无刷直流电机直接转矩控制系统的研究

2010年第43卷第4期

无刷直流电机直接转矩控制系统的研究

尹中良,刘国海

(江苏大学电气信息工程学院,镇江　212013)

摘　要:直接转矩控制是一种高性能的电机控制方法,它能实现转矩的快速响应,并且能有效的减小转矩脉动,目前已经成熟的应用在三相异步电机和永磁同步电机上。文章利用在两相静止坐标系中转子磁链分量对转子位置角的变化率与定子电流分量的乘积来计算无刷直流电机的电磁转矩;对开关管采用120°导通时的空间电压矢量进行了定义,并根据此定义制定开关表。仿真和试验证明,将直接转矩控制应用于无刷直流电机(B rushless DC Mot or,BLDC M )上,同样能够实现转矩响应快,转矩脉动小的控制性能。

关键词:无刷直流电机;直接转矩控制;转矩脉动;空间电压矢量

中图分类号:T M36+1　　　　　　文献标志码:A 　　　　　　文章编号:100126848(2010)0420052203

Research on D i rect Torque Con trol for Brushless DC M otor

YIN Zhong 2liang,L IU Guo 2hai

(School of Electrical and I nfor mati on Engineering,J iangsu University,

Zhenjiang 212013,China )

Abstract:D irect T orque Contr ol (DTC )is a high perfor mance contr ol method,which can reduce t orque ri pp le and p r oduce excellent t orque dyna m ic res ponse .Now,DT C has been used f or inducti on mot or and per manent magnet synchr onous mot or successfully .By s olving calculati on of t orque in BLDC which has trapez oidal flux 2link,the definiti on of s pace voltage vect or based on conducti on mode and the selecti on of s witch table,app lied the DT C t o BLDC M s .The si m ulating and experi m ental results show that DT C can be use t o BLDC M s and have better perf or mance as t o inducti on mot or and per manent mag 2net synchr onous mot or .

Key W ords:BLDC M;DTC;T orque ri pp le;S VP WM

收稿日期:2008201231修回日期:2008203205

基金项目:教育部博士点基金(20050299009)

江苏省自然科学基金(BK2007094)

0　引　言

对电机的控制,本质上是对转矩的控制,我们可以通过控制电流来控制转矩,也可以直接控制电机的转矩。目前,对无刷直流电机来说,大多是采用控制电流的办法来控制转矩

[1,2]

,但没有

很好的解决转矩响应速度慢,转矩脉动大的问题,也有采用优化P WM 调制的方法实现消除或减小开关管二二导通换相时的非导通相的电流脉动,从而消除或减少转矩脉动

[3,4]

,但这种控制方式只能

消除或减小换相时的转矩脉动,当负载突变时转矩响应慢,也不能减小由此产生的转矩脉动;文献[5]提出了一种最佳电流励磁控制方案,它能减

小铜耗和转矩脉动,但是它是基于d -q 坐标变换,对转矩的动态响应慢。

由于无刷直流电机的气隙磁场是梯形波磁场,这不同于三相异步电机和永磁同步电机的正弦波磁场

[628]

,并且由于无刷直流电机本身的特性,控

制时一般采用二二导通方式,因此将直接转矩控制应用在无刷直流电机存在以下两个困难:①转矩的计算公式不能采用三相异步或永磁同步电机的直接转矩控制中的转矩计算公式,需要重新推导。②由于采用二二导通方式,空间电压矢量的表示方式与三三导通不同,需要重新定义。

本文从以上两个方面入手,建立无刷直流电机直接转矩控制模型,并且进行仿真和试验。

1　无刷直流电机的直接转矩控制

111　转矩估算和磁链观测

一般来说,若忽略d -q 轴之间的互感耦合,

・

25・

无刷直流电机直接转矩控制系统的研究　尹中良,等

无刷直流电机的电磁转矩T e 在同步旋转的d -q 坐标系中可表示为:

