李曉竹,姚 剛
(遼寧工程技術大學,葫蘆島 125105)
具有梯形波反電動勢的無刷直流電機 (BLDC)運行效率高、起動轉(zhuǎn)矩大、運行可靠,但其轉(zhuǎn)矩脈動較大[1],限制了其在高精度和穩(wěn)定性場合中的應用。為了實現(xiàn)無刷直流電機高性能控制,有研究人員引入了BLDC直接轉(zhuǎn)矩控制方案[2,3],該方法對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進行直接控制,轉(zhuǎn)矩脈動得到抑制,具有較快的動態(tài)響應??紤]到BLDC定子磁鏈計算復雜,文獻[4]提出了轉(zhuǎn)矩滯環(huán)單環(huán)控制方案,省略了磁鏈給定,方案有效抑制了非理想反電勢和低速時的轉(zhuǎn)矩脈動。在上述方案中,轉(zhuǎn)子位置經(jīng)由霍爾傳感器得到,但傳感器的使用在增加了成本的同時也降低了系統(tǒng)的可靠性?;S^測器對外界擾動具有較好的魯棒性,適用于電機位置和轉(zhuǎn)速估算。李先祥[5]等利用滑模觀測器原理,實現(xiàn)了BLDC轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的實時在線估計。系統(tǒng)采用基于邊界層控制法抑制滑模觀測帶來的顫動,魯棒性強。文獻[6,7]提出了借助線反電動勢過零檢測獲取無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置的方法,結(jié)構簡單、計算方便。
本文使用滑模觀測器取代霍爾位置傳感器來獲取轉(zhuǎn)子位置信號,并將其運用到BLDC直接轉(zhuǎn)矩控制方案中。利用MATLAB/simulink搭建了系統(tǒng)模型,仿真結(jié)果表明,觀測器估算位置結(jié)果較準確,轉(zhuǎn)矩脈動得到抑制。
本文采用120o兩兩導通換相方式的三相橋式Y(jié)接無刷直流電機,轉(zhuǎn)子為隱形內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構。忽略電機的磁路飽和、渦流磁滯損耗和齒槽效應,不計電樞反應。實際應用中,由于無刷直流電機定子繞組大多為Y接且中性點不引出,相電壓難以直接測量。為此,以定子線電壓平衡方程為基礎,給出兩相靜止坐標的電壓和轉(zhuǎn)矩方程:
式中,Uxx、ix、exx分別為定子繞組線電壓、相電流和線反電動勢;R為定子繞組電阻;L=Ls–M為繞組電感,其中Ls為自感,M為互感。將上式變換到靜止α、β坐標系下:
式中P為電機極對數(shù),θe為轉(zhuǎn)子電角度,ω為電角速度。
選取定子電流為狀態(tài)變量,則(2)式變?yōu)椋?/p>
以“?”表示對應變量的估計值,定義滑模面和符號函數(shù)分別為:
式中K為滑模增益系數(shù)。由(4)、(5)兩式可得滑模觀測器動態(tài)方程為:
對于采用兩兩導通控制方式的無刷直流電機,每個電周期中需換相6次,要進行轉(zhuǎn)子位置估計,需要檢測決定換相點的6個位置信號。由圖1給出的模擬線反電勢波形可以看出,每一周期,線反電動勢產(chǎn)生兩次過零點,因此,確定三相線反電動勢后,進行過零檢測即可得到所需的6個換相點。式(7)給出了滑模觀測器得到的線反電動勢信號,對其進行低通濾波和相位補償[3]后進行Clack逆變換即可得到線反電勢Eab、Ebc、Eca。
圖1 反電動勢及對應轉(zhuǎn)子信號
系統(tǒng)基于MATLAB/Simulink所搭建的系統(tǒng)仿真平臺整體結(jié)構如圖2所示。所采用的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制方案以轉(zhuǎn)矩為控制內(nèi)環(huán),速度為控制外環(huán)。雙環(huán)控制策略中,給定轉(zhuǎn)矩由速度PI調(diào)節(jié)器獲取,反饋轉(zhuǎn)矩按(3)式計算得到;逆變器PWM工作信號由轉(zhuǎn)矩滯環(huán)輸出和轉(zhuǎn)子位置共同決定。利用式(3)進行轉(zhuǎn)矩計算時需用靜止坐標系下線反電動勢、相電流和電角速度。從上節(jié)推到過程可看出,利用滑膜觀測器可得到到所需的線反電動勢信號。將其加入控制方案原理可行。為提高搭建平臺的控制精度,系統(tǒng)反饋電角度由Simulink測量模塊得到。
在實際應用中,無刷直流電機主電路通常采用交直交方式,由三相或單相電源供電,整流后送入逆變模塊,其驅(qū)動電路通常由IGBT或MOSFET組成。本文所搭建平臺省去了整流部分,主電路采用直流電源-逆變器結(jié)構,逆變器開關器件選用IGBT。
圖2 基于MATLAB/Simulink搭建的系統(tǒng)仿真平臺
利用MATLAB/Simulink所搭建的電機控制系統(tǒng)中,電機參數(shù)為:極對數(shù)P=4;額定電壓Udc=36V;額定轉(zhuǎn)矩TN=0.32N.m;額定轉(zhuǎn)速nN=3000r/min;相電阻R=1.6?;等效電感LS=8mh;給定轉(zhuǎn)速2000r/mim。為驗證系統(tǒng)動態(tài)性能,設定電機空載起動,采用三段式起動方式[8],運行0.1s后突加負載,待系統(tǒng)運行0.1s后恢復空載。圖3(a-d)分別給出了靜止坐標系下觀測電流與實際電流分量、觀測到的線反電動勢分量、電機給定轉(zhuǎn)速和估算轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應結(jié)果。由無刷直流電機機械特性可知,當突加負載后,電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)下降,電流增大的同時將引起轉(zhuǎn)矩增大以平衡負載轉(zhuǎn)矩。仿真結(jié)果可以看出,突加負載后,定子電流分量增大,轉(zhuǎn)速變小,但最大轉(zhuǎn)速降落差小于10r/mim,卸載0.05秒后轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。整個過程中,轉(zhuǎn)速無超調(diào),電磁轉(zhuǎn)矩波動得到有效抑制,取得了較為滿意的控制效果。
圖3 靜止坐標系下觀測結(jié)果
本文基于定子線電壓模型,利用滑模觀測器實現(xiàn)了定子線反電動勢的觀測,對其進行過零檢測得到轉(zhuǎn)子位置。在無刷直流電機單轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制策略中,以觀測器位置觀測法取代霍爾位置傳感器,根據(jù)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)輸入和位置估算選擇施加電壓矢量,有效的抑制了換相轉(zhuǎn)矩波動,具有良好的動態(tài)性能,得到了較好的控制效果。
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