无刷直流电机转矩脉动抑制综述

卞经博

摘 要：无刷直流电机具有效率高、可靠性强、尺寸紧凑和控制简单等优势，十分受市场欢迎。然而，转矩脉动是限制无刷直流电机发展的关键问题之一。本文介绍了转矩脉动产生的机理，综述了脉冲宽度调制（PWM）法、重叠换相法、滞环控制法和电流预测法。研究表明，这些方法都能在特定应用场景对转矩脉动起到很好的抑制作用。

关键词：无刷直流电机;转矩脉动抑制;换相转矩脉动

中图分类号：TM33文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）12-0029-03

Review of Torque Ripple Suppression of Brushless DC Motor

BIAN Jingbo

（Anhui University of Science & Technology，Huainan Anhui 232001）

Abstract： Brushless DC motors have the advantages of high efficiency， strong reliability， compact size and simple control， and are very popular in the market. However， torque ripple is one of the key issues that limit the development of brushless DC motors. This paper introduces the mechanism of torque ripple， and summarizes the pulse width modulation （PWM） method， overlap commutation method， hysteresis control method and current prediction method. Research shows that these methods can effectively suppress torque ripple in specific application scenarios.

Keywords： brushless DC motor;torque ripple suppression;commutation torque ripple

随着社会经济的发展，无论是工业生产还是日常生活，都离不开电能的使用。直流电机具有控制方式简单、调速范围广等优点，被广泛使用。但是，有刷直流电机采用机械换相，因此存在机械摩擦，这不仅影响着运行的稳定性，还需要定期更换电刷。无刷直流电机应运而生。但是，受本身制造缺陷、现在电机控制策略不完善等影响，无刷直流电机在运行中容易产生抖动、噪声等不稳定因素，这类现象被称为转矩脉动。正是由于转矩脉动的存在，无刷直流电机在一些高精度领域的应用受到限制，近几年，人们对无刷直流电机的研究热度不减，本文对转矩脉动及其抑制方法进行综述。

1 转矩脉动产生原因

1.1 齿槽转矩脉动

齿槽转矩是绕组不通电时定子齿和转子永磁体之间相互作用的切向分量，表现为周期性波动。在低速率运行的情况下，齿槽转矩会引起电机转速不稳定，振动和噪声过大[1]。常见的解决方法有斜槽法、分数槽法、闭口槽法和无齿槽绕组法等[2-3]。

无刷直流电机采用梯形波作为反电动势来给电枢绕组提供方波电流，但梯形波无法达到完全理想的波形，导致运行过程中电磁转矩波动。针对这一问题，可从采用最优电流控制，通过控制注入与造成电流畸变的谐波相反电流来补偿原本畸变的电流，达到抑制转矩脉动的目的;通过定子电流与相反电动势配合，达到减小转矩脉动的效果;将转矩作为反馈量，为达到抑制脉动的效果，利用滞环将转矩抑制在一个相对较小的值[3]。

1.2 换相转矩脉动

换相转矩脉动产生的原因是无刷直流电机工作時处于两两导通状态，一旦换相，就会发生换相转矩脉动[4]。电机绕组是感性负载，在换相的过程中，关断相与导通相的电流变化并非瞬间发生，存在续流状况，导致关断相电流的下降速率与导通相电流的上升速率不一致[5]。无刷直流电机利用电子换相来代替机械换相，因此为了使得电机稳定运行，必须保证换相信号正确。无刷直流电机换相期间，线圈通电状态会改变一次。但是，线圈中电感及互感的存在会阻碍电流的正常变化，造成力矩异常变化。因为换相造成的脉动超过平均值的一半，所以换相转矩脉动是引起无刷直流电机转矩脉动的主要原因。这就限制了无刷直流电机在一些高精度场合的应用。因此，要抑制无刷直流电机换相期间引起的转矩脉动。

