中心議題：

• 直流永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性
• 電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的原因
• 針對(duì)換相電流引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

解決方案：

• 電磁和齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以優(yōu)化電機(jī)的設(shè)計(jì)來(lái)解決
• 通過(guò)電流補(bǔ)償法來(lái)減小電機(jī)在換相過(guò)程中電流引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

1. 引言

直流永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、低速大扭矩等特點(diǎn)而得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其是近年來(lái)在電動(dòng)自行車中得到了廣泛應(yīng)用。由于電動(dòng)自行車是人們的日常代步工具，因此人們對(duì)整車的啟動(dòng)平穩(wěn)性，噪音等指標(biāo)提出了較高的要求。現(xiàn)有電動(dòng)車電機(jī)大部分采用直流永磁無(wú)刷電機(jī)，電機(jī)的鐵芯為直槽結(jié)構(gòu)，繞組為三相星形連接，逆變器一般工作在兩兩導(dǎo)通狀態(tài)。由于直槽電機(jī)在工作時(shí)扭矩波動(dòng)較大,因此我們必須優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)并配合經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制器才能獲得比較滿意的效果。本文就如何設(shè)計(jì)直流永磁無(wú)刷電機(jī)超靜音控制器作一些探討。

2. 直流永磁無(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)由于電磁因素、齒槽的影響、電流換向、電樞反應(yīng)等會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在設(shè)計(jì)電機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)認(rèn)真考慮，采取措施，避免轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大。

2.1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，這樣就會(huì)造成電機(jī)的扭矩脈動(dòng)。

2.2齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

由于定子鐵心槽齒的存在，使得永磁體與對(duì)應(yīng)的電樞表面的氣隙磁導(dǎo)不均勻，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，使得在一個(gè)磁狀態(tài)內(nèi)，磁路磁阻發(fā)生變化，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的，與定子電流無(wú)關(guān)。因此抑制由齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要集中于優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)上，如斜槽法。

2.3電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

圖1為電動(dòng)車電機(jī)控制系統(tǒng)的框圖，控制器工作在兩兩導(dǎo)通的狀態(tài)。每隔60°電角度MOSFET換一次相。假如當(dāng)前為Q1和Q5導(dǎo)通，則經(jīng)過(guò)60°電角度，Q1和Q6導(dǎo)通。在Q1，Q5導(dǎo)通期間，電流流經(jīng)AB線圈，換相后電流流經(jīng)AC線圈。由于電機(jī)的線圈為電感，在切換過(guò)程中，B相的電流會(huì)以指數(shù)下降，C相的電流會(huì)以指數(shù)上升。當(dāng)Q5關(guān)斷后，AB相線圈的電流經(jīng)過(guò)Q1→AB相線圈→Q2的體二極管續(xù)流，AB相線圈電流很快衰減為零，但是AC相的電流就需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間才能上升到換相前的大小。因此電機(jī)的電流出現(xiàn)較大的脈動(dòng)。如圖2a中的CH3所示。其中的電流脈動(dòng)已達(dá)到12A。換相期間的電磁轉(zhuǎn)矩為： 其中Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，e_a，e_b，e_c為相繞組電動(dòng)勢(shì)，i_a，i_b，i_c 為相繞組電流。

由于換相時(shí)間很短，可近似認(rèn)為e_bae^ca ， 在換相區(qū)域內(nèi)不變化，因此扭矩與電流成正比關(guān)系，電流的波動(dòng)直接導(dǎo)致了電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。在低速大負(fù)載運(yùn)行的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)尤為明顯。

在直流無(wú)刷永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)原因中，前兩種主要靠?jī)?yōu)化電機(jī)的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到目的，對(duì)于第3種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，我們可以通過(guò)電流補(bǔ)償法來(lái)減小電機(jī)在換相過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本文將重點(diǎn)介紹這種方法。
3．電流補(bǔ)償法減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

