王松林, 谢顺依, 张林森



一种改进无刷直流电机直接转矩控制方法

王松林, 谢顺依, 张林森

(海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033)

传统无刷直流电机直接转矩控制策略通常采用两相导通模式, 这种方式虽然简化了控制系统结构, 但是系统高速时, 其与传统脉宽调制电流控制一样, 对换相转矩脉动会失去抑制作用。本文将一种改进直接转矩控制方法应用于无刷直流电机控制系统中, 以求更好地减少换相引起的转矩脉动。该方法将两相导通模式与三相导通模式的电压空间矢量结合在一起, 生成12个可供选择的电压空间矢量, 以提高转矩滞环控制的质量。仿真结果表明, 该方法能够很好地调整相电流波形以保持转矩平稳控制, 特别是高速时换相转矩脉动的抑制性能更为优越。

无刷直流电机; 直接转矩控制; 导通模式; 转矩脉动

0 引言

无刷直流电机具有输出转矩大、调速特性优良、损耗小、噪声低、结构简单、维护方便等优点, 在军事装备、工业、民用控制系统等领域得到了广泛应用, 成为最具发展前途的电机产品[1]。但是, 无刷直流电机的电枢磁场是跳跃式旋转磁场, 即非圆形旋转磁场, 必然存在较大的转矩波动, 制约了其在要求低纹波速度的调速系统和高精度位置伺服控制系统的应用。为了抑制转矩脉动, 提高转矩动态性能, 有学者将直接转矩控制(direct torque control, DTC)思想引入无刷直流电机控制系统中, 利用其转矩控制的高动态性, 有效地抑制转矩脉动[2-3]。

文献[4]中根据反电动势和电流设计了转矩控制器输出所需的电压来抑制系统的转矩脉动, 实现了无刷直流电机的直接转矩控制。文献[5]根据无刷直流电机的特殊性, 采用DTC控制时,省略磁链观测部分, 简化了控制系统结构。文献[6]采用反电动势形状函数法实现了无刷直流电机直接转矩控制, 解决了电压测量和转矩观测中微分计算的问题, 提高了系统动态响应。文献[7]将直接自控制方法引入无刷直流电机的转矩控制系统中, 所观测的定子磁链是六边形的。文献[8]将DTC应用于无刷直流电机无位置传感器控制系统中, 通过控制轴定子电流分量来控制定子磁链幅值, 使用转矩和间接磁链双闭环控制。由于采用三相导通方式, 系统电流波形不同于传统的方波波形。

本文提出将无刷直流电机的两相导通方式和三相导通方式相结合的方法, 这2种方式产生的12个非零电压空间矢量及其所划分的12个扇区控制模式应用于DTC策略中, 另外, 系统采用滑模观测器观测电机反电动势, 进而实现对转矩的预测反馈。仿真试验表明, 系统不但实现了对转矩的快速响应, 较好地抑制了低速换相引起的转矩波动, 而且在高速区对转矩波动也起到了很好的抑制效果。

1 无刷直流电机DTC策略

无刷直流电机的转矩可以表示为

转子磁链分量为

通过控制定子电流和电压可以达到控制定子磁链的目的, 其关系为

定子磁链的幅值和位置

根据DTC理论, 为实现电机转矩控制的高动态性能, 需要对转矩进行闭环控制, 本文采用转矩滞环控制。无刷直流电机DTC系统如图1所示, 图中, 该结构的DTC系统中有定子磁链观测和无定子磁链观测2种控制方法仿真皆可适用。开关“1”状态时表示系统采用了定子磁链观测, “2”表示系统采用直接自控制方法, 无磁链观测。

