如何控制電流來降低磁阻電機的轉矩波形從而消除噪音和震動

2020-12-27 老趙說製造

磁阻電機具有結構簡單且強壯的機械特性,同時在製造生產的成本上也十分低廉,但卻不受市場上的歡迎,主要的原因在於磁組電機運轉時會產生劇烈的震動及嘈雜的噪音,這都會帶給使用者不良的觀感。

在磁阻電機的研究中,無論是探討電機外形尺寸的設計,或是電機驅動電路的規劃,以及各類控制法的運用,往往都需要如何解決磁阻電機中震動及噪音的問題。磁阻電機中震動及噪音的來源,主要是可分為風阻及轉矩波形這兩部分:

風阻:起因主要來自於轉子的型式,如下圖為一般常見的磁阻電機定、轉子結構,其轉子齒間空缺的部分在運轉時會具有風阻,使得電機運轉時會產生風切聲。

磁阻電機定、轉子圖

轉矩波形:為電機所產生的轉矩不穩定,造成轉矩波動的結果,如下圖為磁阻電機的轉矩圖,其轉矩不斷的有大小值的變化,這波動的幅度就稱為轉矩波形,起因大部分是來自於電機定、轉子間的齒槽效應以及輸入電流切換時的不連續現象。不同的電機產生的主因不完全相同,其轉矩波形的幅度也有大小之分。這種忽大忽小的轉矩,會導致電機振動的產生,當頻率高到某種程度時,就會轉為噪音的形式表現出來。

磁阻電機轉矩圖

轉矩波形分析

由上述的說明,可以了解轉矩波形其實就是電機轉矩的一種現象,因此要分析轉矩波形就需從磁阻電機的轉矩來加以進行。

磁阻電機轉矩方程式

由上式的方程式中可知,電機轉矩主要來自於電流( I )的大小值以及角度位置電感的變化量( dL/dθ)的值相乘所得,因此分為兩個部分進行分析。

電感的變化量:主要是在描述磁阻電機定、轉子間相互的齒對位所造成的電感量的差異性,如下圖所示,當定子齒部與轉子齒部相對齊時,電感量達到最高,而定子齒部與轉子的凹槽相對齊時,電感量降至最低點,而這中間的電感上升及下降的變化量的線段斜率,就是公式中的電感的變化量( dL/dθ)的值。在理想的假設之下,變化量的斜率為固定值,但實際的情況如圖所示,真實量測到的電感變化量其線段的斜率是不固定的非線性系統,其值的變化是難以估測的,因此會造成轉矩輸出的不穩定性。

理想的磁阻電機電感量變化曲線圖

電感變化量實測曲線圖

電流:電流在轉矩公式中是來計算的,因此電流的影響會更為明顯,平方倍的關係會導致電流的不穩定情況被擴大,如下圖所示,可以明顯的觀察到,每相電流開關切換時,都會有一突波電流值的產生,同時在關閉後還會因為電感效應造成殘餘電流對電機轉矩造成影響。

磁阻電機輸入電流圖

將電流與理想電感曲線圖相重疊,如下圖所示,藍色曲線為輸入電流,而黑色線段為電感的變化量,可直接觀察到當電感變化量為線性上升時,與電流相互作用後可產生一正向的轉矩,而切換時所產生的電流突波則因電感線段的斜率值為零,使其對轉矩波形的影響受到抑制,但關閉後所殘留電流則會遇到電感下降,斜率為負值的區段,會造成負轉矩的產生。

電感位置與輸入電流對位圖

下圖所示,為電流與電感作用下所產生出來的轉矩,同時會產生正向及負向的轉矩,導致轉矩波形幅度增加。

電流與電感作用所產生的轉矩圖

改善方式

在假設電感變化曲線圖為理想的情況下,電流是造成波形轉矩的主要來源,因此為了使電流穩定的輸出,在磁阻電機的驅動中常使用CCC ( Chopped Current Control ) 電流截波控制的技術,如下圖所示,將電流值控制在iH及iL之間,使電流在切換時所產生的突波受到有效的抑制。

CCC典型電流波形

另一方面則是採用電流提前導通的方式,使的關閉後的殘留電流不會進入電感負斜率曲線範圍內,如下圖所示,將電流輸入位置往前移,避免負轉矩的產生,以降低轉矩波形的幅度大小。

電流提前導通

由下圖可知,適當的提前導通確實可抑制轉矩波形的幅度,但過於提早導通,隨不至於產生負轉矩,但會導致最大轉矩下降且幅度也增加,因此在使用時必須先計算評估,且在不同轉速時提前導通的角度也會有所改變,以達到最佳的效益。

無提前導通轉矩圖
提前20度電氣角導通轉矩圖

結論

磁阻電機因其本身特性,需要較大之電感值來增加轉矩大小,而此電感值會導致電流的落後情況,故控制時須了解此一特點,進行提前導通補償,可有效降低轉矩波形的產生,降低電機的震動及噪音。

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