无刷直流电机启动抖动问题及优化控制策略研究

无刷直流电机启动抖动问题及优化控制策略研究

王军

四川九洲电器集团有限责任公司，四川省绵阳市，621000

摘要：针对无刷直流电机启动抖动问题，本文提出优化控制策略，调整电机控制器PID参数和加减速设置，优化电机转子设计与制造，减少不对称性，均衡负载分布，调整传动与安装，采用矢量控制或直接转矩控制等先进技术，增强传感器系统可靠性，确保信号准确稳定，提升电机运行平稳性，有效减少启动抖动，提升整体性能与可靠性，并对未来研究进行了展望。

关键词：无刷直流电机，启动抖动，控制策略，PID调整，矢量控制，传感器系统

1.引言

无刷直流电机作为一种高效、可靠的电动机，在工业自动化、电动车辆、家用电器等领域得到了广泛应用。然而，在实际使用过程中，无刷直流电机在启动时常常会出现抖动问题，这不仅影响了电机的运行稳定性和使用寿命，还可能导致设备性能下降和安全隐患。因此，研究无刷直流电机启动抖动问题及其优化控制策略具有重要的理论和实际意义。

2.无刷直流电机启动抖动的原因

2.1电机控制器参数设置不合理

电机控制器是无刷直流电机运行的核心，它负责根据输入的指令和传感器反馈的信号来调节电机的运行状态。如果控制器的参数设置不当，如PID（比例-积分-微分）控制器的增益、积分时间和微分时间设置不合理，或者加速度和减速度曲线的规划不够平滑，都会导致电机在启动和加速过程中产生较大的冲击和振动。这种振动不仅会影响电机的平稳运行，还可能对机械结构造成损害。

2.2电机转子不对称性

电机转子的不对称性是影响电机平衡性的关键因素。这种不对称性可能源于制造过程中的加工误差、材料不均匀或装配不当等。此外，电机长时间运行后，由于磨损和老化，也可能导致转子部件之间的间隙变化或质量分布不均。转子不对称会导致在旋转过程中产生离心力，进而引起电机的振动和噪声。在启动阶段，由于转速较低且电机处于不稳定状态，这种振动现象尤为明显。

2.3电机负载分布不均衡

电机负载分布不均衡是指电机所承受的负载在转子周围分布不均匀。这可能是由于传动系统设计不合理、负载安装位置不当或负载本身质量分布不均等原因造成的。负载分布不均衡会导致电机在运行时产生额外的力矩和振动，特别是在启动阶段，由于电机需要克服较大的静摩擦力和惯性力，这种振动现象会更加显著。

2.4传感器缺失或故障

无刷直流电机通常依赖传感器来检测转子的位置和速度信息，以便进行精确的换相控制。如果传感器缺失或出现故障，控制器将无法准确获取转子的实时状态信息[1]，从而无法进行精确的换相操作。这会导致电机在运行时出现换相不准确、电流波动大等问题，进而引起电机的振动和抖动。在启动阶段，由于转速较低且换相频率较高，这种振动现象尤为明显。

2.5其他因素

电源电压波动，电源电压的不稳定会导致电机输入电压的波动，从而影响电机的运行稳定性和转速控制精度。在启动阶段，由于电机需要消耗较大的启动电流，电源电压的波动对电机的影响更为显著。电机内部零件磨损，电机长时间运行后，内部零件如轴承、换向器等可能会出现磨损和老化现象。这些磨损会导致零件之间的间隙增大、配合精度下降等问题，进而引起电机的振动和噪声。接插件接触不良，电机控制系统的接插件如果接触不良或松动，会导致信号传输不稳定或中断，从而影响控制器的正常工作。在启动阶段，这种影响尤为明显，因为此时控制器需要接收和处理大量的传感器信号和执行指令。