2 换相转矩脉动的抑制方法

2.1 脉冲宽度调制（PWM）法

无刷直流电机转矩脉动分析结果表明，脉冲宽度调制方式为转矩脉动产生的主要因素。有研究采用五种较为典型的脉冲宽度调制方式，从定量角度得出结论：当直流电压大于反电动势的4倍时，才能通过PWM抑制换相转矩脉动[6]。

2.2 重叠换相法

重叠换相法一般有两种方式，即超前换相和延迟换相，其原理是利用电流补偿的方式来实现转矩脉动抑制。首先要提前确定好重叠时间以及重叠换相的角度，由于换相的时间非常短，人们很难确定最佳的换相时间和换相角度。针对这个问题，有研究对重叠换相法进行了改进，在原有结构的基础上增加了定频采样电流调节环节，使得电流自动调节电机的换相时间，但这种方法也不是完美的，对电机开关频率和控制驱动芯片都有很高的要求[7]。重叠换相法虽然可以使得导通相及关断相电流变化斜率相等，但只能使用特定的数学模型，具有很大的局限性[8]。有学者将绕组电阻加入数学模型，以此来得到更好的换相时间[9]。

2.3 滞环控制法

滞环控制法的原理是通过滞环比较电路中的电流采样值与人们所给出的设定值，控制开关管的关断和导通。电机在低速运行时存在导通相电流上升过快的问题，有研究为了使得换相电流的斜率绝对值相等，利用滞环电流法控制电流的上升速率，从而抑制了转矩脉动[10]。电机高速运行时，可以采用滞环电流法抑制转矩脉动，使得换相期间非换相电流接近给定值。这种方法电路结构简单，缺点是调节频率要求很高[11]。

2.4 电流预测法

现有研究认为，非换相相电流会在换相期间增大，使得无刷直流电机的换相转矩增大，高速运行时效果相反。但是，电机的高速和低速的界定很难划分，因此要找到一个能在全速范围内对无刷直流电机转矩脉动均能有效抑制的方法[12]。有研究提出将电流预测法和重叠换相法相结合，基本原理为换相期间对关断相和非换相相进行脉冲宽度调制，使得两者具有相同的占空比，占空比的大小由下一时刻非换相相电流的大小决定[13]。这种方法的原理较为简单，并且对编程芯片的性能要求不高，试验也证明了这种方法的可行性。电流预测控制框图如图1所示。

2.5 直接转矩控制法

这种方法的基本原理是直接控制电机的转矩，将转矩限制在一定的范围内。如图2所示，利用采样定子的电压及电流值，在电机定子坐标系下对转矩和磁链进行估算，将得到的估算值与给定值作差，然后将差值输入滞环比较器中，从而输出对应的脉冲触发信号，选取合适的电压空间矢量，最终实现对电机转矩脉动的控制[14]。

2.6 其他方法

除了上述方法，换相转矩的抑制方法还有很多。例如，在电路中加入改进型Z源逆变器，有效地解决了以往启动电流大、输入电流续流的问题[15]。换相时，可以提高母线电压来补偿非换相相电流的变化，达到抑制转矩脉动的目的，但是这种方法用于高速区的效果不明显[16]。将电流预测法与重叠换相法相结合也是一种较好的转矩脉动抑制方案[17]。近年来，诸多研究人员提供了很多可靠的无刷电机转矩抑制方法[18-20]。针对不同的应用场景，人们可以采用不同的抑制策略。

3 结语

无刷直流电机以其不可取代的优点被人们广泛使用，而转矩脉动的存在严重限制了其在高精度场合的应用。本文论述的方法都能够通过对无刷直流电机不同参数的控制，实现抑制转矩脉动的目的。脉冲宽度调制法和重叠换相法对占空比与重叠时间的估算并不准确，因此容易造成过补偿、欠补偿等问题，而电流预测法就能很好地解决这一问题，但是需要消除外界干扰带来的影响。直接转矩控制法具有良好的转矩输出，响应速度快，但是会带来计算量大的问题。总之，针对某些特定应用环境，如高负载、高运行速度等，要找到一种最契合的方法，最大限度地减少转矩脉动的负面影响。

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