T e =

3

2p (d L d d θe i s d +d Ψr d d θe -Ψs q )i s d +

(

d L q d θ

e i s q +d Ψr q d θe

+Ψs d )i s q (1)

式中,L d 、L q 和i d 、i q 分别是d 轴和q 轴的电感和电流,Ψr d 、

Ψr q 和Ψs d 、Ψs q 分别是转子和定子在d 轴和q 轴上的磁链分量。

Ψs d =L d i s d +Ψr d

Ψs q =L q i s q +Ψr q

(2)

对于转子磁钢是面贴式的无刷直流电机来说L d =L q =L s ,将其和式(2)一起代入式(1)并整理化简可得无刷直流电机电磁转矩在d -q 坐标系中的计算公式　T e =

32p (d Ψr d d θe -Ψr q )i s d +(d Ψr q d θe

+Ψr d )i s q

(3)

在两相静止(α-β)坐标系中的表达式为

T e =32p (d

Ψr αd θe i s α+d Ψr βd θe

i s β)(4)

式中,Ψs α、Ψs β和Ψr α、Ψr β分别是定子和转子磁链

在α-β轴上的分量,i s α、i s β是定子电流在α-β轴上的分量。

Ψr α=Ψr d cos θe -Ψr q sin θe Ψr β=Ψr d sin θe +Ψr q cos θe

(5)

磁链观测采用电压模型,三相定子磁链Ψa 、

Ψb 和Ψc 由式(6)来进行计算:

Ψa =∫(u a -i a R )d t

Ψb =∫(u b

-i b

R )d t Ψc =

∫

(u c

-i c

R )d t (6)

式中,R 是每相相电阻,这里假设各相相电阻相

等。Ψa 、Ψb 和Ψc 经过abc /αβ转换,得到Ψs α和Ψs β,然后由式(7)得到Ψs 和转子的位置角θe :

Ψs =Ψ2s

α+Ψ2

s βθe

=arctan Ψs βΨs α

(7)

由式(8)求Ψr α和Ψr β:

Ψr α=

Ψs

α-L s i s αΨr β=

Ψs β-L s i s β(8)

112　控制策略

传统的直接转矩控制都是采用三三导通的方式,每一时刻逆变器的每一个桥臂都有且只有一

个功率管导通,所以采用三个布尔数值的组合就可以实现逆变器的控制。但是采用二二导通的控制方式,每一时刻只有两个分别在不同桥臂上的功率管导通,而另外一桥臂上没有功率管导通,这样就不能采用三个布尔数值的组合来实现逆变器的控制,正确的方法是采用六个布尔数值的组合来实现逆变器的控制,即每个布尔数值控制对应的功率管,二二导通和三三导通的各个空间电压矢量对应的布尔组合和扇区划分如图1所示,其中“1”代表所对应的功率管导通,“0”代表所对应的功率管关断。

图1　空间电压矢量对应的布尔组合

从图1可以看出二二导通和三三导通的电压矢量相差30°,这造成了在相同扇区二二导通和三三导通所选电压矢量是不同的。

直接转矩控制通过对定子磁链和转矩进行滞环比较控制,然后根据比较的结果和定子磁链所在扇区选择电压矢量。磁链采用三点调节滞环比较控制,控制器输出磁链比较值ΔΨs 为“1”时表示要增加磁链,ΔΨs 为“0”表示保持磁链不变,ΔΨs 为“-1”时表示要减少磁链;转矩采用二点调节滞

