縫紉機控制器用無刷直流電機轉矩脈動的研究

　　摘要：對永磁無刷直流電機的轉矩脈動的產生機理進行了分析，并根據(jù)縫紉機控制器的特點，研究了縫紉機停機過程的換相轉矩脈動情況。提出了利用重疊換相和定子電流定頻采樣相結合的辦法，來抑制轉矩脈動，并給出了實驗結果。

　　關鍵詞：縫紉機;停機精度;無刷直流電機;轉矩脈動

　　引言

　　工業(yè)縫紉機作為一種機電一體化沒備，動力驅動系統(tǒng)是其技術的核心之一，采用無刷直流電機的縫紉機控制器與以前的產品相比，在性能上具有很大優(yōu)勢。本文將針對無刷直流電機轉矩脈動帶來的一些問題進行分析。

　　永磁無刷直流電機由丁其無換向火花，運行可靠，維護方便，結構簡單，無勵磁損耗等眾多優(yōu)點，在很多場合得到越來越廣泛的應用。

　　l 無刷直流電機的轉矩特性

　　無刷直流電機的等效電路如圖l所示。轉矩特性是電動機性能的重要指標，其中最重要的是平均轉矩和轉矩的平穩(wěn)性。無刷直流電機的平均轉矩比一般的電機高，但是無刷直流電機存在轉矩脈動問題， 這是影響無刷直流電機的應用的一個主要原因。

　　引起無刷直流電機的電磁轉矩脈動的主要原因有3種：齒槽轉矩脈動、因非理想反電動勢引起的轉矩脈動以及換相轉矩脈動。其中前兩者的產生跟電機的制造工藝或者轉子磁鋼充磁不理想有關，可以通過對電機本體的改造加以抑制。

　　2 換相轉矩脈動的理論分析

　　設換相期間，電機速度一定，電機反電動勢為理想梯形波形(平頂寬度為120°)，并認為換相期間各相繞組上的反電動勢幅值不變。

　　以電流從B相換流到C相(上橋臂換相)，A相為非換相繞組的換相過程為例分析。

　　換相前S1和S6導通，電流從A及B兩相繞組中通過;換相后是S1和S2導通，S6關斷，A及C兩相通電，B相繞組中的電流通過二極管向上續(xù)流。以直流電壓的中點為參考點，可以寫出換相期間三相電壓平衡方程：

　　式中：Vsa=(Sa-1/2)Vdc，Vse=(Sc-1/2)Vdc，分別表示A和C相繞組對參考點N0之間的電壓，Sa和Sc為開關量，例如Sa=1表示S1開通，S4關斷;Sa=O表示S1關斷，S3開通。

　　Vsa=(Sa-1/2)Vdc為A相繞組對參考點N0之間的電壓;Vsc=(Sc-1/2)Vdc為C相繞組對參考點N0的電壓，VNN0為電機的中點對參考點之間的電壓。考慮到三相Y接法的電機中有：ia+ib+ic=0，由式(1)的電壓平衡方程可得

　　與繞組的時間常數(shù)L/R相比，可以認為PWM的周期足夠小，則

忽略三相繞組的電阻的影響，則有

　　式中：Ka，Kb，Kc是為了表示的方便引入的變量。

　　解這個常微分方程，有

　　換相期間的轉矩包括兩部分，前面一部分為穩(wěn)態(tài)分量，后面一部分就是換相引起的脈動分量由此可知，換相引起的轉矩脈動與電機繞組的參數(shù)，換相期間三相反電動勢的變化規(guī)律，電機的運行速度及直流電壓，調制方法都有關系。根據(jù)前面的假設，三相反電動勢的波形為理想的梯形波，則有

　　可得理想反電動勢波形條件下?lián)Q相引起的轉矩脈動為

　　3 轉矩脈動的抑制

　　本文針對的是一種縫紉機控制器用的無刷直流電機，由于縫糾機的特點，要求電機停機時.具有較高的停機精度，因為停機位置的準確與否，直接關系到縫紉機整機性能以及同行對該機的整體評價。

　　在控制器設計中，在施加制動力矩之前，電機已經在預定的最低速度下正轉，而電機驅動系統(tǒng)的負載在停機過程中可以近似認為是不變的而且每次都是-樣，在這種情況下，認為每次停機時，所施加的制動力矩的持續(xù)時間和幅值都是恒定的，即認為每次停機時所施加的制動力矩的平均功率都是恒定的。通過調節(jié)該平均制動功率，保證電機準確停在指定位置：一旦該制動功率參數(shù)調整好之后，在以后每次停機過程中，將同樣的規(guī)則施加平均制動功率就可以保證較準確的停機位置。

　　但是，在實際調試驅動系統(tǒng)的過程中，發(fā)現(xiàn)電機在施加制動力矩期間，如果發(fā)生換相，則會影響到停機精度。這是因為換相使預定的平均制動力矩被改變，從而使得停機精度受到影響。因此，我們必須對停機時有換相的這種情況進行轉矩脈動的抑制。