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电动推产生转矩波动的原因

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点击次数:更新时间:2018-05-23 09:05:20

     如前所述,电动推杆输出转矩大?动态响应迅速?调速控制方便?可靠性高,因此它的应用越来越广泛?但是,转矩波动,又称为转矩脉动,是电动推杆最突出的问题?近年,电动推杆的转矩波动及其抑制技术一直成为电动推杆研究热点之一?电动推杆的转矩波动问题制约了其在要求低纹波速度的调速系统和高精度位置伺服控制系统的应用?对于高精度高稳定度的系统,转矩波动是衡量电动推杆性能的一项重要指标?此外,转矩波动是电机产生转动和噪声的主要原因?因此,分析转矩波动形成的原因研究降低或抑制转矩波动的方法具有十分重要的意义?
    
 产生转矩波动的原因
     造成电动推杆转矩波动有多方面的原因,可以分为以下几个方面:电磁转矩产生原理引起的转矩波动?电流换相引起的转矩波动?齿槽效应引起的转矩波动?此外,还有电枢反应和电机工艺缺陷引起的转矩波动等?分述如下:

1.非理想反电动势波形引起原理性电磁转矩波动

     在本书第2章指出,从工作原理看正弦波驱动是一种高性能的控制方式,电流是连续的,三相正弦波交流电流与三相绕组中的三相正弦波反电动势共同作用产生光滑平稳的电磁转矩?理论上可获得与转角无关的均匀输出转矩,良好设计的系统可做到3%以下的低纹波转矩?而方波驱动定子磁场是非连续?步进式旋转,从电磁转矩产生原理就决定了电动推杆转矩波动比正弦波驱动要大许多?尽管在反电动势为梯形波,平顶宽度120°电角度定子电流为方波的理想情况下,不考虑换相过程时,产生的电磁转矩将为恒值,理论上没有转矩波动?但在实际电机,由于设计和制造方面的原因,很难做到反电动势为平顶宽度120°电角度的梯形波;实际上,如在6.4.1节分析那样,大多数电动推杆的反电动势波形都不可能是梯形波,而更接近于正弦波;这样,如12.9节分析那样,电流波形也就必然偏离方波,这些非理想情况都会导致其电磁转矩存在原理性波动?
     下面分析反电动势波形为正弦波时,在不考虑电感作用和换相过程情况下三相六状态无刷电机的转矩波动?在一个状态角θz=60°内,设两相绕组合成反电动势为
     e= Ecosθ
     θ2=-θ1z/2=30°,一相电阻为R,转速比Ku=E/U?
     电压方程式U= Ecosθ+2Ri
    
     瞬态电流

瞬态电流
     瞬态电磁转矩
     瞬态电磁转矩
     式中,TS是堵转转矩幅值。取标幺值:
    TS是堵转转矩幅值
     计算几个不同转速时的转矩波动示于图9-1中?图中显示出K=0,0.2,0.5,0.8,0.9的原理性电磁转矩随转角波动变化情况?
     显然,730和T0是转矩特异点?T30和T0分别是θ=30°和0°的电磁转矩标幺值?转矩波动Tbd按下式定义计算:
    转矩波动Tbd按下式定义计算
     由上式计算得:当Ku=0,Tbd=15.4%;当Ku=0.8,Tbd=-24.8%;当Ku=0.9,Tdb=-47.6%。
     不同转速的转矩波动Tbd计算结果示于图9-2?由图可见,在高速区,正弦波反电动势0.9,T47.6%?电动推杆的转矩波动十分严重?通常有文献说方波驱动电动推杆的转矩波动为15%,如上计算,是指堵转时(Kn=0)的情况?在中速K?=0.5附近,转矩波动最低.

不同转速下的原理性电磁转矩波动
     图9-1不同转速下的原理性电磁转矩波动         图9-2正弦波反电动势下的转矩波动T与转速比关系
     这种原理性转矩波动与电机的反电动势波形和电流波形有着直接关系?抑制电磁转矩原理性转矩波动的途径包括改进电机设计和采取合适控制策略两个方面?


