中心議題：

• 直流永磁無刷電動機的轉矩特性
• 電機運行中產生脈動轉矩的原因
• 針對換相電流引起轉矩脈動進行優化設計

解決方案：

• 電磁和齒槽引起的轉矩脈動以優化電機的設計來解決
• 通過電流補償法來減小電機在換相過程中電流引起的轉矩脈動

1. 引言

直流永磁無刷電動機由於其結構簡單
、可靠性高、低(di)速(su)大(da)扭(niu)矩(ju)等(deng)特(te)點(dian)而(er)得(de)到(dao)了(le)越(yue)來(lai)越(yue)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)，尤(you)其(qi)是(shi)近(jin)年(nian)來(lai)在(zai)電(dian)動(dong)自(zi)行(xing)車(che)中(zhong)得(de)到(dao)了(le)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)。由(you)於(yu)電(dian)動(dong)自(zi)行(xing)車(che)是(shi)人(ren)們(men)的(de)日(ri)常(chang)代(dai)步(bu)工(gong)具(ju)，因(yin)此(ci)人(ren)們(men)對(dui)整(zheng)車(che)的(de)啟(qi)動(dong)平(ping)穩(wen)性(xing)

，噪(zao)音(yin)等(deng)指(zhi)標(biao)提(ti)出(chu)了(le)較(jiao)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)。現(xian)有(you)電(dian)動(dong)車(che)電(dian)機(ji)大(da)部(bu)分(fen)采(cai)用(yong)直(zhi)流(liu)永(yong)磁(ci)無(wu)刷(shua)電(dian)機(ji)，電(dian)機(ji)的(de)鐵(tie)芯(xin)為(wei)直(zhi)槽(cao)結(jie)構(gou)，繞(rao)組(zu)為(wei)三(san)相(xiang)星(xing)形(xing)連(lian)接(jie)，逆(ni)變(bian)器(qi)一(yi)般(ban)工(gong)作(zuo)在(zai)兩(liang)兩(liang)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)。由(you)於(yu)直(zhi)槽(cao)電(dian)機(ji)在(zai)工(gong)作(zuo)時(shi)扭(niu)矩(ju)波(bo)動(dong)較(jiao)大(da),因(yin)此(ci)我(wo)們(men)必(bi)須(xu)優(you)化(hua)電(dian)機(ji)的(de)結(jie)構(gou)並(bing)配(pei)合(he)經(jing)過(guo)優(you)化(hua)設(she)計(ji)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)才(cai)能(neng)獲(huo)得(de)比(bi)較(jiao)滿(man)意(yi)的(de)效(xiao)果(guo)。本(ben)文(wen)就(jiu)如(ru)何(he)設(she)計(ji)直(zhi)流(liu)永(yong)磁(ci)無(wu)刷(shua)電(dian)機(ji)超(chao)靜(jing)音(yin)控(kong)製(zhi)器(qi)作(zuo)一(yi)些(xie)探(tan)討(tao)。

2. 直流永磁無刷電動機的轉矩脈動分析

永磁無刷電動機由於電磁因素、齒槽的影響、電流換向
、電樞反應等會產生較強的脈動轉矩。在設計電機和相應的控製係統時應認真考慮
，采取措施
，避免轉矩脈動過大。

2.1電磁因素引起的轉矩脈動

電磁轉矩脈動是由於定子電流和轉子磁場相互作用而產生的轉矩脈動，它與電流波形、反電動勢波形、氣隙磁通密度的分布有直接關係。理想情況下，定子電流為方波，反電動勢波形為梯形波，平頂寬度為120°電角度
，電磁轉矩為恒值。而實際電機中，由於設計和製造方麵的原因
，可能使反電動勢波形不是梯形波
，或波頂寬度不為120°電角度，這樣就會造成電機的扭矩脈動。

2.2齒槽引起的轉矩脈動

由(you)於(yu)定(ding)子(zi)鐵(tie)心(xin)槽(cao)齒(chi)的(de)存(cun)在(zai)，使(shi)得(de)永(yong)磁(ci)體(ti)與(yu)對(dui)應(ying)的(de)電(dian)樞(shu)表(biao)麵(mian)的(de)氣(qi)隙(xi)磁(ci)導(dao)不(bu)均(jun)勻(yun)，當(dang)轉(zhuan)子(zi)旋(xuan)轉(zhuan)時(shi)
，使(shi)得(de)在(zai)一(yi)個(ge)磁(ci)狀(zhuang)態(tai)內(nei)，磁(ci)路(lu)磁(ci)阻(zu)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，從(cong)而(er)引(yin)起(qi)轉(zhuan)矩(ju)脈(mai)動(dong)。齒(chi)槽(cao)引(yin)起(qi)的(de)轉(zhuan)矩(ju)脈(mai)動(dong)是(shi)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)場(chang)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)產(chan)生(sheng)的(de)
，與(yu)定(ding)子(zi)電(dian)流(liu)無(wu)關(guan)。因(yin)此(ci)抑(yi)製(zhi)由(you)齒(chi)槽(cao)引(yin)起(qi)的(de)轉(zhuan)矩(ju)脈(mai)動(dong)的(de)主(zhu)要(yao)集(ji)中(zhong)於(yu)優(you)化(hua)電(dian)機(ji)設(she)計(ji)上(shang)，如(ru)斜(xie)槽(cao)法(fa)。

