无刷直流电机直接转矩控制下的转矩脉动抑制

王松林, 谢顺依, 张林森



无刷直流电机直接转矩控制下的转矩脉动抑制

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)

为了减少无刷直流电机的转矩脉动, 提高系统动态性能, 将直接转矩控制(DTC)应用于无刷直流电机控制系统中。在分析传统脉冲宽度调制(PWM)电流控制的基础上, 研究了DTC对无刷直流电机非理想反电动势和换相引起的转矩脉动的抑制作用。根据无刷直流电机两相导通的特点, 建立了有磁链观测和无磁链观测的无刷直流电机DTC系统模型, 仿真与试验结果均表明, 系统实现了对电流和转矩的有效控制, 比传统PWM电流控制对转矩脉动具有更好的抑制性能, 提高了无刷直流电机的动态性能。

无刷直流电机; 直接转矩控制; 转矩脉动; 非理想反电动势

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[1-2]。但是, 转矩脉动是无刷直流电机最突出的问题, 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系统中。

DTC技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型、高性能的交流变频调速技术, 其在定子坐标系下以定子磁链为基本控制参数, 通过对其幅值及相位的实时控制, 最终达到直接控制电动机转速的目的。该系统具有结构简单、响应快速、系统鲁棒性强等优点[3-4]。

本文研究了无刷直流电机两相导通控制下的DTC系统, 通过详细分析无刷直流电机的转矩特性及电磁转矩与磁链幅值和相位的关系, 得到最优电压矢量的选择依据。仿真结果表明, 该控制方法与传统脉宽调制(pulse-width modulated, PWM)电流控制相比更能有效抑制转矩脉动。

1 永磁无刷直流电机DTC基本原理

1.1 永磁无刷直流电机数学模型

假定永磁无刷直流电机的三相反电动势波形为理想的梯形波, 忽略电机铁心饱和, 不计涡流损耗和磁滞损耗, 以三相桥式Y接电机为例, 永磁无刷直流电机的电压平衡方程为

电磁转矩方程为

图1 无刷直流电机驱动电路及三相反电动势和电流

1.2 永磁无刷直流电机电压空间矢量

永磁无刷直流电机的PWM控制中一般采用两两导通方式, 即每一时刻最多有2个功率管导通, 每隔1/6周期(60°电角度)换向一次, 每次只换相1个功率管, 因此, 对于逆变器来说有6个通电状态和1个全关断状态, 用二进制数可表示开关管的开关状态,“1”和“0”分别表示功率管的导通和关断。无刷直流电机的电压矢量可以定义为

图2(a)为无刷直流电机三相两两导通时各开关管的开关状态与非零电压矢量的对应关系, 这6个离散的非零电压矢量空间分布如图2(b)所示, 图2(c)是不同扇区下的绕组电流导通情况。

1.3 DTC原理

由电机理论, 电机的电磁转矩可以表示为

对于永磁无刷直流电机而言, 在实际运行中, 转子磁链幅值由永磁体产生, 其大小近似不变,因此根据式(4)只要控制定子磁链幅值不变, 仅改变磁通角的大小就可以控制电磁转矩。无刷直流电机DTC系统的基本思想就是, 使定子磁链沿六边形或近似圆形轨迹运行, 通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度, 控制定子磁链走走停停来改变定子磁链的平均旋转速度, 以调节磁通角的大小, 进而控制电机的电磁转矩。

1.4 转矩与链观测

而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

1.5 最佳电压矢量选择和开关信号表

无刷直流电机DTC系统如图3所示, 图中,该结构对于两相六状态导通方式DTC系统中有定子磁链观测和无定子磁链观测的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。

图3 无刷直流电机直接转矩控制系统框图

开关矢量选择如表1所示, 灰色区域表示系统直接自控制方法中所使用的电压矢量。根据扇区选择施加系统所需的电压空间矢量, 这与传统PWM电流控制有所不同, 如在传统PWM电流控制的HPWM-LON方式中, 对应扇区Ⅰ根据电流调节器输出导通状态为(001001)和(000001), 而有磁链观测DTC方案中使用1,6,3,4, 无磁链DTC方案中使用2,5。

表1 无刷直流电机直接转矩控制电压矢量选择表

2 抑制非理想反电动势和换相引起的转矩脉动

在实际电机中, 由于设计与制造方面的原因, 很难做到无刷直流电机的反电动势为平顶宽度为120°电角度的梯形波。由式(2)可知, 传统PWM电流控制下的电流波形会偏离方波, 导致电磁转矩存在原理性脉动。DTC以转矩为控制对象, 实现对转矩的实时控制, 从而抑制因非理想反电动势引起的转矩脉动。

由于换相过程是周期性的, 本文就选择一个过程来研究无刷直流电机的电流换相过程, 换相前相导通, 换相后导通, 如图4所示。

图4 无刷直流电机电流换相过程中开关状态

图5 换相过程中电流变化

传统PWM电流控制系统中, 由于换相期间失去了对相电流的控制, 会产生明显的转矩脉动, 因此, 通常会使用电流补偿的方法来调节关断相的电流变化率, 从而保证非换相电流的恒定, 但是对系统的要求较高。本文采用的DTC方案能根据反馈的电磁转矩自动对导通相电流进行斩波控制, 以高速区段为例,相电流下降比相电流上升的快, 换相过程中电磁转矩会减少, 甚至超过设定的滞环带, 此时对电机施以电压矢量6, 对相电流进行斩波控制以抑制其下降速率, 从而克服由换相引起的电磁转矩脉动。

3 仿真与试验结果分析

为了验证本文所提策略的控制性能, 对无刷直流电机DTC策略和常规的无刷直流电机PWM控制策略进行仿真研究, 电机参数如表2所示。

表2 无刷直流电机参数

图6 脉冲宽度调制(PWM)电流控制下的仿真波形

图7 直接转矩控制下的仿真波形

图8 直接转矩控制下的相电流试验波形

4 结束语

本文研究了无刷直流电机DTC控制理论, 从直接控制电磁转矩的角度出发, 与传统PWM电流控制相比具有更快的响应性能。分析了无刷直流电机的数学模型, 根据无刷电机两相导通方式的特点建立了有磁链观测和无磁链观测的DTC系统模型。分析了DTC对非理想反电动势和换相引起的转矩脉动的抑制作用, 并进行了仿真, 仿真与试验结果均表明, 系统控制精度高, 动态性能好。

图9 直接转矩控制下的转矩试验波形

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(责任编辑: 陈 曦)

Torque Ripple Inhibition of Brushless DC Motor by DTC

WANG Song-lin, XIE Shun-yin, ZHANG Lin-sen

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

To minimize torque ripple and improve dynamic performance of brushless DC motor(BLDCM), the direct torque control(DTC) is applied to the BLDCM drive system. Based on the analysis of the pulse width modulation(PWM) current control, this paper researches into the torque ripple inhibition with DTC method, where the torque ripple is produced by both non-ideal back electromotive force (back-EMF) and current commutation. According to the characteristics of the BLDCM in two-phase conducting mode, a BLDCM-DTC drive system with and without stator flux control is established. Simulation and experimental results prove that the system makes effective control on torque and current, and gains better inhibition of torque ripple and faster dynamic response of the BLDCM, compared with conventional PWM current control.

brushless DC motor; direct torque control; torque ripple; non-ideal back electromotive force(back-EMF)

TJ630.32

A

1673-1948(2014)03-0194-06

2014-03-11.

王松林(1985-), 男, 在读博士, 研究方向为无刷直流电机优化控制.