無(wú)刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制

王松林, 謝順依, 張林森

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無(wú)刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制

王松林, 謝順依, 張林森

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為了減少無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng), 提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能, 將直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中。在分析傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制(PWM)電流控制的基礎(chǔ)上, 研究了DTC對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)非理想反電動(dòng)勢(shì)和換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制作用。根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)兩相導(dǎo)通的特點(diǎn), 建立了有磁鏈觀測(cè)和無(wú)磁鏈觀測(cè)的無(wú)刷直流電機(jī)DTC系統(tǒng)模型, 仿真與試驗(yàn)結(jié)果均表明, 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流和轉(zhuǎn)矩的有效控制, 比傳統(tǒng)PWM電流控制對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有更好的抑制性能, 提高了無(wú)刷直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。

無(wú)刷直流電機(jī); 直接轉(zhuǎn)矩控制; 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng); 非理想反電動(dòng)勢(shì)

0 引言

無(wú)刷直流電機(jī)具有輸出轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速特性優(yōu)良、損耗小、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn), 在軍事裝備、工業(yè)、民用控制系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用, 成為最具發(fā)展前途的電機(jī)產(chǎn)品[1-2]。但是, 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是無(wú)刷直流電機(jī)最突出的問(wèn)題, 制約了其在要求低紋波速度的調(diào)速系統(tǒng)和高精度位置伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用。為了抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、提高轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)性能, 有學(xué)者將直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control, DTC)思想引入無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)中。

DTC技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型、高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù), 其在定子坐標(biāo)系下以定子磁鏈為基本控制參數(shù), 通過(guò)對(duì)其幅值及相位的實(shí)時(shí)控制, 最終達(dá)到直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速、系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

本文研究了無(wú)刷直流電機(jī)兩相導(dǎo)通控制下的DTC系統(tǒng), 通過(guò)詳細(xì)分析無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性及電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈幅值和相位的關(guān)系, 得到最優(yōu)電壓矢量的選擇依據(jù)。仿真結(jié)果表明, 該控制方法與傳統(tǒng)脈寬調(diào)制(pulse-width modulated, PWM)電流控制相比更能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)DTC基本原理

1.1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

假定永磁無(wú)刷直流電機(jī)的三相反電動(dòng)勢(shì)波形為理想的梯形波, 忽略電機(jī)鐵心飽和, 不計(jì)渦流損耗和磁滯損耗, 以三相橋式Y(jié)接電機(jī)為例, 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電壓平衡方程為

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及三相反電動(dòng)勢(shì)和電流

1.2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)電壓空間矢量

永磁無(wú)刷直流電機(jī)的PWM控制中一般采用兩兩導(dǎo)通方式, 即每一時(shí)刻最多有2個(gè)功率管導(dǎo)通, 每隔1/6周期(60°電角度)換向一次, 每次只換相1個(gè)功率管, 因此, 對(duì)于逆變器來(lái)說(shuō)有6個(gè)通電狀態(tài)和1個(gè)全關(guān)斷狀態(tài), 用二進(jìn)制數(shù)可表示開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài),“1”和“0”分別表示功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷。無(wú)刷直流電機(jī)的電壓矢量可以定義為

圖2(a)為無(wú)刷直流電機(jī)三相兩兩導(dǎo)通時(shí)各開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)與非零電壓矢量的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 這6個(gè)離散的非零電壓矢量空間分布如圖2(b)所示, 圖2(c)是不同扇區(qū)下的繞組電流導(dǎo)通情況。

1.3 DTC原理

由電機(jī)理論, 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為

對(duì)于永磁無(wú)刷直流電機(jī)而言, 在實(shí)際運(yùn)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, 僅改變磁通角的大小就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩。無(wú)刷直流電機(jī)DTC系統(tǒng)的基本思想就是, 使定子磁鏈沿六邊形或近似圓形軌跡運(yùn)行, 通過(guò)電壓空間矢量來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度, 控制定子磁鏈走走停停來(lái)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(jìn)而控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

1.4 轉(zhuǎn)矩與鏈觀測(cè)

而通過(guò)控制定子電流和電壓可以達(dá)到控制定子磁鏈的目的, 其關(guān)系為

定子磁鏈的幅值和位置

1.5 最佳電壓矢量選擇和開(kāi)關(guān)信號(hào)表

無(wú)刷直流電機(jī)DTC系統(tǒng)如圖3所示, 圖中,該結(jié)構(gòu)對(duì)于兩相六狀態(tài)導(dǎo)通方式DTC系統(tǒng)中有定子磁鏈觀測(cè)和無(wú)定子磁鏈觀測(cè)的2種控制方法仿真皆可適用。開(kāi)關(guān)“1”狀態(tài)時(shí)表示系統(tǒng)采用了定子磁鏈觀測(cè), “2”表示系統(tǒng)采用直接自控制方法, 無(wú)磁鏈觀測(cè)。

