bldc 轉(zhuǎn)矩特性

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1、BLDC轉(zhuǎn)矩特性1、永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)由于體積小、性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、轉(zhuǎn)矩特性好、具有調(diào)節(jié)控制方便、調(diào)速范圍廣、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等特點(diǎn)而得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其在智能機(jī)器人、航空航天、緊密電子儀器與設(shè)備等對(duì)電機(jī)性能、控制精度要求比較高的場(chǎng)合和領(lǐng)域，對(duì)于這類場(chǎng)合，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制是衡量永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此，抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成為提高永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，因此研究永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性抑制或消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有十分重要的意義。2、永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性永磁無(wú)刷電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)一般由逆變器、永磁同步電動(dòng)機(jī)、

2、控制系統(tǒng)和位置傳感器四部分組成。逆變器的通電方式往往采用三相六拍導(dǎo)通方式，每一瞬間有二相同時(shí)通電，有一相不通電，每一相繞組均有導(dǎo)通后120°，斷電60°，然后再導(dǎo)通120°，斷開60°。在這種通電方式下，定子繞組將產(chǎn)生一個(gè)步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而造成電機(jī)的轉(zhuǎn)矩除平均值外還存在脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，在電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于定子槽的開口引起的氣隙磁導(dǎo)變化影響，因此電機(jī)還存在由于定子齒、槽變化而引起的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。對(duì)于一般永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，通常計(jì)算轉(zhuǎn)矩的方法是將三相系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到二相d-q坐標(biāo)系統(tǒng)，將定子電流分解為id、iq，可得轉(zhuǎn)矩公式如下：式中，Φf

3、：永磁體產(chǎn)生磁鏈id、iq：定、轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量Ld、Lq：d、q軸電感轉(zhuǎn)矩由二部分組成，第一項(xiàng)為主轉(zhuǎn)矩，由定子q軸電流與永磁體磁鏈作用產(chǎn)生；第二項(xiàng)為磁阻轉(zhuǎn)矩。由于d、q軸磁阻不同產(chǎn)生。但是，上述公式是計(jì)算了基波磁動(dòng)勢(shì)作用下電機(jī)產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩，不能計(jì)算電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為此，可采用由電機(jī)磁場(chǎng)儲(chǔ)能對(duì)轉(zhuǎn)子位移的偏導(dǎo)數(shù)求得電機(jī)轉(zhuǎn)矩，其表示式為：式中：p為電機(jī)極對(duì)數(shù)Wm為電機(jī)的磁場(chǎng)儲(chǔ)能Q為電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位移角從上式公式出發(fā)可以推導(dǎo)出雙邊勵(lì)磁（包括永磁體電動(dòng)機(jī)）的轉(zhuǎn)矩公式：式中：i10為定子電流L11為定子繞組自感Φ12為永磁體在定自繞組中產(chǎn)生的

4、磁鏈Wm2為永磁體產(chǎn)生的電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)能量第一項(xiàng)：定子電流產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，對(duì)表面永磁電機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)L11不變，轉(zhuǎn)矩為0，對(duì)內(nèi)埋式永磁電機(jī)L11會(huì)變，可產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。第二項(xiàng)：定子電流與永磁體產(chǎn)生磁鏈相互作用，產(chǎn)生電機(jī)的主轉(zhuǎn)矩。第三項(xiàng)：永磁體產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒槽對(duì)Wm2變化將會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。3、永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)由于諧波磁動(dòng)勢(shì)、齒槽的影響、電流換向、電樞反應(yīng)、制造工藝等會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)需要認(rèn)真考慮，采取措施，避免轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大，影響電機(jī)運(yùn)行性能。在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因中，前三者所占比重較大，對(duì)電

5、機(jī)性能影響較大，因此，我們主要討論前三種脈動(dòng)產(chǎn)主的原因和抑制方法。3.1電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由于定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，它與電流波形、反電動(dòng)勢(shì)波形、氣隙磁通密度的分布有直接關(guān)系。理想情況下，定子電流為方波，反電動(dòng)勢(shì)波形為梯形波，平頂寬度為120°電角度，電磁轉(zhuǎn)矩為恒值。而實(shí)際電機(jī)中，由于設(shè)計(jì)和制造方面的原因，可能使反電動(dòng)勢(shì)波形不是梯形波，或波頂寬度不為120°電角度；或者由于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和控制系統(tǒng)精度不夠而造成電動(dòng)勢(shì)與電流不能保持嚴(yán)格同步；或者電流波形偏離方波等，這些因素都會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生。抑制電

6、磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法有：電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)法、最佳開通角法、諧波消去法、轉(zhuǎn)矩反饋法等。優(yōu)化設(shè)計(jì)法：在永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，磁極形狀、極弧寬度、極弧邊緣形狀不同時(shí)，對(duì)輸出電磁轉(zhuǎn)矩有很大影響。當(dāng)氣隙磁通密度呈方波分布時(shí)，即反電動(dòng)勢(shì)波形為理想的梯形波時(shí)，極弧寬度增加，則電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減??；當(dāng)極弧寬度達(dá)到π時(shí)，電機(jī)出力最大，而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為零。據(jù)此，可以通過(guò)選擇合理的無(wú)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的電機(jī)磁極和極弧的設(shè)計(jì)方案，改變磁極形狀，或增加極弧寬度來(lái)有效消除電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。最佳開通角法：通過(guò)優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)可以消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但也有不足之處，如由于電機(jī)繞組的電感限

7、制，即使電機(jī)采用恒流源供電，在換流過(guò)程中電感電流不能突變，灌入定子繞組的電流波形不可能是矩形波；另外，對(duì)于實(shí)際電機(jī)，氣隙磁場(chǎng)很難保持理想的方波分布，繞組反電勢(shì)波形也并非理想的矩形，這樣就無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全從硬件設(shè)計(jì)上消除電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因此，只能通過(guò)控制手段和策略來(lái)消除脈動(dòng)。如采用最佳開通角的方法抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，通過(guò)控制最優(yōu)開通角而達(dá)到削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。諧波消去法：由于無(wú)刷直流電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的非正弦，使得其相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩含有諧波轉(zhuǎn)矩，造成了轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由相電流和反電動(dòng)勢(shì)相互作用的原理，可以考慮通過(guò)控制電流的諧

8、波成分來(lái)消除由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。不同次諧波電流和諧波反電勢(shì)的結(jié)合，會(huì)產(chǎn)生具有相同角頻率的諧波轉(zhuǎn)矩分量，其中以角頻率為6ω的諧波轉(zhuǎn)矩分量所占比重最大，也是希望抑制的轉(zhuǎn)矩分量。采用給恒流源通以特定