1 抑制转矩脉动的重要性
随着现代电子技术和微电子技术的发展，无刷直流电机控制技术发展得越加成熟，优越性越加凸显，应用范围越来越广泛。但无刷直流电机特有的控制特性以及特有结构，在为人们带来新机遇的同时，又给人们带来了严峻的挑战，其应用会产生转矩脉动，使其在高精度、高稳定性、更加广泛领域中的应用受到了很大限制。对于无刷直流电机来说，转矩脉动是其运行过程中最需要关注的一个重要问题，所以，分析探索更好的控制方法，有效抑制转矩脉动，提升电机的转矩特性，具有十分重要的现实意义。
2 直接转矩控制的原理
无刷直流电机的转矩的大小不但与转子、定子的磁链幅度有关，还与定子和转子的磁链夹角有关。直接转矩控制的核心思想是：在幅值不变的情况下，其夹角从0°到90°，其电磁转矩就会随之从0变到最大。也就是说，通过对夹角的控制能有效控制转矩。转矩受到电压矢量的影响主要体现在转子和定子磁链夹角的控制作用，电机在运行过程中，定子的磁链幅值是额定值且恒定，而转子的磁链取决于负载。要想优化控制转矩，必须改变转子和定子的磁链夹角，通过改变电压矢量来完成。零电压矢量让定子磁链停，而工作的电压矢量则让定子磁链走，电压矢量控制其走停动作。也就是说，电压矢量通过控制力磁通角的大小，也就控制了无刷直流电机的直接转矩。
3 造成无刷直流电机转矩脉动的原因
3.1 电磁因素引起的转矩脉动
电磁因素引起的转矩脉动主要是由于转子磁场与定子电流在相互作用下引起的转矩脉动，其转矩脉动和电流以及反电动势波形、气隙磁通密度分布有着直接的关系。从理论上来说，定子的电流是方波，而反电动势则为梯形波，其反电动势波形的平顶宽度为120°电角度，电磁转矩应为恒定值。但在实际运行中，电机由于制造或者设计等方面的原因，使感应电动势的理想梯形波难以保持；或梯形波的平顶宽度不为120°电角度；电流方波也不是理想的波形，而是近似梯形波；转子位置检测的精度不够，或者控制系统精度不够，导致电流和感应电动势不同步等，上述这些因素均会引起转矩脉动。
3.2 齿槽引起的转矩脉动
齿槽引起转矩脉动的主要原因是在定子铁心的齿槽和转子永磁体磁场的相互作用下，从而在其圆周方向产生的转矩脉动，与定子电流没有关系。由于存在定子齿槽，气隙不均匀，使在一个齿距内的磁通集中在齿部，从而使气隙磁导不为常数。当电机中转子旋转时，会使气隙磁场发生变化，从而产生齿槽力矩，进而产生转矩。齿槽力矩具有永磁电机的固有特性，当电机运行处于低速轻载时，齿槽转矩脉动就会产生转速波动，产生振动与噪声。
3.3 电流换向引起的转矩脉动
无刷直流电机在运行时，其定子绕组会按一定顺序进行换流。各相绕组之间存在电感，会使电流的瞬时变化造成阻碍，电机每历经一个磁状态，就会使电枢绕组中的电流从该相切换至另一相，从而产生转矩。
4 无刷直流电机直接转矩控制的优化措施
4.1 BLDCM磁链自控直接转矩控制
无刷直流电机在两两导通情况下，以二进制数0，1来表示功率管导通与关闭，功率管的关断转台状态用（000000）U0表示，通电状态则由U1(100001)、U2（001001），…，U6（100100）来表示，从而构建定子三相坐标系。通过U1～U6这6个电压矢量将该空间分成6个扇区。无刷直流电机的磁链幅值和电压空间矢量控制，以往直接转矩控制措施是通过控制定子磁链幅值，将其设为定制，再通过调整空间电压矢量来改变θ角，从而控制转矩。但在实际运行时，由于存在浮动相电压，使每个控制周期的磁链并非定值，所以传统方法控制转矩比较困难。因此，可采用磁链自控直接转矩方式控制转矩。磁链自控策略主要包括转速环与转矩环，但不包括磁链环。在每个控制周期中，为使转矩偏差得到最大限度的补偿，可优选垂直转子磁链方向上的最大电压空间矢量，借此方法判定转子磁链位置，再通过施加相应的电压就可使无刷直流电机的磁链实现自控制，进而很好地实现直接转矩控制。
4.2 占空比调制抑制转矩方法
针对以往转矩控制中系统中存在开关频率不恒定，以及每一个控制周期由于始终施加恒定的电压矢量导致转矩脉动更大等问题，可通过在系统中引入占空比调制技术实现直接转矩控制。引入占空比调节方法的无刷直流电机，其非零电压矢量和零电压矢量作用时间不再是整个控制周期，作用时间会随着实际的占空比的变化而发生变化。所以，对电机转矩的控制将会变得更加精细，会使转矩脉动得到有效抑制。占空比调节方式是利用转矩误差来确定占空比，再由确定的占空比来确定一个控制周期内非零电压矢量作用时间，那么其他时间就是零电压矢量的作用时间，从而达到有效控制转矩脉动的目的。
