無磁鏈反饋無刷直流電機(jī)控制研究

李 占,李 斌,謝衛(wèi)彬,孫會琴

(河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

無磁鏈反饋無刷直流電機(jī)控制研究

李 占,李 斌,謝衛(wèi)彬,孫會琴

(河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

基于直接轉(zhuǎn)矩控制的無磁鏈反饋，提出一種無刷直流電機(jī)控制方法，該方法運(yùn)用轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的邏輯信號來驅(qū)動(dòng)空間電壓矢量，既起到直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩作用，又削弱了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；這種方法消除了復(fù)雜的磁鏈環(huán)節(jié)，SIMULINK和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。

直接轉(zhuǎn)矩控制；無磁鏈反饋；空間電壓矢量

隨著永磁材料、功率器件和智能理論的深度研究，無刷直流電機(jī)和其控制研究也有了更大的進(jìn)步，并被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)三輪車、四輪汽車等日常生活中，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)運(yùn)動(dòng)量的控制[1]。

在繞組換相時(shí)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是個(gè)缺陷,不僅會使得電機(jī)在控制系統(tǒng)中受到影響，還會引起速度特性方面的缺陷，因而提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的關(guān)鍵就是抑制或削弱轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

本文介紹的控制方法中,除去磁鏈環(huán)節(jié),直接進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)矩操作,針對BLDCM數(shù)學(xué)模型,計(jì)算轉(zhuǎn)矩的坐標(biāo)觀測,通過模型實(shí)現(xiàn)建立電機(jī)控制模擬,對比不同控制方法的運(yùn)行結(jié)果,并使用測功機(jī)對所研究電機(jī)做了空載和負(fù)載的設(shè)計(jì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

1 BLDCM的數(shù)學(xué)模型

分析一個(gè)三相永磁無刷直流電機(jī)，各相繞組在空間互相間隔120°電角度，在這種結(jié)構(gòu)上，作出以下設(shè)定：電機(jī)氣隙磁導(dǎo)均勻，磁路不飽和，忽略電樞繞組間互感以及定子繞組電樞的影響[2]。

考慮到iA+iB+iC=0, 則電機(jī)狀態(tài)方程如下：

(1)

式中：U為定子相電壓；R為相繞組電阻；i為定子相電流；L為定子間自感；M為定子間互感；e為定子反電動(dòng)勢。

圖1為BLDCM等效的原理圖。

圖1 BLDCM等效原理圖Fig.1 Equivalence schematic diagram of BLDCM

2 BLDCM的電磁轉(zhuǎn)矩分析

在大多數(shù)情形下，為了使無刷直流電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)比較容易，并考慮到在硬件方面有所簡化，電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法可表示為

Te=(eAiA+eBiB+eCiC)/Ω。

(2)

觀察式(2),可以計(jì)算得到電流i和轉(zhuǎn)速Ω，只是反電動(dòng)勢e一般不能直接取得,由式(1)可得：

(3)

由式(3)可以實(shí)際測量出三相定子相電壓U和相電流i，那么電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以綜合式(2)和式(3)進(jìn)行推導(dǎo)，進(jìn)一步深化分析電機(jī)轉(zhuǎn)矩觀測。

3 BLDCM的空間電壓矢量

電機(jī)設(shè)計(jì)采用全橋逆變電路，導(dǎo)通為120°，在逆變電路中，同一個(gè)橋臂的上下2個(gè)功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)，即上通下斷或上斷下通，這樣，在逆變電路的6個(gè)功率開關(guān)器件的基極上可以形成幾組不同的開關(guān)信號[3]。電壓空間矢量被表示成6位的二進(jìn)制數(shù)，其中6個(gè)非零電壓空間矢量V1，V2，V3，V4，V5，V6分別為(100001)，(001001)，(011000)，(010010)，(000110)，(100100)，而零電壓空間矢量V0(000000)代表繞組定子端電壓為零，即所有功率管呈閉合狀態(tài)。在圖2中，按照V1→V2→V3→V4→V5→V6的順序，6個(gè)基本非零空間電壓矢量空間上互差60°，將整個(gè)平面等分為6個(gè)區(qū)域相同的區(qū)間。

