[发明专利]一种永磁无刷直流电机换相转矩脉动的谐波分析法

说明书

本发明涉及一种永磁无刷直流电机换相转矩脉动的谐波分析法,包括：根据永磁无刷直流电机的相电压求解超前情况下的相电流，再根据求得的相电流，得到电流在开通时刻的变化率；将相电流和反电动势进行谐波分解；根据转矩与反电动势、相电流的关系，得到6次和12次转矩谐波；用转矩谐波幅值定义转矩脉动系数。

技术领域

本发明属于永磁无刷直流电机控制技术领域，尤其涉及到换相转矩脉动和谐波分析法。

背景技术

永磁无刷直流电机(PMBLDCM)因功率密度高、体积小、驱动简单和可靠性高等优点，广泛应用于工业和生活的各个领域。电磁转矩是PMBLDCM的一个重要的性能指标，转矩性能的优劣直接影响到电机的使用范围。对PMBLDCM来说，因绕组电感的存在，相电流不能突变而造成相电流滞后于反电动势，最终造成了换相转矩脉动。与永磁同步电机(PMSM)相比，PMBLDCM有更为严重的转矩脉动，这不但影响了它的广泛应用，而且在严重情况下还可能导致电机的损坏和事故。针对这一性能缺陷，一些学者采用超前换相来减小相电流的滞后和转矩脉动，在一定意义上，超前换相控制减小了换相转矩脉动。

谐波分析法是比较常用的处理问题的方法。然而从谐波的角度研究换相转矩脉动的文献还比较少。由于电机的反电动势和相电流无法做到理想情况，因此用理想的反电动势和相电流计算电机的转矩脉动势必造成较大的误差。另外，传统的转矩脉动计算方法无法给出转矩脉动与反电动势谐波和电流谐波之间的关系，因而无法提供减小转矩脉动的措施。谐波分析法将转矩表示为一系列的谐波，除了直流分量外，其他谐波都会使转矩产生一定程度的脉动。因此在超前情况下计算出转矩的谐波成分并有针对性的减小这些转矩谐波，从而减小换相转矩脉动，提高电机的性能。

发明内容

本发明的目的是克服传统的计算换相转矩脉动不准确的弊端，提出一种永磁无刷直流电机换相转矩脉动的谐波分析法。本发明从谐波的角度来计算换相转矩脉动和各次转矩谐波分量。方案如下：

一种永磁无刷直流电机换相转矩脉动的谐波分析法,包括如下的步骤：

(1)根据永磁无刷直流电机的相电压求解超前情况下的相电流，再根据求得的相电流，得到电流在开通时刻的变化率：

式中i(t)为随时间变化的相电流，L为定子等效电感，R为每相定子绕组的相电阻。U_s,E,ω和β分别为外部供电电压，反电动势幅值，电角速度和超前角度，V_k＝U_s(S_a-1/2)是平均输入电压，S_a是某一相的开关函数，其值可以是0或者1；

(2)对于A相，将相电流进行谐波分解：

i_a(t)＝I₁sin(ωt-φ)+I₅sin5(ωt-φ)+I₇sin7(ωt-φ)+I₁₁sin11(ωt-φ)+···

其中I₁,I₅,I₇,I₁₁···是相电流的1次，5次，7次，11次谐波···，φ是相电流的滞后角度。

对反电动势进行谐波分解如下：

e_a(t)＝E₁sinωt+E₃sin3ωt+E₅sin5ωt+E₇sin7ωt+E₉sin9ωt+···

其中E₁,E₃,E₅,E₇···是反电动势的1次，3次，5次，7次谐波···。