無刷直流電機直接轉矩控制下的轉矩脈動抑制

王松林, 謝順依, 張林森

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無刷直流電機直接轉矩控制下的轉矩脈動抑制

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)

為了減少無刷直流電機的轉矩脈動, 提高系統動態性能, 將直接轉矩控制(DTC)應用于無刷直流電機控制系統中。在分析傳統脈沖寬度調制(PWM)電流控制的基礎上, 研究了DTC對無刷直流電機非理想反電動勢和換相引起的轉矩脈動的抑制作用。根據無刷直流電機兩相導通的特點, 建立了有磁鏈觀測和無磁鏈觀測的無刷直流電機DTC系統模型, 仿真與試驗結果均表明, 系統實現了對電流和轉矩的有效控制, 比傳統PWM電流控制對轉矩脈動具有更好的抑制性能, 提高了無刷直流電機的動態性能。

無刷直流電機; 直接轉矩控制; 轉矩脈動; 非理想反電動勢

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[1-2]。但是, 轉矩脈動是無刷直流電機最突出的問題, 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系統中。

DTC技術是繼矢量控制技術之后發展起來的一種新型、高性能的交流變頻調速技術, 其在定子坐標系下以定子磁鏈為基本控制參數, 通過對其幅值及相位的實時控制, 最終達到直接控制電動機轉速的目的。該系統具有結構簡單、響應快速、系統魯棒性強等優點[3-4]。

本文研究了無刷直流電機兩相導通控制下的DTC系統, 通過詳細分析無刷直流電機的轉矩特性及電磁轉矩與磁鏈幅值和相位的關系, 得到最優電壓矢量的選擇依據。仿真結果表明, 該控制方法與傳統脈寬調制(pulse-width modulated, PWM)電流控制相比更能有效抑制轉矩脈動。

1 永磁無刷直流電機DTC基本原理

1.1 永磁無刷直流電機數學模型

假定永磁無刷直流電機的三相反電動勢波形為理想的梯形波, 忽略電機鐵心飽和, 不計渦流損耗和磁滯損耗, 以三相橋式Y接電機為例, 永磁無刷直流電機的電壓平衡方程為

電磁轉矩方程為

圖1 無刷直流電機驅動電路及三相反電動勢和電流

1.2 永磁無刷直流電機電壓空間矢量

永磁無刷直流電機的PWM控制中一般采用兩兩導通方式, 即每一時刻最多有2個功率管導通, 每隔1/6周期(60°電角度)換向一次, 每次只換相1個功率管, 因此, 對于逆變器來說有6個通電狀態和1個全關斷狀態, 用二進制數可表示開關管的開關狀態,“1”和“0”分別表示功率管的導通和關斷。無刷直流電機的電壓矢量可以定義為

圖2(a)為無刷直流電機三相兩兩導通時各開關管的開關狀態與非零電壓矢量的對應關系, 這6個離散的非零電壓矢量空間分布如圖2(b)所示, 圖2(c)是不同扇區下的繞組電流導通情況。

1.3 DTC原理

由電機理論, 電機的電磁轉矩可以表示為

對于永磁無刷直流電機而言, 在實際運行中, 轉子磁鏈幅值由永磁體產生, 其大小近似不變,因此根據式(4)只要控制定子磁鏈幅值不變, 僅改變磁通角的大小就可以控制電磁轉矩。無刷直流電機DTC系統的基本思想就是, 使定子磁鏈沿六邊形或近似圓形軌跡運行, 通過電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉速度, 控制定子磁鏈走走停停來改變定子磁鏈的平均旋轉速度, 以調節磁通角的大小, 進而控制電機的電磁轉矩。

1.4 轉矩與鏈觀測

而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

1.5 最佳電壓矢量選擇和開關信號表

無刷直流電機DTC系統如圖3所示, 圖中,該結構對于兩相六狀態導通方式DTC系統中有定子磁鏈觀測和無定子磁鏈觀測的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。