     (1)优化电机设计法?
     电动推杆的磁极形状?极弧宽度?极弧边缘形状对输出电磁转矩都有很大的影响?通过选择合理的电机磁极形状或极弧宽度,以及定子绕组的优化设计,使反电动势波形尽可能接近理想波形,来降低电磁转矩波动?例如,对表面粘贴式磁钢结构的电机?常采用径向充磁而使气隙磁通密度更接近方波?又如,为了增加电动推杆反电动势的平顶宽度,可采用整距集中绕组(q=1)等方法?
     通过电机优化设计可以适当降低电磁转矩波动,但由于电机绕组的电感存在,即使电机采用恒流源供电,在换流过程中电流不能突变,流入定子绕组的电流波形还不可能是方波?
     另外,对于实际电机,气隙磁场很难保持理想的方波分布,绕组感应电动势波形更难以达到理想的梯形波,这样就无法实现完全从电机设计上消除电磁转矩波动?因此,只能通过控制手段来抑制转矩波动?


     (2)最佳电流法?
     一种解决方法就是采用控制方法寻找最佳的定子电流波形来消除转矩波动?同时,这种最佳电流法也能消除齿槽转矩波动?但是,最佳电流法需要对反电动势进行精确测定,而反电动势的实时检测比较困难?目前较多采用的方法是对反电动势离线测量,然后计算出最优电流进行控制?因为事先需要离线测量,所以其可行性就大大降低?


     (3)最佳开通角法?
     采用最佳开通角的方法抑制电磁转矩波动,即先推导出转矩波动与开通角之间的函数关系式,再求取电流最优开通角,使电流波形和感应电动势波形的配合适当,从而达到削弱转矩波动的目的?


     (4)谐波消去法?
     谐波消去法是通过控制电流的谐波成分来消除转矩波动的方法?电动推杆系统中电流或反电动势含有谐波成分时,根据测得的或计算得的各次转矩谐波成分,即可求解出最佳电流波形的各次谐波,继而得到最佳电流波形,以此作为相电流参考信号,以消除反电动势谐波产生的转矩波动?根据电磁转矩波动是由相电流和反电动势相互作用的原理,适当选取电流谐波成分(5次?7次),消除了六次?十二次谐波转矩(谐波转矩中主要部分)?仿真和实验结果表明,谐波消去法的作用是有限的,只可以把转矩波动消除到某一程度?确定最佳谐波电流的难度是很大的,这也使得谐波消去法的应用受到了限制

(5)转矩反馈法?
     谐波消去法是一种开环控制方法,当存在绕组阻抗不对称和所测电流有误差等干扰时,控制精度将会受到影响?为了克服开环控制方法的缺点,人们提出了从反馈角度考虑抑制转矩波动的方法,即以转矩为控制对象,进行闭环控制?转矩反馈法的基本原理是根据位置和电流信号通过转矩观测器得到转矩反馈信号,再通过转矩控制器控制电动推杆的主电路,实现对转矩的实时控制,从而消除转矩波动?但是,转矩反馈法结构较为繁杂,需预先角定电机参数,且算法复杂,实现起来比较困难


     (6)简易正弦波电流驱动?
     电动推杆的反电动势波形一般为梯形波,但在实际应用中,为了消除齿槽转矩,常采用斜槽?分数槽?合理设计磁极形状和充磁方向等措施,这些措施往往使得电机的反电动势波形更接近正弦波?对于这类电机,采用正弦波电流驱动比采用120°导通型三相六状态方波驱动更有利于减小转矩脉动?但是传统的正弦波驱动的电流控制方法,不仅控制算法复杂,而且大都需要高分辨率的位置传感器,这就导致体积和成本都大大增加,在一些特殊的场合无法使用?参考文献[7]就针对反电动势波形接近正弦的电动推杆,提出一种基于六个离散位置信号的自同步 SVPWM控制方法?实验结果表明,此方法与传统的120°导通控制方式相比,可以在不损失平均电磁转矩的条件下,有效地抑制电磁转矩波动,详见第14章?


