无刷直流电机的磁链自控直接转矩控制_安群涛

第30卷第12期中国电机工程学报Vol.30No.12Apr.25,2010862010年4月25日ProceedingsoftheCSEE©2010Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2010)12-0086-07中图分类号：TM351文献标志码：A学科分类号：470·40无刷直流电机的磁链自控直接转矩控制安群涛，孙立志，刘超，孙力(哈尔滨工业大学电气工程系，黑龙江省哈尔滨市150001)FluxLinkageSelf-controlBasedDirectTorqueControlofBrushlessDCMotorANQun-tao,SUNLi-zhi,LIUChao,SUNLi(DepartmentofElectricalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,HeilongjiangProvince,China)ABSTRACT:BasedonanalysisofthecharacteristicsofbrushlessDCmotor(BLDCM)andthetraditionalpulsewidthmodulation(PWM)currentcontrol,anovelBLDCMfluxlinkageself-controlbaseddirecttorquecontrol(DTC)schemewasproposedtoovercomedifficultiesoffluxlinkageestimationandreference.Asinglehysteresis-controlledtorqueloopwasadoptedandfluxlinkageself-controlwasachievedbymeansofthrowingthevoltagevectorsdecidedbyboththetorqueloopoutputandpositionofmagneticpoles.Thepresentedschemesimplifiedthecontrolsystembyeliminatingthefluxlinkageloop.Additionally,torqueripplesproducedbyboththenonidealbackelectromotiveforce(back-EMF)andlow-speedcurrentcommutationcouldberestrained.Inordertoestimatetorqueaccurately,aslidingmodeobserverwasusedtoobtaintheback-EMFinthetwo-phasestationaryreferenceframe.Perfectdynamicandsteadyperformancesoftorquecontrolinthefluxlinkageself-controlbasedDTCsystemwerevalidatedbysimulationandexperimentalresults.KEYWORDS:brushlessDCmotor(BLDCM);directtorquecontrol(DTC);fluxlinkageself-control;torqueripple;slidingmodeobserver摘要：结合无刷直流电机的特点，在分析传统脉宽调制电流控制的基础上，针对现有直接转矩控制中磁链估算和给定困难等问题，提出无刷直流电机的磁链自控直接转矩控制方案。该方案采用转矩滞环单环控制，根据转矩环输出和磁极位置决定施加的电压矢量，以实现磁链的自控制，省掉了磁链闭环，简化了系统。同时，系统能够有效地抑制非理想反电势和低速时电流换相引起的转矩波动。为准确估算电机转矩，在两相静止坐标系下采用滑模观测器观测电机反电势，基金项目：黑龙江省自然科学基金项目(E200625)；哈尔滨市科技创新人才研究专项基金(RC2007XK007004)资助项目。ProjectSupportedbyNatureScienceFoundationofHeilongjiangProvince(E200625);SpecialFoundationforScientificandTechnologicalInnovationResearchofHarbin(RC2007XK007004)．进而计算转矩。仿真和实验结果表明，磁链自控直接转矩控制系统具有良好的转矩动态响应和稳态性能。关键词：无刷直流电机；直接转矩控制；磁链自控；转矩波动；滑模观测器0引言永磁无刷直流电机(brushlessDCmotor，BLDCM)由于结构简单、调速性能好、功率密度大，在工业、航天航空等领域得到了日益广泛的应用[1-3]。但齿槽转矩、非理想反电势、电流换相等因素使无刷直流电机的转矩波动比正弦波永磁同步电机明显，影响了其性能的进一步提高，限制了其在高精度伺服系统中的应用[4-7]。为了抑制转矩脉动、提高转矩动态响应性能，有学者将直接转矩控制(directtorquecontrol，DTC)、直接自控制(directself-control，DSC)思想引入到无刷直流电机的控制中[8-14]。文献[8]利用给定转矩和上一步长的转矩，计算出需要的输出电压，实现了无刷直流电机的直接转矩控制。该方法无电流环，其研究重点是反电势与电流相互作用和换流引起的转矩脉动，没有磁链观测与控制环节。LiuYong[9]等提出了无刷直流电机的直接转矩控制方案，采用转矩和磁链双闭环，电压矢量在两相导通模式中选取。该方案不仅保持了传统120°导通模式下良好的转矩特性，同时抑制了换相转矩波动和非理想反电势引起的转矩脉动，具有更高的转矩动态响应，并在文献[10]中对无刷直流电机和永磁同步电机的直接转矩控制方案进行了对比。