圖2 6個(gè)非零電壓空間矢量分區(qū)Fig.2 Six non-zero voltage space vectors

這樣，欲使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的話，控制器將根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的反饋信號，使逆變器反復(fù)施加相鄰的2個(gè)空間電壓矢量到三相電樞繞組上，并不斷調(diào)控它們的施加時(shí)間，即達(dá)到了控制要求[4]。

4 BLDCM的直接轉(zhuǎn)矩控制

在實(shí)際使用中，無刷電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可由滯環(huán)來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的輸出結(jié)果D以及Hall位置傳感器檢測出的開關(guān)信號所確定的扇區(qū)S來安排對應(yīng)的空間電壓矢量，則開關(guān)表如表1所示。

表1 DTC開關(guān)表

把電磁轉(zhuǎn)矩給定值與反饋值進(jìn)行比較，若估計(jì)值小于反饋值，則由滯環(huán)控制器得到差值D=1，那么電磁轉(zhuǎn)矩需要增大，此時(shí)選擇非零電壓矢量；當(dāng)D=0時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)該減小，則施加零電壓矢量，電磁轉(zhuǎn)矩變小，開關(guān)表的設(shè)置直接影響著控制系統(tǒng)的性能，這是無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制中最為關(guān)鍵的部分[5]。

5 BLDCM直接轉(zhuǎn)矩控制基本結(jié)構(gòu)

經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制包括2方面，首先在滯環(huán)環(huán)節(jié)中，分別把磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩的參考值與輸出值的誤差作對比分析，然后由滯環(huán)環(huán)節(jié)得到的輸出值和當(dāng)前磁鏈位置信息來選擇相應(yīng)的空間電壓矢量，綜上即對電機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)了直接控制。經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制如圖3所示。

圖3 DTC實(shí)現(xiàn)框圖Fig.3 Block diagram of direct torque control

雖然經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)行，但是這部分功能需要借助轉(zhuǎn)矩與磁鏈的滯環(huán)過程共同實(shí)現(xiàn)，又由于死區(qū)時(shí)間的存在會對磁鏈造成阻礙，導(dǎo)致定子磁通振幅會有波動(dòng)變化，給磁鏈反饋的觀測帶來很多麻煩[6]。

因此，就有了霍爾傳感器存在的意義，即忽略定子磁鏈觀測，使用霍爾傳感器檢測出轉(zhuǎn)子開關(guān)信號，再來確定空間電壓矢量，即本文分析的省去磁鏈的DTC方法，它不含傳統(tǒng)DTC中的磁鏈滯環(huán)環(huán)節(jié)，而是通過轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)來決定轉(zhuǎn)矩，以獲得波動(dòng)較小的轉(zhuǎn)矩[7]，其原理圖如圖4所示。

圖4 無磁鏈反饋DTC原理圖Fig.4 DTC schematics of no-flux feedback

圖4中：ng和n分別為參考轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速；Tg和Te分別為參考轉(zhuǎn)矩和反饋轉(zhuǎn)矩。

6 DTC的仿真模型建立

本文所述控制方法包括電機(jī)本體實(shí)現(xiàn)、位置檢測實(shí)現(xiàn)和邏輯換相實(shí)現(xiàn)[8]。

6.1電機(jī)本體實(shí)現(xiàn)

如圖5所示，基于無刷直流電機(jī)的本體數(shù)學(xué)模型，繪制模塊SIMULINK，這個(gè)模擬在整個(gè)仿真模型中是最關(guān)鍵的模塊。

6.2位置檢測實(shí)現(xiàn)

無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極位置檢測，即把信號傳輸?shù)竭壿嬮_關(guān)電路，然后用來控制定子繞組換相。位置檢測實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

6.3邏輯換相實(shí)現(xiàn)

邏輯換相即實(shí)現(xiàn)位置檢測信號的預(yù)處理，以所得的信號去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的MOSFET，按順序通電到電樞繞組上，因此產(chǎn)生了使繞組定子和轉(zhuǎn)子位置空間的垂直磁場，引起轉(zhuǎn)子運(yùn)行，確保在正常狀態(tài)下使用電機(jī)[9]，如圖7所示。