2 无刷直流电机的电压空间矢量及选择

本文用六位二进制数来表示电压空间矢量, 每一位六位二进制数表示1个功率管的开关状态, “0”表示关断, “1”表示导通。无刷直流电机的电压矢量可定义为

2.1 两相导通模式的电压空间矢量

根据式(5)计算出无刷直流电机驱动系统两相导通模式(即120°导通方式)时的6个非零电压空间矢量为

该模式下开关管的开关状态与非零电压矢量的对应关系如图2所示。

2.2 三相导通模式的电压空间矢量

根据式(5)计算出系统三相导通模式(即180°导通方式)时的6个非零电压空间矢量为

图1 无刷直流电机直接转矩控制驱动系统框图

图2 无刷直流电机两相导通模式的电压空间矢量

Fig. 2 Voltage space vectors for BLDC motor with two-phase conduction mode

该模式下开关管的开关状态与非零电压矢量的对应关系如图3所示。

2.3 二三相混合导通模式的电压空间矢量

两相导通方式或三相导通方式都存在着电压矢量切换时磁通角调节过大的缺点, 削弱了换相转矩脉动的抑制效果, 将2种导通方式相结合更能有效减少系统稳态转矩脉动。根据2种导通方式的12个基本电压矢量将空间分成12个扇区, 如图4所示。

该模式下的最优开关矢量选择如表1所示。在BLDC-DTC两相导通系统中, 低速时可以通过选择最优的电压矢量抑制开通相电流的上升率,从而抑制转矩上升, 克服换相带来的转矩脉动, 但是对于高速时的换相过程, 该模式下的系统无法对关断相电流实现斩波而不能抑制该相电流下降速率, 此时需要三相导通模式才可使需要关断的相电流延长导通时间, 从而保持非换相相电流恒定以达到减少转矩脉动的目的。因此, 将本文提出的无刷直流电机两相导通模式和三相导通模式相结合的方法运用到DTC系统中, 既可以提高系统动静态性能, 又可以改善电机高速时转矩脉动的抑制效果。

图3 无刷直流电机三相导通模式的电压空间矢量

图4 无刷直流电机混合导通模式的电压空间矢量

表1 最优电压空间矢量选择表

3 仿真结果分析

4 结束语

无刷直流电机驱动系统运用DTC策略可获得快速的动态响应, 并很好地将转矩脉动抑制在规定的范围内。针对传统无刷直流电机DTC两相导通模式下高速时系统无法对关断相实施斩波, 与PWM电流控制一样对换相转矩脉动失去抑制作用, 本文将两相模式和三相导通时的电压空间矢量相结合, 增加电压空间矢量的选择数量, 转矩控制器可结合位置信号选择最优电压空间矢量。使用MATLAB/Simulink建立仿真模型, 结果证明, 所提方法可以实现转矩的平滑控制, 特别是电机高速时转矩抑制效果尤为明显。

图5 传统直接转矩控制低速时仿真波形

图6 传统直接转矩控制高速时仿真波形

图7 改进直接转矩控制高速时仿真波形

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(责任编辑: 陈 曦)

An Improved Direct Torque Control Method for Brushless DC Motor

WANG Song-linXIE Shun-yinZHANG lin-sen

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Conventional 3-phase brushless direct current-direct torque control (BLDC-DTC) scheme usually adopts 2-phase conduction mode with simple control system. However, like the pulse width modulation(PWM) current control, this control scheme will lose restriction on torque ripple due to phase commutation at high speed. This paper presents an improved DTC method and applies it to BLDC motor control system to reduce the torque ripple. The present method combines the voltage space vectors of 2-phase conduction mode and 3-phase conduction mode to form twelve voltage space vectors for the quality enhancement of torque hysteresis control. Simulation results show that this method can adjust the phase current waveform to maintain constant torque, especially to restrain the torque ripple quite effectively at high speed.

brushless DC motor; direct torque control; conduction mode; torque ripple

TJ630.32

A

1673-1948(2014)01-0049-05

2013-07-16;

2013-08-14.

王松林(1985-), 男, 在读博士, 研究方向为鱼雷无刷直流电机优化控制.