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无刷直流电机系统的能量分析及其控制策略设计

摘要

反电势为梯形波的无刷直流电机具有相比于反电动势为正弦波的永磁同步电机更

高的转矩密度，但这也导致无刷直流电机通常采用方波电流驱动，由于换相电感的存在，

难以得到理想的方波电流，产生较大的换相转矩脉动。因此，本文从能量角度出发，提

出无刷直流电机能量平衡策略，建立能量模型，计算能量判据控制系统运行，大大提高

了系统动态和稳态性能，并有效抑制了转矩脉动。

首先，针对传统转速-电流PI双闭环控制的动态过程较慢、有超调且参数较难整定

等问题，优化控制算法，设计基于能量平衡控制策略的无刷直流电机控制系统。该策略

通过分析无刷直流电机控制系统运行中的能量流动过程，以此建立了无刷直流电机的能

量模型。不需要整定外部控制器的参数，数学模型简单，并在启动、转速突变、负载突

变等各种复杂工况下都可以实现良好的动态与稳态性能。

其次，针对无刷直流电机的换相转矩脉动严重威胁电机平稳运行的问题，优化能量

控制算法，设计基于能量补偿策略的无刷直流电机转矩抑制优化系统。该策略分析换相

期间输入能量的变化对于电磁转矩的影响，结合无刷直流电机能量平衡控制机理，基于

能量补偿方式对转矩脉动进行优化。通过将换相时刻与非换相时刻区别开来，在换相时

刻补偿系统能量，生成带有转矩脉动抑制功能的PWM调制波，减少换相期间电流波动，

有效降低转矩脉动。

最后，通过仿真平台搭建无刷直流电机能量控制模型，并通过硬件实验，实现基于

能量平衡与补偿策略的无刷直流电机控制。仿真和实验结果均可表明，相比于传统的转

速-电流PI双闭环控制，基于能量平衡与补偿策略的控制系统对无刷直流电机动态性能

的提高有着显著作用，并且可以有效地抑制换相转矩脉动的产生。

关键词：无刷直流电机；能量平衡；动态性能优化；能量补偿；换相转矩脉动抑制

无刷直流电机系统的能量分析及其控制策略设计

ABSTRACT

ThebrushlessDCmotorwithtrapezoidalwavebackEMFhasahighertorquedensity

thanthepermanentmagnetsynchronousmotorwithsinusoidalwavebackEMF,butthisalso

leadstothefactthatthebrushlessDCmotorisusuallydrivenbysquarewavecurrent.Dueto

theexistenceofcommutationinductance,itisdifficulttoobtainanidealsquarewavecurrent,

resultinginlargercommutationtorqueripple.Therefore,fromtheperspectiveofenergy,this

paperputsforwardtheenergybalancestrategyofbrushlessDCmotor,establishestheenergy

model,calculatestheenergycriteriontocontroltheoperationofthesystem,greatlyimproves

thedynamicandsteady-stateperformanceofthesystem,andeffectivelyrestrainsthetorque

ripple.

Firstly,aimingattheproblemsofslowdynamicprocess,overshotanddifficultparameter

settingoftraditionaltach-currentPIdoubleclosed-loopcontrol,thecontrolalgorithmwas

optimized,andabrushlessDCmotorcontrolsystem