一种新颖的无刷直流电机直接转矩控制方法研究.pdf

1、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/微 电 机 2009年 第 42卷 第 10期中 图 分 类 号 : TM36 + 1 文 献 标 志 码 : A 文 章 编 号 : 100126848 (2009) 1020062204一 种 新 颖 的 无 刷 直 流 电 机 直 接 转 矩 控 制 方 法 研 究魏 海 峰 1 , 李 萍 萍 1 , 刘 国 海 2(1. 现 代 农 业 装 备 与 技 术 省 部 共 建 教 育 部 重 点 实 验 室 /

2、江 苏 大 学 ,镇 江 212013; 2. 江 苏 大 学 电 气 信 息 工 程 学 院 , 镇 江 212013)摘 要 : 针 对 无 刷 直 流 电 机 直 接 转 矩 控 制 (BLDCM DTC) 中 磁 链 观 测 困 难 、 控 制 复 杂 等 问 题 ,提 出 了 一 种 应 用 于 无 刷 直 流 电 机 二 二 导 通 方 式 下 的 新 型 直 接 转 矩 控 制 方 法 : 在 电 机 基 频 以 下 调速 时 , 略 去 了 常 规 的 磁 链 观 测 控 制 环 节 , 改 进 了 转 矩 计 算 方 法 , 通 过 转 矩 滞 环 控 制 选 择 所 施 加

3、的 空 间 电 压 矢 量 。 该 方 法 简 化 了 控 制 结 构 , 降 低 了 控 制 成 本 , 实 现 了 无 刷 直 流 电 机 的 直 接 转 矩控 制 运 行 。 仿 真 和 试 验 结 果 表 明 该 方 法 可 行 有 效 。关 键 词 : 无 刷 直 流 电 机 ; 直 接 转 矩 控 制 ; 空 间 电 压 矢 量 ; 转 矩 ; 滞 环 控 制Study on A New Schem e for Brushless DC M otor D TCW E I Hai2feng1 , L I Ping2p ing1 , L IU Guo2hai2(1. Key Labor

4、atory ofModern Agricultural Equipment and Technology, M inistry of Education2. School of Electricaland Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)Abstract: A new brushless DC motor DTC scheme was studied to solve those p roblem s associated withdirect torque control (DTC) o

5、f brushless DC motor, such as difficulty to control flux and comp lexity toestimate torque. The flux hysteresis controller was ignored in the constant torque region and an imp rovedmethod was p roposed to make the estimation of torque easier. The p roper stator voltage space vector wasselected based

6、 on the output of the torque hysteresis controller and the sector which the current rotor fluxlocates in. The structure of the control system was simp lified and the cost was reduced. Simulation andexperimental results are p resented, and it is shown that the feasibility and the validity of the sche

7、me.Key W ords: B rushless DC motor; DTC; Voltage space vector; Torque; Hysteresis control收 稿 日 期 : 2007201219基 金 项 目 : 江 苏 省 研 究 生 培 养 创 新 工 程 (CX07B_ 117z)教 育 部 博 士 点 基 金 (20050299009)江 苏 省 自 然 科 学 基 金 (BK2007094)0 引 言直 接 转 矩 控 制 技 术 是 继 矢 量 控 制 之 后 一 种 高性 能 交 流 调 速 技 术 。 它 采 用 空 间 电 压 矢 量 直 接 控制 转

8、 矩 , 不 需 要 复 杂 的 坐 标 变 换 , 因 此 具 有 结 构简 单 及 动 态 响 应 速 度 快 等 优 点 122 。 但 是 , 将 直 接转 矩 控 制 技 术 应 用 于 无 刷 直 流 电 机 还 是 一 个 新 的研 究 课 题 。目 前 , 无 刷 直 流 电 机 的 直 接 转 矩 控 制 方 法 大体 有 以 下 两 种 : 三 三 导 通 方 式 下 的 直 接 转 矩 控制 324 。 这 种 控 制 方 式 使 无 刷 直 流 电 机 工 作 于 三 相导 通 模 式 , 避 免 了 关 断 相 对 磁 链 的 影 响 ; 将 磁 链给 定 值 设 为

