1、抑 制转矩波动是无刷直流电机研究领域的一项重要内容 国内外许多学者在这方面进行了大量的研究 文献 1 对电机的 相电压和相电流进行 Fourier 级数分解 推导出具有基波和高次 谐波分量形式的转矩模型 并通过调节绕组的导通相位对转矩 谐波作相应补偿 达到消除谐波的目的 文献 2 利用定子谐波 电流的最优权重法 通过电流调节器等装置有效减小了电磁转 矩及齿槽转矩引起的转矩波动 文献 3 通过动态改变输入电压 的方法实现了转矩波动的抑制 文献 4 对电枢反应引起的转矩 波动进行了分析 并从磁路设计和换相控制两个方面提出抑制 这种影响的方法 直接转矩控制系统简称 DTC Direct Torque
2、 Control 系 统 是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交 流电机机变压变频调速系统 DTC 的工作原理是 电压源逆变 器产生 6 个非零电压矢量和 1 个零电压矢量 通过对电机定子 磁链和转矩的输出值与给定值进行比较 形成 2 个滞环比较器 由滞环比较器的输出选择电压矢量 进而控制电机的定子磁链 和转矩在期望的范围之内 但是在无刷直流电机运行中 由于关 断相电压的不确定性 定子磁链幅值随空间位置不同而时刻变 化 定子磁链的观测和给定非常困难 由于无刷直流电机具有位 置传感器 且其电动连续运行时由位置传感器给出的电压空间 矢量恰好能够在电机定子上产生六边形的磁链 所以将 DT
3、C 用 于永磁无刷直流电机时 一方面可以略去其磁链观测部分 以简 化控制系统的结构 另一方面利用其转矩控制的高动态性 将电 机的转矩波动限制在规定的范围内 1 无刷直流电机数学模型 以三相桥式 Y 接无刷直流电机为例来说明微分方程模型的 建立过程 电机定子绕组为 Y 接集中整距绕组 转子采用隐极内 转子结构 3 个霍尔元件在空间相隔 120 对称放置 在此结构基 础上 作出以下假设 1 忽略电机铁心饱和 不计涡流损耗和磁滞损耗 2 不计电枢反应 气隙磁场分布近似认为是平顶宽度为 120 电角度的梯形波 3 忽略齿槽效应 电枢导体连续均匀分布于电枢表面 4 驱动系统逆变电路的功率管和续流二极管均
4、具有理想的 开关特性 电机的状态方程为 u A u B u C R 0 0 0 R 0 0 0 0 R i A i B i C L M 0 0 0 L M 0 0 0 L 0 0 M d dt i A i B i C e A e B e C 1 式中 u A u B u C 为三相定子相电压 e A e B e C 为三相定子反 电势 i A i B i C 为三相定子电流 L 为定子自感 M 为定子间互感 对应的无刷直流电机等效电路原理图如图 1 所示 图 1 无刷直流电机原理图 2 无刷直流电机空间电压矢量选择 无刷直流电机空间电压矢量的选择不同于永磁同步电机 在永磁同步电机驱动系统中 逆
5、变桥的三相输出在任意时刻都 全部导通 每个桥臂的开关状态只要一位二进制数来表示 因此 表达电压空间矢量只需用三位二进制数就可以 如 100 110 而且这样已经足以表示出逆变器的所有开关状态 而无 刷直流电机一般采用两两通电方式 即每一时刻有 2 个功率管 导通 每隔 60 电角度换向一次 每次换向 1 个功率管 每一功 率管导通 120 电角度 因此 可以用六位二进制数来表示其电 压 空 间 矢 量 得 到 6 个非零电压空间矢量 V 1 100001 V 2 001001 V 3 011000 V 4 010010 V 5 000110 V 6 100100 无刷直流电机直接转矩控制 Di
6、rect Torque Control for Brushless DC Motors 崔如泉 孙振源 王毓顺 青岛大学自动化工程学院控制工程系 山东 青岛 266071 摘 要 由于无刷直流电机转矩波动较大 不但会产生噪声和振动等问题 而且会影响整个系统的性能 由于直接转矩控制具 有瞬时转矩控制的特点 提出了一种基于直接转矩控制的无刷直流电机控制系统实现方案 该方案对转矩进行闭环控制 通过转矩滞环调节器输出的控制信号和由位置传感器测得的转子位置选择相应的空间电压矢量 实现对电机转矩的直接 控制 以达到抑制转矩波动的目的 仿真结果表明该方案可行有效 能够较好的抑制无刷直流电机的转矩波动 关键词
7、 无刷直流电机 直接转矩控制 空间电压矢量 Abstract Torque ripple generated in brushless DC motors BLDCM is the main drawback of BLDCM which not only can pro duce noise and vibration but also can impact the performance of the system Because the direct torque control DTC can control the torque instantly in this paper DTC
