無刷直流電機(jī)控制的新方案

無刷直流電機(jī)控制的新方案

0動態(tài)矢量分析方法無刷直流電機(jī)（blocm）具有穩(wěn)定的機(jī)械旋轉(zhuǎn)和良好的機(jī)械功率特性。結(jié)構(gòu)簡單，操作可靠，維護(hù)方便，具有良好的電機(jī)性能，而不是機(jī)械換向器，得到了廣泛應(yīng)用。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是一種高性能交流調(diào)速技術(shù)，它應(yīng)用空間矢量的分析方法，采用定子磁場定向。在控制思想上與矢量控制不同的是直接轉(zhuǎn)矩控制通過直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈來間接控制電流，不需要復(fù)雜的坐標(biāo)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(diǎn)。模糊控制基于知識和經(jīng)驗(yàn)，能對難以建模的復(fù)雜非線形系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，適合解決混沌系統(tǒng)的控制問題。通過模糊控制器對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。較傳統(tǒng)的直流無刷控制系統(tǒng)來說，直接轉(zhuǎn)矩控制在更簡單的控制結(jié)構(gòu)中具有更好的動態(tài)特性。本文將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用于無刷直流電機(jī)控制，通過直接控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得對無刷直流電機(jī)響應(yīng)速度快、有效抑制轉(zhuǎn)矩波動的控制效果。1無刷直流電機(jī)直接旋轉(zhuǎn)控制1.1轉(zhuǎn)子電第一環(huán)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的基本原理是根據(jù)參考轉(zhuǎn)矩與真實(shí)轉(zhuǎn)矩、參考定子磁鏈與真實(shí)定子磁鏈之間的差異，直接控制定子電壓矢量，從而達(dá)到直接控制轉(zhuǎn)矩的目的。無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。通常情況下，忽略交、直軸間的互感，無刷直流電機(jī)定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩在d-q坐標(biāo)系內(nèi)可表示為式中：ψsd=Ldisd+ψrd；ψsq=Lqisq+ψrq；θe為轉(zhuǎn)子電角度；p為電機(jī)的極對數(shù)；dL、qL分別為d、q軸電感；isd、isq分別為d、q軸定子電流；ψrd、ψrq、ψsq、ψsd分別為轉(zhuǎn)、定子的d、q軸磁鏈。對于轉(zhuǎn)子為永磁隱極的直流無刷電機(jī)來說，Ld、Lq在d-q坐標(biāo)下為常量且相等，令Ld=Lq=Ls則電磁轉(zhuǎn)矩的公式可表示成為將d-q坐標(biāo)系下的電磁轉(zhuǎn)矩公式轉(zhuǎn)化到α-β坐標(biāo)系下，得到電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為式中：1.2零電壓矢量的選擇直接轉(zhuǎn)矩控制中定子磁鏈?zhǔn)峭ㄟ^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)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U1(100001)，U2(001001)，U3(011000)，U4(010010)，U5(000110)，U6(100100)和2個零矢量U0(000000)，U7(111111)。其中，6個非零矢量相互間隔60°，如圖2所示。對于無刷直流電機(jī)來說，由于逆變器開關(guān)管的通斷的信號來源于霍爾元件，所以扇區(qū)的選擇可以通過霍爾元件的信號來選擇。非零電壓矢量和零電壓矢量對轉(zhuǎn)矩變化的作用不同，前者可以使轉(zhuǎn)矩上升或下降，而后者總是使轉(zhuǎn)矩不上升。另外，在不同的速度范圍內(nèi)二者對轉(zhuǎn)矩作用產(chǎn)生的變化率也在變化。在異步電機(jī)控制中，零電壓矢量的加入可以迅速改變轉(zhuǎn)差率，使T為負(fù)；而在無刷直流電機(jī)中無轉(zhuǎn)差的概念，T只與負(fù)載角度δ有關(guān)，當(dāng)施加零電壓矢量的時候，δ近似不變，T也近似不變，因此可以利用零電壓矢量來保持轉(zhuǎn)矩基本不變。在轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制方法中，電壓矢量不是作用整個采樣周期，而是有一定的占空比，在一個采樣周期中可以分為非零電壓矢量和零電壓矢量。