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

工業縫紉機作為一種機電一體化沒備，動力驅動系統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點，在很多場合得到越來越廣泛的應用。

1、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，前面一部分為穩態分量，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，換相期間三相反電動勢的變化規律，電機的運行速度及直流電壓，調制方法都有關系。根據前面的假設，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換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調整好之后，在以后每次停機過程中，將同樣的規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的過程中，發現電機在施加制動力矩期間，如果發生換相，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。

首先介紹一種滯后換相（重疊換相）的方法，即關斷相延遲關斷一段時間，用以補償換相電流。為了能夠在延遲關斷期間在直流母線上反映出非換相相的電流（總電流），在換相期間采取關斷相和非換相相同步PWM調制而開通相恒通的措施，如圖2所示。

由圖2可以看出，如果僅僅采用重疊換相法，由于重疊換相的時間較難確定，并且影響轉矩脈動的因素很多，因此轉矩脈動抑制效果不理想。為了避免常規重疊換相法的缺點，得到更好的電流調節性能，文獻引入了定子電流定頻采樣電流調節技術，從而形成了電流定頻采樣和重疊換相技術相結合的電流控制方法，如圖3所示。也就是本文采用的轉矩脈動抑制方法。

在這種方法中，不象常規的滯后重疊換相法那樣只在換相開始時刻使關斷相延長導通一個時間間隔；而是在整個換相期間，在電流采樣點根據電流反饋信號對關斷相進行凋制。如圖3所示，在A相電流波動大于設定正閥值時關斷C相，使電流減小：在A相電流波動小于設定負閥值時開通C相，使電流增加。

仿真實驗證明，在電流采樣頻率為200 kHz時，與常規的重疊換相相比，轉矩脈動系數從43％減小到了23％。

4、實驗結果

根據所開發的高速平縫機無刷電機驅動系統的停機情況，進行了一系列實驗。得到的實驗結果如圖4和圖5所示。兩圖中最下部的曲線為上部波形的放大細節，為直流母線電流波形。


從圖4和圖5看出，制動期間，采取了一定的換相補償之后，直流母線電流的瞬間跌落程度得以補償，與沒有換相發生時的直流母線電流（圖略）的功率近似相等，從而保證了適當的反向力矩，使停機精度在運行范圍之內。值得指出的是，在下橋臂換相期間，直流母線出現負電流，但是在補償中行沒有采取負電流消除措施，這是因為通過關斷相的延遲導通，所補償得到的反向力矩已經可以保證停機精度在運行的范圍之內，因此沒有進步采取補償措施。