具体方法包括：（1）有效值法。在每个控制周期内，将转矩误差有效值取最小值，然后确定占空比。之后再在每个控制周期内对其施加非零电压矢量。一段时间后，剩余时间则施加零电压矢量，从而有效实现控制转矩。其中非零电压矢量作用时间是由确定的占空比计算而得出的。（2）最终值法。通过利用无刷直流电机转矩无差拍控制的理念，在每个控制周期内其施加非零电压矢量。一段时间后，剩余时间则施加零电压矢量。在控制周期结束后，使实际的转矩值等于给定转矩值，再确定占空比，从而达到控制转矩的目的。
4.3 采用12扇区划分的控制策略
采用六位二进制数表示电机的电压空间矢量，每个二进制数代表1个功率管的开关状态，1表示功率管的通电状态，0则表示功率管关断。例如100101表示功率管1、4和6处于通电状态，而其余的处于关断状态，也就是说A相上桥管和B、C相下桥管处于通电状态；100001则表示1、6功率管开通，其余关断，也就是说A相上桥管和C相下桥管处于通电状态。再引入Park坐标变换，对无刷直流电机进行分析和控制。将引入的Park坐标系矢量复平面和三相定子坐标系的轴进行重合，计算电压矢量。当采用二二导通电压空间矢量时，对其做理想化处理，求得两相导通，从而求得电压空间矢量，同理也可求得其他非零电压矢量。当采用三三导通方式时，也可求得电压空间矢量和其他非零电压矢量。不管是采用二二导通还是三三导通方式，其所对应的电压空间矢量均可划分为6扇。将这两种方式的产生的12个空间矢量进行融合，从而形成12扇区的电压空间矢量。由于每切换一次电压矢量所调节的磁通角就会过大，造成转矩调节并不平稳，波动较大。而12扇区的划分相比基于电压矢量空间6扇区来说，其对转矩的控制效果更好，能进一步减少无刷直流电机的转矩。采用二三相混合导通策略，通过构建区别于传统6扇区电压空间矢量的12扇区模式，选择最为合适的电压空间矢量，从而使定子磁链旋转速度得到有效控制，进而调节磁通角，以更好地实现转矩平稳控制的目的。
4.4 离散空间矢量调制
离散空间矢量调制方法主要是利用在一个采样周期中增加电压矢量数量，从而实现减小转矩脉动。传统直接转矩控制系统一般在一个采样周期内施加一个单一电压矢量。离散空间矢量方式是将一个采样周期平均划分为3个时间段，每一个时间段作用一个电压矢量，通过这组方式会得到更多的电压矢量，这样就可有效控制转矩脉动。利用离散空间矢量方法，在一个扇区内可得到19个不同但等效的电压矢量。在19个电压矢量中，11个电压矢量均和零电压矢量组合，其每个交点就代表一个电压矢量终点。但是开关表中的电压矢量采用不同非零电压矢量组合，使编程变得较为复杂，大大增加了开关的频率。所以，可在此基础之上不断优化开关变，减小开关频率。在确保电机运行正常的情况下，在一个控制周期之内，所施加的非零电压矢量作用时间越短，产生的转矩脉动就会越小。因此，采用离散型空间矢量3个时间段方法可在一个控制周期内使电机在低速运行时减小转矩。通过优化开关表，完全去除非零电压矢量和非零电压矢量组合。所以，在3个时间段内，其开关状态只改变一次，优化和简化了的开关表能有效降低开关频率。相关研究结果显示，优化开关表的前后，改善电流波形和减小转矩脉动等方面变化并不大，尽管施加的零电压矢量数量有所增加，但电机在低速运行时仍具有较强的带载能力。所以，采用离散空间矢量调制方法，能保证电机在低速时还具备带载能力，且开关频率也得以降低。在实际系统中，采用优化的开关表，能达到减小转矩脉动的目的。
5 结语
综上所述，通过分析直接转矩控制的原理和造成无刷直流电机转矩脉动的原因，可以认识到电机转矩脉动问题较为严峻。在清醒认识到这一点的同时，更应探索无刷直流电机直接转矩控制的优化策略，以获取更为优良的转矩性能。
参考文献
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（作者系中国海洋大学硕士研究生）
