一種改進無刷直流電機直接轉矩控制方法

王松林, 謝順依, 張林森

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一種改進無刷直流電機直接轉矩控制方法

王松林, 謝順依, 張林森

(海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

傳統無刷直流電機直接轉矩控制策略通常采用兩相導通模式, 這種方式雖然簡化了控制系統結構, 但是系統高速時, 其與傳統脈寬調制電流控制一樣, 對換相轉矩脈動會失去抑制作用。本文將一種改進直接轉矩控制方法應用于無刷直流電機控制系統中, 以求更好地減少換相引起的轉矩脈動。該方法將兩相導通模式與三相導通模式的電壓空間矢量結合在一起, 生成12個可供選擇的電壓空間矢量, 以提高轉矩滯環控制的質量。仿真結果表明, 該方法能夠很好地調整相電流波形以保持轉矩平穩控制, 特別是高速時換相轉矩脈動的抑制性能更為優越。

無刷直流電機; 直接轉矩控制; 導通模式; 轉矩脈動

0 引言

無刷直流電機具有輸出轉矩大、調速特性優良、損耗小、噪聲低、結構簡單、維護方便等優點, 在軍事裝備、工業、民用控制系統等領域得到了廣泛應用, 成為最具發展前途的電機產品[1]。但是, 無刷直流電機的電樞磁場是跳躍式旋轉磁場, 即非圓形旋轉磁場, 必然存在較大的轉矩波動, 制約了其在要求低紋波速度的調速系統和高精度位置伺服控制系統的應用。為了抑制轉矩脈動, 提高轉矩動態性能, 有學者將直接轉矩控制(direct torque control, DTC)思想引入無刷直流電機控制系統中, 利用其轉矩控制的高動態性, 有效地抑制轉矩脈動[2-3]。

文獻[4]中根據反電動勢和電流設計了轉矩控制器輸出所需的電壓來抑制系統的轉矩脈動, 實現了無刷直流電機的直接轉矩控制。文獻[5]根據無刷直流電機的特殊性, 采用DTC控制時,省略磁鏈觀測部分, 簡化了控制系統結構。文獻[6]采用反電動勢形狀函數法實現了無刷直流電機直接轉矩控制, 解決了電壓測量和轉矩觀測中微分計算的問題, 提高了系統動態響應。文獻[7]將直接自控制方法引入無刷直流電機的轉矩控制系統中, 所觀測的定子磁鏈是六邊形的。文獻[8]將DTC應用于無刷直流電機無位置傳感器控制系統中, 通過控制軸定子電流分量來控制定子磁鏈幅值, 使用轉矩和間接磁鏈雙閉環控制。由于采用三相導通方式, 系統電流波形不同于傳統的方波波形。

本文提出將無刷直流電機的兩相導通方式和三相導通方式相結合的方法, 這2種方式產生的12個非零電壓空間矢量及其所劃分的12個扇區控制模式應用于DTC策略中, 另外, 系統采用滑模觀測器觀測電機反電動勢, 進而實現對轉矩的預測反饋。仿真試驗表明, 系統不但實現了對轉矩的快速響應, 較好地抑制了低速換相引起的轉矩波動, 而且在高速區對轉矩波動也起到了很好的抑制效果。

1 無刷直流電機DTC策略

無刷直流電機的轉矩可以表示為

轉子磁鏈分量為

通過控制定子電流和電壓可以達到控制定子磁鏈的目的, 其關系為

定子磁鏈的幅值和位置

根據DTC理論, 為實現電機轉矩控制的高動態性能, 需要對轉矩進行閉環控制, 本文采用轉矩滯環控制。無刷直流電機DTC系統如圖1所示, 圖中, 該結構的DTC系統中有定子磁鏈觀測和無定子磁鏈觀測2種控制方法仿真皆可適用。開關“1”狀態時表示系統采用了定子磁鏈觀測, “2”表示系統采用直接自控制方法, 無磁鏈觀測。