圖5 電機(jī)本體實(shí)現(xiàn)Fig.5 Motor body module

圖6 轉(zhuǎn)子位置檢測實(shí)現(xiàn)Fig.6 Rotor position detection module

7 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在SIMULINK環(huán)境下，基于DTC基本理論，針對無刷直流電機(jī)對上述封裝模塊進(jìn)行模擬。

電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 電機(jī)參數(shù)

圖7 邏輯換相實(shí)現(xiàn)Fig.7 Commutation logic module

在搭建的模型中設(shè)置上述參數(shù)，空載啟動(dòng)電機(jī)，然后在0.5 s時(shí)設(shè)置負(fù)載為4 N·m，分析結(jié)果，并將經(jīng)典控制技術(shù)與模擬DTC方法進(jìn)行比較，如圖8所示，由此得到速度和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形。

圖8 仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果Fig.8 Simulation results

突然給定電機(jī)一個(gè)負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速發(fā)生急劇變化，同時(shí)突變的還有電磁轉(zhuǎn)矩。由圖8 a)和圖8 b)可知，系統(tǒng)在很短的時(shí)間內(nèi)就進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，轉(zhuǎn)速有輕微的變動(dòng)，系統(tǒng)對負(fù)載的擾動(dòng)有較好的抗干擾特性。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波形在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，有較大峰值，在電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)矩快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，當(dāng)突加負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)矩又迅速調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)，而且整體波動(dòng)范圍較小[10]。

在SIMULINK仿真的同時(shí)，針對所研究電機(jī)進(jìn)行測功機(jī)加載實(shí)驗(yàn),如圖9所示，并使用示波器測量出實(shí)際響應(yīng)波形。電機(jī)的負(fù)載實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖9 測功機(jī)實(shí)驗(yàn)Fig.9 Dynamometer experiment

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results

由圖10可知，電機(jī)相電壓波形趨近于梯形波，相電流波形雖然有點(diǎn)毛刺，但是符合電機(jī)控制系統(tǒng)的預(yù)想波形。而線電流的圖像在電動(dòng)機(jī)空載時(shí)接近于一條直線，但是在突加負(fù)載的時(shí)候會引起電流增加，符合能量守恒定律，表明電機(jī)有很好的運(yùn)行特性。

8 結(jié) 語

本文根據(jù)課題組設(shè)計(jì)研制的一臺12/8極，1 kW功率的三相BLDCM進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。提出的設(shè)計(jì)方案簡化了滯環(huán)控制方式，直接利用轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)來對電壓空間矢量直接調(diào)配，使轉(zhuǎn)矩跳躍限制在一定區(qū)域內(nèi)?？傊?，根據(jù)SIMULINK和電機(jī)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本驗(yàn)證了控制系統(tǒng)有很好的實(shí)用運(yùn)行特性，削弱了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

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Study of brushless DC motor control without flux-linkage feedback

LI Zhan, LI Bin, XIE Weibin, SUN Huiqin

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

A brushless DC motor control method is proposed, which is based on the non-flux linkage feedback of direct torque control. The logic signals obtained from hysteresis design of speed and torque are used to allocate the appropriate voltage space vector, which not only control directly torque role, but also suppress torque ripple. The method eliminates the complex magnetic chain links. SIMULINK and experimental results show that the system meets the design requirements.

direct torque control; non-flux linkage; voltage space vector

1008-1534(2014)04-0296-06

2014-03-10;

2014-04-08；責(zé)任編輯：陳書欣

河北省科技廳軟科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(13455204D)

李 占 (1988-)， 男，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事運(yùn)動(dòng)控制及應(yīng)用方面的研究。

李 斌教授。E-mail：335371390@qq.com

TM351

A

10.7535/hbgykj.2014yx04006

李 占,李 斌,謝衛(wèi)彬,等.無磁鏈反饋無刷直流電機(jī)控制研究[J].河北工業(yè)科技,2014,31(4):296-301.

LI Zhan, LI Bin, XIE Weibin, et al.Study of brushless DC motor control without flux-linkage feedback[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(4):296-301.