如果使下一采樣周期非零電壓矢量和零電壓矢量共同作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變化等于本周期計(jì)算出來的轉(zhuǎn)矩誤差，將消除轉(zhuǎn)矩誤差。即使出現(xiàn)計(jì)算出來的電壓矢量作用時間超出采樣周期，也可以用滿電壓矢量來代替，因此非常易于實(shí)現(xiàn)。1.3u3000定添加轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)的電壓和轉(zhuǎn)速通過控制定子電流和電壓可以達(dá)到控制定子磁鏈的目的，它們之間的關(guān)系為式中R為定子電阻。因此定子磁鏈的大小和角位置為由上面的分析可知：通過控制定子磁鏈ψ的幅值和旋轉(zhuǎn)速度可有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)定子磁鏈逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，如果反饋轉(zhuǎn)矩小于給定轉(zhuǎn)矩，就要選擇保持定子磁鏈ψ同一方向旋轉(zhuǎn)的電壓矢量。負(fù)載角δ盡可能快地增大，反饋轉(zhuǎn)矩也就增大。一旦真實(shí)轉(zhuǎn)矩大于給定轉(zhuǎn)矩，就選擇使定子磁鏈ψ反向旋轉(zhuǎn)的電壓矢量。負(fù)載角δ減小，轉(zhuǎn)矩也減小。用這種方法選取電壓矢量，定子磁鏈ψ始終在旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)方向則由滯環(huán)控制器的輸出來決定。1.4無刷直流電機(jī)空間電壓通過上述分析，將定子磁鏈誤差Eψ，轉(zhuǎn)矩誤差ET和θ作為模糊器輸入，逆變器的開關(guān)狀態(tài)作為輸出，在模糊化過程中，將模糊變量Eψ取3個模糊量，分別是正(P)，零(Z)，負(fù)(N)。轉(zhuǎn)矩是控制的主要目的，將模糊變量ET取3個模糊量，分別是正(P)，零(Z)，負(fù)小(N)。θ在平面上分為6個區(qū)間，轉(zhuǎn)矩和磁鏈隸屬函數(shù)如圖3、圖4所示。再根據(jù)上面給出的無刷直流電機(jī)空間電壓矢量，可得到控制規(guī)則表如表1所示。模糊控制器采用Mamdani推理算法，解模糊化過程采用Max-Min法。在模糊控制規(guī)則表中，ET和Eψ很小時，選擇零電壓作為輸出，保持轉(zhuǎn)矩和磁鏈不變，零電壓矢量選擇比負(fù)電壓矢量對轉(zhuǎn)矩和磁鏈產(chǎn)生脈動小，能較好地控制轉(zhuǎn)矩脈動。2系統(tǒng)的響應(yīng)特性采用上述模型，利用MATLAB/SIMULINK軟件，對一臺無刷直流電機(jī)進(jìn)行了仿真研究。無刷直流電機(jī)參數(shù)為額定電壓UN=36V，額定轉(zhuǎn)矩TN=0.5N?m,nN=3600r/min，相電阻R=0.66?，有效電感L-M=1.4mH，轉(zhuǎn)動慣量J=0.0000157kg?m2。圖5、6給出系統(tǒng)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.45N?m的情況下，輸出轉(zhuǎn)矩和相電流的仿真波形。從圖7、9給出的實(shí)驗(yàn)波形中可以看到，電流和轉(zhuǎn)矩的波形基本和仿真結(jié)果相一致，通過和圖8、10中沒有模糊直接轉(zhuǎn)矩控制無刷直流電機(jī)的波形相比較，可以看到模糊直接轉(zhuǎn)矩控制的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，相電流波形有了很大的改觀，轉(zhuǎn)矩脈動也較原來減小了近30%。圖11為磁鏈波形，測量方法是在定子測加入檢測繞組，檢測繞組開路，電壓值等于檢測繞組的感生電動勢，電動勢的大小等于檢測繞組的磁鏈對時間的導(dǎo)數(shù)，對其進(jìn)行積分，即可得到檢測繞組的磁鏈。從圖中可以看出經(jīng)過系統(tǒng)控制的磁鏈波形較已經(jīng)不是標(biāo)準(zhǔn)的正六邊形，由于加入了模糊控制系統(tǒng)響應(yīng)的速度更快，有效抑制了轉(zhuǎn)矩波動。I/Aψβ3數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)研究了直流無刷電機(jī)DTC控制理論，分析了BLDC數(shù)學(xué)模型，對DTC原理和模糊控制進(jìn)行了介紹，對直接轉(zhuǎn)矩模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字仿真和實(shí)驗(yàn)，提出控制的新方案，可直接在定子坐標(biāo)系下分析電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。與矢量控制方法的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，直接控制轉(zhuǎn)矩。