在无刷直流电机的直接转矩控制方案中，给定磁链通常是转子位置的函数，并且定子磁链的估算受关断相的影响。文献[11]将感应电机直接自控制思想引入到无刷直流电机的转矩控制中，提出了六边形磁链轨迹的无刷直第12期安群涛等：无刷直流电机的磁链自控直接转矩控制87流电机直接自控制。文献[12]引入超空间矢量理论分析了无刷直流电机的直接转矩控制，指出关断相与转矩无关，只影响定子磁链，实现了无刷直流电机直接自控制。尽管如此，无刷直流电机的直接转矩控制仍然是一个新的研究课题，还有许多问题需要解决，如转矩和定子磁链计算、定子磁链设定等[11-14]。为了简化无刷直流电机的直接转矩控制系统，本文在分析传统脉宽调制(pulsewidthmodulation，PWM)电流控制的基础上，提出了磁链自控直接转矩控制方案。方案仅采用转矩滞环的单环控制，由转矩调节输出和霍尔位置信号来决定施加的定子电压矢量，并定向于转子磁场位置，实现了定子磁链的自控制，省掉了磁链观测和闭环控制；另外，系统采用滑模观测器观测电机反电势，进而估算转矩。仿真和实验证明，该方案实现了转矩的快速响应，较好地抑制了非理想反电势和低速换相转矩波动，同时又具有结构简单、系统观测量少、易于实现等优点。1无刷直流电机的数学模型及PWM电流控制无刷直流电机的反电势为梯形波。忽略磁路饱和、涡流和磁滞损耗、齿槽、换相过程和电枢反应等影响，绕组三相对称Y接，表贴式磁钢无刷直流电机的电压平衡方程为aaaabbbbcccc0000d0000d0000uiieRLuRiLietRLuiie⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦(1)式中：u、i和e分别为绕组各相电压、电流和反电势；R为绕组电阻；L=Ls−M为绕组电感，其中Ls为自感，M为互感。无刷直流电机的电磁转矩方程为aabbccereieieiTω++=(2)式中：Te为电机电磁转矩；ωr为转子机械转速。要实现无刷直流电机转矩平稳运行，通常采用60°换相的两相导通模式，即根据霍尔信号反馈的磁极位置信息确定工作相和非通电相，采用电流闭环对工作相的电压进行相应的PWM控制，以产生与反电势平顶波同相位的120°方波相电流。无刷直流电机的PWM电流控制原理框图如图1所示，PWM控制方式通常有HPWM-LON、HON-LPWM、HPWMON-LONPWM、HONPWM-LPWMON等多ω*++ω−−直流电压霍尔信号PI控制器PI控制器速度计算开关模式分配逆变器BLDCMidc图1无刷直流电机PWM电流控制原理框图Fig.1PWMcurrentcontrolprinciplediagramofBLDCM种形式[15-16]。无刷直流电机的反电势、绕组电流及霍尔信号的对应关系如图2所示，导通模式如表1所示。ωt模式1模式2模式3模式4模式5模式62π5π/34π/3π2π/3π/30HaHbHciaibiceaebec111111111000000000图2反电势、绕组电流及霍尔信号的对应关系Fig.2Back-EMF,phasecurrentandHallsignalwaveforms表1无刷直流电机120°导通模式Tab.1120°-conductedmodeofBLDCM模式定义转子位置霍尔信号工作相通电状态模式10°~60°101a→b100100模式260°~120°100a→c100001模式3120°~180°110b→c001001模式4180°~240°010b→a011000模式5240°~300°011c→a010010模式6300°~360°001c→b0001102磁链自控直接转矩控制2.1无刷直流电机的电压空间矢量在无刷直流电机的PWM控制中，每一时刻最多有两相绕组通电，对于逆变器来说共有6个通电状态(如表1的最后一列所示)和一个全关断状态(000000)，二进制序列依次表示功率开关器件VT1~VT6的开关状态，“1”表示开通，“0”表示关断，功率主电路逆变器拓扑如图3所示。假设电机处于静止状态，即反电势为零，定义电压空间矢量为j2/3j4/3s2(ee)3anbncnuuuππ=++u(3)88中国电机工程学报第30卷Udc∼VT1D1VT2D2∼∼VT3D3VT4D4VT5D5VT6D6RLenabc图3电压源逆变器Fig.3Voltagesourceinverter式中uan、ubn和ucn分别为电机相电压。无刷直流电机的6个通电状态对应6个基本电压矢量，如表2所示。这6个离散的基本电压矢量和零矢量分别记为Uk(k=0,1,⋅⋅⋅,6)，空间分布如图4所示，6个基本电压矢量将空间分为I~VI共6个扇区，每个扇区各占60°电角度。霍尔磁极位置传感器的空间位置由HA、HB和HC表示。表2无刷直流电机的电压矢量Tab.2VoltagevectorsofBLDCM通电状态uanubnucnus100100Udc/2−Udc/20j11/6dce/3Uπ100001Udc/20−Udc/2j/6dce/3Uπ0010010Udc/2−Udc/2j/2dce/3Uπ011000−Udc/2Udc/20j5/6dce/3Uπ010010−Udc/20Udc/2j7/6dce/3Uπ0001100−Udc/2Udc/2j3/2dce/3UπVIVIIIIIIIVHCHAHBβαU6(100100)U1(100001)U2(001001)U3(011000)U4(010010)U5(000110)图4无刷直流电机的电压空间矢量分布Fig.4VoltagespacevectorsdistributionofBLDCM2.2磁链自控制忽略绕组电阻压降，无刷直流电机定子磁链可表示为ssd(0),0,1,,6kkttk==+=∫UUψψ(4)由式(4)可以看出，随着所施离散电压的不同，定子磁链沿电压矢量Uk(k=0,1,⋅⋅⋅,6)方向运动，且运动速度为sd||||,0,1,,6dkkt==Uψ(5)因此，当电