永磁同步电机转矩脉动抑制方法研究

胡顺林：320925198505262012

摘要：永磁同步电机在工业等诸多领域应用广泛，但其转矩脉动问题影响运行性能。研究致力于探寻有效的转矩脉动抑制方法，分析了导致转矩脉动的因素，如齿槽效应、谐波影响等。通过对不同控制策略和优化设计的探讨，提出了具有针对性的解决方案，以提升电机稳定性和效率，为永磁同步电机的进一步应用提供理论支撑。

关键词：永磁同步电机；转矩脉动；抑制方法

引言：永磁同步电机凭借其高功率密度、高效率等优势，在众多行业得到大量应用。然而，转矩脉动问题一直是制约其性能提升的关键因素，它会引发电机振动、噪声增大等不良现象，影响设备的使用寿命和运行效果。因此，深入研究永磁同步电机转矩脉动抑制方法具有重要的现实意义和理论价值。

1转矩脉动影响因素分析

1.1齿槽效应影响

齿槽效应是永磁同步电机产生转矩脉动的固有物理诱因，电机定子铁芯开槽结构会使得定子齿槽与永磁体之间的磁导随转子位置发生周期性变化，即便绕组内部没有通入工作电流，依旧会产生齿槽转矩。齿槽转矩会叠加在电机输出电磁转矩之上，造成输出转矩周期性波动，直接影响电机低速运行工况下的转矩稳定性。电机定子铁芯的开槽数量、永磁体极弧系数、铁芯加工装配精度都会改变齿槽效应的强弱程度，加工过程出现的铁芯冲片偏差、永磁体安装位置偏移，还会进一步放大齿槽带来的转矩脉动，对电机驱动系统的运行平稳性造成直接干扰。

1.2谐波含量分析

电机运行过程中电磁磁场内部存在各类谐波分量，是诱发转矩脉动的重要来源，定子绕组通入实际工作电流当中包含时间谐波，电机气隙磁场存在空间谐波，两类谐波相互作用会产生额外的谐波转矩。谐波转矩会和电机主电磁转矩相互叠加，使最终输出转矩产生周期性振荡。绕组非理想分布、永磁体磁链畸变、逆变器输出电压畸变都会催生谐波分量，谐波阶次不同，所产生转矩脉动的频率与幅值也存在差异。谐波含量越高，转矩脉动现象就越显著，尤其在电机低速大负载工况下，谐波带来的转矩波动会进一步凸显，降低电机控制系统的输出品质。

1.3控制算法误差

控制系统层面的多种误差会加剧永磁同步电机转矩脉动。理想电磁转矩公式：

式中：为电磁转矩，为极对数，为永磁磁链，为d、q轴电感，为d、q轴定子电流。

当电流采样存在偏差、电机参数随温度‑负载发生漂移，实际代入公式的参数与真实值不一致，会造成解耦运算偏离实际工况。电流、速度调节器参数整定不当，会降低电流跟踪精度，造成参考电流与实际电流存在偏差。数字系统计算延时、PWM 调制输出畸变同样会引入误差，经转矩公式映射转化为输出转矩波动，最终表现为转矩脉动增大，降低电机运行的平稳性。

2现有抑制方法研究

2.1优化设计方法

优化设计方法从电机本体结构设计与制造工艺角度削弱转矩脉动，在电机设计阶段调整定子铁芯开槽形式，优化永磁体极弧系数，采用永磁体斜极或者定子斜槽的结构方案，以此削弱齿槽效应带来的齿槽转矩。通过合理设计绕组排布方式改善气隙磁场分布，抑制气隙磁场当中的主要谐波分量，降低谐波转矩的输出幅值。本体设计优化需要结合电机电磁性能、加工工艺难度综合权衡，部分结构调整会对电机输出转矩密度、制造成本带来一定影响。本体优化属于从源头抑制转矩脉动的手段，能够有效降低电机固有转矩脉动幅值，但无法完全消除由控制环节、逆变器畸变带来的转矩波动。

