摘要：針對無刷直流電機(jī)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(jī)二二導(dǎo)通方式下的新型直接轉(zhuǎn)矩控制方法：在電機(jī)基頻以下調(diào)速時(shí)，略去了常規(guī)的磁鏈觀測控制環(huán)節(jié)，改進(jìn)了轉(zhuǎn)矩計(jì)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(shí)現(xiàn)了無刷直流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制運(yùn)行。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明該方法可行有效。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；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(biāo)變換，因此具有結(jié)構(gòu)簡單及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是，將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用于無刷直流電機(jī)還是一個(gè)新的研究課題。
目前，無刷直流電機(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)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(dòng)。并且，由于磁鏈觀測誤差，低速情況時(shí)定子磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡畸變嚴(yán)重，電機(jī)運(yùn)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(jì)算出電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，利用兩個(gè)滯環(huán)比較器選擇****空間電壓矢量的方式實(shí)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(jī)運(yùn)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(shí)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(xiàng)會(huì)降低控制精度，增大計(jì)算量，降低系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(jī)基頻以下調(diào)速時(shí)，略去復(fù)雜的定子磁鏈控制滯環(huán)，并簡化轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，只用轉(zhuǎn)矩滯環(huán)實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。
1無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型圖1為通常采用的無刷直流電機(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩是通過控制加到電機(jī)端子上的電壓來實(shí)現(xiàn)的，而電機(jī)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(jī)二二導(dǎo)通方式來說，根據(jù)每個(gè)橋臂上開關(guān)狀態(tài)不同，可以得到6個(gè)非零矢量V2(100001)、V2(001001)、V3(011000),V4(010010)、V5(000110)、V6(100100)和1個(gè)零矢量V0(000000)。6個(gè)非零矢量相互間隔60°，將a一b一c定子三相坐標(biāo)系分為6個(gè)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(jī)定子磁鏈的大小及其運(yùn)動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)控制。
無刷贏流電機(jī)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(dāng)電機(jī)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(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)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(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電氣時(shí)間常數(shù)，在一個(gè)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(dòng)的作用。
2．2 BLDcM電磁轉(zhuǎn)矩觀測由參考文獻(xiàn)[5]，對于面貼式轉(zhuǎn)子磁鋼的無刷直流電機(jī)，忽略電機(jī)d、g軸之間的互感耦合，可得d—q坐標(biāo)系下的電磁轉(zhuǎn)矩Te：
其中
與式(3)相比，式(5)中不含微分項(xiàng)，易于計(jì)算，并有利于提高計(jì)算精度和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此，本文采用式(5)的改進(jìn)方法來對電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估算。
2．3結(jié)構(gòu)簡化的DTC策略在BLDcM運(yùn)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(yùn)動(dòng)軌跡非常復(fù)雜，精確觀測和控制難度很大。但是，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速以下的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)時(shí)，電機(jī)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(jī)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?zhǔn)噶坎娣e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(jī)霍爾傳感器的存在，可以不必進(jìn)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(jī)運(yùn)行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)時(shí)，在對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)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(jī)永磁轉(zhuǎn)子的位置信號、參考轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩之間的差異，選擇合適的空間電壓矢量，實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(tái)無刷直流電機(jī)進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究。電機(jī)參數(shù)：額定電壓UN=36 V，相電阻R=O．35 Ω，相電感L=4．4 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1．2 N·m時(shí)以額定轉(zhuǎn)速400 r／min穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，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(yàn)波形。對比可看出：本文提出的方法實(shí)現(xiàn)了對無刷直流電機(jī)的有效控制；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)略大，但仍控制在允許范圍之內(nèi)，這也充分驗(yàn)證了上面的分析。試驗(yàn)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(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方案，可用于無刷直流電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運(yùn)行，進(jìn)一步拓展了BLDcM DTc控制思想。理論分析、仿真和試驗(yàn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)方案，易于工程應(yīng)用。