9、 一 常 数 , 通 过 插 入 零 电 压 矢 量 控 制 定子 磁 链 的 运 动 速 度 , 从 而 实 现 了 电 机 调 速 。 由 于定 子 磁 链 设 定 为 一 定 值 , 定 子 电 流 波 形 偏 离 方 波较 大 , 造 成 了 较 大 的 转 矩 脉 动 。 并 且 , 由 于 磁 链观 测 误 差 , 低 速 情 况 时 定 子 磁 链 运 动 轨 迹 畸 变 严重 , 电 机 运 行 性 能 不 好 。 二 二 导 通 方 式 下 的 直接 转 矩 控 制 。 该 控 制 方 案 通 过 检 测 母 线 电 压 和 定子 电 流 , 直 接 计 算 出 电 机 的

10、磁 链 和 转 矩 , 利 用 两个 滞 环 比 较 器 选 择 最 优 空 间 电 压 矢 量 的 方 式 实 现对 定 子 磁 链 和 转 矩 的 解 耦 控 制 529 。 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 ; 而 且 , 转 矩 观 测 中 包含 的 微 分 项 会 降 低 控 制 精 度 , 增 大 计 算 量 , 降 低 系统 实 时 性 。 针 对 以 上 问 题 , 本 文 提 出 了

11、 一 种 新 颖26 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/一 种 新 颖 的 无 刷 直 流 电 机 直 接 转 矩 控 制 方 法 研 究 魏 海 峰 , 等的 直 接 转 矩 控 制 方 案 : 在 电 机 基 频 以 下 调 速 时 ,略 去 复 杂 的 定 子 磁 链 控 制 滞 环 , 并 简 化 转 矩 计 算方 法 , 只 用 转 矩 滞 环 实 现 对 电 磁 转 矩 的 直 接 控 制 。1 无 刷 直 流 电 机 数 学 模 型图 1

12、为 通 常 采 用 的 无 刷 直 流 电 机 原 理 图 。 为 了简 化 分 析 , 作 出 以 下 假 设 :(1)定 子 绕 组 为 相 带 整 距 绕 组 ;(2)不 考 虑 齿 槽 效 应 和 磁 路 饱 和 , 忽 略 磁 滞 、涡 流 、 集 肤 效 应 和 温 度 对 电 机 参 数 的 影 响 ;(3)三 相 定 子 绕 组 对 称 ;(4)三 相 绕 组 的 反 电 势 为 互 差 120电 角 度 、 平顶 宽 度 为 120梯 形 波 。图 1 无 刷 直 流 电 机 原 理 图其 中 , ua、 ub、 uc 和 ia、 ib、 ic 分 别 为 a、 b、 c相电

13、 压 和 相 电 流 ; R为 定 子 电 阻 ; L和 M 分 别 为 定 子相 自 感 和 互 感 ; ea、 eb、 ec 为 定 子 各 相 反 电 势 。由 于 ia + ib + ic = 0, 可 写 出 其 电 压 平 衡 方程 式 :uaubuc=R 0 00 R 00 0 Riaibic+L - M 0 00 L - M 00 0 L - Mdiadtdibdtdicdt+eaebec(1)2 控 制 结 构 简 化 的 BLDCM DTC方 案211 BLDCM空 间 电 压 矢 量 分 析直 接 转 矩 控 制 中 电 机 转 矩 是 通 过 控 制 加 到 电机 端