环比较控制,控制器输出转矩比较值ΔT 为“1”时表示要增加转矩,ΔT 为“0”时表示要减少转矩。

例如:如果定子磁链在第一扇区,Δ

Ψs =1,ΔT =1表示磁链和转矩都要增加,由图1(a )可知选择

电压矢量V 1可以实现既增加磁链又增加转矩的效果。

2　仿真和试验的实现

整个系统的结构框图如图2所示。

仿真中逆变器模块用m 函数编写,实现由开关表输入的驱动脉冲和电机的电压方程来求取各

相相电压。然后采用试验的方法对仿真结果进行验证,试验系统采用TI 公司的T MS320F2812电机控制专用芯片和JT AG 仿真器进行。

仿真和试验所用到的无刷直流电机的主要参数如表1所示。

・

35・

微电机

2010年第43卷第4

期

图2　系统结构框图表1　主要参数

直流母

线电压

相电阻

R

相电感

L

极对数

p

36V

0135Ω41mH 5

转动惯量J 反电动势

常数k

转子永

磁磁链额定转速n

01002

0109528010735W b 400r/m in

3　仿真结果及分析

在400r/m in 稳定运行时,012s 时负载由013N ・m 突然增加到018N ・m ,转矩和转速响应仿

真波形如图3、4所示,试验波形如图5所示,可以看出稳定时转矩脉动约为

±012N ・m ,转速在转矩突变时有微小的波动;图6和图7

分别是转矩突增时转矩响应的仿真和试验局部放大图,从图中可以看出转矩突变时转矩响应时间不到1m s 。

4　结　语

明采用新的电磁转矩计算方法,采用二二导通的方式下定义的开关表来实现无刷直流的直接转矩控制是可行的,它能实现快速的转矩响应(转矩响应时间不超过1m s ),并且实现减小转

矩脉动的效果(转矩脉动减小到了±012N ・m ),为无刷直流电机提供了一种高性能控制方法。

参考文献

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版社,2004.

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Power Electr o,1988,3(4):

4202429.

(下转第79页)

・

45・

等

图3　双速处理器电路原理图

从表1可以看出,当θ

J

在0°～90°区间时,由

于θ

C 有0°～-215°误差,若θ

C

余数对应值在7°～

10°区间,这表示粗整数读数N少了一个“1”,故

应加1(10°)。当θ

J 在270°～360°区间时,由于θ

C

表1　θ

C 余数与精轴θ

J

关系及θ

C

整数变化情况

类别取值范围

θ

J

/°0～9090～180180～270270～360

θ

C

/°0～215215～55～715715～10 +215°215～55～715715～100～215

N N N N N+1

-215°715～100～215215～55～715

N N-1N N N

　　有0°～+215°误差,若θ

C

余数对应值在0°～215°区间,这表示粗整数读数N多了一个“1”,故应减1(10°)。这表明由于误差的影响,这种对应

位置关系将发生变化,或前或后,这样造成θ

C

整数读数或多“1”或少“1”的情况发生,针对这种情

况进行必要的θ

C

整数读数加“1”或减“1”修正,即可解决粗精组合编码过程中判断与纠错的关键理论问题。

　　粗轴输入乘以9或18与粗轴输入乘以36,具有同样的整数位和余数,故这三者具有同样的纠错逻辑。结构上传动比为36∶1(18∶1或9∶1)情况下,粗输入二进制依次连到双速处理器粗输入的MS B位至LS B;对于其它传动比有2倍关系,其在结构上兼容,此有普遍意义。

2　结　语

研制的旋转变压器/数字转换器可以做到14bit 分辨率即113′,精度±513′,在参考频率400Hz 时跟踪速度12r/s。双速处理器扇出系数为8TT L,转换时间≤500ns;该转换系统通用性强、精度高、跟踪速度快、可靠性高、易于标准化、模块化,适用于任意传动比双速同步机轴角(位移)高精度测量系统,该系统在天文望远镜高精度定位测控应用中得到非常好的效果,具有很高的推广应用价值。

参考文献

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作者简介:杨　波(1962-),男,高级工程师,硕士,从事电子测控系统及电子检测仪器的设计工作。

(上接第54页)

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作者简介:尹中良(1981-),男,硕士研究生,研究方向为电力电子电力传动。

刘国海(19-),男,博士,教授,研究方向为运动控制、复杂控制等。

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