王凱 海軍裝備部，陜西西安 710043

無刷直流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制研究

王凱 海軍裝備部，陜西西安 710043

直接轉(zhuǎn)矩控制具有瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)，它直接在定子坐標(biāo)系下觀測(cè)電機(jī)的磁鏈、轉(zhuǎn)矩，并將此觀測(cè)值和給定值進(jìn)行比較，差值經(jīng)滯環(huán)控制器得到相應(yīng)的控制信號(hào)，再綜合當(dāng)前的磁鏈狀態(tài)來選擇相應(yīng)的電壓空間矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制。該文嘗試將直接轉(zhuǎn)矩控制方法用于永磁無刷直流電機(jī)的控制，以期達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的目的。仿真結(jié)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(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，并且具有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

BLDC；直接轉(zhuǎn)矩控制；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；仿真

引言

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)之一，它的優(yōu)異動(dòng)態(tài)性能以及對(duì)電機(jī)參數(shù)的魯棒性，引起了國(guó)內(nèi)外電力電子技術(shù)界和電機(jī)產(chǎn)業(yè)界的熱切關(guān)注。目前，將DTC用于永磁同步電動(dòng)機(jī)的方法已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。但是，將DTC用于無刷直流電機(jī)的研究還不多。本文提出了一種將直接轉(zhuǎn)矩控制用于直流無刷電機(jī)控制的方法，推導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方程，建立無刷直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)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(jìn)行了仿真研究。

1 無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

1.1 無刷直流電機(jī)磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程的推導(dǎo)

一般來說，無刷直流電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系下的磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示為：

1.2 電磁轉(zhuǎn)矩模型和定子磁鏈模型的建立

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

圖1 轉(zhuǎn)矩模型結(jié)構(gòu)圖

圖2 電壓電流磁鏈模型結(jié)構(gòu)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(biāo)系下，定子磁鏈的α、β分量可由公式(4)計(jì)算得到。因此，采用如圖2所示的定子電壓電流磁鏈模型結(jié)構(gòu)可求得ψsa和ψsβ。

用定子電壓電流磁鏈模型來計(jì)算定子磁鏈的值時(shí)有其優(yōu)點(diǎn)，即在計(jì)算過程當(dāng)中只需要唯一了解的電機(jī)參數(shù)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(zhǔn)確檢測(cè)的物理量。

2 無刷直流電機(jī)電壓空間矢量

無刷直流電機(jī)一般采用兩兩通電方式，即每一瞬間有2個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期（60°電角度）換向一次，每次換向1個(gè)功率管，每一功率管導(dǎo)通120°電角度。因此，要用六位二進(jìn)制數(shù)來表示其電壓空間矢量，每一位二進(jìn)制數(shù)代表1個(gè)功率管的開關(guān)狀態(tài)，0表示功率管關(guān)斷，1表示功率管導(dǎo)通。因此電壓空間矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6可分別用下列開關(guān)信號(hào)表示：(100001)、(001001)、(011000)、(010010)、(000110)、(100100)。由于各功率管都關(guān)斷時(shí)，電機(jī)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(guān)狀態(tài)與非零電壓空間矢量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同功率管狀態(tài)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(biāo)上，空間電壓矢量只與三相橋臂的開關(guān)狀態(tài)有關(guān)。無刷直流電機(jī)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(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的構(gòu)建

圖5為一個(gè)永磁無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的框圖。圖中，ωr為給定轉(zhuǎn)速，ω為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，Tr為給定轉(zhuǎn)矩，Te為電機(jī)輸出的計(jì)算轉(zhuǎn)矩。飽和非線性控制的作用是：當(dāng)PI調(diào)節(jié)器的輸出超過最大給定轉(zhuǎn)矩Tmax時(shí)，Te=Tmax；當(dāng)PI調(diào)節(jié)器的輸出小于零時(shí)，Te=0；當(dāng)PI調(diào)節(jié)器的輸出在Tmax和0之間時(shí)，Te等于調(diào)節(jié)器的輸出。

轉(zhuǎn)矩指令由速度調(diào)節(jié)器可獲得

圖5 永磁無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

式中，Kp、Kt分別表示比例系數(shù)和積分系數(shù)，磁鏈指令值根據(jù)轉(zhuǎn)速指令計(jì)算獲得，磁鏈指令在額定轉(zhuǎn)速以下，保持恒定值，在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，則給出弱磁定子磁鏈值。實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈值則由定子電壓、定子電流檢測(cè)值經(jīng)過3φ-α β坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，通過電磁轉(zhuǎn)矩估算模型和磁鏈估算模型計(jì)算而得。定子磁鏈給定值和估算值的差值以及電磁轉(zhuǎn)矩給定值和估算值的差值，經(jīng)過兩點(diǎn)式的磁滯比較器輸出到開關(guān)表，用以選擇合適的電壓空間矢量。

開關(guān)表的輸出是由轉(zhuǎn)矩、磁鏈滯環(huán)比較器及磁鏈位置檢測(cè)器的輸出，即γ、Ψ和θ三者的值來確定的以實(shí)現(xiàn)定子磁鏈的圓形軌跡控制。根據(jù)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制開關(guān)表的選擇原理，無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制開關(guān)表的開關(guān)矢量如表1所示。

表1 永磁BLDCM的DTC控制開關(guān)矢量表

4 無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真研究

為驗(yàn)證上述方法的可行性，在Matlab上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真：

圖6 三相電流波形

圖7 無控制算法時(shí)的轉(zhuǎn)矩波形

圖8 轉(zhuǎn)速波形

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

圖9 三相電流波形

圖10 負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)的轉(zhuǎn)矩波形

圖11 負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)轉(zhuǎn)速波形

(3)以最大給定轉(zhuǎn)矩Tmax=20N·m起動(dòng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在t=0.03s時(shí)突加負(fù)載TL=15N·m，得到PMBLDCM的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波形如圖14和圖15所示。

圖12 負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時(shí)的轉(zhuǎn)矩波形圖

圖13 負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時(shí)的轉(zhuǎn)速波形

從圖7可以看出，無控制算法時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大，而從圖10和圖12可以看出在該控制方法能使電機(jī)以最大給定轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后能夠很好地抑制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，且在DTC方式下電機(jī)能快速響應(yīng)給定轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)時(shí)間小于1ms，即當(dāng)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時(shí)，電機(jī)具有相當(dāng)快的響應(yīng)速度。由于DTC對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制具有高動(dòng)態(tài)性，只要合理選擇轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器的容差，便可將無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制在規(guī)定的范圍內(nèi)。仿真結(jié)果表明，將DTC應(yīng)用于PMBLDCM能改善其運(yùn)行性能，有效抑制了電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

4 結(jié)論

將DTC技術(shù)應(yīng)用于永磁無刷直流電機(jī)，通過精確的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制，來減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，效果明顯。由本文仿真分析結(jié)果可知，DTC方式使無刷直流電機(jī)擁有較好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，在換相時(shí)刻抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

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