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直流无刷电机：抑制换相转矩波动的控制方法

在直流无刷电机工作时，都会引起换相转矩波动，怎么抑制转矩波动呢？下面小编就介绍几种抑制由电流换相引起的转矩波动的方法 。
1、电流反馈调节法
如前所述，非换相相电流的变动导致换相转矩波动，电流反馈调节方法就是使换相相电流保持恒定，从面使换相转矩波动为零 。一般来说，电流反馈控制可以分为两种形式，即直流侧电流反馈控制和交流侧电流反馈控制 。直流侧电流反馈控制的电流反馈信号由直流母线取出，主要控制电流幅值 。由于直流侧电流反馈控制是根据流过直流电源的电流信号进行的，因此只需要一个电流传感器便可 。交流侧电流反馈控制的电流反馈信号由交流侧取出 。此时，根据转子的位置来确定要控制的相电流，使其跟随设定电流值指令 。在换相过程中，当非换相相电流未到达设定值时，PWM控制不起作用；当非换相相电流超过设定值时PWM控制开始起作用，使电流值下降，实现对非换相相电流的调节，保持稳定 。
【直流无刷电机：抑制换相转矩波动的控制方法】在电流反馈闭环控制中，常采用滯环电流控制法 。其基本原理是电流环采用环电流调节器，通过比较设定电流和实际电流，由实际电流的幅值和滞环宽度的大小决定滞环电流调节器控制信号的输出 。当实际电流小于滞环宽度的下限时，开关器件导通；随着电流的上升，达到滞环宽度的上限时，开关器件关断，使电流下降 。实际电流可以是相电流，也可以是逆变器的母线电流 。滞环电流法的特点是：应用简单、快速性好、具有限流能力 。滞环电流控制方法可分为三种情况：由上升相电流控制的、由非换相相电流控制的和由三相相电流独立控制的 。比较这三种方法抑制换向转矩波动效果的实验证明：后两种情况的换相转矩特性相同 。对换相转矩波动具有较好的抑制效果，且适用于低速 。在换相期间通过滞环控制法直接控制非换相相电流来减少换相期间电磁转矩动的控制策略 。根据换相期间电磁转矩正比于非换相相电流，且非换相相电流参考值为常数，在确定了要控制的非换相相电流和相应的参考电流后，通过滞环比较器控制其相电流，保证换相期间非换相相电流跟踪其参考值，就可以有效减少换相期间电磁转矩的波动 。文中提到的控制方法转矩波动小，电路简单易实现，相对于传统的三相滞环控制，具有功率管损耗小和效率高的特点，非常适用于高性能的伺服驱动系统 。
另一种基于控制换相电流的方法 。该方法以换相电流为研究对象，通过使关断相电流的下降率等于开通相电流的上升率来维持电流在换相期间的稳定，从而减少转矩波动 。即在换相期间通过施加合适的补偿电压于A、C两相绕组面使C相电流保持恒定，达到抑制转矩波动的目的 。实验结果表明，该方法在地铁屏蔽门的应用中取得良好效果，使电流波动减少8%，转矩波动减少10% 。
2、重叠换相法
电流反馈法、滞环电流法虽然解决了低速换相的转矩波动问题，但在高速时通常效果不理想 。在高速段抑制换相转矩波动较成熟的方法是重叠换相法 。其基本原理是：换相时本应立即关断的功率开关器件并不是立即关断，而是延长了一个时间间隔；将尚不应开通的开关器件提前开通 。在传统的重叠换相法中，重叠时间需预先确定，但选取合适的重叠时间较为困难，大了会过补偿，小了又会造成补偿不足 。为此，在常规重叠换相法的基础上，引人了定频采样电流调节技术 。此技术在重叠期间采用PWM控制抑制换相转矩波动，使重叠时间由电流调节过程自动调节，从而避免了对重叠区间的大小难以确定的问题 。但是该方法必须保证足够高的电流采样频率和开关频率才有效 。另外，该方法虽然对抑制高速下换相转矩波动有效，但需要离线求解开关状态并且算法复杂，在实际应用中有一定的局限性 。
3、PWM斩波法
滞环电流法较好地解决了低速时的换相转矩波动问题，但在高速时效果不理想 。PWM新波法与交流侧电流反馈控制法较类似，即开关器件在断开前、导通后进行一定频率的斩波，控制换相过程中绕组的端电压，使得各换相电流上升和下降的速率相等，补偿总电流幅值的变化，抑制换相转矩波动 。与重叠换相法相比，该方法具有更小的转矩波动，适合于精度要求更高的场合 。
4、电流预测控制法
直流无刷电机在高速区和低速区的换相转矩波动有所不同，研究抑制方法时大都分开考虑 。然而在实际应用中，受到电机转速、供电电压等因素的影响，难以按照理论分析的那样将换相转矩波动分为高速区和低速区而采取不同的抑制措施 。因此，就很有必要寻求一种能够在全速度范围内有效抑制换相转矩波动的方法 。电流预测控制方法就满足了这一要求 。它以换相电流为研究对象，推导出电机在高速区和低速区运行时的换相电流预测控制规则，确保换相期间关断相的电流下降率和开通相的电流上升率相等，从而使非换相相绕组的相电流在换相期间保持恒定，减小换相转矩波动，同时在该方法中结合使用了消除直流母线负电流的方法，使换相转矩波动得到进一步的抑制 。该换相电流预测控制方法算法简单、实现容易、适应性强、效果明显，无论是在开环控制、传统的电流PI控制，还是在采用现代智能控制算法的控制系统中均能够很好地被嵌入到换相期间，有效地抑制换相转矩波动 。
5、转矩直接控制法
转矩直接控制方法，采用两相导电方式，无须坐标变换，并在绕组换相期间考虑了直流电源有限的供电能力 。在换相期间，当控制上升相绕组对应开关管的占空比达到100%时，若仍存在转矩波动，就导通下降相绕组对应的开关管，进行斩波控制，降低下降相电流的下降速率，而该开关管的占空比可以通过计算得到 。仿真和实验表明，该方法能有效地抑制非理想反电动势直流无刷电机的转矩波动 。该方法只适用于速度变化不太显著的场合 。
6、转矩闭环控制法
针对转矩波动，近年来提出了转矩闭环控制方法 。它以电机的瞬时转矩为控制对象，根据实际转矩反馈信号，通过转矩调节器实现对瞬时转矩的直接控制，从而减小转矩波动 。若通过转矩传感器给出反馈信号，则系统响应较慢，且大多只能工作在静态或低速状态下 。若通过利用电机的结构参数和一些容易测量的状态变量构成转矩观测器，则运算相当复杂，而且参数变化也会带来一定误差 。这些问题尚待完善解决 。


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