14、子 上 的 电 压 来 实 现 的 , 而 电 机 的 端 电 压 又 和逆 变 器 开 关 管 的 导 通 或 关 断 有 关 。 对 于 无 刷 直 流电 机 二 二 导 通 方 式 来 说 , 根 据 每 个 桥 臂 上 开 关 状态 不 同 , 可 以 得 到 6个 非 零 矢 量 V1 (100001)、 V2( 001001 )、 V3 ( 011000 ) , V4 ( 010010 )、 V5( 000110 )、 V6 ( 100100 ) 和 1 个 零 矢 量 V0(000000)。 6个 非 零 矢 量 相 互 间 隔 60 , 将 a - b -c定 子 三 相 坐

15、标 系 分 为 6个 扇 区 , 如 图 2所 示 。 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 。无 刷 直 流 电 机 一 般 使 用 霍 尔 元 件 作 为 位 置 传感 器 , 来 判 断 转 子 所 在 的 扇 区 。 当 电 机 转 子 所 在扇 区 确 定 后 , 选 择 相 应 的 电 压 空 间 矢 量 可 改 变 定子 磁 链 旋 转 速 度 , 从 而 调 节 功 角 的 大 小 , 实 现 对电 机 转 矩 的 瞬

16、时 控 制 。 以 转 子 处 于 第 一 扇 区 为 例 ,选 择 电 压 矢 量 V2 ( 001001)可 以 增 大 转 矩 角 , 起 到增 加 转 矩 的 作 用 ; 电 压 矢 量 V5 ( 000110)的 作 用 是减 小 转 矩 角 , 减 小 电 磁 转 矩 ; 如 果 施 加 零 矢 量 V0(000000) , 则 可 以 保 持 定 子 磁 链 位 置 近 似 不 变 ,由 于 电 机 的 机 械 时 间 常 数 通 常 远 远 大 于 电 气 时 间常 数 , 在 一 个 控 制 周 期 里 转 子 位 置 变 化 也 很 小 ,因 此 功 角 近 似 不 变 ,

17、 可 以 起 到 减 小 转 矩 脉 动 的作 用 10 。图 2 无 刷 直 流 电 机 空 间 电 压 矢 量212 BLDCM电 磁 转 矩 观 测由 参 考 文 献 5 , 对 于 面 贴 式 转 子 磁 钢 的 无 刷直 流 电 机 , 忽 略 电 机 d、 q轴 之 间 的 互 感 耦 合 , 可得 d - q坐 标 系 下 的 电 磁 转 矩 Te :Te = 32 p ( d rdde- rq ) isd + ( d rqde+ rd ) isq (2)式 (2)在 - 坐 标 系 下 可 表 示 为 :Te = 32 p ( d rdeis + d rdeis ) (3)其

18、中 :36 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/微 电 机 2009年 第 42卷 第 10期 r = rd cos e - rq sin r = rd sin e + rq cos e (4) r 、 r 和 is 、 is 分 别 是 转 子 磁 链 和 定 子 电 流 在 - 轴 上 的 分 量 。为 了 便 于 应 用 , 本 文 对 式 ( 3 ) 进 一 步 推 导如 下 :Te = 32 p ( d rdeis + d rdeis ) =3

19、2 p (d r /dtd e /dt is +d r /dtd e /dt is ) =32 p (e e +e e is ) (5)与 式 (3)相 比 , 式 (5)中 不 含 微 分 项 , 易 于 计 算 , 并有 利 于 提 高 计 算 精 度 和 系 统 的 实 时 性 。 因 此 , 本 文采 用 式 (5)的 改 进 方 法 来 对 电 磁 转 矩 进 行 估 算 。213 结 构 简 化 的 DTC策 略在 BLDCM运 行 中 , 由 于 定 子 电 流 换 相 造 成 关断 相 电 压 的 不 确 定 性 , 定 子 磁 链 运 动 轨 迹 非 常 复杂 , 精 确 观

