無刷雙饋電機直接轉矩控制研究

張 岳

(遼寧科技學院，本溪 117004)

無刷雙饋電機直接轉矩控制研究

張 岳

(遼寧科技學院，本溪 117004)

直接轉矩結構簡單，動、靜態性能良好，在調速控制系統中得到廣泛應用。闡述了無刷雙饋電機直接轉矩控制的工作原理, 提出了控制方案。基于MATLAB/Simulink軟件，推導了無刷雙饋電機直接轉矩控制及有關控制方程的仿真模型，在此基礎上進行仿真與實驗研究。仿真與實驗結果驗證了所提出的無刷雙饋電機直接轉矩控制方案是可行性。

無刷雙饋電機;直接轉矩控制；仿真

0 引 言

無刷雙饋電機(Brushless Doubly-Fed Machine, BDFM) 是既可進行交流調速運行又可進行變速恒頻運行的新型電機[1-4]，與矢量控制相比較，其直接轉矩控制(以下簡稱DTC)具有結構簡單、轉矩響應快、電機參數魯棒性好等特點[4-6]。本文闡述了無刷雙饋電機的DTC原理，并利用MATLAB進行仿真驗證。

1 BDFM的直接轉矩控制原理

無刷雙饋電機在轉子速d-q坐標系上的數學模型如式(1)所示[7-9]：

(1)

式中：Rp,Lsp表示功率繞組的電阻值、自感值；Rc，Lsc表示控制繞組的電阻值、自感值；Lm表示定子繞組與轉子的互感值；Rr，Lr，ωr表示轉子的電阻值、自感值及電機機械角速度；uqp，udp，uqc，udc，uqr，udr，Iqp，Idp，Iqc，Idc，Iqr，Idr分別為電壓、電流的瞬態值。下標字母p，c，s，r分別代表功率繞組、控制繞組、定子側、轉子側，q，d分別代表q軸、d軸分量；p代表微分算子。

電磁轉矩：

Te=Pp(iqpψdp-idpψqp)+Pc(iqcψdc-idcψqc)

(2)

ψqp，ψdp，ψqc，ψdc由下列式子給出：

ψqp=Lspiqp+Lmiqc

(3)

ψdp=Lspidp+Lmidc

(4)

ψqc=Lsciqc+Lmiqp

(5)

ψdc=Lscidc+Lmidp

(6)

由式(2)～式(6)整理得：

(7)

無刷雙饋電機功率繞組的磁鏈瞬時值[7-10]：

(8)

控制繞組的磁鏈瞬時值：

(9)

將式(9)離散化得：

ψc=ucΔt+ψc0

(10)

圖1為功率繞組和控制繞組的磁鏈矢量關系。

圖1 功率繞組和控制繞組的磁鏈矢量關系

圖2為無刷雙饋電機的DTC工作原理圖。電機速度給定值與速度反饋值相比較得到的速度差值經過速度調節器后形成轉矩的給定值，轉矩的反饋值可用功率繞組和控制繞組電壓電流的值求得。轉矩給定值與反饋值相比較后，經轉矩滯環比較器送給控制繞組電壓矢量選擇器。控制繞組磁鏈幅值可根據控制繞組電壓電流測量值由式(9)計算出，與磁鏈給定值相比較后通過磁鏈滯環比較器送至控制繞組電壓矢量選擇器，根據控制繞組磁鏈幅值和轉矩增減的要求，控制繞組電壓矢量選擇器決定所選用的控制繞組電壓矢量[10-12]。

圖2 無刷雙饋電機直接轉矩控制結構圖

2 仿真模型的實現

根據上述BDFM直接轉矩的基本原理，利用MATLAB構建的無刷雙饋電機直接轉矩控制的Simulink圖[13-14]如圖3所示，下面分別介紹仿真模塊。

圖3 BDFM 的DTC Simulink圖

2.1 磁鏈模型

本文的DTC磁鏈計算模型采用u-i模型[8-9], 參照式(9)，利用MATLAB構建的仿真模型如圖4所示。

圖4 u-i Simulink圖

2.2 轉速調節器

圖5 轉速調節器仿真模型

2.3 轉矩、磁鏈滯環比較器

圖6 轉矩、磁鏈滯環比較器仿真模型

2.4 開關電壓矢量選擇

合理地選擇6個相位相差60°的非零電壓矢量與2個零電壓矢量，可使控制繞組的磁鏈軌跡近似圓形[15]，如圖7所示。

轉矩值Tψr、磁鏈滯環調節值Tout以及磁鏈區間判斷模塊θi確定逆變器開關狀態的選擇。一旦開關狀態被估計出，滿足磁鏈、轉矩變化的電壓矢量將加在控制繞組上，轉矩、磁鏈的幅值分別受電壓矢量的切向分量、徑向分量控制。電壓矢量開關選擇表見表1，開關電壓矢量選擇采用S函數實現。

