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如何控制电流来降低磁阻电机的转矩波形从而消除噪音和震动

老赵说制造2020-12-25
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磁阻电机具有结构简单且强壮的机械特性,同时在制造生产的成本上也十分低廉,但却不受市场上的欢迎,主要的原因在于磁组电机运转时会产生剧烈的震动及嘈杂的噪音,这都会带给使用者不良的观感。


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在磁阻电机的研究中,无论是探讨电机外形尺寸的设计,或是电机驱动电路的规划,以及各类控制法的运用,往往都需要如何解决磁阻电机中震动及噪音的问题。磁阻电机中震动及噪音的来源,主要是可分为风阻及转矩波形这两部分:
风阻:起因主要来自于转子的型式,如下图为一般常见的磁阻电机定、转子结构,其转子齿间空缺的部分在运转时会具有风阻,使得电机运转时会产生风切声。

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磁阻电机定、转子图


转矩波形:为电机所产生的转矩不稳定,造成转矩波动的结果,如下图为磁阻电机的转矩图,其转矩不断的有大小值的变化,这波动的幅度就称为转矩波形,起因大部分是来自于电机定、转子间的齿槽效应以及输入电流切换时的不连续现象。不同的电机产生的主因不完全相同,其转矩波形的幅度也有大小之分。这种忽大忽小的转矩,会导致电机振动的产生,当频率高到某种程度时,就会转为噪音的形式表现出来。


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磁阻电机转矩图


转矩波形分析

由上述的说明,可以了解转矩波形其实就是电机转矩的一种现象,因此要分析转矩波形就需从磁阻电机的转矩来加以进行。

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磁阻电机转矩方程式
由上式的方程式中可知,电机转矩主要来自于电流( I )的大小值以及角度位置电感的变化量( dL/dθ)的值相乘所得,因此分为两个部分进行分析。
电感的变化量:主要是在描述磁阻电机定、转子间相互的齿对位所造成的电感量的差异性,如下图所示,当定子齿部与转子齿部相对齐时,电感量达到最高,而定子齿部与转子的凹槽相对齐时,电感量降至最低点,而这中间的电感上升及下降的变化量的线段斜率,就是公式中的电感的变化量( dL/dθ)的值。在理想的假设之下,变化量的斜率为固定值,但实际的情況如图所示,真实量测到的电感变化量其线段的斜率是不固定的非线性系統,其值的变化是难以估测的,因此会造成转矩输出的不稳定性。

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理想的磁阻电机电感量变化曲线图


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电感变化量实测曲线图
电流:电流在转矩公式中是来计算的,因此电流的影响会更为明显,平方倍的关系会导致电流的不稳定情況被扩大,如下图所示,可以明显的观察到,每相电流开关切换时,都会有一突波电流值的产生,同时在关闭后还会因为电感效应造成残余电流对电机转矩造成影响。

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磁阻电机输入电流图

将电流与理想电感曲线图相重叠,如下图所示,蓝色曲线为输入电流,而黑色线段为电感的变化量,可直接观察到当电感变化量为线性上升时,与电流相互作用后可产生一正向的转矩,而切换时所产生的电流突波则因电感线段的斜率值为零,使其对转矩波形的影响受到抑制,但关闭后所残留电流则会遇到电感下降,斜率为负值的区段,会造成负转矩的产生。

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电感位置与输入电流对位图
下图所示,为电流与电感作用下所产生出来的转矩,同时会产生正向及负向的转矩,导致转矩波形幅度增加。


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电流与电感作用所产生的转矩图


改善方式
在假设电感变化曲线图为理想的情況下,电流是造成波形转矩的主要来源,因此为了使电流稳定的输出,在磁阻电机的驱动中常使用CCC ( Chopped Current Control ) 电流截波控制的技術,如下图所示,将电流值控制在iH及iL之间,使电流在切换时所产生的突波受到有效的抑制。


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CCC典型电流波形
另一方面则是采用电流提前导通的方式,使的关闭后的残留电流不会進入电感负斜率曲线范围內,如下图所示,将电流输入位置往前移,避免负转矩的产生,以降低转矩波形的幅度大小。

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电流提前导通
由下图可知,适当的提前导通确实可抑制转矩波形的幅度,但过于提早导通,随不至于产生负转矩,但会导致最大转矩下降且幅度也增加,因此在使用时必须先计算评估,且在不同转速时提前导通的角度也会有所改变,以达到最佳的效益。

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无提前导通转矩图



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提前20度电气角导通转矩图
结论
磁阻电机因其本身特性,需要较大之电感值来增加转矩大小,而此电感值会导致电流的落后情況,故控制时须了解此一特点,進行提前导通补偿,可有效降低转矩波形的产生,降低电机的震动及噪音。



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