摘要：針對無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制(bldcm dtc)中磁鏈觀測困難、控制復(fù)雜等問題，提出了一種應(yīng)用于無刷直流電機二二導(dǎo)通方式下的新型直接轉(zhuǎn)矩控制方法：在電機基頻以下調(diào)速時，略去了常規(guī)的磁鏈觀測控制環(huán)節(jié)，改進了轉(zhuǎn)矩計算方法，通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制選擇所施加的空間電壓矢量。該方法簡化了控制結(jié)構(gòu)，降低了控制成本，實現(xiàn)了無刷直流電機的直接轉(zhuǎn)矩控制運行。仿真和試驗結(jié)果表明該方法可行有效。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；直接轉(zhuǎn)矩控制；空間電壓矢量；轉(zhuǎn)矩；滯環(huán)控制
0 引 言
直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制之后一種高性能交流調(diào)速技術(shù)。它采用空間電壓矢量直接控制轉(zhuǎn)矩，不需要復(fù)雜的坐標變換，因此具有結(jié)構(gòu)簡單及動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點。但是，將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用于無刷直流電機還是一個新的研究課題。
目前，無刷直流電機的直接轉(zhuǎn)矩控制方法大體有以下兩種：①三三導(dǎo)通方式下的直接轉(zhuǎn)矩控制。這種控制方式使無刷直流電機工作于三相導(dǎo)通模式，避免了關(guān)斷相對磁鏈的影響；將磁鏈給定值設(shè)為一常數(shù)，通過插入零電壓矢量控制定子磁鏈的運動速度，從而實現(xiàn)了電機調(diào)速。由于定子磁鏈設(shè)定為一定值，定子電流波形偏離方波較大，造成了較大的轉(zhuǎn)矩脈動。并且，由于磁鏈觀測誤差，低速情況時定子磁鏈運動軌跡畸變嚴重，電機運行性能不好。②二二導(dǎo)通方式下的直接轉(zhuǎn)矩控制。該控制方案通過檢測母線電壓和定子電流，直接計算出電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，利用兩個滯環(huán)比較器選擇****空間電壓矢量的方式實現(xiàn)對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。但是在無刷直流電機運行中，由于關(guān)斷相電壓的不確定性，定子磁鏈幅值隨空間位置不同而時刻變化，定子磁鏈的觀測和給定非常困難；而且，轉(zhuǎn)矩觀測中包含的微分項會降低控制精度，增大計算量，降低系統(tǒng)實時性。針對以上問題，本文提出了一種新穎 的直接轉(zhuǎn)矩控制方案：在電機基頻以下調(diào)速時，略去復(fù)雜的定子磁鏈控制滯環(huán)，并簡化轉(zhuǎn)矩計算方法，只用轉(zhuǎn)矩滯環(huán)實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。
1無刷直流電機數(shù)學(xué)模型圖1為通常采用的無刷直流電機原理圖。為了簡化分析，作出以下假設(shè)：
(1)定子繞組為相帶整距繞組；(2)不考慮齒槽效應(yīng)和磁路飽和，忽略磁滯、渦流、集膚效應(yīng)和溫度對電機參數(shù)的影響；(3)三相定子繞組對稱；(4)三相繞組的反電勢為互差120°電角度、平頂寬度為120°梯形波。
其中，ua、ub、uc和ia、ib、ic分別為a、b、c相電壓和相電流；r為定子電阻；l和m分別為定子相自感和互感；ea、eb、ec為定子各相反電勢。
由于ia+ib+ic=o，可寫出其電壓平衡方程式：
2控制結(jié)構(gòu)簡化的bldcm dtc方案2，1 bldcm空間電壓矢量分析直接轉(zhuǎn)矩控制中電機轉(zhuǎn)矩是通過控制加到電機端子上的電壓來實現(xiàn)的，而電機的端電壓又和逆變器開關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷有關(guān)。對于無刷直流電機二二導(dǎo)通方式來說，根據(jù)每個橋臂上開關(guān)狀態(tài)不同，可以得到6個非零矢量v2(100001)、v2(001001)、v3(011000),v4(010010)、v5(000110)、v6(100100)和1個零矢量v0(000000)。6個非零矢量相互間隔60°，將a一b一c定子三相坐標系分為6個扇區(qū)，如圖2所示。直接轉(zhuǎn)矩控制就是采用這些空間電壓矢量去控制電機定子磁鏈的大小及其運動方向，從而實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的動態(tài)控制。