20、 测 和 控 制 难 度 很 大 。 但 是 , 当 电 机 运行 于 额 定 转 速 以 下 的 恒 转 矩 区 时 , 电 机 气 隙 磁 通和 定 子 磁 链 的 幅 值 基 本 保 持 不 变 ; 又 因 无 刷 直 流电 机 的 转 子 磁 链 由 永 磁 体 产 生 , 转 子 磁 链 的 幅 值也 近 似 恒 定 。 根 据 电 磁 转 矩 为 定 子 磁 链 和 转 子 磁链 矢 量 叉 积 的 概 念 , 电 磁 转 矩 将 保 持 基 本 恒 定 。而 且 , 由 于 无 刷 直 流 电 机 霍 尔 传 感 器 的 存 在 , 可以 不 必 进 行 定 子 磁 链 相 位

21、的 观 测 , 直 接 利 用 霍 尔传 感 器 输 出 的 转 子 位 置 信 号 直 接 选 择 空 间 电 压 矢量 。 因 此 电 机 运 行 于 恒 转 矩 区 时 , 在 对 稳 态 转 矩波 动 要 求 不 高 的 场 合 , 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 , 降 低系 统 的 软 硬 件 成 本 ; 而 只 根 据 电 机 永 磁 转 子 的 位置 信 号 、 参 考 转 矩 与 实 际 转 矩 之 间 的 差 异 , 选 择合 适 的 空 间 电 压 矢 量 , 实 现 对 电 磁 转 矩 的

22、 直 接 控制 的 目 的 。 原 理 框 图 如 图 3所 示 :图 3 简 化 结 构 的 BLDCM DTC框 图在 该 控 制 系 统 中 , 将 速 度 环 PI调 节 器 的 输 出 作为 转 矩 滞 环 的 转 矩 给 定 , 转 矩 给 定 和 估 算 的 实 际 转矩 的 差 值 送 入 转 矩 滞 环 调 节 器 。 当 转 矩 给 定 T3 与 实际 转 矩 T差 值 大 于 转 矩 调 节 器 滞 环 宽 度 T, 即 T3- T T时 , 转 矩 滞 环 调 节 器 输 出 = 1, 表 示 要 求增 大 转 矩 ; 若 T3 - T T, 则 = - 1, 表 示

23、要 减 小转 矩 ; 否 则 = 0, 表 示 转 矩 维 持 不 变 。 最 后 , 根 据转 矩 调 节 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 1 结 构 简 化 的 BLDCM DTC的 开 关 表转 矩偏 差 扇 区 S1 2 3 4 5 61 V 2 V3 V4 V5 V6 V10 V0 V0 V0 V0 V0 V0- 1 V5 V6 V1 V2 V3 V43 仿 真 和 实 验 研 究将 本 文 提 出 的 简 化 结 构 直 接 转 矩 控 制 方 法 应 用于 一 台 无

24、 刷 直 流 电 机 进 行 了 仿 真 和 试 验 研 究 。 电 机参 数 : 额 定 电 压 UN = 36 V, 相 电 阻 R = 0135 , 相电 感 L = 414 mH, 转 动 惯 量 J = 01002 kg/m2 , 极 对数 为 P = 5, 额 定 转 速 400 r/m in。图 4 图 6为 电 机 在 负 载 转 矩 为 112 N m时 以额 定 转 速 400 r/m in稳 定 运 行 时 , 转 速 、 转 矩 、 和 相电 流 波 形 的 仿 真 结 果 。 图 7 图 9为 相 应 的 试 验 波形 。 对 比 可 看 出 : 本 文 提 出 的

25、方 法 实 现 了 对 无 刷 直流 电 机 的 有 效 控 制 ; 转 矩 波 动 略 大 , 但 仍 控 制 在 允许 范 围 之 内 , 这 也 充 分 验 证 了 上 面 的 分 析 。 试 验 和仿 真 波 形 基 本 吻 合 , 证 明 了 该 方 法 可 行 有 效 。46 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/一 种 新 颖 的 无 刷 直 流 电 机 直 接 转 矩 控 制 方 法 研 究 魏 海 峰 , 等4 结 论本 文 研 究 了

