控制法

由于電流開通相與關斷相電流變化率不等，導致換相轉矩脈動，可通過對電流進行控制，保證非換相電流值恒定，從而達到轉矩恒定的目的。常見方法有PWM法、重疊換相法和電流預測法。

PWM法通過斬波控制換相過程中的電壓幅值，使得關斷相電流的變化速率與開啟相電流的變化速率相同。根據導通相的調制區間和控制的逆變器橋臂不同，可將其分為PWM_ON_PWM、 ON_PWM、 PWM_ON、 H_PWM_L_ON、H_ON_L_PWM。受到調制方式和占空比的影響，轉矩脈動不斷變化，因此要實現在全速范圍盡可能地降低轉矩脈動，需要采用不同占空比的電壓調制方式實現轉矩脈動最小化[9]，并且由于電感的存在，PWM調制會使非導通繞組相電流進行續流，使得反電動勢不再是理想的梯形，從而導致轉矩脈動。LIU 等[10]提出一種新的區域相關PWM 方法，將正常工作60°區域分成2個30°子區域，并且對前后2個子區域，采用合適的PWM調制方式，抑制轉矩脈動。LI等[11]提出動態調節斬波占空比，拓寬了PWM法應用范圍。

重疊換相法通過延遲關斷相的關斷時間或者提前開通相的打開時間，使得非換相的電流基本保持不變，從而抑制轉矩脈動。王大方等[12]通過理論推導，得出在不同的負載和轉速下相電流信號與提前換相時間之間的關系，并且在換相過程對三相電壓同時進行PWM調制來提高其調節精度，從而抑制換相轉矩脈動。

PWM法存在占空比無法精確計算，重疊換相法難以精確計算出重疊時間，因此PWM法和重疊換相法會出現過補償或者補償不足的情況，不能達到理想的轉矩脈動抑制目標。

電流預測法通過采集當前的電流值，并據此對下一周期的電流值進行估算，從而調節施加電壓占空比，使轉矩輸出值保持不變。王曉遠等[13]將電流預測控制與PWM_ON 法相結合，以速度控制器輸出的電流為參考電流，將測量得到的負載電流與之比較，從而計算出開通相和關斷相的占空比，實現電流控制。圖1所示為電流預測控制策略框圖。然而該方法并沒有考慮外界擾動帶來的電壓變化。CHENG等[14]在建立預測模型和反饋控制的基礎上，增加了實時優化環節，以避免外界擾動對預測模型的影響，從而達到通過控制換相電流保持在穩定狀態，以實現轉矩脈動抑制。

圖1 電流預測控制策略框圖

3 拓撲結構法

為實現開通相和關斷相電流變化率相等，抑制轉矩脈動，除上述提到的對電流控制外，還可通過調節直流母線電壓實現。當直流母線電壓是相反電勢峰值的4倍時，開通相和關斷相的電流變化率近似相等，可基本消除換相轉矩脈動。改變母線電壓一般通過改變硬件拓撲結構以實現電壓補償。

JUN 等[15]將CUK 變換器與逆變器電路相結合，如圖2 所示。通過PWM 斬波調節開關管，調節占空比實現母線電壓升降，達到低速時降低直流母線電壓并在高速時增加，實現在全速范圍內抑制轉矩脈動。因使用PWM 法調節電壓，必然存在PWM 調制時存在的過補償或欠補償情況。KAMALAPATHI 等[16]使用基于功率校正因數的集成CUK變換器，并將MFO算法從輸入電壓信號中收集數據集，將分離的數據集被發送到模糊邏輯控制器，從而調節功率因數，實現實時調節母線電壓。

圖2 基于CUK 變換器的BLDCM驅動系統

SHI 等[17]將單端初級電感變換器（SEPIC）用于無刷直流電機驅動系統，實現直流母線電壓的調節，如圖3 所示，并通過開關選擇器根據速度對直流母線電壓進行調節。在每個整流開始時，S2關閉，S3 打開；SEPIC 停止調整，輸出電壓保持恒定；一旦換相結束，S2 接通，S3 斷開，SEPIC 再次開始調節，其輸出電壓將在下一次換相前達到期望值。VISWANATHAN 等[18]在對SPEIC 進行改進的基礎上，將其與三級DCLMI 相結合，改進后驅動電路具有更高的靜態增益和更小的開關電壓應力。由于慣性原因，SEPIC響應速度不夠快，當速度變化較大時，需要一定的時間才能到達穩態。

