永磁同步电机转矩脉动抑制的研究综述

贺科宁，徐 蕾

（武警工程大学，陕西 西安 710086）

在社会中，电能是最常用且最为普遍的二次能源，而电机作为机电能量转换装置，其电能消耗就占总电能消耗的70%。随着合理利用有限资源的呼声越来越高，如何有效地节能减排以及提高电机效率迫在眉睫，对电机的稳定性和可靠性提出了更高地要求，而现阶段最具有优势的电机是永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简写为PMSM）。随着电力电子技术、微机控制技术和控制理论的发展，更加促进了电机调速技术的发展，但永磁同步电机最显著的缺点就是转矩脉动的存在，由于电机本体的设计、控制器的偏差或反电势的畸变，电机的转矩随之产生脉动而影响了速度的稳定性和电机的效率，因此对转矩脉动的研究有着重要的意义。

1 永磁同步电机的转矩脉动分析

随着工业的发展，对永磁同步电机系统性能和应用范围要求越来越高，尤其对电机运行速度的稳定性提出了要求。但现实是，电机运行中转矩不稳定，影响了速度的稳定，也增加了电机的能耗，所以转矩输出平滑度成为衡量电机控制动态性能的重要指标之一，如何克服转矩脉动一直是国内外专家学者的研究重点。而在电机运行中产生转矩脉动主要由以下3个因素造成：①电机本体方面，如磁路不对称、定转子不同轴等电机加工工艺原因和磁路饱和现象等，使永磁体产生的磁场与电枢齿槽相互作用，引起齿槽转矩脉动；②电流谐波方面，由于逆变器的死区时间和开关管导通管压降等等非理想因素影响的存在，使调速系统引入大量的高次电流谐波分量；③检测误差方面，由于电流传感器的测量存在直流偏置，或者旋转变压器的测量存在正交、偏置等误差，会影响电机电流转矩计算的精确性，使得电机产生检测转矩脉动。

2 抑制转矩脉动的关键技术研究

国内外专家学者根据这些原因特点进行了多年的研究，并取得了一定的研究成果。主要有以下4种：

（1）空间电压矢量调制技术。空间电压调制技术理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）波形。这种方法使用的是全部的空间电压矢量，其数量理论上是无限的，但是矢量的个数越多，矢量表越细分，会导致控制方法越复杂，控制性能无法得到保证。

（2）速度环输出补偿。在同步旋转坐标系下，将迭代学习控制器、重复控制器等控制环节与转速外环的PI调节器并联，以补偿转速环输出的转速指令值。通过跟踪周期性给定实现周期性脉动抑制，适用于具有重复运动性质的工业过程。其中采用的PI迭代学习控制器作为反馈控制环的前馈电压补偿，有效抑制了周期脉动，但考虑实际应用中硬件电路的处理能力以及迭代学习算法的计算量问题，在实际中尚未达到理想效果。

（3）死区补偿法。①软件补偿法，一般以电压误差信号和电流极性为依据来对死区效应进行补偿，常常设计为前馈模式。软件补偿只需设计死区补偿算法写入电机控制系统中，省去了逆变器输出电压脉宽检测电路，不用额外设计对应的硬件电路；②硬件补偿法，在三相桥臂上增加实际输出电压检测电路，测出逆变器输出PWM波的脉宽，再与理想的参考PWM波脉宽进行比较并获得二者间的时间误差，以此对逆变器实际输出脉宽进行补偿，使之达到理想脉宽。在实际应用中，因为系统当前时刻，采样获得的电压脉冲和理想脉冲之间存在一个控制周期的延迟时间，特别是当相电流正负极性变换时，容易造成误补偿。

（4）谐波注入法。由于逆变器非线性特性及电机气隙磁场畸变因素的影响，定子电流畸变，电流中含有大量高次谐波，而这些谐波分量会导致电机转矩平滑度降低。在实际运用中，一种方法是提取各次谐波分量然后分别注入相应谐波分量来抑制谐波电流，虽然效果很好但是系统过于复杂；另一种就是提取总谐波电流然后整体注入以抑制谐波电流，这种方法对高次谐波的抑制效果好。

但是从实际的使用效果来看，当前没有一种使永磁同步电机转矩脉动最小化的控制方法。而现有的算法各有特点又存在缺陷，主要问题是：①现代控制理论方法涉及的运算量较大，对DSP控制芯片的运算速度和存储容量提出了较高地要求；②由于现有技术的局限性对转子位置的估算无法完全精准；③在利用开关控制的过程中不可避免的带来扰动；④难以实现永磁同步电机的非线性完全补偿；⑤算法中缺少适应动态系统中复杂变化的学习能力；⑥为保持系统的稳定运行很难测算出一个最优的控制量。

［1］吴玄玄.变频空调压缩机PMSM无传感器控制系统研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，2017.

［2］王硕，康劲松，钟再敏，等.电动汽车用永磁同步电机转矩脉动抑制方法综述［J］.电源学报，2016，14（5）：24-32.

［3］韩晓博.永磁同步电机矢量控制系统关键技术研究［D］.合肥：合肥工业大学，2017.