張 岳

(遼寧科技學(xué)院，本溪 117004)

無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究

張 岳

(遼寧科技學(xué)院，本溪 117004)

直接轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)、靜態(tài)性能良好，在調(diào)速控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。闡述了無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的工作原理, 提出了控制方案?；贛ATLAB/Simulink軟件，推導(dǎo)了無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制及有關(guān)控制方程的仿真模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)研究。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方案是可行性。

無刷雙饋電機(jī);直接轉(zhuǎn)矩控制；仿真

0 引 言

無刷雙饋電機(jī)(Brushless Doubly-Fed Machine, BDFM) 是既可進(jìn)行交流調(diào)速運(yùn)行又可進(jìn)行變速恒頻運(yùn)行的新型電機(jī)[1-4]，與矢量控制相比較，其直接轉(zhuǎn)矩控制(以下簡稱DTC)具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、電機(jī)參數(shù)魯棒性好等特點(diǎn)[4-6]。本文闡述了無刷雙饋電機(jī)的DTC原理，并利用MATLAB進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 BDFM的直接轉(zhuǎn)矩控制原理

無刷雙饋電機(jī)在轉(zhuǎn)子速d-q坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示[7-9]：

(1)

式中：Rp,Lsp表示功率繞組的電阻值、自感值；Rc，Lsc表示控制繞組的電阻值、自感值；Lm表示定子繞組與轉(zhuǎn)子的互感值；Rr，Lr，ωr表示轉(zhuǎn)子的電阻值、自感值及電機(jī)機(jī)械角速度；uqp，udp，uqc，udc，uqr，udr，Iqp，Idp，Iqc，Idc，Iqr，Idr分別為電壓、電流的瞬態(tài)值。下標(biāo)字母p，c，s，r分別代表功率繞組、控制繞組、定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)，q，d分別代表q軸、d軸分量；p代表微分算子。

電磁轉(zhuǎn)矩：

Te=Pp(iqpψdp-idpψqp)+Pc(iqcψdc-idcψqc)

(2)

ψqp，ψdp，ψqc，ψdc由下列式子給出：

ψqp=Lspiqp+Lmiqc

(3)

ψdp=Lspidp+Lmidc

(4)

ψqc=Lsciqc+Lmiqp

(5)

ψdc=Lscidc+Lmidp

(6)

由式(2)～式(6)整理得：

(7)

無刷雙饋電機(jī)功率繞組的磁鏈瞬時(shí)值[7-10]：

(8)

控制繞組的磁鏈瞬時(shí)值：

(9)

將式(9)離散化得：

ψc=ucΔt+ψc0

(10)

圖1為功率繞組和控制繞組的磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系。

圖1 功率繞組和控制繞組的磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系

圖2為無刷雙饋電機(jī)的DTC工作原理圖。電機(jī)速度給定值與速度反饋值相比較得到的速度差值經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器后形成轉(zhuǎn)矩的給定值，轉(zhuǎn)矩的反饋值可用功率繞組和控制繞組電壓電流的值求得。轉(zhuǎn)矩給定值與反饋值相比較后，經(jīng)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器送給控制繞組電壓矢量選擇器?？刂评@組磁鏈幅值可根據(jù)控制繞組電壓電流測量值由式(9)計(jì)算出，與磁鏈給定值相比較后通過磁鏈滯環(huán)比較器送至控制繞組電壓矢量選擇器，根據(jù)控制繞組磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩增減的要求，控制繞組電壓矢量選擇器決定所選用的控制繞組電壓矢量[10-12]。

圖2 無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)圖

2 仿真模型的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述BDFM直接轉(zhuǎn)矩的基本原理，利用MATLAB構(gòu)建的無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的Simulink圖[13-14]如圖3所示，下面分別介紹仿真模塊。

圖3 BDFM 的DTC Simulink圖

2.1 磁鏈模型

本文的DTC磁鏈計(jì)算模型采用u-i模型[8-9], 參照式(9)，利用MATLAB構(gòu)建的仿真模型如圖4所示。

圖4 u-i Simulink圖

2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

圖5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器仿真模型

2.3 轉(zhuǎn)矩、磁鏈滯環(huán)比較器

圖6 轉(zhuǎn)矩、磁鏈滯環(huán)比較器仿真模型

2.4 開關(guān)電壓矢量選擇

合理地選擇6個(gè)相位相差60°的非零電壓矢量與2個(gè)零電壓矢量，可使控制繞組的磁鏈軌跡近似圓形[15]，如圖7所示。

轉(zhuǎn)矩值Tψr、磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)值Tout以及磁鏈區(qū)間判斷模塊θi確定逆變器開關(guān)狀態(tài)的選擇。一旦開關(guān)狀態(tài)被估計(jì)出，滿足磁鏈、轉(zhuǎn)矩變化的電壓矢量將加在控制繞組上，轉(zhuǎn)矩、磁鏈的幅值分別受電壓矢量的切向分量、徑向分量控制。電壓矢量開關(guān)選擇表見表1，開關(guān)電壓矢量選擇采用S函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖7 電壓矢量圖