無刷贏流電機一般使用霍爾元件作為位置傳感器，來判斷轉(zhuǎn)子所在的扇區(qū)。當電機轉(zhuǎn)子所在扇區(qū)確定后，選擇相應(yīng)的電壓空間矢量可改變定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度，從而調(diào)節(jié)功角θ的大小，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩的瞬時控制。以轉(zhuǎn)子處于第一扇區(qū)為例，選擇電壓矢量v2(00l001)可以增大轉(zhuǎn)矩角，起到增加轉(zhuǎn)矩的作用；電壓矢量v5(000110)的作用是減小轉(zhuǎn)矩角，減小電磁轉(zhuǎn)矩；如果施加零矢量v0(000000)，則可以保持定子磁鏈位置近似不變，由于電機的機械時間常數(shù)通常遠遠大于電氣時間常數(shù)，在一個控制周期里轉(zhuǎn)子位置變化也很小，因此功角近似不變，可以起到減小轉(zhuǎn)矩脈動的作用。
2．2 bldcm電磁轉(zhuǎn)矩觀測由參考文獻[5]，對于面貼式轉(zhuǎn)子磁鋼的無刷直流電機，忽略電機d、g軸之間的互感耦合，可得d—q坐標系下的電磁轉(zhuǎn)矩te：
其中
與式(3)相比，式(5)中不含微分項，易于計算，并有利于提高計算精度和系統(tǒng)的實時性。因此，本文采用式(5)的改進方法來對電磁轉(zhuǎn)矩進行估算。
2．3結(jié)構(gòu)簡化的dtc策略在bldcm運行中，由于定子電流換相造成關(guān)斷相電壓的不確定性，定子磁鏈運動軌跡非常復(fù)雜，精確觀測和控制難度很大。但是，當電機運行于額定轉(zhuǎn)速以下的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)時，電機氣隙磁通和定子磁鏈的幅值基本保持不變；又因無刷直流電機的轉(zhuǎn)子磁鏈由永磁體產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值也近似恒定。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈矢量叉積的概念，電磁轉(zhuǎn)矩將保持基本恒定。
而且，由于無刷直流電機霍爾傳感器的存在，可以不必進行定子磁鏈相位的觀測，直接利用霍爾傳感器輸出的轉(zhuǎn)子位置信號直接選擇空間電壓矢量。因此電機運行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)時，在對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動要求不高的場合，可以略去傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中的磁鏈滯環(huán)控制環(huán)節(jié)，簡化控制結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)的軟硬件成本；而只根據(jù)電機永磁轉(zhuǎn)子的位置信號、參考轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩之間的差異，選擇合適的空間電壓矢量，實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制的目的。原理框圖如圖3所示：
在該控制系統(tǒng)中，將速度環(huán)pi調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的轉(zhuǎn)矩給定，轉(zhuǎn)矩給定和估算的實際轉(zhuǎn)
轉(zhuǎn)矩；否則τ=o，表示轉(zhuǎn)矩維持不變。最后，根據(jù)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出τ、轉(zhuǎn)子所在扇區(qū)s來選擇作用的有效空間電壓矢量。因此可得如下的開關(guān)表：
3仿真和實驗研究
將本文提出的簡化結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制方法應(yīng)用于一臺無刷直流電機進行了仿真和試驗研究。電機參數(shù)：額定電壓un=36 v，相電阻r=o．35 ω，相電感l(wèi)=4．4 mh，轉(zhuǎn)動慣量j=0．0022kg／m的2次方，極對數(shù)為p=5，額定轉(zhuǎn)速400 r／min.
圖4～圖6為電機在負載轉(zhuǎn)矩為1．2 n·m時以額定轉(zhuǎn)速400 r／min穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、和相電流波形的仿真結(jié)果。圖7～圖9為相應(yīng)的試驗波形。對比可看出：本文提出的方法實現(xiàn)了對無刷直流電機的有效控制；轉(zhuǎn)矩波動略大，但仍控制在允許范圍之內(nèi)，這也充分驗證了上面的分析。試驗和仿真波形基本吻合，證明了該方法可行有效。
4結(jié)論
本文研究了一種新穎的無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制方案，可用于無刷直流電機恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運行，進一步拓展了bldcm dtc控制思想。理論分析、仿真和試驗對比研究表明這種新型的控制方法簡化了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，改進了電磁轉(zhuǎn)矩的估算，提供了一種低成本的直接轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)方案，易于工程應(yīng)用。
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