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        基于轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)臒o刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制分析

        2015-10-14 03:21:49
        河南科技 2015年23期
        關(guān)鍵詞:磁鏈直流電機(jī)脈動

        張 飛 劉 選 譚 濤

        (長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院,湖南 長沙 410114)

        基于轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)臒o刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制分析

        張飛劉選譚濤

        (長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院,湖南長沙410114)

        無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動在直接轉(zhuǎn)矩控制過程選擇正確的矢量電壓產(chǎn)生影響,在控制系統(tǒng)中加入轉(zhuǎn)矩的前饋補(bǔ)償,用來削弱轉(zhuǎn)矩脈動對開關(guān)表選擇產(chǎn)生的誤差,使得電機(jī)在運(yùn)行過程中在每個扇區(qū)都能獲取合適的矢量電壓,并輸出預(yù)期的轉(zhuǎn)矩,從而提高直接轉(zhuǎn)矩控制對轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果。通過仿真驗(yàn)證,運(yùn)用轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)闹苯愚D(zhuǎn)矩控制能很好的抑制轉(zhuǎn)矩脈動。

        無刷直流電機(jī);轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償;直接轉(zhuǎn)矩控制;轉(zhuǎn)矩脈動

        無刷直流電機(jī)(Brushless DCmotor,)具有能量密度大、控制簡單、運(yùn)行穩(wěn)定和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn),已在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于齒槽轉(zhuǎn)矩、非理想反電動勢、電流不恰當(dāng)?shù)膿Q相等因素會導(dǎo)致其輸出轉(zhuǎn)矩容易產(chǎn)生脈動[1]。為了提高控制系統(tǒng)的動態(tài)特性,降低轉(zhuǎn)矩脈動,近年來直接轉(zhuǎn)矩控制(Directed Torque Control,DTC)已成為無刷直流電機(jī)控制研究的重點(diǎn)內(nèi)容,文獻(xiàn)[2]結(jié)合直接轉(zhuǎn)矩控制與分段式滑模變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),對無刷直流電機(jī)的反電動勢狀態(tài)進(jìn)行重構(gòu),很好地提高了整個控制系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動抑制。文獻(xiàn)[3]提出了一種無磁鏈觀測條件下電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制,無刷直流電機(jī)120°導(dǎo)通的特點(diǎn),通過對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制實(shí)現(xiàn)對電流的控制,通過減小電流的脈動來減小電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動,同時(shí)保證了電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[4]提出無一種磁鏈自控直接轉(zhuǎn)矩控制方案,根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差進(jìn)行滯環(huán)調(diào)節(jié),根據(jù)滯環(huán)調(diào)節(jié)器測輸出信號和轉(zhuǎn)子所在位置決定輸出相應(yīng)的電壓矢量,以實(shí)現(xiàn)磁鏈的自控制,有效地降低電流換相過程中引起的轉(zhuǎn)矩脈動。盡管學(xué)者們在直接轉(zhuǎn)矩控制研究方向獲得很多成果,但是直接轉(zhuǎn)矩控制仍然存在問題,如何在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步的降低轉(zhuǎn)矩脈動也是研究熱點(diǎn)。

        本文提出對直接轉(zhuǎn)矩控制過程中轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)姆绞絹磉M(jìn)一步降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動貫穿與其運(yùn)行的整個階段,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載不同其脈動大小不同,雖然直接轉(zhuǎn)矩控制可以降低轉(zhuǎn)矩脈動,但不能完全消除轉(zhuǎn)矩脈動,這種脈動的存在極大的影響了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性,尤其是在電壓矢量開關(guān)的選擇中,可能導(dǎo)致選擇不正確的電壓矢量,不能達(dá)到預(yù)期的輸出轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果不明顯。加入轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償后可以削弱轉(zhuǎn)矩脈動對控制信號產(chǎn)生的影響,對期望轉(zhuǎn)矩波動進(jìn)行補(bǔ)償,使其能夠準(zhǔn)確的選擇電壓矢量開關(guān),在每個扇區(qū)都能獲取給定方向的轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)按照給定方向平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。

        1 無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

        無刷直流電動機(jī)主要是由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路3部分組成,并以電子換向取代傳統(tǒng)機(jī)械換向的直流電機(jī)。以三相繞組為例,繞組完全對稱、星形連接,且沒有中線,同時(shí)假設(shè)磁路不飽和,不計(jì)渦流和磁滯損耗,,則無刷直流電機(jī)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(jù)電磁感應(yīng)原理,無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為磁鏈的函數(shù):