圖3 無刷直流電機直接轉矩控制系統框圖

開關矢量選擇如表1所示, 灰色區域表示系統直接自控制方法中所使用的電壓矢量。根據扇區選擇施加系統所需的電壓空間矢量, 這與傳統PWM電流控制有所不同, 如在傳統PWM電流控制的HPWM-LON方式中, 對應扇區Ⅰ根據電流調節器輸出導通狀態為(001001)和(000001), 而有磁鏈觀測DTC方案中使用1,6,3,4, 無磁鏈DTC方案中使用2,5。

表1 無刷直流電機直接轉矩控制電壓矢量選擇表

2 抑制非理想反電動勢和換相引起的轉矩脈動

在實際電機中, 由于設計與制造方面的原因, 很難做到無刷直流電機的反電動勢為平頂寬度為120°電角度的梯形波。由式(2)可知, 傳統PWM電流控制下的電流波形會偏離方波, 導致電磁轉矩存在原理性脈動。DTC以轉矩為控制對象, 實現對轉矩的實時控制, 從而抑制因非理想反電動勢引起的轉矩脈動。

由于換相過程是周期性的, 本文就選擇一個過程來研究無刷直流電機的電流換相過程, 換相前相導通, 換相后導通, 如圖4所示。

圖4 無刷直流電機電流換相過程中開關狀態

圖5 換相過程中電流變化

傳統PWM電流控制系統中, 由于換相期間失去了對相電流的控制, 會產生明顯的轉矩脈動, 因此, 通常會使用電流補償的方法來調節關斷相的電流變化率, 從而保證非換相電流的恒定, 但是對系統的要求較高。本文采用的DTC方案能根據反饋的電磁轉矩自動對導通相電流進行斬波控制, 以高速區段為例,相電流下降比相電流上升的快, 換相過程中電磁轉矩會減少, 甚至超過設定的滯環帶, 此時對電機施以電壓矢量6, 對相電流進行斬波控制以抑制其下降速率, 從而克服由換相引起的電磁轉矩脈動。

3 仿真與試驗結果分析

為了驗證本文所提策略的控制性能, 對無刷直流電機DTC策略和常規的無刷直流電機PWM控制策略進行仿真研究, 電機參數如表2所示。

表2 無刷直流電機參數

圖6 脈沖寬度調制(PWM)電流控制下的仿真波形

圖7 直接轉矩控制下的仿真波形

圖8 直接轉矩控制下的相電流試驗波形

4 結束語

本文研究了無刷直流電機DTC控制理論, 從直接控制電磁轉矩的角度出發, 與傳統PWM電流控制相比具有更快的響應性能。分析了無刷直流電機的數學模型, 根據無刷電機兩相導通方式的特點建立了有磁鏈觀測和無磁鏈觀測的DTC系統模型。分析了DTC對非理想反電動勢和換相引起的轉矩脈動的抑制作用, 并進行了仿真, 仿真與試驗結果均表明, 系統控制精度高, 動態性能好。

圖9 直接轉矩控制下的轉矩試驗波形

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(責任編輯: 陳 曦)

Torque Ripple Inhibition of Brushless DC Motor by DTC

WANG Song-lin, XIE Shun-yin, ZHANG Lin-sen

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

To minimize torque ripple and improve dynamic performance of brushless DC motor(BLDCM), the direct torque control(DTC) is applied to the BLDCM drive system. Based on the analysis of the pulse width modulation(PWM) current control, this paper researches into the torque ripple inhibition with DTC method, where the torque ripple is produced by both non-ideal back electromotive force (back-EMF) and current commutation. According to the characteristics of the BLDCM in two-phase conducting mode, a BLDCM-DTC drive system with and without stator flux control is established. Simulation and experimental results prove that the system makes effective control on torque and current, and gains better inhibition of torque ripple and faster dynamic response of the BLDCM, compared with conventional PWM current control.

brushless DC motor; direct torque control; torque ripple; non-ideal back electromotive force(back-EMF)

TJ630.32

A

1673-1948(2014)03-0194-06

2014-03-11.

王松林(1985-), 男, 在讀博士, 研究方向為無刷直流電機優化控制.