无刷直流电机转矩脉动抑制系统的新型拓扑研究
中南林业科技大学计算机与信息工程学院的研究人员朱俊杰、刘浩然等，在2018年第17期《电工技术学报》上撰文指出，无刷直流电机在换相过程中产生的转矩脉动，已严重阻碍其在航空、航天等领域的广泛应用。通过分析无刷直流电机在换相过程中产生转矩脉动的原因，设计了一种CUK-NPC拓扑，该拓扑通过前级CUK变换器代替传统直流电源，有效提高了输出电压范围，并采用中点钳位型三电平逆变桥进一步提高抑制效果。
CUK-NPC拓扑控制策略使导通相与关断相电流变化速率相同，非换相相电流保持恒定，从而达到抑制换相转矩脉动的目的。实验结果表明：该拓扑结构以及控制策略能有效应用于无刷直流电机驱动系统，电机在不同速度阶段换相转矩脉动都得到了明显抑制。
无刷直流电机因其动态响应快、体积小、效率高、结构简单，已广泛应用于家电、航天航空、汽车产品等领域。随着永磁新材料与电力电子技术的不断发展，无刷直流电机的应用领域也在不断拓展。然而方波驱动无刷直流电机普遍存在严重的转矩脉动问题，致使其无法大量应用于高精度伺服控制系统。
引起转矩脉动的因素有换相、齿槽效应、电枢反应、加工工艺等，其中换相转矩脉动约占平均转矩的50%[1]。因此，抑制无刷直流电机换相转矩脉动具有重要的应用价值和理论研究意义。
目前国内外学者在无刷直流电机转矩脉动抑制方面取得了大量成果。文献[1]对电流反馈调节、重叠换相、电流预测控制、直接转矩控制、PWM调制等方法进行了详细介绍，重点分析了通过增加前级逆变器调节直流母线电压的转矩脉动抑制方法，得出通过Z源逆变器仿真主电路，可将高、低速阶段转矩脉动降低到平均转矩的5%以下。
文献[2-6]中通过增加前级逆变拓扑的方法在一定程度上降低了转矩脉动。文献[2]在逆变桥前加入Buck降压电路，相电流在低速阶段更趋向于120°理想方波。文献[3]采用罗氏结构改变输入直流母线电压，在高速运行时其抑制效果明显优于Buck电路。以上两种方法因输出电压范围的局限性，仅能在特定的转速区间改善电机运行效果，因此前级逆变器需采用输出电压范围较宽的拓扑结构。
文献[4]设计了一种单端初级电感变换器（Single Ended Primary Inductor Converter, SEPIC），采用电压调制策略使导通与关断相电流变化速率一致，其抑制效果在高速及低速阶段均得到极大的改善。文献[5]提出在三相桥臂前增加准Z源网络，该方法可将转矩脉动控制在平均转矩的12%以内。文献[6]提出使用DC-DC升压逆变器来抑制转矩脉动，其中CUK拓扑的两种工作模式分别为换相区间以及导通区间供电，且采用了脉冲幅值调制方式调节电压。
以上文献均指出若在换相期间保持反电动势与直流母线电压的线性关系，相电流将会保持为恒定值，转矩脉动也会被抑制。
三电平逆变器作为一种可实现高压、大功率电能转换的逆变器拓扑已广泛应用于大容量系统中。近年来对于三电平逆变器驱动中低功率系统的研究逐渐增多[7]。在种类各异的多电平逆变器拓扑中，中点钳位型（Neutral Point Clamped, NPC）逆变器因其输出电流谐波低、高频情况下开关损耗少、共模电压小等特点，在中低功率系统使用较为广泛[8]。
文献[9]提出一种将两独立的改进型SEPIC前级逆变器与NPC三电平相结合的新型拓扑，使转矩脉动在全速范围内被有效抑制，但其控制方法未明确表达且前级电路为两相同SEPIC电路，不利于节约系统成本。在此基础上，文献[10]利用电容串联分压，将双源SEPIC变为单源拓扑，实验验证了所提出的单电源驱动拓扑在四种前级电路中抑制效果最佳。
本文设计了一种基于CUK变换器的转矩脉动抑制方法，其逆变桥由中点钳位型三电平代替传统两电平，通过开关选择电路周期性地切换两种不同的电源，提高电压利用效率。
首先分析了无刷直流电机转矩脉动的成因，得出可通过调节输入直流电压使它与反电动势保持正比关系，达到转矩脉动抑制的目的；其次分析了CUK变换器工作原理，设计了一种CUK-NPC拓扑；最后在Matlab/Simulink平台上搭建了无刷直流电机转矩脉动抑制仿真模型，并采用TI公司TMS320F28335为核心控制芯片的实验系统平台，验证本文所提方法的有效性。
图16 无刷直流电机实验系统平台
图17 系统结构框图
本文提出了一种无刷直流电机转矩脉动抑制方法，通过对换相转矩脉动的分析得出转矩、电流、电压、反电动势之间的关系。设计了一种CUK-NPC无刷直流电机驱动拓扑，由开关选择电路周期性切换电源，使输入直流电压与反电动势在换相过程中保持线性关系。分别给出了四种不同转速下相电流波形，随着速度提高其波形逐渐平稳，且CUK-NPC抑制效果最佳。
仿真和实验表明：本文设计的驱动拓扑在不同的转速对换相转矩脉动的抑制效果明显优于两电平CUK变换器，换相过程中未出现不规则电流，控制策略有效。