基于轉矩補償的無刷直流電機直接轉矩控制分析

張　飛　劉　選　譚　濤

（長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南　長沙　410114）

基于轉矩補償的無刷直流電機直接轉矩控制分析

張飛劉選譚濤

（長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南長沙410114）

無刷直流電機轉矩脈動在直接轉矩控制過程選擇正確的矢量電壓產生影響，在控制系統中加入轉矩的前饋補償，用來削弱轉矩脈動對開關表選擇產生的誤差，使得電機在運行過程中在每個扇區都能獲取合適的矢量電壓，并輸出預期的轉矩，從而提高直接轉矩控制對轉矩脈動抑制效果。通過仿真驗證，運用轉矩補償的直接轉矩控制能很好的抑制轉矩脈動。

無刷直流電機；轉矩補償；直接轉矩控制；轉矩脈動

無刷直流電機（Brushless DCmotor，）具有能量密度大、控制簡單、運行穩定和調速性能好等優點，已在很多領域得到廣泛的應用。由于齒槽轉矩、非理想反電動勢、電流不恰當的換相等因素會導致其輸出轉矩容易產生脈動［1］。為了提高控制系統的動態特性，降低轉矩脈動，近年來直接轉矩控制（Directed Torque Control，DTC）已成為無刷直流電機控制研究的重點內容，文獻［2］結合直接轉矩控制與分段式滑模變結構的特點，對無刷直流電機的反電動勢狀態進行重構，很好地提高了整個控制系統響應速度和穩定性，實現轉矩脈動抑制。文獻［3］提出了一種無磁鏈觀測條件下電機轉矩的直接控制，無刷直流電機120°導通的特點，通過對電機轉矩的控制實現對電流的控制，通過減小電流的脈動來減小電機輸出轉矩脈動，同時保證了電機穩定運行。文獻［4］提出無一種磁鏈自控直接轉矩控制方案，根據轉矩偏差進行滯環調節，根據滯環調節器測輸出信號和轉子所在位置決定輸出相應的電壓矢量，以實現磁鏈的自控制，有效地降低電流換相過程中引起的轉矩脈動。盡管學者們在直接轉矩控制研究方向獲得很多成果，但是直接轉矩控制仍然存在問題，如何在此基礎上進一步的降低轉矩脈動也是研究熱點。

本文提出對直接轉矩控制過程中轉矩補償的方式來進一步降低電機的轉矩脈動。電機的轉矩脈動貫穿與其運行的整個階段，隨著電機轉速、負載不同其脈動大小不同，雖然直接轉矩控制可以降低轉矩脈動，但不能完全消除轉矩脈動，這種脈動的存在極大的影響了控制系統穩定性，尤其是在電壓矢量開關的選擇中，可能導致選擇不正確的電壓矢量，不能達到預期的輸出轉矩，轉矩脈動抑制效果不明顯。加入轉矩補償后可以削弱轉矩脈動對控制信號產生的影響，對期望轉矩波動進行補償，使其能夠準確的選擇電壓矢量開關，在每個扇區都能獲取給定方向的轉矩，使電機按照給定方向平穩轉動。

1　無刷直流電機數學模型

無刷直流電動機主要是由電機本體、轉子位置傳感器和電子開關線路3部分組成，并以電子換向取代傳統機械換向的直流電機。以三相繞組為例，繞組完全對稱、星形連接，且沒有中線，同時假設磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗，，則無刷直流電機三相繞組的電壓平衡方程為：

式中：Ua，Ub和Uc為定子繞組a、b、c三相電壓；R為繞組電阻；Ia，Ib和Ic為a、b、c三相電流；Ea，Eb和Ec為定子繞組的三相反電動勢；L為相繞組的自感與互感之差；P為微算分子，即

根據電磁感應原理，無刷直流電機的電磁轉矩可以表示為磁鏈的函數：

2　直接轉矩控制

由式（2）可知，電機輸出的電磁轉矩由定子形成磁鏈的幅值、轉子形成磁鏈的幅值和磁通角大小所決定。由于電機運行過程中轉子磁鏈的幅值不變，所以只能通過控制定子形成的磁鏈和改變磁通角的大小來調整電磁轉矩的大小。定子磁鏈的運動方向取決于施加電壓矢量的方向，并沿著電壓矢量的方向運動。當根據位置傳感器確定出轉子磁鏈位置后，由定子磁鏈與轉子磁鏈的空間垂直關系判斷出定子磁鏈的位置，結合電壓矢量開關表與對應的位置關系施加當期位置的電壓矢量，定子磁鏈就可以隨著電壓矢量改變而運動，運動軌跡為正六邊形。因此，通過判斷定子磁鏈的扇區位置，結合轉矩滯環調節器輸出的滯環信號選擇施加相應的電壓矢量，達到對電機轉矩進行直接控制的目的［5］。