2.3電流換向引起的轉矩脈動

圖1為電動車電機控製係統的框圖，控製器工作在兩兩導通的狀態。每隔60°電角度MOSFET換一次相。假如當前為Q1和Q5導通，則經過60°電角度，Q1和Q6導通。在Q1
，Q5導通期間，電流流經AB線圈，換相後電流流經AC線圈。由於電機的線圈為電感，在切換過程中，B相的電流會以指數下降，C相的電流會以指數上升。當Q5關斷後，AB相線圈的電流經過Q1→AB相線圈→Q2的體二極管續流，AB相線圈電流很快衰減為零，但是AC相的電流就需要相對較長的時間才能上升到換相前的大小。因此電機的電流出現較大的脈動。如圖2a中的CH3所示。其中的電流脈動已達到12A。換相期間的電磁轉矩為： 其中Te為電機電磁轉矩，e_a，e_b，e_c為相繞組電動勢，i_a，i_b
，i_c 為相繞組電流。

由於換相時間很短，可近似認為e_bae^ca ， zaihuanxiangquyuneibubianhua，yinciniujuyudianliuchengzhengbiguanxi，dianliudebodongzhijiedaozhiledianjizhuanjudebodong。zaidisudafuzaiyunxingdeqingkuangxia
，dianjidezhuanjumaidongyouweimingxian。

在直流無刷永磁電機的轉矩脈動原因中
，前兩種主要靠優化電機的設計來達到目的，對於第3種轉矩脈動
，我們可以通過電流補償法來減小電機在換相過程中的轉矩脈動。本文將重點介紹這種方法。
3．電流補償法減小電機的轉矩脈動

由於在低速大負載運行時，電機的旋轉反電勢很小，為了使電機的相電流不超過允許的最大值，PWM占空比通常比較小
，這使得換相後新的相繞組電流上升緩慢。圖3中是電機換相時的電流仿真波形。電機兩相之間的電感為Lm=0.4mH,內阻Rm=0.28歐姆（實際電機的參數）。采用AOS（萬代半導體）生產的AOT460 MOSFET進行仿真。MOSFET的PSPICE模型采用level3等級。由圖3中可以看出

，如果PWM占空比為30%
，則電流由零上升到30A需要約1.3ms。這與圖2a中實測的波形相仿。為了使換相後電流迅速上升，我們可以使換相後PWM占空比為100%來對電流進行補償，直到電流上升到換相前的電流值
，這樣可以使換相電流的波動盡可能的小，時間盡可能地短。由仿真波形中I2可以看出
，電流上升到30A的時間小於300us。
4．控製係統的設計

如何精準控製換相後的補償電流，即如何精確控製PWM100%占空比的時間是超靜音控製器設計的關鍵！這就要求控製係統的MCU具有以下的特點：

1) 有很快的A/D轉換速度，能夠在換相後連續快速采樣；
2) 能夠在PWM的開通期間特定時刻觸發A/D采樣；因為在PWM逆變器帶感性負載的控製係統中，由於係統的一些寄生參數導致PWM在開通和關斷期間電機的相線上出現振鈴（如圖4所示）
，這些振鈴會耦合到A/D采樣的回路中
，因此我們應避開在PWM開關過程中進行A/D采樣。如果我們在PWM開通期間的中點觸發電流采樣，我們將會得到電流的平均值，這將有利於我們對電流補償的控製。
事實上，找到這樣的MCU並不難，譬如英飛淩的馬達專用控製芯片XC866，CYPRESS的片上可編程控製芯片CY8C24533等。XC866的A/D轉換速度可以達到2us以內，加上程序的執行時間，一次A/D轉換需要的總時間在8us以內，以這樣的時間間隔來判斷電流補償是否完成已經足夠。CY8C24533是CYPRESS專為電機控製開發的帶高速A/D的芯片

，其SAR8轉換速度可以達到3us以內，加上其自動對齊觸發A/D模式
，可以在PWM的任意時刻觸發電流A/D采樣
，我們也很容易實現對電流的精準控製。

圖2b是采用XC866控製芯片的係統在經過上述方法優化後測得的換相電流波形

，由圖2b可ke以yi看kan出chu，換huan相xiang時shi的de電dian流liu脈mai動dong基ji本ben消xiao除chu，電dian機ji的de相xiang電dian流liu基ji本ben接jie近jin方fang波bo。用yong了le這zhe套tao控kong製zhi係xi統tong的de電dian動dong車che
，起qi步bu加jia速su以yi及ji運yun行xing時shi的de電dian機ji震zhen動dong已yi基ji本ben消xiao除chu，實shi現xian了le超chao靜jing音yin控kong製zhi器qi的de設she計ji。

5. 結語
通過選用合適的MCU實現高速可觸發A/D采樣
，對永磁無刷電機換相時的電流進行精準補償
，可以達到消除換相電流脈動
，減輕電機振動的效果。