無磁鏈反饋無刷直流電機控制研究

李 占,李 斌,謝衛彬,孫會琴

(河北科技大學電氣工程學院,河北石家莊 050018)

無磁鏈反饋無刷直流電機控制研究

李 占,李 斌,謝衛彬,孫會琴

(河北科技大學電氣工程學院,河北石家莊 050018)

基于直接轉矩控制的無磁鏈反饋，提出一種無刷直流電機控制方法，該方法運用轉速和轉矩滯環的邏輯信號來驅動空間電壓矢量，既起到直接控制電機轉矩作用，又削弱了轉矩脈動；這種方法消除了復雜的磁鏈環節，SIMULINK和實驗結果表明，該系統實現了設計要求。

直接轉矩控制；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，無刷直流電機和其控制研究也有了更大的進步，并被廣泛應用于電動三輪車、四輪汽車等日常生活中，實現了各個運動量的控制[1]。

在繞組換相時，產生的轉矩脈動是個缺陷,不僅會使得電機在控制系統中受到影響，還會引起速度特性方面的缺陷，因而提高電機驅動性能的關鍵就是抑制或削弱轉矩波動。

本文介紹的控制方法中,除去磁鏈環節,直接進行電磁轉矩操作,針對BLDCM數學模型,計算轉矩的坐標觀測,通過模型實現建立電機控制模擬,對比不同控制方法的運行結果,并使用測功機對所研究電機做了空載和負載的設計運行實驗。

1 BLDCM的數學模型

分析一個三相永磁無刷直流電機，各相繞組在空間互相間隔120°電角度，在這種結構上，作出以下設定：電機氣隙磁導均勻，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, 則電機狀態方程如下：

(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的電磁轉矩分析

在大多數情形下，為了使無刷直流電機的控制實現比較容易，并考慮到在硬件方面有所簡化，電磁轉矩的計算方法可表示為

Te=(eAiA+eBiB+eCiC)/Ω。

(2)

觀察式(2),可以計算得到電流i和轉速Ω，只是反電動勢e一般不能直接取得,由式(1)可得：

(3)

由式(3)可以實際測量出三相定子相電壓U和相電流i，那么電機的電磁轉矩可以綜合式(2)和式(3)進行推導，進一步深化分析電機轉矩觀測。

3 BLDCM的空間電壓矢量

電機設計采用全橋逆變電路，導通為120°，在逆變電路中，同一個橋臂的上下2個功率開關器件的開關狀態互補，即上通下斷或上斷下通，這樣，在逆變電路的6個功率開關器件的基極上可以形成幾組不同的開關信號[3]。電壓空間矢量被表示成6位的二進制數，其中6個非零電壓空間矢量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。在圖2中，按照V1→V2→V3→V4→V5→V6的順序，6個基本非零空間電壓矢量空間上互差60°，將整個平面等分為6個區域相同的區間。

圖2 6個非零電壓空間矢量分區Fig.2 Six non-zero voltage space vectors

這樣，欲使電機旋轉的話，控制器將根據轉速和轉矩的反饋信號，使逆變器反復施加相鄰的2個空間電壓矢量到三相電樞繞組上，并不斷調控它們的施加時間，即達到了控制要求[4]。

4 BLDCM的直接轉矩控制

在實際使用中，無刷電機的電磁轉矩可由滯環來實現，根據轉矩滯環的輸出結果D以及Hall位置傳感器檢測出的開關信號所確定的扇區S來安排對應的空間電壓矢量，則開關表如表1所示。

表1 DTC開關表

把電磁轉矩給定值與反饋值進行比較，若估計值小于反饋值，則由滯環控制器得到差值D=1，那么電磁轉矩需要增大，此時選擇非零電壓矢量；當D=0時,電磁轉矩應該減小，則施加零電壓矢量，電磁轉矩變小，開關表的設置直接影響著控制系統的性能，這是無刷直流電機轉矩控制中最為關鍵的部分[5]。

5 BLDCM直接轉矩控制基本結構

經典直接轉矩控制包括2方面，首先在滯環環節中，分別把磁鏈幅值和轉矩的參考值與輸出值的誤差作對比分析，然后由滯環環節得到的輸出值和當前磁鏈位置信息來選擇相應的空間電壓矢量，綜上即對電機轉矩實現了直接控制。經典直接轉矩控制如圖3所示。

