基于轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)臒o刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制分析

張　飛　劉　選　譚　濤

（長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南　長沙　410114）

基于轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)臒o刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制分析

張飛劉選譚濤

（長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南長沙410114）

無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)在直接轉(zhuǎn)矩控制過程選擇正確的矢量電壓產(chǎn)生影響，在控制系統(tǒng)中加入轉(zhuǎn)矩的前饋補(bǔ)償，用來削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)開關(guān)表選擇產(chǎn)生的誤差，使得電機(jī)在運(yùn)行過程中在每個(gè)扇區(qū)都能獲取合適的矢量電壓，并輸出預(yù)期的轉(zhuǎn)矩，從而提高直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果。通過仿真驗(yàn)證，運(yùn)用轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)闹苯愚D(zhuǎn)矩控制能很好的抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

無刷直流電機(jī)；轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償；直接轉(zhuǎn)矩控制；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

無刷直流電機(jī)（Brushless DCmotor，）具有能量密度大、控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，已在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于齒槽轉(zhuǎn)矩、非理想反電動(dòng)勢(shì)、電流不恰當(dāng)?shù)膿Q相等因素會(huì)導(dǎo)致其輸出轉(zhuǎn)矩容易產(chǎn)生脈動(dòng)［1］。為了提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，近年來直接轉(zhuǎn)矩控制（Directed Torque Control，DTC）已成為無刷直流電機(jī)控制研究的重點(diǎn)內(nèi)容，文獻(xiàn)［2］結(jié)合直接轉(zhuǎn)矩控制與分段式滑模變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)無刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)狀態(tài)進(jìn)行重構(gòu)，很好地提高了整個(gè)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制。文獻(xiàn)［3］提出了一種無磁鏈觀測(cè)條件下電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制，無刷直流電機(jī)120°導(dǎo)通的特點(diǎn)，通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，通過減小電流的脈動(dòng)來減小電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)保證了電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)［4］提出無一種磁鏈自控直接轉(zhuǎn)矩控制方案，根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差進(jìn)行滯環(huán)調(diào)節(jié)，根據(jù)滯環(huán)調(diào)節(jié)器測(cè)輸出信號(hào)和轉(zhuǎn)子所在位置決定輸出相應(yīng)的電壓矢量，以實(shí)現(xiàn)磁鏈的自控制，有效地降低電流換相過程中引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。盡管學(xué)者們?cè)谥苯愚D(zhuǎn)矩控制研究方向獲得很多成果，但是直接轉(zhuǎn)矩控制仍然存在問題，如何在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步的降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也是研究熱點(diǎn)。

本文提出對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制過程中轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)姆绞絹磉M(jìn)一步降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)貫穿與其運(yùn)行的整個(gè)階段，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載不同其脈動(dòng)大小不同，雖然直接轉(zhuǎn)矩控制可以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但不能完全消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這種脈動(dòng)的存在極大的影響了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，尤其是在電壓矢量開關(guān)的選擇中，可能導(dǎo)致選擇不正確的電壓矢量，不能達(dá)到預(yù)期的輸出轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果不明顯。加入轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償后可以削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)控制信號(hào)產(chǎn)生的影響，對(duì)期望轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，使其能夠準(zhǔn)確的選擇電壓矢量開關(guān)，在每個(gè)扇區(qū)都能獲取給定方向的轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)按照給定方向平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1　無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

無刷直流電動(dòng)機(jī)主要是由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路3部分組成，并以電子換向取代傳統(tǒng)機(jī)械換向的直流電機(jī)。以三相繞組為例，繞組完全對(duì)稱、星形連接，且沒有中線，同時(shí)假設(shè)磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗，，則無刷直流電機(jī)三相繞組的電壓平衡方程為：

式中：Ua，Ub和Uc為定子繞組a、b、c三相電壓；R為繞組電阻；Ia，Ib和Ic為a、b、c三相電流；Ea，Eb和Ec為定子繞組的三相反電動(dòng)勢(shì)；L為相繞組的自感與互感之差；P為微算分子，即

