双绕组无刷直流电机的换相转矩脉动抑制策略

金浩 殷英 张旭

摘要：双绕组无刷直流电机热备份模式下会因某套绕组电流换相产生转矩波动，导致输出力矩不恒定，因此需要对换相转矩脉动进行抑制。本文结合并联结构双绕组无刷直流电机的特点，提出一种基于电流转移的换相转矩脉动抑制方法。在两套绕组都处于非换相阶段时利用电流预测方法将即将进入换相状态的一套绕组电流转移进入另外一套绕组，从而避开换相过程。仿真结果表明该方法在全速范围内对双绕组无刷直流电机能够有效抑制换相转矩脉动。

关键词：双绕组；换相转矩脉动；电流转移

无刷直流电机因体积小、效率高、控制简单等优点，在此基础上，在不过分增加电机体积以及控制复杂度，双绕组无刷直流电机设计被提出并得到广泛应用，也得到了很多的研究[1]。

对于双绕组无刷直流电机来说，换相转矩脉动可以达到平均转矩的50%左右，抑制换相转矩脉动成为减小电机整体转矩脉动的关键问题[2]。重叠换相法、直接转矩控制方法、神经网络方法等方法被用来抑制换相转矩脉动。除直接转矩控制作用于整个电机运行阶段之外，上述方法均是在电机换相阶段或者换相阶段附近内对电机绕组电流进行控制，进而抑制电机转矩脉动，由于换相时间限制，转矩脉动的抑制效果有限。

本文结合并联结构双绕组无刷直流电机的特点，借鉴文献[3]的电流预测方法，在两个电机在都处于非换相期间时进行电流的转移，使即将进入换相阶段的绕组电流变为零，从而抑制换相转矩脉动，通过仿真验证了该方法的有效性。

1 双绕组无刷直流电机换相转矩脉动分析

图2为换相前AB相导通的无刷直流电机三相绕组等效模型及驱动模型，图中状态为AC相导通。假设电机三相绕组完全对称。R为相绕组的电阻，L为相绕组等效电感，U0为电机中性点电压，U1为直流母线电压，EA、EB、EC分别为对应A、B、C相的反电动势，iA、iB、iC分别表示A、B、C相的电流，三相电流正方向如图。

由式（5）可以看出，电机在换相前如果绕组电流i降为零，则相应转矩脉动也为零。基于此，本文提出一种并联结构双绕组无刷直流电机的换相转矩脉动抑制策略，通过两套绕组间电流的转移抑制换相转矩脉动。

3 基于双绕组无刷直流电机的换相转矩脉动抑制策略

抑制换相转矩脉动主要依靠两个电机特征电流和在转移的过程中保持不变实现，本文采用文献[16]提出的单绕组无刷直流电机电流预测方法对两套绕组的特征电流的转移过程进行控制。

通过采样当前电流值，计算得到使下一个时刻电流达到期望值的电压。

在AB相导通时。

为了提高电机转矩的控制精度，电机特征电流的转移时间对应的采样周期数n应尽可能大，p为极对数。

4 仿真验证

在simulink模型中利用本文提出的轉矩脉动抑制方法和速度环、电流环均采用PID控制的方法进行效果对比。

设电机目标转速5000r/min，仿真频率为10kHz，α=15°。

从图4可以看出，低速情况下，传统方法电机换相转矩脉动为24.6%；新方法换相转矩脉动为0.6%。

本文基于并联结构双绕组无刷直流电机，设计电流转移算法，避开了换相过程，降低了电机换相转矩脉动。

参考文献：

[1] 孙权. 远洋渔船双绕组永磁电机推进系统研究[J]. 大连交通大学学报， 2014， 35（6）：110-112.

[2] 安群涛， 孙立志， 刘超， 等. 无刷直流电机的磁链自 控直接转矩控制[J]. 中国电机工程学报， 2010 （12）： 86-92.

[3] 林平， 韦鲲， 张仲超. 新型无刷直流电机换相转矩脉动的抑制控制方法[J]. 中国电机工程学报， 2006， 26（3）： 153-158. 航空学报