2 無刷直流電機的電壓空間矢量及選擇

本文用六位二進制數來表示電壓空間矢量, 每一位六位二進制數表示1個功率管的開關狀態, “0”表示關斷, “1”表示導通。無刷直流電機的電壓矢量可定義為

2.1 兩相導通模式的電壓空間矢量

根據式(5)計算出無刷直流電機驅動系統兩相導通模式(即120°導通方式)時的6個非零電壓空間矢量為

該模式下開關管的開關狀態與非零電壓矢量的對應關系如圖2所示。

2.2 三相導通模式的電壓空間矢量

根據式(5)計算出系統三相導通模式(即180°導通方式)時的6個非零電壓空間矢量為

圖1 無刷直流電機直接轉矩控制驅動系統框圖

圖2 無刷直流電機兩相導通模式的電壓空間矢量

Fig. 2 Voltage space vectors for BLDC motor with two-phase conduction mode

該模式下開關管的開關狀態與非零電壓矢量的對應關系如圖3所示。

2.3 二三相混合導通模式的電壓空間矢量

兩相導通方式或三相導通方式都存在著電壓矢量切換時磁通角調節過大的缺點, 削弱了換相轉矩脈動的抑制效果, 將2種導通方式相結合更能有效減少系統穩態轉矩脈動。根據2種導通方式的12個基本電壓矢量將空間分成12個扇區, 如圖4所示。

該模式下的最優開關矢量選擇如表1所示。在BLDC-DTC兩相導通系統中, 低速時可以通過選擇最優的電壓矢量抑制開通相電流的上升率,從而抑制轉矩上升, 克服換相帶來的轉矩脈動, 但是對于高速時的換相過程, 該模式下的系統無法對關斷相電流實現斬波而不能抑制該相電流下降速率, 此時需要三相導通模式才可使需要關斷的相電流延長導通時間, 從而保持非換相相電流恒定以達到減少轉矩脈動的目的。因此, 將本文提出的無刷直流電機兩相導通模式和三相導通模式相結合的方法運用到DTC系統中, 既可以提高系統動靜態性能, 又可以改善電機高速時轉矩脈動的抑制效果。

圖3 無刷直流電機三相導通模式的電壓空間矢量

圖4 無刷直流電機混合導通模式的電壓空間矢量

表1 最優電壓空間矢量選擇表

3 仿真結果分析

4 結束語

無刷直流電機驅動系統運用DTC策略可獲得快速的動態響應, 并很好地將轉矩脈動抑制在規定的范圍內。針對傳統無刷直流電機DTC兩相導通模式下高速時系統無法對關斷相實施斬波, 與PWM電流控制一樣對換相轉矩脈動失去抑制作用, 本文將兩相模式和三相導通時的電壓空間矢量相結合, 增加電壓空間矢量的選擇數量, 轉矩控制器可結合位置信號選擇最優電壓空間矢量。使用MATLAB/Simulink建立仿真模型, 結果證明, 所提方法可以實現轉矩的平滑控制, 特別是電機高速時轉矩抑制效果尤為明顯。

圖5 傳統直接轉矩控制低速時仿真波形

圖6 傳統直接轉矩控制高速時仿真波形

圖7 改進直接轉矩控制高速時仿真波形

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(責任編輯: 陳 曦)

An Improved Direct Torque Control Method for Brushless DC Motor

WANG Song-linXIE Shun-yinZHANG lin-sen

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

Conventional 3-phase brushless direct current-direct torque control (BLDC-DTC) scheme usually adopts 2-phase conduction mode with simple control system. However, like the pulse width modulation(PWM) current control, this control scheme will lose restriction on torque ripple due to phase commutation at high speed. This paper presents an improved DTC method and applies it to BLDC motor control system to reduce the torque ripple. The present method combines the voltage space vectors of 2-phase conduction mode and 3-phase conduction mode to form twelve voltage space vectors for the quality enhancement of torque hysteresis control. Simulation results show that this method can adjust the phase current waveform to maintain constant torque, especially to restrain the torque ripple quite effectively at high speed.

brushless DC motor; direct torque control; conduction mode; torque ripple

TJ630.32

A

1673-1948(2014)01-0049-05

2013-07-16;

2013-08-14.

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