圖7 電壓矢量圖

表1 電壓矢量開關選擇表

3 仿真與實驗

仿真所用BDFM數據[16-17]：Pp=3，Pc=1，Rp=0.81 Ω，Lsp=80 mH，Rc=1.81 Ω，Lsc=630 mH，Lm=4.3 mH，Rr=1.57 Ω，Lr=0.04 mH，J=0.02 kg·m2。轉矩滯環比較器的滯環為-0.3～0.3 N·m，磁鏈滯環比較器的滯環為-0.005～0.005 Wb，給定磁鏈為0.8 Wb，PI速度調節器Kp=0.4，Ki=0.08，電機最大轉矩限制為20 N·m。

仿真曲線見圖8，圖8(a)為BDFM的電磁轉矩，圖8(b)為BDFM的控制繞組的磁鏈軌跡，圖8(c)為BDFM的逆變電壓，圖8(d)為BDFM的轉速。從仿真曲線中可以看到，電磁轉矩經過15 ms左右達到給定值，動態響應較快，但有較大脈動，轉速也在10ms左右達到給定值，磁鏈軌跡基本為圓形軌跡，仿真模型能完成BDFM的DTC。

(a)電磁轉矩(b)控制繞組磁鏈

(c)逆變電壓(d)轉速

圖8 無刷雙饋電機直接轉矩控制仿真圖

圖9給出了改變給定轉速對系統影響的仿真曲線。圖9(a)為BDFM的電磁轉矩，圖9(b)為BDFM的控制繞組的磁鏈軌跡，圖9(c)為BDFM的逆變電壓，圖9(d)為BDFM的轉速。系統初始給定轉速為570 r/min，在運行到2 s時系統轉速變為500 r/min，觀察轉速、轉矩響應的變化。轉速大約經過10 ms調整后達到穩定值，轉矩在2 s處有一個波動，在經過短暫的調整后達到穩定值。表明系統能很快進入穩定狀態，并能快速跟隨給定的變化，轉速、轉矩都具有較理想的性能，控制繞組的磁鏈軌跡基本保持圓形，不隨速度給定變化而變化。

(a)電磁轉矩(b)控制繞組磁鏈

(c)逆變電壓(d)轉速

圖9 參數變數時的無刷雙饋電機直接轉矩控制仿真圖

圖10 給出了無刷雙饋電機逆變電壓的實驗波形，與理論分析的結果基本相同。圖11為無刷雙饋電機直接轉矩控制中控制繞組的電流實驗波，由于只有6個空間電壓矢量，因此，電流波形明顯的發生畸變。

圖10 無刷雙饋電機的逆變電壓實驗波形截圖

圖11 無刷雙饋電機的控制繞組電流實驗波形截圖

4 結 語

本文利用MATLAB構建BDFM直接轉矩控制系統，仿真結果表明該模型結構簡單、直觀，參數修改方便，轉矩響應快、脈動小，控制繞組的磁鏈運動軌跡接近圓形。仿真和實驗結果說明，BDFM采用直接轉矩控制技術，不僅理論上可行，技術上也是可行的。

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Study of Direct Torque Control for Brushless Doubly-Fed Machine

ZHANGYue

(Liaoning Institute of Science and Technology,Benxi 117004,China)

Direct torque control (DTC) has been widely used in adjustable speed system as it has good dynamic capability and stability as well as simple control system. The scheme of direct torque control of brushless doubly-fed machine was studied. On these basis, the simulation model of DTC of BDFM based on MATLAB/Simulink software was given. The results of simulation and experiment are given and that DTC of BDFM is reasonable.

brushless doubly-fed machine; direct torque control; simulation

2015-07-04

遼寧科技學院博士科研啟動基金項目(1212B2)

張岳(1965-)，男，博士，教授，研究方向為特種電機及其控制。

TM34

A

1004-7018(2016)12-0068-04