3. 优化控制策略

3.1 优化电机控制器的参数设置

PID控制器是无刷直流电机控制中常用的反馈控制器，通过调整比例（P）、积分（I）和微分（D）三个参数，可以实现对电机转速和转矩的精确控制，如图1所示。在解决启动抖动问题时，应根据电机的具体特性和运行环境，对PID参数进行细致的调整。例如，增加比例增益可以提高系统的响应速度，但过大的比例增益可能导致系统超调；积分项用于消除稳态误差，但过大的积分增益可能引入积分饱和，导致系统不稳定；微分项则用于预测误差的变化趋势，提前进行修正，有助于减少系统的超调和振荡。在电机启动和停止过程中，合理的加速度和减速度设置对于减少抖动至关重要。通过增加加速度和减速度的过渡时间，可以使电机在启动和停止时更加平稳地过渡，避免由于急剧的加减速变化而引起的振动。根据电机的负载特性和工况要求，设计更加合理的加减速曲线，以实现更加平滑的启动和停止过程。

图1：优化控制策略原理图

3.2 优化电机转子的设计和制造

采用更精确的加工工艺和更先进的加工设备，可以减少电机转子在制造过程中的误差和不对称性。通过严格控制加工过程中的各项参数，如切削速度、进给量、刀具磨损等，可以确保转子部件的尺寸精度和形状精度达到设计要求[2]。对电机转子进行动平衡校正是提高电机平衡性和稳定性的有效手段。通过在动平衡机上对转子进行旋转测试，可以检测出转子在旋转过程中产生的不平衡力，并据此对转子进行校正。

3.3 优化电机负载分布

通过重新设计电机的传动系统，可以优化负载在电机转子上的分布。例如，采用更加合理的传动比和传动方式，可以减少传动链中的能量损失和振动传递；同时，通过优化传动部件的布置和连接方式，可以确保负载能够均匀地作用在电机转子上。根据电机的实际安装环境和负载情况，调整电机的安装位置也是优化负载分布的有效方法。通过调整电机的安装角度和高度等参数，可以使电机承受的负载更加均匀地分布在电机转子的轴线上，从而减少由于负载不平衡而引起的振动。

3.4 采用先进的电机控制技术

矢量控制技术是一种先进的电机控制技术，它通过对电机电流和磁场的精确控制，实现了对电机转速和转矩的解耦控制。采用矢量控制技术的无刷直流电机可以在启动和运行过程中实现更加平稳的转速和转矩控制，从而有效减少抖动现象的发生。直接转矩控制技术是另一种先进的电机控制技术，它直接对电机的转矩进行控制[3]，而不需要经过电流和磁场的中间转换。这种技术具有响应速度快、控制精度高等优点，特别适用于需要快速响应和高精度控制的场合。在无刷直流电机的启动和运行过程中，采用直接转矩控制技术可以更加精确地控制电机的转矩输出，从而减少抖动现象的发生。

3.5 加强传感器系统的可靠性和稳定性

选用具有高灵敏度和高可靠性的传感器是确保传感器系统稳定性和准确性的基础。高质量的传感器能够准确、稳定地检测电机转子的位置和速度信息，为控制器提供可靠的反馈信号。在传感器信号的传输和处理过程中，可能会受到各种外部干扰的影响，如电磁干扰、噪声干扰等。为了确保传感器信号的准确性和稳定性，需要采用先进的信号处理技术和抗干扰措施。

4.结束语

无刷直流电机启动抖动问题是一个复杂而重要的问题，涉及电机控制、机械设计、传感器技术等多个方面。通过优化电机控制器的参数设置、优化电机转子的设计和制造、优化电机负载分布以及采用先进的电机控制技术等措施，可以有效地解决无刷直流电机启动抖动问题。未来的研究可以进一步探索新的控制算法和优化方法[4]，提高无刷直流电机的运动控制精度和能量利用效率，为工业自动化、电动车辆等领域的发展提供更加可靠和高效的电机解决方案。

参考文献：

[1] 无刷直流电机的设计及优化[J]. 赵春芳;周杰;赵洪森.机电信息,2022(15)
[2] 基于DSP的无刷直流电机调速系统优化研究[D]. 付廷礼.青岛理工大学,2022

[3] 无刷直流电机转矩脉动的抑制研究[D]. 马超群.郑州大学,2022

[4] 电动汽车电机驱动控制系统研究[D]. 王自立.广西大学,2020