無刷直流電機的直接轉矩控制研究

王凱 海軍裝備部，陜西西安 710043

無刷直流電機的直接轉矩控制研究

王凱 海軍裝備部，陜西西安 710043

直接轉矩控制具有瞬時轉矩控制的特點，它直接在定子坐標系下觀測電機的磁鏈、轉矩，并將此觀測值和給定值進行比較，差值經滯環控制器得到相應的控制信號，再綜合當前的磁鏈狀態來選擇相應的電壓空間矢量，實現對電機轉矩的直接控制。該文嘗試將直接轉矩控制方法用于永磁無刷直流電機的控制，以期達到抑制轉矩波動的目的。仿真結果表明，該文提出的方法能夠較好地抑制永磁無刷直流電機的轉矩波動，并且具有很高的動態響應速度。

BLDC；直接轉矩控制；轉矩脈動；仿真

引言

直接轉矩控制技術是現代先進的電機控制技術之一，它的優異動態性能以及對電機參數的魯棒性，引起了國內外電力電子技術界和電機產業界的熱切關注。目前，將DTC用于永磁同步電動機的方法已經在實際應用中取得了很好的效果。但是，將DTC用于無刷直流電機的研究還不多。本文提出了一種將直接轉矩控制用于直流無刷電機控制的方法，推導出電磁轉矩的計算方程，建立無刷直流電機電磁轉矩模型和定子磁鏈模型，并給出電壓空間矢量選擇表，最后進行了仿真研究。

1 無刷直流電機直接轉矩控制系統的數學模型

1.1 無刷直流電機磁鏈和電磁轉矩方程的推導

一般來說，無刷直流電機在同步旋轉的d-q坐標系下的磁鏈和電磁轉矩方程可表示為：

1.2 電磁轉矩模型和定子磁鏈模型的建立

在直接轉矩控制中，需要知道電磁轉矩作為系統的反饋值。直接測量轉矩在工程上有一定的技術難度，為此，需采用間接方法求電磁轉矩Te。本文根據定子電流和定子磁鏈值來計算電磁轉矩，如圖1所示。

圖1 轉矩模型結構圖

圖2 電壓電流磁鏈模型結構圖

定子磁鏈一般是通過定子電壓電流磁鏈模型求得，在α-β坐標系下，定子磁鏈的α、β分量可由公式(4)計算得到。因此，采用如圖2所示的定子電壓電流磁鏈模型結構可求得ψsa和ψsβ。

用定子電壓電流磁鏈模型來計算定子磁鏈的值時有其優點，即在計算過程當中只需要唯一了解的電機參數是易于確定的定子電阻，而其他的定子電壓和定子電流的值都是易于準確檢測的物理量。

2 無刷直流電機電壓空間矢量

無刷直流電機一般采用兩兩通電方式，即每一瞬間有2個功率管導通，每隔1/6周期（60°電角度）換向一次，每次換向1個功率管，每一功率管導通120°電角度。因此，要用六位二進制數來表示其電壓空間矢量，每一位二進制數代表1個功率管的開關狀態，0表示功率管關斷，1表示功率管導通。因此電壓空間矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6可分別用下列開關信號表示：(100001)、(001001)、(011000)、(010010)、(000110)、(100100)。由于各功率管都關斷時，電機定子端電壓為零，所以這里用V0(000000)來表示零電壓空間矢量。各功率管的開關狀態與非零電壓空間矢量的對應關系如圖3所示。

圖3 不同功率管狀態下的電壓空間矢量

這些定子空間電壓矢量u直接表示在α-β坐標上，空間電壓矢量只與三相橋臂的開關狀態有關。無刷直流電機非零電壓空間矢量圖如圖4所示。

圖4 非零電壓矢量

3 無刷直流電機直接轉矩控制系統的構建

圖5為一個永磁無刷直流電機直接轉矩控制系統的框圖。圖中，ωr為給定轉速，ω為電機輸出轉速，Tr為給定轉矩，Te為電機輸出的計算轉矩。飽和非線性控制的作用是：當PI調節器的輸出超過最大給定轉矩Tmax時，Te=Tmax；當PI調節器的輸出小于零時，Te=0；當PI調節器的輸出在Tmax和0之間時，Te等于調節器的輸出。