由于在低速大負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)反電勢(shì)很小，為了使電機(jī)的相電流不超過(guò)允許的最大值，PWM占空比通常比較小，這使得換相后新的相繞組電流上升緩慢。圖3中是電機(jī)換相時(shí)的電流仿真波形。電機(jī)兩相之間的電感為L(zhǎng)m=0.4mH,內(nèi)阻Rm=0.28歐姆（實(shí)際電機(jī)的參數(shù)）。采用AOS（萬(wàn)代半導(dǎo)體）生產(chǎn)的AOT460 MOSFET進(jìn)行仿真。MOSFET的PSPICE模型采用level3等級(jí)。由圖3中可以看出，如果PWM占空比為30%，則電流由零上升到30A需要約1.3ms。這與圖2a中實(shí)測(cè)的波形相仿。為了使換相后電流迅速上升，我們可以使換相后PWM占空比為100%來(lái)對(duì)電流進(jìn)行補(bǔ)償，直到電流上升到換相前的電流值，這樣可以使換相電流的波動(dòng)盡可能的小，時(shí)間盡可能地短。由仿真波形中I2可以看出，電流上升到30A的時(shí)間小于300us。
4．控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

如何精準(zhǔn)控制換相后的補(bǔ)償電流，即如何精確控制PWM100%占空比的時(shí)間是超靜音控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵！這就要求控制系統(tǒng)的MCU具有以下的特點(diǎn)：

1) 有很快的A/D轉(zhuǎn)換速度，能夠在換相后連續(xù)快速采樣；
2) 能夠在PWM的開(kāi)通期間特定時(shí)刻觸發(fā)A/D采樣；因?yàn)樵赑WM逆變器帶感性負(fù)載的控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的一些寄生參數(shù)導(dǎo)致PWM在開(kāi)通和關(guān)斷期間電機(jī)的相線上出現(xiàn)振鈴（如圖4所示），這些振鈴會(huì)耦合到A/D采樣的回路中，因此我們應(yīng)避開(kāi)在PWM開(kāi)關(guān)過(guò)程中進(jìn)行A/D采樣。如果我們?cè)赑WM開(kāi)通期間的中點(diǎn)觸發(fā)電流采樣，我們將會(huì)得到電流的平均值，這將有利于我們對(duì)電流補(bǔ)償?shù)目刂啤?
事實(shí)上，找到這樣的MCU并不難，譬如英飛凌的馬達(dá)專用控制芯片XC866，CYPRESS的片上可編程控制芯片CY8C24533等。XC866的A/D轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到2us以內(nèi)，加上程序的執(zhí)行時(shí)間，一次A/D轉(zhuǎn)換需要的總時(shí)間在8us以內(nèi)，以這樣的時(shí)間間隔來(lái)判斷電流補(bǔ)償是否完成已經(jīng)足夠。CY8C24533是CYPRESS專為電機(jī)控制開(kāi)發(fā)的帶高速A/D的芯片，其SAR8轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到3us以內(nèi)，加上其自動(dòng)對(duì)齊觸發(fā)A/D模式，可以在PWM的任意時(shí)刻觸發(fā)電流A/D采樣，我們也很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的精準(zhǔn)控制。

圖2b是采用XC866控制芯片的系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)上述方法優(yōu)化后測(cè)得的換相電流波形，由圖2b可以看出，換相時(shí)的電流脈動(dòng)基本消除，電機(jī)的相電流基本接近方波。用了這套控制系統(tǒng)的電動(dòng)車，起步加速以及運(yùn)行時(shí)的電機(jī)震動(dòng)已基本消除，實(shí)現(xiàn)了超靜音控制器的設(shè)計(jì)。

5. 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)選用合適的MCU實(shí)現(xiàn)高速可觸發(fā)A/D采樣，對(duì)永磁無(wú)刷電機(jī)換相時(shí)的電流進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)償，可以達(dá)到消除換相電流脈動(dòng)，減輕電機(jī)振動(dòng)的效果。