抑制无刷直流电机转矩脉动的驱动技术研究

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无刷直流电机(BLDCM)因其功率密度高、控制简单,动态性能好等特点而得到了广泛的应用。但是与永磁同步电机(PMSM)相比,BLDCM最突出的问题就是转矩脉动大,这会降低电力传动系统控制特性,甚至损坏电机轴承,降低电机寿命,并带来振动、谐振、噪声等一系列问题。本论文研究了抑制BLDCM转矩脉动的驱动技术。首先,全面的分析了BLDCM转矩脉动产生的原因。考虑到电机本体反电势(back-EMF)畸变的普遍情况,本论文分别讨论了具有理想反电势和非理想反电势的电机在常用的调压调速系统中和电流闭环系统中的转矩脉动,详细阐述了传导和换相转矩脉动产生的原因。接着,针对理想反电势的BLDCM,为了同时抑制传导和换相转矩脉动,本论文提出了一种新型功率变换器,并设计了相应的控制算法。这种功率变换器的输出电压能够在高低压之间进行切换,在传导期间,变换器通过调节低压端的输出电压来调节转速,而在换相期间,变换器输出高压来补偿转矩跌落。由于该控制方案使用调压调速,因此消除了由逆变器斩波引起的传导转矩脉动,而换相期间又通过使用高电压的方法补偿转矩跌落,因此可以同时实现抑制传导转矩和换相转矩脉动。然后,针对非理想反电势的BLDCM,为了抑制反电势畸变引起的转矩脉动,本论文提出了一种平均转矩控制的方法。这种方法使用单周期控制的思想,在每个控制周期内使电机输出的平均转矩等于给定转矩,因为控制周期很短,可以实时的控制输出转矩,抑制转矩脉动。对于转矩观测,该方法通过检测每个周期内输入系统的能量间接观测输出的平均转矩,只需检测母线电压和电流即可实现。与传统方法相比,这种方法省去了反电势观测的复杂环节,能够适用于任何畸变程度的反电势,通用性强;而且不需要转子准确位置信息,没有附加的测量角度的装置或者估计转子位置的复杂算法,系统成本低,对微处理器要求低。最后,针对非理想反电势的BLDCM,为了同时抑制反电势畸变和换相引起的转矩脉动,本论文提出了一种使用重叠换相的平均转矩控制。在传导区间,平均转矩控制可以确保在每个控制周期内使输出平均转矩等于给定转矩,而在换相期间,当电机运行在高速重载时,平均转矩控制会失效。因此本方法使用重叠换相法对换相转矩脉动进行补偿,其中重叠角度通过检测关断相电流的过零点来实现。针对所提出的控制方案,本论文进行了相应的仿真和实验验证,仿真和实验结果验证了本论文所提出的控制方法的可行性和对转矩脉动抑制的有效性。
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