无刷直流电机电压前馈补偿控制方法研究

张咏昕 李临生 张博博

摘 要：无刷直流电机结构简单、机械性能稳定，故而在现阶段发电工业中得到广泛关注与应用。然而由于多种因素所导致的电压波動与谐波也是需要亟待解决的观念难题。从具体的原因角度而言机械结构、电磁波动等一系列因素均能形成显著影响，其中电磁场强的波动尤为重要。在实际的发电工程中我们可以通过电机电压前反馈补偿的方式予以控制。本文重点对其控制方法以及实现进行研究。

关键词：无刷直流电机 电压 前馈补偿 方法

中图分类号：TH862 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（a）-0038-02

无刷直流电机原理相对较为简单，但是由于其具有电流的单一性，故而在结构方面存在一定的优势。能够消除由于电流转换频次所带来的谐波影响。然而，从另一个角度而言此种发电模式受到电磁场强的扰动也更为显著，对于电压前馈补偿的要求也相对较高。从现有的研究结果来看，学术界对于电压前馈补偿的意义及其方法已经达成了基本的共识。认为在永磁条件下，其磁场是存在某种波动的，而此种波动势必会表现为发电电压的谐波特性，从而影响发电的质量。但是，针对此种问题的解决方式则存在一定的争议与更大的研究空间。从现有的研究结论角度来看，大致分为前馈补偿与后端治理两个方面。所谓的前馈补偿主要是指通过人为调节的方式来利用电压补偿使之能够维持在一个相对稳定的波动状态，进而消除相关的谐波扰动；而所谓的后端治理则是通过对发电机加装整流系统与装置来对发电质量进行提升，其中电压的前馈补偿更为常见。本文以此为基本的研究方法，对该方法的具体要素与实现开展研究，旨在能够为后续的相关实现与管理提供必要依据。

1 电压前馈补偿方法

所谓的电压前馈补偿主要是指对前段发电电压的自动计算与补偿机制来抑制由于磁场波动而带来的谐波扰动。从实际的方法确定与使用方法过程中我们需要确定其补偿的周期与具体的补偿数值。从实践的角度来看大致可以分为感应电动势计算与反电势的计算，具体内容如下。

1.1 感应电动势计算

理论上永磁无刷直流电机主磁场为矩形波磁场，转子转动时会在定子中产生感应电动势，该感应电动势由激磁电动势和电枢反应电动势组成，且与电动机外加电压方向不一致，它的存在严重影响了电机的运行性能。

而转子对于定子中电场的切割是形成直流电动势的根本来源。根据基础物理的相关理论推导，感应电动势可以表述为匝数与磁感线的乘积与2倍常数a的比值。从上述定义式中我们不难看出影响其变化的因素中除了长度、常数、匝数等客观定值（只与发电机的设计相关，而与其运行状态无关）。因此上述计算模式还可以利用常数C与磁场的乘积来进行描述。

在此种情况下，电场在转动的过程中势必会行车工完全且规整的正弦波图像。

在考虑到存在扰动的情况下，我们可以按照曲线的计算规则对不同幅度下的转动速度及其电势进行函数对照，即实际的电动势等于不同角度下瞬时电动势的数理积分值。

经过简化，端电压可以表述为E与IR的总和。通过转矩表达式来进行表征则为C、磁通量及电流的乘积。由此可知，当端电压U保持不变时，E变大，I相应会变小，进而使转矩变小，鉴于此，假如能实时补偿E，使Ia保持不变，对稳定转矩的意义重大。实践中也往往是通过此种模式的计算来确定补偿方式的。

1.2 反电势计算

在确定了电势计算模式的基础上对电压前馈补偿的方式进行了具体总结。而从实际操作的过程中我们还必须了解其前馈补偿中的具体补偿规模，即对于补偿电压的控制。这也就需要我们对反电势进行计算。

由永磁无刷直流电机的构造可知，其转子为永磁体，定子线圈通过外加电源产生旋转磁场，经由电磁感应驱动转子旋转，在此过程中转子永磁体会对定子线圈产生感应电动势，此时，U=Ea+IaR。由于永磁无刷直流电机的转子磁场类似正弦，因此定子线圈所产生的感应电动势在转速很高时会对转矩平滑性产生很大的影响，该反电势波形计算可以通过正弦值与夹角电势来予以确定。简而言之，在DSP为基准的计算体系中，反电势则主要是指在固定位点下所形成的空间分布下的电压补偿规模。

从上述的两个过程计算中我们可以从电压前馈补偿的方法以及具体计算规则方面对后续的相关体系建设形成有效的保障。在按照一定的工程规格加以建设的前提下，形成有效的补偿机制。

2 电压前馈补偿实现及效果分析

在确定了其具体方法与计算规范的基础上，我们有必要对具体的电压前馈应用与实践方式进行总结。在本文的研究过程中重点总结其前馈体系的落实及其可能产生的效果。

在实际的控制过程中，对永磁直流无刷电机采用移相控制的方法。移相控制时，任意状态下只有分属不同桥臂的两个功率管导通，这时会在定子线圈产生矩形电压脉冲。当电机启动后，感应电动势E将导致输入电压发生畸变；当转速较高时，畸变严重，此时将影响电机转矩平滑。为了最大程度消除感应电动势对控制效果带来的负面影响，拟在产生感应电动势时增大PWM占空比，用以补偿由感应电动势带来的压降，该方法亦称为电压前馈补偿法。永磁直流无刷电机的三相定子绕组为Y形连接，采用移相通电的控制方式时，任意状态下只有分属不同桥臂的两个功率管导通，并且每隔60°电角度（1/6周期）进行一次换相，每次换相只有一个功率管变化，每个周期中任一功率管导通120°电角度。

上述方式决定了在以功率为评价标准的导通顺序形成了有效固定。从而使得电势与反电势之间产生了有效叠加。在正弦波动情况下对波峰与波谷进行合理的规划与调配。与此同时，此种模式在一定程度上还能够满足对电压调配的上上限限定，避免由于过度的调节而产生另一个层面上的扰动。

为了进一步认证此种电压前馈补偿方式的有效性，本文采取波形拟合的方式来对其进行具体的判断。通过仿真软件形成多组发电机电流与电压输出图，在通过拟合的手段对其周期的合规性以及谐波电流出现的比例进行计算及评价。通过评价发现，此种电压前馈方式在电流控制波形方面没有明显的凹陷，且分布在极短的时间内所形成的循环波动；在时间与相电波形方面则形成了超过万分之一的重合比，故而在实际的应用过程中可以被认定为合规；在电压控制波形方面也表现出与电流控制相同的趋势。由上述结果可以判断通过电压前馈补偿控制的方式对客观上消除无刷直流发电机谐波具有较高的效能。适宜在后续的相关工程应用中予以实现。

除了上文分析所得到的结论之外，同样存在一些其他方式能够对谐波产生一定的治理效果，且我们也需要意识到谐波并不是发电机整流治理的唯一目的。这也需要我们在后续的研究过程中予以不断完善，并通过多种法方共同作用的方式来进一步提升发电质量与效能。

3 结语

通过上文的研究我们重点对于无刷直流发电机电压前馈补偿的必要性与作用进行了系统阐述。同时按照感应电势计算以及反电势计算的模式对电压前馈补偿的方法及其计算方式进行了分析；最后提出电压前反馈补偿的具体实现模式并对该种模式下的具体效果与有效性进行评估。希望在本文研究所取得结论的基础上能够为进一步形成更为有效的发电治理，为进一步提升发电质量贡献力量。

参考文献

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