圖3 DTC實現框圖Fig.3 Block diagram of direct torque control

雖然經典直接轉矩控制可以實現電機的正常運行，但是這部分功能需要借助轉矩與磁鏈的滯環過程共同實現，又由于死區時間的存在會對磁鏈造成阻礙，導致定子磁通振幅會有波動變化，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子開關信號，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DTC中的磁鏈滯環環節，而是通過轉速和轉矩滯環來決定轉矩，以獲得波動較小的轉矩[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分別為參考轉速和輸出轉速；Tg和Te分別為參考轉矩和反饋轉矩。

6 DTC的仿真模型建立

本文所述控制方法包括電機本體實現、位置檢測實現和邏輯換相實現[8]。

6.1電機本體實現

如圖5所示，基于無刷直流電機的本體數學模型，繪制模塊SIMULINK，這個模擬在整個仿真模型中是最關鍵的模塊。

6.2位置檢測實現

無刷直流電動機的轉子磁極位置檢測，即把信號傳輸到邏輯開關電路，然后用來控制定子繞組換相。位置檢測實現如圖6所示。

6.3邏輯換相實現

邏輯換相即實現位置檢測信號的預處理，以所得的信號去驅動相應的MOSFET，按順序通電到電樞繞組上，因此產生了使繞組定子和轉子位置空間的垂直磁場，引起轉子運行，確保在正常狀態下使用電機[9]，如圖7所示。

圖5 電機本體實現Fig.5 Motor body module

圖6 轉子位置檢測實現Fig.6 Rotor position detection module

7 仿真和實驗結果

在SIMULINK環境下，基于DTC基本理論，針對無刷直流電機對上述封裝模塊進行模擬。

電機相關參數如表2所示。

表2 電機參數

圖7 邏輯換相實現Fig.7 Commutation logic module

在搭建的模型中設置上述參數，空載啟動電機，然后在0.5 s時設置負載為4 N·m，分析結果，并將經典控制技術與模擬DTC方法進行比較，如圖8所示，由此得到速度和轉矩響應波形。

圖8 仿真實現結果Fig.8 Simulation results

突然給定電機一個負載時，轉速發生急劇變化，同時突變的還有電磁轉矩。由圖8 a)和圖8 b)可知，系統在很短的時間內就進入了穩態，當負載突變時，轉速有輕微的變動，系統對負載的擾動有較好的抗干擾特性。系統的轉矩波形在電機啟動時，有較大峰值，在電機平穩運轉后，轉矩快速恢復到穩定狀態，轉矩脈動較小，當突加負載時，轉矩又迅速調整到穩定狀態，而且整體波動范圍較小[10]。

在SIMULINK仿真的同時，針對所研究電機進行測功機加載實驗,如圖9所示，并使用示波器測量出實際響應波形。電機的負載實驗結果如圖10所示。

圖9 測功機實驗Fig.9 Dynamometer experiment

圖10 實驗結果Fig.10 Experimental results

由圖10可知，電機相電壓波形趨近于梯形波，相電流波形雖然有點毛刺，但是符合電機控制系統的預想波形。而線電流的圖像在電動機空載時接近于一條直線，但是在突加負載的時候會引起電流增加，符合能量守恒定律，表明電機有很好的運行特性。

8 結 語

本文根據課題組設計研制的一臺12/8極，1 kW功率的三相BLDCM進行控制系統設計。提出的設計方案簡化了滯環控制方式，直接利用轉速和轉矩滯環調節來對電壓空間矢量直接調配，使轉矩跳躍限制在一定區域內。總之，根據SIMULINK和電機加載實驗結果基本驗證了控制系統有很好的實用運行特性，削弱了轉矩脈動的影響，達到了設計的要求。

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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；責任編輯：陳書欣

河北省科技廳軟科學計劃項目(13455204D)

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

李 斌教授。E-mail：335371390@qq.com

TM351

A

10.7535/hbgykj.2014yx04006

李 占,李 斌,謝衛彬,等.無磁鏈反饋無刷直流電機控制研究[J].河北工業科技,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.