        2 直接轉(zhuǎn)矩控制

        由式(2)可知,電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩由定子形成磁鏈的幅值、轉(zhuǎn)子形成磁鏈的幅值和磁通角大小所決定。由于電機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)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(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩的大小。定子磁鏈的運(yùn)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(yùn)動。當(dāng)根據(jù)位置傳感器確定出轉(zhuǎn)子磁鏈位置后,由定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的空間垂直關(guān)系判斷出定子磁鏈的位置,結(jié)合電壓矢量開關(guān)表與對應(yīng)的位置關(guān)系施加當(dāng)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(yùn)動,運(yùn)動軌跡為正六邊形。因此,通過判斷定子磁鏈的扇區(qū)位置,結(jié)合轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的滯環(huán)信號選擇施加相應(yīng)的電壓矢量,達(dá)到對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的目的[5]。

        直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的外環(huán)為速度環(huán),內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)矩環(huán)??刂葡到y(tǒng)首先由目標(biāo)轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到期望轉(zhuǎn)矩,再將期望轉(zhuǎn)矩與估計(jì)轉(zhuǎn)矩的偏差送入滯環(huán)調(diào)節(jié)器,根據(jù)滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的τ值來確定矢量開關(guān)。當(dāng)偏差大于滯環(huán)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)閾值時(shí),τ=1要求增大電磁轉(zhuǎn)矩,施加正向電壓矢量,使得磁通角增大;當(dāng)偏差在滯環(huán)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)閾值以內(nèi)時(shí),τ=0要求保持電磁轉(zhuǎn)矩,施加0電壓矢量,使得磁通角不變,電磁轉(zhuǎn)矩不變;當(dāng)偏差小于滯環(huán)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)閾值時(shí),τ=-1要求減小電磁轉(zhuǎn)矩,施加反向電壓矢量,使得磁通角減小,開關(guān)表如表1所示。

        表1 直接轉(zhuǎn)矩控制電壓矢量選擇

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

        由于轉(zhuǎn)矩脈動會使期望轉(zhuǎn)矩與估計(jì)轉(zhuǎn)矩都產(chǎn)生波動,在某一時(shí)刻期望轉(zhuǎn)矩與估計(jì)轉(zhuǎn)矩的偏差會產(chǎn)生偏大偏小的狀態(tài),這樣使在滯環(huán)調(diào)節(jié)器出τ值產(chǎn)生誤差,會出現(xiàn)選擇到錯誤的電壓矢量,不能保證每個扇區(qū)都能輸出所需要的期望轉(zhuǎn)矩。提出一種運(yùn)用轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p小轉(zhuǎn)矩脈動引起的轉(zhuǎn)矩偏差不準(zhǔn)確的影響,通過將期望轉(zhuǎn)矩與估計(jì)轉(zhuǎn)矩偏差做PI控制的調(diào)節(jié),確定對期望轉(zhuǎn)矩進(jìn)行的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償量,將補(bǔ)償量與期望轉(zhuǎn)矩相加之后再與估計(jì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行偏差,將之后的偏差輸入到滯環(huán)調(diào)節(jié)器中輸出正確的τ值,來對電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。帶有期望轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

        圖1 帶有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)闹苯愚D(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

        3 仿真結(jié)果分析

        為了驗(yàn)證本文所提控制策略對轉(zhuǎn)矩脈動的抑制效果,對無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制在Simulink中進(jìn)行了仿真,參數(shù)設(shè)置如表2所示:

        表2 無刷直流電機(jī)參數(shù)

        仿真設(shè)定在0~0.1s之間電機(jī)在空載下啟動,在0.1s以后給電機(jī)施加10N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。為了直觀的看出帶有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償無刷直流直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動的抑制效果下圖2給出轉(zhuǎn)矩脈動的對比,通過式(4)計(jì)算轉(zhuǎn)矩波動系數(shù),無轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩波動系數(shù)為0.18,有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩波動系數(shù)為0.10,轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)下降的0.08 ,可以看出帶有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的輸出轉(zhuǎn)矩可以更有效的降低電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動,使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

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

        圖3 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對比

        4 結(jié)語

        本文通過對無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制分析,提出了一種轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)牡姆绞絹頊p小轉(zhuǎn)矩波動對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)矢量電壓選擇中產(chǎn)生的影響,從而進(jìn)一步的降低無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動,將期望轉(zhuǎn)矩與估計(jì)轉(zhuǎn)矩偏差通過PI控制獲取到轉(zhuǎn)矩脈動擾動量,然后將擾動量補(bǔ)償給電機(jī)的控制過程中的期望轉(zhuǎn)矩,仿真結(jié)果表明該方法能夠降低轉(zhuǎn)矩脈動對矢量電壓選擇時(shí)產(chǎn)生的誤差,能夠更好減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。

        [1]夏長亮,方紅偉.永磁無刷直流電機(jī)及其控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,17(3):25-34

        [2]朱俊杰,粟梅,王湘中,馬林.分段式滑模變結(jié)構(gòu)無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2013,34(11):2634-2640.

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

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

        姚永峰(1987.05-),男,研究生,助理工程師,主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面工作。

        TM33

        A

        1003-5168(2015)-12-0047-2

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