8、 is used to control the BLDCM This scheme controls torque by closed loop control And then the control signal is obtained by the hysteresis controller Finally with this control signal and the rotor po sition which is obtained by the position sensor the corresponding voltage space vector is selected s
9、o that the torque can be controlled directly and the torque ripple can be reduced Keywords brushless DC motor direct torque control voltage space vector 无刷直流电机直接转矩控制48 工业控制计算机 2010 年第 23 卷第 11 期 和 1 个零电压空间 矢 量 V 0 000000 其中 从左到右的每 一 位 分 别 表 示 A 相 B 相 和 C 相 对 应的上 下桥臂开关 信号的状态 零电压 空间矢量表示各功 率管都关断时 电机 定子
10、端电压为零 6 个非零电压空间矢量 相互间隔 60 将 a b c 定子三相坐标系分为 6 个扇区 如图 2 所示 由于无刷直流电机具有位置传感器 一般采用霍尔元件作 为其位置传感器 电机根据霍尔元件的 3 个输出信号 HA HB HC 的不同逻辑组合选择相应的电压空间矢量 给出的电压空 间矢量恰好能够在电机定子上产生六边形的磁链 以实现连续 电动运行 表 1 给出了电机电动运行时各霍尔信号与电压空间 矢量的对应关系 表 1 电压空间矢量选择表 直接转矩控制就是采用这些空间电压矢量去控制电机定子 磁链的大小及其运动方向 从而实现对电磁转矩的动态控制 3 无刷直流电机的电磁转矩观测 直接转矩控制
11、需要在定子坐标系下观测电机的转矩 电磁 转矩可以由下式来表示 T e e A i A e B i B e C i C 2 在式 2 中 三相定子电流 电机转速是可测量的 而电机的 反电势一般无法直接测得 可由式 1 整理计算得出 e A e B e C u A u B u C R 0 0 0 R 0 0 0 0 R i A i B i C L M 0 0 0 L M 0 0 0 L 0 0 M d dt i A i B i C 3 在式 3 中 电机三相定子相电压 三相定子相电流是可测 量的 结合式 2 和式 3 可计算出电机的电磁转矩 从而实现了 对电机的转矩观测 4 无刷直流电机直接转矩控
12、制 根据电机统一理论知 电磁转矩为定子磁链和转子磁链矢 量叉积 T e k m s r sin 4 其中 k m 为转矩系数 s 为定子磁链空间矢量幅值 r 为转子磁链空间矢量幅值 为定转子磁链之间的夹角 即转矩 角 从式 4 中可以看出转矩的大小与定子磁链幅值 转子磁链 幅值和转矩角成正比 因无刷直流电机的转子磁链由永磁体产 生 转子磁链的幅值近似恒定 因此 要控制电机的转矩 只能通 过控制定子磁链 进而改变转矩角 的大小来实现 在 DTC 中 通过选择不同的电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度 从 而改变转矩角 的大小 达到控制电机转矩的目的 在 DTC 中 对转矩进行闭环控制 当转矩给定
13、 T g 与实际转 矩 T e 差值大于转矩调节器滞环宽度 即 T T g T e 时 转矩 滞环调节器输出 1 表示要求增大转矩 选择相应的电压空间 矢量 使定子磁链向前旋转 使定子磁链的旋转速度大于转子磁 链的转速 转矩角 增大 所以转矩 T e 相应增大 T 减小 当 T 减小到转矩调节器容差的下限 即 T T g T e 时 转矩 滞环调节器输出 0 表示要求减小转矩 选择相应的非零电压 矢量 使定子磁链反向旋转 转矩角减小 所以转矩 T e 相应减 小 T 增大 由此可见 通过选择合适的容差 转矩滞环调节 器能够把转矩波动限制在规定的容差范围内 达到转矩波动抑 制的目的 根据转矩调节
14、器输出 转子所在扇区 S 来选择作用 的有效空间电压矢量 因此可得如下的开关表 表 2 电机直接转矩控制开关表 永磁无刷直流电机的 DTC 控制系统结构框图如图 3 所示 图 3 无刷直流电机 DTC 控制系统结构框图 图 3 中 n g 为给定转速 n 为电机的输出转速 T g 为给定转 矩 T e 为电机的输出转矩 由于无刷直流电机霍尔位置传感器的 存在 可以不必进行定子磁链相位的观测 直接利用霍尔位置传 感器输出的转子位置信号直接选择空间电压矢量 因此可以略 去传统直接转矩控制中的磁链滞环控制环节 简化控制结构 5 仿真结果 通过 MATLAB 对无刷直流电机控制系统进行建模和仿真 以验