26、一 种 新 颖 的 无 刷 直 流 电 机 直 接 转矩 控 制 方 案 , 可 用 于 无 刷 直 流 电 机 恒 转 矩 区 运 行 ,进 一 步 拓 展 了 BLDCM DTC控 制 思 想 。 理 论 分 析 、仿 真 和 试 验 对 比 研 究 表 明 这 种 新 型 的 控 制 方 法 简 化了 系 统 的 控 制 结 构 , 改 进 了 电 磁 转 矩 的 估 算 , 提供 了 一 种 低 成 本 的 直 接 转 矩 控 制 实 现 方 案 , 易 于工 程 应 用 。参 考 文 献 1 Mohamed, Y. A. R. Adap tive Self2Tuning Speed

27、Control forPermanent2magnet SynchronousMotor D rive with Dead Times J .IEEE Tras. on Energy Conversion, 2006, 21 (4) : 8552862. 2 Jun L iu, PuShengW u, Hua Yu Bai, et al. App lication of FuzzyControl in D irect Torque Control of PermanentMagnet SynchronousMotor C . WC ICA 2004, Hangzhou, China, 2004

28、, 5:457324576. 3 贾 洪 平 , 孙 丹 , 贺 益 康 . 基 于 滑 模 变 结 构 的 永 磁 同 步 电 机 直接 转 矩 控 制 J . 中 国 电 机 工 程 学 报 , 2006, 26 ( 20 ) :1342138. 4 高 瑾 , 胡 育 文 , 黄 文 新 , 等 . 六 边 形 磁 链 轨 迹 的 无 刷 直 流 电机 直 接 自 控 制 J . 中 国 电 机 工 程 学 报 , 2005, 26 ( 15 ) :1342138. 5 Yong L iu, Zhu ZQ, Howe D. D irect Torque Control of B rush

29、lessDC D rives with Reduced Torque R ipp le J . IEEE Trans Ind Ap2p lications, 2005, 41 (2) : 5992608. 6 Z. Q. Zhu, Y. L iu, and D. Howe. Comparison of Perform2ance of B rushless DC D rives under D irect Torque Control andPWM Current Control C . / / Proceedings of the Eighth Interna2tional Conferenc

30、e on Electrical Machines and System s, China:Nanjing, 2005, 2: 148621491. 7 Yong L iu, Z. Q Zhu, David Howe. Instantan2eous Torque Esti2mation in SensorlessD irect Torque Controlled B rushlessDC Motors J . IEEE Tras. on Industy App lications, 2006, 42 ( 5 ) :127521283. 8 Z. Q. Zhu, Y. L iu, D. Howe.

31、 Steady2state Dynam ic Perform2ance of a D irect Torque Controlled PM B rushlessDC D rive Account2ing for Influence of PWM Chopping and Cogging Torque C . / /The 3rd IET International Conference on Power Electronics, Ma2chines and D rives, 2006, 6: 5562560. 9 王 晓 远 , 田 亮 , 冯 华 . 无 刷 直 流 电 机 直 接 转 矩

32、模 糊 控 制 研 究 J . 中 国 电 机 工 程 学 报 , 2005, 26 (15) : 1342138. 10 贾 洪 平 , 贺 益 康 . 永 磁 同 步 电 机 直 接 转 矩 控 制 中 零 矢 量 的作 用 研 究 J . 电 气 传 动 , 2006, 66 (4) : 13217.作 者 简 介 : 魏 海 峰 (1981 - ) , 男 , 山 东 泰 安 人 , 博 士 研 究 生 ,研 究 方 向 为 电 力 电 子 与 电 力 传 动 。李 萍 萍 (1956 - ) , 女 , 浙 江 宁 波 人 , 教 授 , 博 士 生 导 师 , 研究 方 向 为 农 业 工 程 。56