燕山大学李珍国、韩启萌 等：基于回馈升压逆变器的无刷直流电机宽速度范围转矩脉动抑制

阅读提示：本文约2200字

无刷直流电机作为一种新型的高效电机具有广泛的应用前景，本文提出的转矩脉动抑制方法可进一步提升其应用范围改善其运行性能。

研究背景

无刷直流电机（BLDCM）由于其电子换向设计，相比传统有刷直流电机，在效率、可靠性、使用寿命、维护成本和性能表现上具有显著优势。这些优点使得BLDC电机成为满足现代社会对高效、可靠、长期稳定运行、低维护成本、精确控制、广泛环境适应性、紧凑设计和低噪声需求的理想选择。特别是在电动汽车、家用电器、工业自动化、航空航天和医疗设备等领域，BLDCM的应用广泛，对推动这些领域的技术进步和满足现代社会需求具有重要意义。

论文所解决的问题及所提策略

无刷直流电机转矩脉动问题：无刷直流电机在120°导通方式下存在固有的换相转矩脉动，限制了其在高稳定性、高精度场合的应用。换相转矩脉动最大可达到平均转矩的50%，因此需要采取有效的抑制策略。

回馈升压逆变器策略：为解决高速区间的转矩脉动问题，本文提出了一种回馈升压逆变器拓扑，能够在换相期间提升母线电压，以实现宽速度范围的转矩脉动抑制。回馈升压逆变器拓扑的能量来源于非换相期间的电机回馈，无需额外电源，有效提升电机能量利用率。

论文内容及创新点

本文对PWM_ON调制方式下的传统无刷直流电机转矩脉动抑制策略进行了分析，并指出了该方式在高速运行时由于受限于直流母线电压，PI控制器无法有效抑制换相转矩脉动。因此，本文提出了一种回馈升压逆变电路拓扑如图1所示，由开关管、二极管、电解电容和三相桥式逆变电路组成，相较于传统DC-DC升压拓扑，具有结构简单、无需额外感性器件的优点。

图1 回馈升压逆变电路拓扑

本文提出了适用于该拓扑的低速和高速控制策略。在低速时，仅需修改占空比即可实现转矩脉动抑制；而在高速时，通过回馈升压进一步提升母线电压，实现快速平稳换相。所提逆变电路在高速换相期间能够把直流母线电压Udc提升至Udc+UC0，通过事先给电容C0充电至所需值，不但有效抑制换相转矩脉动，而且可实现快速换相。

宽速度范围转矩脉动抑制的整体系统控制框图如图2所示的，采用传统的转速电流双闭环控制，系统中，相电流选择单元根据扇区信息S从三相检测电流中确定出非换相相电流in_com和关断相相电流iout；换相信号Scom由关断相相电流iout是否接近零来判断当前换相是否结束；电容电压期望值是将机械角速度与图框式子相乘计算得到，并与电容电压实际值做差后通过两电平滞环控制器得到电容的充放电状态SC；占空比换算单元负责给出开关管状态查询表所需占空比D*。

图2 宽速度范围转矩脉动抑制的整体系统控制框图

本文通过Matlab仿真和DSP驱动实验，验证了所提控制策略的有效性。课题室所用的实验平台如图2所示，图4和图5分别给出了传统方波闭环控制系统的实验波形和基于回馈升压逆变器控制系统的实验波形。实验结果显示，在500r/min和2000r/min转速下，换相转矩脉动分别降低至8.6%和10.3%。

图3 实验平台

图4 传统方波闭环控制系统的实验波形

图5 基于回馈升压逆变器控制系统的实验波形

本文所提出的回馈升压逆变电路拓扑结构简单，无需额外感性器件，具有轻量化优势。同时，提出的控制策略能够在宽速度范围内实现快速平稳换相，并有效抑制换相转矩脉动。这些方法及创新点为无刷直流电机的转矩脉动抑制提供了新的思路和技术手段。

结论

本文针对方波驱动下无刷直流电机固有的换相转矩脉动问题，提出了一种适用于宽速度范围转矩脉动抑制的回馈升压逆变器拓扑及控制策略。并对单个开关周期内电容电压的变化进行定量分析，同时给出了电容的选型方法。所提控制方法具有以下特点：

1、所提控制方案能够提供电机换相时所需的更高母线电压从而实现宽速度范围内的快速、平稳换相；

2、 所提电路结构简单、控制方便，电容能量全部来自于续流回路无需外加电源，有效提升了电机能量的利用率。

团队介绍

■ 李珍国 ，博士，副教授，研究方向为电力电子与电力传动。

■ 韩启萌 ，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。

本工作成果发表在2024年第6期《电工技术学报》，论文标题为“基于回馈升压逆变器的无刷直流电机宽速度范围转矩脉动抑制“。本课题得到国家自然科学基金的支持。

引用本文

李珍国, 韩启萌, 贾益丞, 常梦婷. 基于回馈升压逆变器的无刷直流电机宽速度范围转矩脉动抑制[J]. 电工技术学报, 2024,39(6): 1725-1736. Li Zhenguo, Han Qimeng, Jia Yicheng, Chang Mengting. Torque Ripple Suppression in Wide Speed Range of Brushless DC Motor Based on Regenerative Boost Inverter. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024,39(6): 1725-1736.

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