圖3 無(wú)刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

開(kāi)關(guān)矢量選擇如表1所示, 灰色區(qū)域表示系統(tǒng)直接自控制方法中所使用的電壓矢量。根據(jù)扇區(qū)選擇施加系統(tǒng)所需的電壓空間矢量, 這與傳統(tǒng)PWM電流控制有所不同, 如在傳統(tǒng)PWM電流控制的HPWM-LON方式中, 對(duì)應(yīng)扇區(qū)Ⅰ根據(jù)電流調(diào)節(jié)器輸出導(dǎo)通狀態(tài)為(001001)和(000001), 而有磁鏈觀測(cè)DTC方案中使用1,6,3,4, 無(wú)磁鏈DTC方案中使用2,5。

表1 無(wú)刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制電壓矢量選擇表

2 抑制非理想反電動(dòng)勢(shì)和換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

在實(shí)際電機(jī)中, 由于設(shè)計(jì)與制造方面的原因, 很難做到無(wú)刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)為平頂寬度為120°電角度的梯形波。由式(2)可知, 傳統(tǒng)PWM電流控制下的電流波形會(huì)偏離方波, 導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩存在原理性脈動(dòng)。DTC以轉(zhuǎn)矩為控制對(duì)象, 實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制, 從而抑制因非理想反電動(dòng)勢(shì)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

由于換相過(guò)程是周期性的, 本文就選擇一個(gè)過(guò)程來(lái)研究無(wú)刷直流電機(jī)的電流換相過(guò)程, 換相前相導(dǎo)通, 換相后導(dǎo)通, 如圖4所示。

圖4 無(wú)刷直流電機(jī)電流換相過(guò)程中開(kāi)關(guān)狀態(tài)

圖5 換相過(guò)程中電流變化

傳統(tǒng)PWM電流控制系統(tǒng)中, 由于換相期間失去了對(duì)相電流的控制, 會(huì)產(chǎn)生明顯的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng), 因此, 通常會(huì)使用電流補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)調(diào)節(jié)關(guān)斷相的電流變化率, 從而保證非換相電流的恒定, 但是對(duì)系統(tǒng)的要求較高。本文采用的DTC方案能根據(jù)反饋的電磁轉(zhuǎn)矩自動(dòng)對(duì)導(dǎo)通相電流進(jìn)行斬波控制, 以高速區(qū)段為例,相電流下降比相電流上升的快, 換相過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)減少, 甚至超過(guò)設(shè)定的滯環(huán)帶, 此時(shí)對(duì)電機(jī)施以電壓矢量6, 對(duì)相電流進(jìn)行斬波控制以抑制其下降速率, 從而克服由換相引起的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提策略的控制性能, 對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)DTC策略和常規(guī)的無(wú)刷直流電機(jī)PWM控制策略進(jìn)行仿真研究, 電機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 無(wú)刷直流電機(jī)參數(shù)

圖6 脈沖寬度調(diào)制(PWM)電流控制下的仿真波形

圖7 直接轉(zhuǎn)矩控制下的仿真波形

圖8 直接轉(zhuǎn)矩控制下的相電流試驗(yàn)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了無(wú)刷直流電機(jī)DTC控制理論, 從直接控制電磁轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā), 與傳統(tǒng)PWM電流控制相比具有更快的響應(yīng)性能。分析了無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型, 根據(jù)無(wú)刷電機(jī)兩相導(dǎo)通方式的特點(diǎn)建立了有磁鏈觀測(cè)和無(wú)磁鏈觀測(cè)的DTC系統(tǒng)模型。分析了DTC對(duì)非理想反電動(dòng)勢(shì)和換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制作用, 并進(jìn)行了仿真, 仿真與試驗(yàn)結(jié)果均表明, 系統(tǒng)控制精度高, 動(dòng)態(tài)性能好。

圖9 直接轉(zhuǎn)矩控制下的轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)波形

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Torque Ripple Inhibition of Brushless DC Motor by DTC

WANG Song-lin, XIE Shun-yin, ZHANG Lin-sen

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

To minimize torque ripple and improve dynamic performance of brushless DC motor(BLDCM), the direct torque control(DTC) is applied to the BLDCM drive system. Based on the analysis of the pulse width modulation(PWM) current control, this paper researches into the torque ripple inhibition with DTC method, where the torque ripple is produced by both non-ideal back electromotive force (back-EMF) and current commutation. According to the characteristics of the BLDCM in two-phase conducting mode, a BLDCM-DTC drive system with and without stator flux control is established. Simulation and experimental results prove that the system makes effective control on torque and current, and gains better inhibition of torque ripple and faster dynamic response of the BLDCM, compared with conventional PWM current control.

brushless DC motor; direct torque control; torque ripple; non-ideal back electromotive force(back-EMF)

TJ630.32

A

1673-1948(2014)03-0194-06

2014-03-11.

王松林(1985-), 男, 在讀博士, 研究方向?yàn)闊o(wú)刷直流電機(jī)優(yōu)化控制.