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為磁鏈的函數(shù)：

2　直接轉(zhuǎn)矩控制

由式（2）可知，電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩由定子形成磁鏈的幅值、轉(zhuǎn)子形成磁鏈的幅值和磁通角大小所決定。由于電機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值不變，所以只能通過控制定子形成的磁鏈和改變磁通角的大小來調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩的大小。定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)方向取決于施加電壓矢量的方向，并沿著電壓矢量的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)根據(jù)位置傳感器確定出轉(zhuǎn)子磁鏈位置后，由定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的空間垂直關(guān)系判斷出定子磁鏈的位置，結(jié)合電壓矢量開關(guān)表與對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系施加當(dāng)期位置的電壓矢量，定子磁鏈就可以隨著電壓矢量改變而運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡為正六邊形。因此，通過判斷定子磁鏈的扇區(qū)位置，結(jié)合轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的滯環(huán)信號(hào)選擇施加相應(yīng)的電壓矢量，達(dá)到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的目的［5］。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)矩環(huán)?？刂葡到y(tǒng)首先由目標(biāo)轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到期望轉(zhuǎn)矩，再將期望轉(zhuǎn)矩與估計(jì)轉(zhuǎn)矩的偏差送入滯環(huán)調(diào)節(jié)器，根據(jù)滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的τ值來確定矢量開關(guān)。當(dāng)偏差大于滯環(huán)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)閾值時(shí)，τ=1要求增大電磁轉(zhuǎn)矩，施加正向電壓矢量，使得磁通角增大；當(dāng)偏差在滯環(huán)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)閾值以內(nèi)時(shí)，τ=0要求保持電磁轉(zhuǎn)矩，施加0電壓矢量，使得磁通角不變，電磁轉(zhuǎn)矩不變；當(dāng)偏差小于滯環(huán)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)閾值時(shí)，τ=-1要求減小電磁轉(zhuǎn)矩，施加反向電壓矢量，使得磁通角減小，開關(guān)表如表1所示。

表1　直接轉(zhuǎn)矩控制電壓矢量選擇

Ⅲ011　V4（010010）　V0　V1（100001）Ⅳ001　V5（000110）　V0　V2（001001）

由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)使期望轉(zhuǎn)矩與估計(jì)轉(zhuǎn)矩都產(chǎn)生波動(dòng)，在某一時(shí)刻期望轉(zhuǎn)矩與估計(jì)轉(zhuǎn)矩的偏差會(huì)產(chǎn)生偏大偏小的狀態(tài)，這樣使在滯環(huán)調(diào)節(jié)器出τ值產(chǎn)生誤差，會(huì)出現(xiàn)選擇到錯(cuò)誤的電壓矢量，不能保證每個(gè)扇區(qū)都能輸出所需要的期望轉(zhuǎn)矩。提出一種運(yùn)用轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的轉(zhuǎn)矩偏差不準(zhǔn)確的影響，通過將期望轉(zhuǎn)矩與估計(jì)轉(zhuǎn)矩偏差做PI控制的調(diào)節(jié)，確定對(duì)期望轉(zhuǎn)矩進(jìn)行的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償量，將補(bǔ)償量與期望轉(zhuǎn)矩相加之后再與估計(jì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行偏差，將之后的偏差輸入到滯環(huán)調(diào)節(jié)器中輸出正確的τ值，來對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。帶有期望轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　帶有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)闹苯愚D(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

3　仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提控制策略對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果，對(duì)無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制在Simulink中進(jìn)行了仿真，參數(shù)設(shè)置如表2所示：

表2　無刷直流電機(jī)參數(shù)

仿真設(shè)定在0～0.1s之間電機(jī)在空載下啟動(dòng)，在0.1s以后給電機(jī)施加10N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。為了直觀的看出帶有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償無刷直流直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果下圖2給出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的對(duì)比，通過式（4）計(jì)算轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)，無轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)為0.18，有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)為0.10，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)下降的0.08 ，可以看出帶有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的輸出轉(zhuǎn)矩可以更有效的降低電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

式中：η為轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)；Tmax，Tmin和Tmean分別為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的最大值，最小值和平均值。

圖3　電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比

4　結(jié)語

本文通過對(duì)無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制分析，提出了一種轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)牡姆绞絹頊p小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)矢量電壓選擇中產(chǎn)生的影響，從而進(jìn)一步的降低無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，將期望轉(zhuǎn)矩與估計(jì)轉(zhuǎn)矩偏差通過PI控制獲取到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)擾動(dòng)量，然后將擾動(dòng)量補(bǔ)償給電機(jī)的控制過程中的期望轉(zhuǎn)矩，仿真結(jié)果表明該方法能夠降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)矢量電壓選擇時(shí)產(chǎn)生的誤差，能夠更好減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

［1］夏長亮，方紅偉.永磁無刷直流電機(jī)及其控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，17（3）：25-34

［2］朱俊杰，粟梅，王湘中，馬林.分段式滑模變結(jié)構(gòu)無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34（11）：2634-2640.

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姚永峰（1987.05-），男，研究生，助理工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面工作。

TM33

A

1003-5168（2015）-12-0047-2