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1、2010年2月西北工业大学学报Feb.2010第28卷第1期JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityVol.28No.1无刷直流电机直接转矩控制系统分析11233林海,严卫生,杨颖,林洋,马雯1.西北工业大学航海学院,陕西西安710072;2.国家知识产权局专利审查协作中心,北京1001903.中国石油长庆油田公司第三采油厂,宁夏银川750004摘要:研究了无刷直流电机(BLDCM)直接转矩控制(DTC)策略。文章分析了无刷直流电机转矩特性,可以知道无刷直流电机的转矩可以通过转子磁链与定子电流之间的关系式估计得到,这不
2、同于传统的永磁同步电机直接转矩控制的转矩估计方法。通过对二相导通方式下的无刷直流电机逆变器工作原理进行分析,得到了含有零矢量和不含零矢量的2个逆变器开关表以实现对转矩和磁链的控制。最后,在以上分析的基础上提出了2种新的无刷直流电机直接转矩控制数字实现方案,其中给出了2套不同的转矩和磁链估计方法。新策略能有效控制无刷直流电机稳定运行,相对于传统的脉宽调制策略,它具有更快速的转矩动态响应性能。仿真结果进一步验证了所提策略的正确性和有效性。关键词:无刷直流电机,直接转矩控制,定子磁链;开关表中图分类号:TM351文献标识码:A文章编号:100022758(2010)012
3、0091205无刷直流电机(brushlessDCmotor,BLDCM)由于无机械式换向器、结构简单、运行可靠广泛应用在1无刷直流电机转矩特性电力机车、飞行器和船舶推进等交流调速领域。为了提高BLDCM控制性能,减小系统转矩脉动较大对于BLDCM,转矩T为[2]e的问题,相关研究人员进行了大量的研究。S.J.3dψαrdψβr[1]Te=pαi+βi(1)Kang通过反电动势与电流的乘积获得估测的转2dθedθe矩,并利用转矩控制器减小系统转矩脉动。Z.Q.式中,ψαr和ψβr、αi和βi分别为转子磁链和定子电流[2,3]Zhu等为了有效抑制转矩脉动而将直接转矩控
4、在静止坐标系αβ下的分量。电机转子磁链可以表[4]制(DirectTorqueControl,DTC)策略引入BLDCM示为定子磁链与电机电流的关系式控制中,由研究结果可以看到:所提方案仍然具有对ψαr=ψsα-Lsαi(2)电机参数依赖性小、控制简单、转矩响应快和动态性ψβr=ψsβ-Lsβi能好等优点。虽然DTC在BLDCM控制应用中取得转子磁链可以表示为转子位置的关系式了优良的控制性能,但也存在着一些问题,比如定子ψαr=ψfcosθe磁链控制效果不理想,转矩估计公式计算复杂(3)[1,2]ψβr=ψfsinθe等。因此,对BLDCM直接转矩控制策略仍需要式中
5、,ψf为转子磁链幅值。进一步深入研究。电机定子磁链为本文研究了两相导通控制方式下的BLDCM直接转矩控制策略。通过分析BLDCM的转矩特性和ψsα=∫(usα-Rαi)dt(4)转矩与磁链之间的关系入手,分别给出了2个逆变ψsβ=∫(usβ-Rβi)dt器开关表和2套转矩和磁链估计方案,并通过仿真实验进行验证。式中,ψsα和ψsβ为定子磁链静止坐标系αβ下的分收稿日期:2008205206基金项目:国家自然科学基金(60875071)与教育部高等学校博士点基金(200806990008)资助作者简介:林海(1978-),西北工业大学博士研究生,主要从事电力电子及电气
6、传动方向研究。·92·西北工业大学学报第28卷24量,R为电机定子电阻。1j()πj()πvs(Sa,Sb,Sc)=Vdc(Sa+Sbe3+Sce3)定子磁链幅值为322式中Vdc为直流母线电压,7个电压矢量空间分布如ψsα=ψsα+ψsβ(5)图2所示。定子磁链αβ坐标系下分量之间的夹角为ψθsβψ=atan(6)ψsα由文献[4],对于永磁同步电机,其反电势为正弦波,定子和转子磁链空间轨迹均为圆形;由文献[1,2],BLDCM由于反电动势为梯形波,其定子磁链空间轨迹并非是圆形,在两相导通控制方式下,每个60°电角度里,定子磁链在旋转的同时,其幅值在磁链滞环控制器
7、容差范围内逐渐增加,其空间轨迹呈现带6个尖角的不规则圆形。2BLDCM2DTC控制策略通常BLDCM主要通过六开关三相电压型逆变图2空间矢量分布器供电,其简化模型如图1所示。由图2,结合BLDCM常规的120°导通控制方式特性可以得到2个开关表,如表1和表2所示,其中表2含有零矢量。这样,通过开关表可以实现定子磁链幅值和旋转方向进行控制。表1逆变器开关表NHτHΨⅠⅡⅢⅣⅤⅥ图1六开关三相逆变器简化模型11V1V2V3V4V5V610V2V3V4V5V6V1逆变器主要的空间电压矢量可定义为1-1V3V4V5V6V1V22j2πj4π01V6V1V2V3V4V5v