15、证上述方法的可行性 电机参数 额定电压 U N 36V 相电阻 R 2 875 相电感 L 8 5mH 转动惯量 J 0 001kg m 2 额定转 速 n N 600r min 图 4 和图 5 为电机在负载转矩为 0 7N m 时 以额定转速 600r min 稳定运行时 转速 转矩波形的仿真结果 由仿真结果表明 该方法能够使电机以最大给定转矩起动 达到 稳态后能够较好地抑制电机的转矩波动 图 4 转速波形 图 5 转矩波形 6 结束语 本文提出了一种基于直接转矩控制的无刷直流电机控制系 统实现方案 可以略掉磁链观测部分以简化控制系统的结构 仿 真结果表明该方案可行有效 能够较好地抑制无刷
16、直流电机的 转矩波动 下转第 52 页 图 2 无刷直流电机非零电压空间矢量图 49 上接第 49 页 参考文献 1 Hoang L H Robert P Feuillet R Minimization of torque rip ple in brushless DC motor drivers J IEEE Transactions on Industry Application 1986 IA 22 4 748 755 2 Hung J Y Ding Z Design of currents to reduce torque rip ple in brushless permanent
17、magnet motors J IEEE Pro ceedings B Electric Power Applications 1993 140 4 260 266 3 Nam K Y Lee C M et al Reducing torque ripple of brush less DC motor by varying input voltage J IEEE Transactions on Magnetics 2006 42 4 1307 1310 4 张一鸣 夏平畴 无刷直流电机的电枢反应及其削弱方法 J 微电 机 1999 32 1 10 12 5 王晓远 田亮 冯华 无刷直流电机
18、直接转矩模糊控制研究 J 中国 电机工程学报 2005 26 15 134 138 6 夏长亮 无刷直流电机控制系统 M 北京 科学出版社 2009 收稿日期 2010 9 12 精确性大大的降低 如图 5 所示 SVSWR 基本上都在 3dB 以 内 全向性天线具有很宽的主瓣带宽 可以照射到暗室中几乎所 有的面 因此可以更加准确地评定暗室性能 2 2 NSA 归一化场地衰减 测试的结果与分析 归一化场地衰减中获取测量的最大值要求接收天线在 1m 至 4m 的高度上连续移动 在此运动的期间中最大的一个值即 为测量值 我们设计了两种测量方法 方法一是在某一频率点上 天线 进行一个周期的移动 方法
19、二是天线在某一位置上 频率进行扫 频 如图 6 表明本次测试中两种方法下的误差在某些频段内比 较大 实测中发现出现这种情况的主要原因是由于天线的匹配 性不太理想 造成功率放大器的增益波动很大 当按方法一测量 时 可以在一个频率点测试完毕后 调节功放 达到固定增益 而 方法二时 信号源的变频是连续的 时间很短 功放又不支持软 件控制 造成功率的不一致 导致测试误差的增大 图 6 两种测试方法的差值 仅供参考 2 3 场均匀性的测试结果分析 针对场均匀性的测试 本文设计了两种方式 一是恒定功率 法 二是恒定场强法 恒定功率法指的是发射天线的功率保持不 变 测量同一频率点下测试区域 16 个点的场强
20、 恒定场强法是 指测试区域 16 点的场强保持不变 通过比较发射天线的输入功 率来确定场均匀性 通过以上分析可以得出 恒定场强法和恒定功率法的测试 效果是一致的 所以测试时采用何种方式 可以根据实际情况来 选择 一般而言 恒定功率法在自动测试系统中比较容易实现 计算机首先读取初始的前向功率 然后通过线性叠加将差值信 息传递给信号源 一次控制信号源的输出功率 可以实现恒定功 率 而恒定场强法 则需要多次控制信号源的输出功率 以达到 场强的稳定 但是对于某些小功率的信号源而言 不当的改变信 号源的输出功率可能造成信号源的损坏 而恒定场强法可以有 效的保护信号源 只需微调输出功率即可 3 结束语 5
21、 米法暗室的 SVSWR 测试目前尚未有相应的国际标准 本 文 3 米法暗室和 10 米法暗室的测试标准基础上 通过对 5 米法 暗室测试结果进行分析研究制定 5 米法暗室性能评估指标的测 试方法 并对结果进行了分析 同时研究了可能造成测试误差的 因素 提出了改进措施 按照标准中的要求对暗室性能评估指标 进行了判定 最后对可能影响测试准确性的因素进行了说明 通 过实际的测试来验证两种测试方法的利与弊 参考文献 1 高攸纲 张苏慧 5 米法电波暗室 J 安全与电磁兼容 2003 2 30 31 2 赵金奎 半电波暗室的技术要求 J 安全与电磁兼容 2005 s1 3 GB T 12190 2006 电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法 S 4 CISPR 16 1 4 2008 Test sites for measurement of radio dis turbance field strength for the frequency range of 30MHz to 1000MHz S 收稿日期 2010 8 5 图 8 保持恒定功率前向入射功率 40dBm 图 7 保持恒定场强法 3V m 5 米法微波暗室性能研究52
