張詠昕 李臨生 張博博

摘 要：無刷直流電機結(jié)構(gòu)簡單、機械性能穩(wěn)定，故而在現(xiàn)階段發(fā)電工業(yè)中得到廣泛關(guān)注與應(yīng)用。然而由于多種因素所導(dǎo)致的電壓波動與諧波也是需要亟待解決的觀念難題。從具體的原因角度而言機械結(jié)構(gòu)、電磁波動等一系列因素均能形成顯著影響，其中電磁場強的波動尤為重要。在實際的發(fā)電工程中我們可以通過電機電壓前反饋補償?shù)姆绞接枰钥刂啤１疚闹攸c對其控制方法以及實現(xiàn)進行研究。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機 電壓 前饋補償 方法

中圖分類號：TH862 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0038-02

無刷直流電機原理相對較為簡單，但是由于其具有電流的單一性，故而在結(jié)構(gòu)方面存在一定的優(yōu)勢。能夠消除由于電流轉(zhuǎn)換頻次所帶來的諧波影響。然而，從另一個角度而言此種發(fā)電模式受到電磁場強的擾動也更為顯著，對于電壓前饋補償?shù)囊笠蚕鄬^高。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，學(xué)術(shù)界對于電壓前饋補償?shù)囊饬x及其方法已經(jīng)達成了基本的共識。認為在永磁條件下，其磁場是存在某種波動的，而此種波動勢必會表現(xiàn)為發(fā)電電壓的諧波特性，從而影響發(fā)電的質(zhì)量。但是，針對此種問題的解決方式則存在一定的爭議與更大的研究空間。從現(xiàn)有的研究結(jié)論角度來看，大致分為前饋補償與后端治理兩個方面。所謂的前饋補償主要是指通過人為調(diào)節(jié)的方式來利用電壓補償使之能夠維持在一個相對穩(wěn)定的波動狀態(tài)，進而消除相關(guān)的諧波擾動；而所謂的后端治理則是通過對發(fā)電機加裝整流系統(tǒng)與裝置來對發(fā)電質(zhì)量進行提升，其中電壓的前饋補償更為常見。本文以此為基本的研究方法，對該方法的具體要素與實現(xiàn)開展研究，旨在能夠為后續(xù)的相關(guān)實現(xiàn)與管理提供必要依據(jù)。

1 電壓前饋補償方法

所謂的電壓前饋補償主要是指對前段發(fā)電電壓的自動計算與補償機制來抑制由于磁場波動而帶來的諧波擾動。從實際的方法確定與使用方法過程中我們需要確定其補償?shù)闹芷谂c具體的補償數(shù)值。從實踐的角度來看大致可以分為感應(yīng)電動勢計算與反電勢的計算，具體內(nèi)容如下。

1.1 感應(yīng)電動勢計算

理論上永磁無刷直流電機主磁場為矩形波磁場，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時會在定子中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該感應(yīng)電動勢由激磁電動勢和電樞反應(yīng)電動勢組成，且與電動機外加電壓方向不一致，它的存在嚴重影響了電機的運行性能。

而轉(zhuǎn)子對于定子中電場的切割是形成直流電動勢的根本來源。根據(jù)基礎(chǔ)物理的相關(guān)理論推導(dǎo)，感應(yīng)電動勢可以表述為匝數(shù)與磁感線的乘積與2倍常數(shù)a的比值。從上述定義式中我們不難看出影響其變化的因素中除了長度、常數(shù)、匝數(shù)等客觀定值（只與發(fā)電機的設(shè)計相關(guān)，而與其運行狀態(tài)無關(guān)）。因此上述計算模式還可以利用常數(shù)C與磁場的乘積來進行描述。

在此種情況下，電場在轉(zhuǎn)動的過程中勢必會行車工完全且規(guī)整的正弦波圖像。

在考慮到存在擾動的情況下，我們可以按照曲線的計算規(guī)則對不同幅度下的轉(zhuǎn)動速度及其電勢進行函數(shù)對照，即實際的電動勢等于不同角度下瞬時電動勢的數(shù)理積分值。

經(jīng)過簡化，端電壓可以表述為E與IR的總和。通過轉(zhuǎn)矩表達式來進行表征則為C、磁通量及電流的乘積。由此可知，當端電壓U保持不變時，E變大，I相應(yīng)會變小，進而使轉(zhuǎn)矩變小，鑒于此，假如能實時補償E，使Ia保持不變，對穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩的意義重大。實踐中也往往是通過此種模式的計算來確定補償方式的。

1.2 反電勢計算

在確定了電勢計算模式的基礎(chǔ)上對電壓前饋補償?shù)姆绞竭M行了具體總結(jié)。而從實際操作的過程中我們還必須了解其前饋補償中的具體補償規(guī)模，即對于補償電壓的控制。這也就需要我們對反電勢進行計算。