2.2控制策略改进

控制策略改进立足于电机驱动控制系统，通过调整闭环控制逻辑来削弱转矩脉动，传统PI矢量控制基础之上优化电流环与速度环的控制逻辑，提升系统对参考电流的跟踪精度，降低电流跟踪滞后带来的转矩波动。模型预测控制可以在每个控制周期内对多种电压矢量作用效果进行评估，选取最优电压矢量作用于电机，实现对电流谐波的抑制，以此降低输出转矩脉动。直接转矩控制通过对磁链与转矩的直接调控实现转矩快速响应，但传统直接转矩控制存在固有的转矩脉动缺陷，需要对其开关表、控制约束条件进行改进。该类方法无需改动电机硬件本体，依靠软件算法实现转矩脉动抑制，具备较高的工程应用灵活性。

2.3补偿技术应用

补偿技术应用通过向控制系统注入补偿信号，抵消各类扰动因素造成的转矩波动，是工程上较为常用的转矩脉动抑制手段。针对齿槽转矩、谐波转矩的脉动特征，提取转矩脉动对应的频率分量，在电流给定信号当中叠加对应的补偿电流，以此抵消谐波转矩带来的输出波动。针对电机参数漂移带来的扰动，引入前馈补偿环节，对参数偏差造成的电压电流误差进行补偿，削弱参数变化引发的转矩脉动。补偿技术的抑制效果高度依赖脉动特征辨识精度，如果扰动特征辨识存在偏差，补偿信号反而会引入新的转矩波动，因此补偿技术往往需要和其他控制手段相互配合使用。如图1

图1 转矩脉动补偿信号生成流程图

3新型抑制策略探讨

3.1智能控制策略

智能控制策略将智能算法引入永磁同步电机转矩脉动抑制环节，弥补传统控制策略对模型参数依赖性强的短板。利用神经网络具备的非线性拟合能力，对电机内部复杂的转矩脉动扰动进行在线辨识，根据辨识结果实时修正控制输出量，抑制各类非线性因素带来的转矩波动。模糊控制不需要建立精确的电机数学模型，依靠经验规则完成控制量调节，能够应对电机参数发生偏移、外部负载扰动等复杂工况，改善系统在参数失配条件下的转矩输出品质。智能控制策略对处理器运算性能有一定要求，随着主控芯片算力不断提升，该类策略在永磁同步电机驱动领域具备较高的应用潜力。

3.2复合控制方案

复合控制方案将多种抑制手段相互结合，兼顾电机本体特性与控制系统调节能力，实现多源转矩脉动的综合抑制。将本体结构优化得到的电机基础特性，与改进控制策略、扰动补偿技术进行有机结合，本体优化用来削弱电机固有齿槽转矩与谐波转矩，控制算法与补偿环节用来处理逆变器畸变、参数漂移、外部负载扰动带来的剩余转矩脉动。复合控制方案可以规避单一抑制手段存在的局限性，单一方法难以兼顾全部扰动来源，多方案协同作用可以拓宽转矩脉动抑制的适用工况范围，提升电机在不同转速不同负载条件下的转矩输出平稳性，更加适配高性能驱动场景的实际需求。

3.3自适应调节技术

自适应调节技术可以在电机运行过程中实时辨识系统扰动与参数变化，自动调整控制环节的相关参数与补偿幅值，实现转矩脉动的动态抑制。电机在运行过程中会出现永磁体退磁、绕组电阻随温度变化等现象，固定参数的补偿与控制方案抑制效果会逐步下降。自适应调节技术能够在线识别齿槽转矩、谐波转矩的实际幅值相位，动态更新补偿信号，同时自适应修正控制器的调节参数，让控制系统始终匹配电机当前实际运行状态。该技术可以有效应对电机工况变化带来的扰动，提升系统鲁棒性，但算法设计相对复杂，需要权衡算法收敛速度与系统运行稳定性之间的关系。

结束语：综上所述，对永磁同步电机转矩脉动抑制方法的研究是一个持续且具有挑战性的课题。通过对影响因素的分析、现有方法的研究以及新型策略的探讨，虽取得了一定进展，但仍需不断深入探索。未来应结合实际应用需求，进一步优化抑制策略，提高电机性能，推动永磁同步电机在更多领域的广泛应用。

参考文献：

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