轉矩指令由速度調節器可獲得

圖5 永磁無刷直流電機直接轉矩控制系統框圖

式中，Kp、Kt分別表示比例系數和積分系數，磁鏈指令值根據轉速指令計算獲得，磁鏈指令在額定轉速以下，保持恒定值，在額定轉速以上時，則給出弱磁定子磁鏈值。實際電磁轉矩和定子磁鏈值則由定子電壓、定子電流檢測值經過3φ-α β坐標轉換，通過電磁轉矩估算模型和磁鏈估算模型計算而得。定子磁鏈給定值和估算值的差值以及電磁轉矩給定值和估算值的差值，經過兩點式的磁滯比較器輸出到開關表，用以選擇合適的電壓空間矢量。

開關表的輸出是由轉矩、磁鏈滯環比較器及磁鏈位置檢測器的輸出，即γ、Ψ和θ三者的值來確定的以實現定子磁鏈的圓形軌跡控制。根據永磁同步電機直接轉矩控制開關表的選擇原理，無刷直流電機直接轉矩控制開關表的開關矢量如表1所示。

表1 永磁BLDCM的DTC控制開關矢量表

4 無刷直流電機直接轉矩控制系統的仿真研究

為驗證上述方法的可行性，在Matlab上，對系統進行了建模與仿真：

圖6 三相電流波形

圖7 無控制算法時的轉矩波形

圖8 轉速波形

(2)基于上述無刷直流電機直接轉矩控制的基本原理，利用SIMULINK仿真工具，建立了控制系統的仿真模型。

圖9 三相電流波形

圖10 負載轉矩恒定時的轉矩波形

圖11 負載轉矩恒定時轉速波形

(3)以最大給定轉矩Tmax=20N·m起動，待系統穩定后，在t=0.03s時突加負載TL=15N·m，得到PMBLDCM的電磁轉矩和轉速波形如圖14和圖15所示。

圖12 負載轉矩突變時的轉矩波形圖

圖13 負載轉矩突變時的轉速波形

從圖7可以看出，無控制算法時的轉矩脈動比較大，而從圖10和圖12可以看出在該控制方法能使電機以最大給定轉矩起動，達到穩態后能夠很好地抑制電機的轉矩脈動，且在DTC方式下電機能快速響應給定轉矩，響應時間小于1ms，即當電機負載轉矩突變時，電機具有相當快的響應速度。由于DTC對轉矩的控制具有高動態性，只要合理選擇轉矩兩點式調節器的容差，便可將無刷直流電機的轉矩波動抑制在規定的范圍內。仿真結果表明，將DTC應用于PMBLDCM能改善其運行性能，有效抑制了電機的換相轉矩脈動。

4 結論

將DTC技術應用于永磁無刷直流電機，通過精確的磁鏈和轉矩的信號實現對轉矩的控制，來減小系統的轉矩波動，效果明顯。由本文仿真分析結果可知，DTC方式使無刷直流電機擁有較好的穩態性能和動態性能，在換相時刻抑制了轉矩脈動。

[1]張琛.直流無刷電動機原理及應用.北京:機械工業出版社.2004

[2] Rahman M F, Zhong L, Lim K W. A direct torque-controlled interior permanent magnet synchronous motor drive incorporating field weakening.IEEE Trans On IA,1998,34(6),1246- 1252.

[3] Rahman M F, Zhong L, Haque, M E.A direct torque-controlled interior permanentmagnet synchronous motor drive without a speed sensor.Energy Conversion, 2003, 18(1), 17- 22.

[4]田淳,胡育文.永磁同步電動機直接轉矩控制系統原理及控制方案的研究. 電工技術學報.2002,17(1):7-11

[5]夏長亮,張茂華,王迎發,劉丹.永磁無刷直流電機直接轉矩控制.中國電機工程學報.2008,28(6):104-109

[6]韋榕.無刷直流電動機新型控制策略研究:[天津大學博士學位論文].天津:天津大學.2002,16-

[7]胡雙,馬志云,周理兵,陶桂林.永磁無刷直流電機系統建模研究.電工技術雜志.2003(8)

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.086