表1 電壓矢量開關(guān)選擇表

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

仿真所用BDFM數(shù)據(jù)[16-17]：Pp=3，Pc=1，Rp=0.81 Ω，Lsp=80 mH，Rc=1.81 Ω，Lsc=630 mH，Lm=4.3 mH，Rr=1.57 Ω，Lr=0.04 mH，J=0.02 kg·m2。轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的滯環(huán)為-0.3～0.3 N·m，磁鏈滯環(huán)比較器的滯環(huán)為-0.005～0.005 Wb，給定磁鏈為0.8 Wb，PI速度調(diào)節(jié)器Kp=0.4，Ki=0.08，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩限制為20 N·m。

仿真曲線見圖8，圖8(a)為BDFM的電磁轉(zhuǎn)矩，圖8(b)為BDFM的控制繞組的磁鏈軌跡，圖8(c)為BDFM的逆變電壓，圖8(d)為BDFM的轉(zhuǎn)速。從仿真曲線中可以看到，電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)過15 ms左右達(dá)到給定值，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，但有較大脈動(dòng)，轉(zhuǎn)速也在10ms左右達(dá)到給定值，磁鏈軌跡基本為圓形軌跡，仿真模型能完成BDFM的DTC。

(a)電磁轉(zhuǎn)矩(b)控制繞組磁鏈

(c)逆變電壓(d)轉(zhuǎn)速

圖8 無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真圖

圖9給出了改變給定轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)影響的仿真曲線。圖9(a)為BDFM的電磁轉(zhuǎn)矩，圖9(b)為BDFM的控制繞組的磁鏈軌跡，圖9(c)為BDFM的逆變電壓，圖9(d)為BDFM的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)初始給定轉(zhuǎn)速為570 r/min，在運(yùn)行到2 s時(shí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變?yōu)?00 r/min，觀察轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的變化。轉(zhuǎn)速大約經(jīng)過10 ms調(diào)整后達(dá)到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)矩在2 s處有一個(gè)波動(dòng)，在經(jīng)過短暫的調(diào)整后達(dá)到穩(wěn)定值。表明系統(tǒng)能很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，并能快速跟隨給定的變化，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩都具有較理想的性能，控制繞組的磁鏈軌跡基本保持圓形，不隨速度給定變化而變化。

(a)電磁轉(zhuǎn)矩(b)控制繞組磁鏈

(c)逆變電壓(d)轉(zhuǎn)速

圖9 參數(shù)變數(shù)時(shí)的無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真圖

圖10 給出了無刷雙饋電機(jī)逆變電壓的實(shí)驗(yàn)波形，與理論分析的結(jié)果基本相同。圖11為無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中控制繞組的電流實(shí)驗(yàn)波，由于只有6個(gè)空間電壓矢量，因此，電流波形明顯的發(fā)生畸變。

圖10 無刷雙饋電機(jī)的逆變電壓實(shí)驗(yàn)波形截圖

圖11 無刷雙饋電機(jī)的控制繞組電流實(shí)驗(yàn)波形截圖

4 結(jié) 語

本文利用MATLAB構(gòu)建BDFM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明該模型結(jié)構(gòu)簡單、直觀，參數(shù)修改方便，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、脈動(dòng)小，控制繞組的磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡接近圓形。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，BDFM采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，不僅理論上可行，技術(shù)上也是可行的。

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Study of Direct Torque Control for Brushless Doubly-Fed Machine

ZHANGYue

(Liaoning Institute of Science and Technology,Benxi 117004,China)

Direct torque control (DTC) has been widely used in adjustable speed system as it has good dynamic capability and stability as well as simple control system. The scheme of direct torque control of brushless doubly-fed machine was studied. On these basis, the simulation model of DTC of BDFM based on MATLAB/Simulink software was given. The results of simulation and experiment are given and that DTC of BDFM is reasonable.

brushless doubly-fed machine; direct torque control; simulation

2015-07-04

遼寧科技學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(1212B2)

張?jiān)?1965-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制。

TM34

A

1004-7018(2016)12-0068-04