圖3 基于SEPIC的BLDCM驅動系統

CAO 等[19]通過在直流電源和逆變器之間插入獨特的X型變換器實現換相轉矩脈動抑制策略，如圖4 所示。根據前端和后端MOSFET 的切換狀態，構造了4 種切換矢量。在此基礎上分析了換相矢量組合對換相轉矩脈動抑制和電機調速的影響。該方法通過在換相期間采用統一的換相矢量，可有效地抑制整個換相速度范圍內的換相轉矩脈動，而不需要根據速度范圍切換控制策略。此外，通過設計換相和正常導通期間的換相矢量的持續時間和順序，可避免逆變器橋臂上開關器件承受較大電壓應力。

LI 等[20]基于Z 源變換器降壓—升壓能力，引入擊穿矢量來調節直流母線電壓，通過在正常導通和換相過程中采用相同的調制方式，并調節擊穿矢量和有源矢量占空比，可消除換相轉矩脈動。圖5 所示為基于Z 源變換器的無刷直流電機驅動系統。

圖4 基于X型變換器的BLDCM驅動系統

圖5 基于Z源變換器BLDCM驅動電路

JIANG 等[21]提出一種無電感升壓前端變換器（NIBFE），即使用1 個二極管、1 個MOSFET 和1 個電容實現母線電壓的調節，如圖6所示。該策略在保證非換相周期內的正常速度調節的前提下，通過適當選擇開關矢量來提升直流母線電容器電壓。該方法結構簡單，可節省空間并降低成本，但不能實現寬速度范圍內的轉矩脈動抑制。

圖6 基于NIBFE的BLDCM驅動系統

4 直接轉矩控制法

相較于電流控制法和拓撲結構法，直接轉矩控制由于直接控制電機的轉矩與定子磁鏈，因此具有良好轉矩輸出、響應速度快、魯棒性好等優點，同時可避免電機參數變化帶來的影響[22]。

PAN 等[22]提出一種單神經元自適應PID 方法來觀測磁鏈，觀測不需要速度自適應，也不容易受到速度估計誤差的影響。通過在觀測器增益中引入PI分量，可減少直流偏移效應，并據此提出一個最佳開關表，實現轉矩脈動最小化。安群濤等[23]根據轉矩環輸出和磁極位置決定施加的電壓矢量，以實現磁鏈的自控制。并采用滑模觀測器對反電動勢進行觀測，實現轉矩實時控制。

ZHOU等[24]根據定子電流狀態方程構造了具有反電動勢自適應的定子電流估計器，并利用自適應律得到反電動勢；然后利用鎖相環對轉子位置角進行估計；最后根據估計的轉子位置角，計算轉矩和定子磁鏈。WANG 等[25]在考慮電阻和電感偏差對傳統反電動勢滑模觀測器及相關轉矩觀測結果的影響基礎上，設計了一種自適應滑模觀測器來估計無刷直流電機的反電動勢，然后從反電動勢估計中得到轉矩估計。OZTURK等[26]針對傳統滑模觀測器存在的系統抖振問題，提出了一種具有正切函數的優化滑模觀測器，在觀測器中引入連續光滑的正切函數以減弱抖振現象，然后將其用于反電動勢觀測和直接轉矩控制。

5 結束語

在一些高精度轉矩控制領域，無刷直流電機在工作時產生的轉矩脈動會極大地影響其應用，因此通過改進控制算法進行轉矩脈動抑制成為當前無刷直流電機領域的一個研究熱點。本文提到的電流控制法、拓撲結構法以及直接轉矩控制法通過對無刷直流電機不同的參數進行控制，實現轉矩脈動最小的目的。

電流控制法中的PWM法和重疊換相法因無法準確估計占空比和重疊時間，因此容易存在過補償或者欠補償的問題，電流預測法可很好地克服這一缺點，然而需要對外界干擾帶來的影響進行實時優化。拓撲結構法通過調節母線電壓抑制換相轉矩脈動，但該方法會增加額外的硬件電路，提高控制器的成本。直接轉矩控制通過直接控制電機的轉矩與定子磁鏈，實現轉矩脈動抑制，其具有良好轉矩輸出、響應速度快、魯棒性好等優點，同時可避免電機參數變化帶來的影響，但是會帶來計算量大的問題。