直接轉矩控制系統的外環為速度環，內環為轉矩環。控制系統首先由目標轉速與輸出轉速的偏差經PI調節得到期望轉矩，再將期望轉矩與估計轉矩的偏差送入滯環調節器，根據滯環調節器輸出的τ值來確定矢量開關。當偏差大于滯環調節器的調節閾值時，τ=1要求增大電磁轉矩，施加正向電壓矢量，使得磁通角增大；當偏差在滯環調節器的調節閾值以內時，τ=0要求保持電磁轉矩，施加0電壓矢量，使得磁通角不變，電磁轉矩不變；當偏差小于滯環調節器的調節閾值時，τ=-1要求減小電磁轉矩，施加反向電壓矢量，使得磁通角減小，開關表如表1所示。

表1　直接轉矩控制電壓矢量選擇

Ⅲ011　V4（010010）　V0　V1（100001）Ⅳ001　V5（000110）　V0　V2（001001）

由于轉矩脈動會使期望轉矩與估計轉矩都產生波動，在某一時刻期望轉矩與估計轉矩的偏差會產生偏大偏小的狀態，這樣使在滯環調節器出τ值產生誤差，會出現選擇到錯誤的電壓矢量，不能保證每個扇區都能輸出所需要的期望轉矩。提出一種運用轉矩補償的方法來減小轉矩脈動引起的轉矩偏差不準確的影響，通過將期望轉矩與估計轉矩偏差做PI控制的調節，確定對期望轉矩進行的轉矩補償量，將補償量與期望轉矩相加之后再與估計轉矩進行偏差，將之后的偏差輸入到滯環調節器中輸出正確的τ值，來對電機的輸出轉矩進行實時控制。帶有期望轉矩補償的控制系統結構圖如圖1所示。

圖1　帶有轉矩補償的直接轉矩控制系統

3　仿真結果分析

為了驗證本文所提控制策略對轉矩脈動的抑制效果，對無刷直流電機直接轉矩控制在Simulink中進行了仿真，參數設置如表2所示：

表2　無刷直流電機參數

仿真設定在0～0.1s之間電機在空載下啟動，在0.1s以后給電機施加10N·m的負載轉矩。為了直觀的看出帶有轉矩補償無刷直流直接轉矩控制系統對電機輸出轉矩脈動的抑制效果下圖2給出轉矩脈動的對比，通過式（4）計算轉矩波動系數，無轉矩補償的轉矩波動系數為0.18，有轉矩補償的轉矩波動系數為0.10，轉矩波動系數下降的0.08 ，可以看出帶有轉矩補償無刷直流電機直接轉矩控制的輸出轉矩可以更有效的降低電機的輸出轉矩脈動，使電機運行更加平穩。

式中：η為轉矩波動系數；Tmax，Tmin和Tmean分別為電機輸出轉矩的最大值，最小值和平均值。

圖3　電機輸出轉矩對比

4　結語

本文通過對無刷直流電機直接轉矩控制分析，提出了一種轉矩補償的的方式來減小轉矩波動對直接轉矩控制系統矢量電壓選擇中產生的影響，從而進一步的降低無刷直流電機的轉矩脈動，將期望轉矩與估計轉矩偏差通過PI控制獲取到轉矩脈動擾動量，然后將擾動量補償給電機的控制過程中的期望轉矩，仿真結果表明該方法能夠降低轉矩脈動對矢量電壓選擇時產生的誤差，能夠更好減小電機的轉矩脈動。

［1］夏長亮，方紅偉.永磁無刷直流電機及其控制［J］.電工技術學報，2012，17（3）：25-34

［2］朱俊杰，粟梅，王湘中，馬林.分段式滑模變結構無刷直流電機直接轉矩控制［J］.儀器儀表學報，2013，34（11）：2634-2640.

［3］楊建飛，胡育文.無刷直流電機無磁鏈觀測直接轉矩控制［J］.中國電機工程學報，2011，31（12）：90-95

［4］安群濤，孫立志，劉超等.無刷直流電機的磁鏈自控直接轉矩控制［J］.中國電機工程學報，2010，16（12）：86-92.

姚永峰（1987.05-），男，研究生，助理工程師，主要從事結構設計方面工作。

TM33

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1003-5168（2015）-12-0047-2