由永磁無刷直流電機的構(gòu)造可知，其轉(zhuǎn)子為永磁體，定子線圈通過外加電源產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，經(jīng)由電磁感應(yīng)驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在此過程中轉(zhuǎn)子永磁體會對定子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，此時，U=Ea+IaR。由于永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)子磁場類似正弦，因此定子線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢在轉(zhuǎn)速很高時會對轉(zhuǎn)矩平滑性產(chǎn)生很大的影響，該反電勢波形計算可以通過正弦值與夾角電勢來予以確定。簡而言之，在DSP為基準的計算體系中，反電勢則主要是指在固定位點下所形成的空間分布下的電壓補償規(guī)模。

從上述的兩個過程計算中我們可以從電壓前饋補償?shù)姆椒ㄒ约熬唧w計算規(guī)則方面對后續(xù)的相關(guān)體系建設(shè)形成有效的保障。在按照一定的工程規(guī)格加以建設(shè)的前提下，形成有效的補償機制。

2 電壓前饋補償實現(xiàn)及效果分析

在確定了其具體方法與計算規(guī)范的基礎(chǔ)上，我們有必要對具體的電壓前饋應(yīng)用與實踐方式進行總結(jié)。在本文的研究過程中重點總結(jié)其前饋體系的落實及其可能產(chǎn)生的效果。

在實際的控制過程中，對永磁直流無刷電機采用移相控制的方法。移相控制時，任意狀態(tài)下只有分屬不同橋臂的兩個功率管導(dǎo)通，這時會在定子線圈產(chǎn)生矩形電壓脈沖。當電機啟動后，感應(yīng)電動勢E將導(dǎo)致輸入電壓發(fā)生畸變；當轉(zhuǎn)速較高時，畸變嚴重，此時將影響電機轉(zhuǎn)矩平滑。為了最大程度消除感應(yīng)電動勢對控制效果帶來的負面影響，擬在產(chǎn)生感應(yīng)電動勢時增大PWM占空比，用以補償由感應(yīng)電動勢帶來的壓降，該方法亦稱為電壓前饋補償法。永磁直流無刷電機的三相定子繞組為Y形連接，采用移相通電的控制方式時，任意狀態(tài)下只有分屬不同橋臂的兩個功率管導(dǎo)通，并且每隔60°電角度（1/6周期）進行一次換相，每次換相只有一個功率管變化，每個周期中任一功率管導(dǎo)通120°電角度。

上述方式?jīng)Q定了在以功率為評價標準的導(dǎo)通順序形成了有效固定。從而使得電勢與反電勢之間產(chǎn)生了有效疊加。在正弦波動情況下對波峰與波谷進行合理的規(guī)劃與調(diào)配。與此同時，此種模式在一定程度上還能夠滿足對電壓調(diào)配的上上限限定，避免由于過度的調(diào)節(jié)而產(chǎn)生另一個層面上的擾動。

為了進一步認證此種電壓前饋補償方式的有效性，本文采取波形擬合的方式來對其進行具體的判斷。通過仿真軟件形成多組發(fā)電機電流與電壓輸出圖，在通過擬合的手段對其周期的合規(guī)性以及諧波電流出現(xiàn)的比例進行計算及評價。通過評價發(fā)現(xiàn)，此種電壓前饋方式在電流控制波形方面沒有明顯的凹陷，且分布在極短的時間內(nèi)所形成的循環(huán)波動；在時間與相電波形方面則形成了超過萬分之一的重合比，故而在實際的應(yīng)用過程中可以被認定為合規(guī)；在電壓控制波形方面也表現(xiàn)出與電流控制相同的趨勢。由上述結(jié)果可以判斷通過電壓前饋補償控制的方式對客觀上消除無刷直流發(fā)電機諧波具有較高的效能。適宜在后續(xù)的相關(guān)工程應(yīng)用中予以實現(xiàn)。

除了上文分析所得到的結(jié)論之外，同樣存在一些其他方式能夠?qū)χC波產(chǎn)生一定的治理效果，且我們也需要意識到諧波并不是發(fā)電機整流治理的唯一目的。這也需要我們在后續(xù)的研究過程中予以不斷完善，并通過多種法方共同作用的方式來進一步提升發(fā)電質(zhì)量與效能。

3 結(jié)語

通過上文的研究我們重點對于無刷直流發(fā)電機電壓前饋補償?shù)谋匾耘c作用進行了系統(tǒng)闡述。同時按照感應(yīng)電勢計算以及反電勢計算的模式對電壓前饋補償?shù)姆椒捌溆嬎惴绞竭M行了分析；最后提出電壓前反饋補償?shù)木唧w實現(xiàn)模式并對該種模式下的具體效果與有效性進行評估。希望在本文研究所取得結(jié)論的基礎(chǔ)上能夠為進一步形成更為有效的發(fā)電治理，為進一步提升發(fā)電質(zhì)量貢獻力量。

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