王松林, 謝順依, 徐海珠, 連軍強

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無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

王松林, 謝順依, 徐海珠, 連軍強

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

針對無刷直流電機換相期間存在較大的轉(zhuǎn)動脈動，將直接轉(zhuǎn)矩控制方法用于無刷直流電機控制系統(tǒng)中,分析了直接轉(zhuǎn)矩控制的原理，結(jié)合無刷直流電機自身的特點，提出了略去磁鏈觀測環(huán)節(jié)的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制方案。該方案轉(zhuǎn)矩環(huán)采用滯環(huán)控制，根據(jù)轉(zhuǎn)矩環(huán)輸出和磁極位置決定施加的電壓空間矢量。仿真和試驗結(jié)果均表明，該方法能夠較好地抑制無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩波動，具有良好的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)。

無刷直流電機; 直接轉(zhuǎn)矩控制; 電壓空間矢量; 轉(zhuǎn)矩脈動

0 引言

無刷直流電機(brushless DC motor, BLDCM)具有恒定的機械轉(zhuǎn)矩和優(yōu)良的機械功率特性, 結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、調(diào)速性能好, 在工業(yè)、航天航空等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。由于齒槽轉(zhuǎn)矩和非理想的方波輸入、換相等多方面因素使永磁BLDCM的轉(zhuǎn)矩波動比較明顯, 影響了其性能的進一步提升, 限制了其在高精度伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[1-4]。

為了抑制BLDCM的轉(zhuǎn)矩脈動, 提高轉(zhuǎn)矩動態(tài)性能, 國內(nèi)外許多學(xué)者進行了大量的研究。文獻[5]通過反電動勢與電流的乘積獲得估測的轉(zhuǎn)矩, 并利用轉(zhuǎn)矩控制器減小了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動。有學(xué)者把直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control, DTC)思想引入到BLDCM控制系統(tǒng)中。文獻[6]提出了BLDCM的直接轉(zhuǎn)矩控制, 采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈雙閉環(huán), 電壓矢量在兩相導(dǎo)通模式中選取。該方案保持了傳統(tǒng)120°導(dǎo)通模式下良好的轉(zhuǎn)矩特性, 同時抑制了因換相和非理想反電動勢引起的轉(zhuǎn)矩脈動, 具有更好的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)。

為了簡化BLDCM-DTC系統(tǒng), 根據(jù)BLDCM具有位置傳感器的特點, 提出了無磁鏈觀測DTC方案。電機連續(xù)運行時, 由于位置傳感器給出的電壓空間矢量恰好能夠在電機定子上產(chǎn)生六邊形的磁鏈, 所以將DTC用于BLDCM時, 可以省去磁鏈觀測部分, 又能利用其轉(zhuǎn)矩控制的高動態(tài)性, 將電機的轉(zhuǎn)矩波形限定在規(guī)定的范圍內(nèi)。

1 BLDCM數(shù)學(xué)模型

BLDCM的反電動勢為梯形波, 忽略磁路飽和、磁滯和渦流損耗、換相過程和電樞反應(yīng)等影響, 以三相對稱Y型連接的BLDCM為例, 電機的電壓平衡方程為

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

2 BLDCM-DTC策略

2.1 電壓矢量

永磁BLDCM的脈寬調(diào)制(pulse-width modulated, PWM)控制中一般采用兩兩導(dǎo)通方式, 即每一時刻最多有2個功率管導(dǎo)通, 每隔1/6周期(60°電角度)換相一次, 每次只換相1個功率管, 因此對于逆變器來說有6個通電狀態(tài)和1個全關(guān)斷狀態(tài)。逆變器的空間電壓矢量可定義為

本文用6位二進制數(shù)來表示其電壓空間矢量, 每位二進制數(shù)代表一個功率管的狀態(tài), 1表示功率管導(dǎo)通, 0表示功率管關(guān)斷。如圖1所示各功率管的開關(guān)狀態(tài)與非零電壓空間矢量的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

由電機統(tǒng)一理論可知, 電機的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為[7]

式中: 為轉(zhuǎn)矩系數(shù); 為定子磁鏈空間矢量幅值; 為轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量幅值; 為定轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角, 即磁通角。

對于永磁BLDCM而言, 在實際運行中, 轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由永磁體產(chǎn)生, 其大小近似不變, 因此根據(jù)式(4), 只要控制定子磁鏈幅值不變, 改變磁通角的大小就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩。BLDCM直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想就是使定子磁鏈沿六邊形或近似圓形軌跡運行, 通過電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度, 控制定子磁鏈走走停停來改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度, 以調(diào)節(jié)磁通角的大小, 進而控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩。

3 BLDCM-DTC方案

式中: 為電機極對數(shù); , 分別是轉(zhuǎn)子磁鏈在軸的分量; , 分別是定子電流在軸的分量; 為轉(zhuǎn)子電角度。

表1 電壓空間矢量選擇表

式(5)中對相關(guān)量進行整理

將式(6)和式(7)代入式(5)中得

4 仿真結(jié)果與分析

圖3給出系統(tǒng)在負載轉(zhuǎn)矩為0.3 N×m的情況下, 采用DTC和傳統(tǒng)PWM電流控制方法的轉(zhuǎn)矩波形。從圖3(a)和圖3(b)比較可以看出, 采用DTC使得了轉(zhuǎn)矩脈動明顯減小了。圖4為2種控制方法的相電流仿真波形, 從中可以看出, 相較于傳統(tǒng)PWM電流控制, BLDCM-DTC控制系統(tǒng)中, 相電流波形有了很大改觀。

圖3 轉(zhuǎn)矩仿真波形

圖4 相電流仿真波形

圖5和圖6給出了試驗波形, 從中可以看出, 轉(zhuǎn)矩和電流的波形基本上和仿真結(jié)果一致。從仿真和試驗來看, 本文提出的BLDCM-DTC方案具有較好的動態(tài)性能, 能夠有效地抑制換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動。

圖5 轉(zhuǎn)矩試驗波形

圖6 相電流試驗波形

5 結(jié)束語

本文研究了BLDCM直接轉(zhuǎn)矩控制策略, 該策略較傳統(tǒng)PWM電流控制具有更快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性能。BLDCM的特殊性使得在對其進行直接轉(zhuǎn)矩控制時, 可以略掉磁鏈觀測部分, 可簡化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。仿真試驗結(jié)果表明, 該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高, 為進一步研究BLDCM直接轉(zhuǎn)矩控制方法提供參考。

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Direct Torque Control for Brushless DC Motor

WANG Song-lin, XIE Shun-yi, XU Hai-zhu, LIAN Jun-qiang

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To reduce the torque ripple generated in commutation period of blushless DC motor (BLDCM), the direct torque control (DTC) is used to control BLDCM. The direct torque control principle is analyzed, and a direct torque control scheme for BLDCM without observation of flux linkage is proposed according to the characteristics of BLDCM. In this scheme, a hysteresis-controlled torque loop is adopted, and the voltage space vectors are determined by torque loop output and position of magnetic poles. Simulation and experimental results indicate that the DTC method can significantly reduce the torque ripple of BLDCM and gain perfect dynamic performances.

brushless DC motor(BLDCM); direct torque control(DTC); voltage space vector; torque ripple

TJ631.2

A

1673-1948(2012)05-0367-04

2012-04-29;

2012-05-17.

王松林(1985-), 男, 在讀博士, 研究方向為魚雷無刷直流電機優(yōu)化控制.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)