2.换相引起的转矩波动
     电动推杆工作时,定子绕组按一定顺序换相?即使在符合反电动势为平顶宽度120°电角度梯形波,定子电流为方波的理想情况下,由于相绕组存在电感,在每两个状态之间存在一个换相时段,电枢绕组中的电流从某一相切换到另一相时有一个过渡过程,电流变化的滞后使换相期间产生的电磁转矩存在明显的波动,称为换相转矩波动?详见下面9.2节的分析?

3.齿槽效应引起的转矩波动
     当电动推杆定子铁心有齿槽时,由于定子齿槽的存在,气隙不均匀,使气隙磁导不是常数?当转子处于不同角度时,气隙磁场就要发生变化,产生齿槽转矩?齿槽转矩与转子位置有关,因而引起转矩波动?齿槽转矩是永磁电机的固有特性,在电机低速轻载运行时,齿槽转矩将引起明显的转速波动,并产生振动和噪声?因此,如何削弱齿槽转矩是永磁电机设计中较为重要的目标之一。
     齿槽转矩产生的原因与前述两种引起转矩波动的原因不同?前述两种引起转矩波动的原因均在于定子电流与转子磁场的相互作用,而齿槽转矩是由定子铁心与转子磁场相互作用产生的?消除齿槽效应最好的方法就是采用无槽电机结构?无槽电机的电枢绕组不管采用何种形式,它的厚度始终是实际气隙的一部分,因此无槽电机的实际等效气隙比有槽电机要大得多,所需要的励磁磁动势也要大许多,这在早期限制了无槽电机的容量和发展?近年来,随着磁性材料的迅猛发展,特别是钕铁硼等高磁能积稀土永磁材料的应用,为无槽电机的实用化创造了条件?采用无槽结构,因为同时具有超大气隙,除了能彻底消除齿槽效应引起的转矩波动外,还能大幅度削弱由于电枢反应和机械偏心而
     关于齿槽转矩和降低齿槽转矩的其他方法见第10章?

4.电枢反应引起的转矩波动
     电枢磁动势对气隙永磁主磁场的影响,称为电枢反应?电动推杆的电枢反应比较复杂?电枢反应磁动势会使气隙主磁场波形发生畸变,气隙主磁场的磁通密度不再是空载时的方波,反电动势也随之畸变,从而引起转矩波动?现代电动推杆大多采用高性能的稀土永磁材料,若采用瓦片形表面贴装式,则电枢反应对气隙主磁场的影响比较微弱?这是因为电枢反应磁路要经过气隙和永磁体,永磁材料的磁导率与空气的磁导率是非常接近的这就使电枢反应磁路的磁阻很大,交轴电枢反应的磁通很小,其对气隙主磁场的影响可以忽略不计?但是对于内置式转子结构,电枢反应的影响则不能够忽略?

 

 5.电机机械加工缺陷和材料不一致引起的转矩波动
     机械加工缺陷和材料的不一致也是引起电动推杆转矩波动的重要原因之一?例如电机机械加工及装配时产生的尺寸和形位偏差,定子冲片各槽分布不均匀,定子内?外圆偏心,定?转子同轴度偏差等产生的单边磁拉力;轴承系统的摩擦转矩不均匀;转子位置传感器定位不准导致的转矩波动;各相绕组参数不对称及电子元器件性能参数的差异而导致的转矩波动;磁路中各零件材料特别是每个磁极永磁体性能不一致而产生的转矩波动等?因此,提高加工制造水平也是减少转矩波动的重要措施?
     研究表明,电机在空载或轻载时主要是齿槽转矩引起的转矩波动,而负载情况下主要是电磁原理性转矩波动和换相引起的转矩波动?下面着重分析换相转矩波动?



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