对新型电机设施的转矩动态预设

1 为了使电动机运行更加平稳，有必要对这些引起电动机转矩脉动的因素加以分析并

提出改进方法。接下来本文将论述换向转矩脉动产生的原因，并给出具体的转矩脉动表达式，
从而提出一种改进方法。
　　

2 永磁无刷直流电机的数学模型和运行特性

　　下面以采用

120°两两导通六状态的控制方式控制的一个三相星形无刷直流电机为例介

绍无刷直流电机的数学模型，首先做如下假设：

1）定子绕组为 60°整距集中绕组，星形连

接；

2）假设磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗；3）三相绕组完全对称，不考虑电枢反应；

4）电机定子绕组自感和互感为常数。
　　

3 换向转矩脉动分析

　　（

1）电机的换向过程电机的换向过程有多种可能，接下来本文只针对非重载条件的换

向转矩脉动问题进行分析，也就是要满足

E >0125 V <5 >， E 为电机的反电势， V 为电机

实际的线电压（不是电机的供电电压）。
　　设上桥由

A 相换到 B 相，在换向前 A 相电流以达到稳态值 I，电机角速度为 ω， A 相

反电势为

E，这时电机的实际线电压记为 V。由电机的等效模型（a）得到这时的电压方程

为：

V = V a = R I + E + V s V b = e b + V s 0 = V b = - R I - E + V s（3）在非强过载换向过

程中，电机

A 相电流 i a 在 B 相电流达到稳态值 I 以前先降为 0.在这种情况下电机换向的过

渡过程分为两个阶段：第一个阶段为

A 相电流逐渐减小到 0，在这个阶段中三相电流都不

为零，（

b）所示；第二个阶段为只有 B、C 相有电流，（c）所示，直到 B、C 相电流达到稳

态值为止。本文假设在电机换向过程中，电机角速度基本不变，

 A 相反电势也基本不变为

E。
　　在第一个换向阶段中所示，由于相电感的存在，

 A 相电流不可能瞬间跳变到 0，因此

A 相电流通过 VF 4 管的反向并联二极管续流，设这段时间电机的实际线电压为 aV，可以
看出，在非重载条件下，电机线电压不变时（即

aV = V 时）换向，电机的转矩脉动都为负

值，即换向过程中电机的转矩是减小可以看出，这种转矩脉动不仅依赖于电机电流，而且
依赖于电机的反电势

E，并且转矩脉动的相对值可以达到 50 %。因此，可以得出换向转矩

脉动对电机性能的影响是较大的，消除它可以很好的改善电机的运行特性。
　　

4 换向转矩脉动补偿

　　这里提到的补偿方法主要是通过改变换向期间电机电流环的电压，使得电机在换向期
间转矩脉动在换向期间上的绝对值的积分最小，以达到换向过程转速变化最小的目的。
　　通过表达式（

13）和（15）可以得到，当电机的实际线电压可以在第一个换向阶段内

提供换向前电压的

a =115 + E V 倍，并且在第二阶段换向期间使 a = 1，这样可使电机在换

向过程中基本无转矩脉动，但这样做需要在电机的每一次换向过程中施加一个很高的泵升
电压，这样不仅在实际中很难应用，而且对电机施加高电压将损害电机本体。本文所提到的
换向转矩脉动补偿方法，是通过软件实现的，即通过软件使电机在换向期间内的实际线电
压达到最大值（即这时不进行

PWM 脉宽调制，以使电机得到全部的额定电压） ，这样可

使电机在不增加硬件的条件下将换向期间的转矩脉动减至最小。但同时应该指出，由于一般
的电机调速系统都采用数字双闭环调速，因此只需在换向期间电流环还未对电流变化产生
响应的时间内使用本方法，而在电流环对电机电流变换产生响应后，应使用电流环调节器
对电机转矩和电流进行调节。
　　

5 仿真分析

　　根据以上的推算结果，本文利用

Matlab 仿真软件对以上分析进行数值仿真。仿真所用