中文翻译-电动汽车的新型传感器无刷直流电机控制系统的设计

中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 1 页 共 13 页电动汽车的新型传感器无刷直流电机控制系统的设计萨利赫巴瑞思奥斯特克 哈米德托利亚IEEE, 学生会员 IEEE,高级成员先进的电机与电力电子实验室电气与计算机工程学院德州A&M大学大学地址,TX 77843 - 3128电话:(979)862 - 3034传真:(979)845 - 6259电子邮件:T摘要：在恒转矩区域以非正弦back-EMF运作的无刷直流电机(BLDC)提出了一个直接转矩控制(DTC)技术。这个方法引入了一个与传统的三相DTC驱动器相对的两阶段的传导模式。在该控制方案里, 任何时刻只有两个阶段存在。与传统的六脉宽调制电流控制不同,在一个预定义的采样时间的一个简单的查找表，通过合理选取两项传导模式下的电压空间矢量逆变器。获得了期望得到quasi-square波电流。因此,取得了比传统电流控制PWM(脉宽调制)更快的转矩响应。在本文中,同时还发现,在两相传导DTC方案下的恒转矩地区、定子磁链幅值不容易被控制是由于急剧的变化和在两个连续的定子磁链轨迹中的弧形的通量矢量变换点。此外,为了消除由无刷直流电机非理想梯形的实际back-EMF波形所引起的低频脉动转矩的振荡,设计了一个预先存储back-EMF的位置查找表。因此,就有可能实现无刷直流电机的转矩驱动力矩反应更快,因为事实上电压空间矢量被直接控制而忽略通量在恒转矩控制区域内的定子磁链幅值几乎是故意恒定不变的。因为流量控制以及PWM生成被移除了,控制方案需要的算法更少了。一个理论概念形成了，DTC方案的正确性和有效性可以通过仿真和实验结果被证实。关键字：转矩控制，无刷直流电动机非正弦back-EMF驱动，两项传导，快速转矩响应，低频脉动转矩中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 2 页 共 13 页1 介绍输出正弦形back-EMF的永磁同步电机永磁和梯形back-EMF的无刷直流(BLDC)驱动器已经被大量地应用在许多应用程序。它们由于几个独特的优势,如高功率密度、效率高、大惯性比率转矩,和更好的可控性而被用在伺服驱动器的应用程序中 1。两相传导模型的无刷直流电机具有较高的能量/重量、转矩/当前的比率。它更便宜是由于集中绕组, 比三相绕组的永磁同步电动机缩短结束相时间 2。最流行的直流无刷电动机的方式控制的是通过控制各种PWM软交换模式的两相导通,如硬件开关等。通常采用被用作为位置传感器的三个霍尔传感器来检测每隔60电度发生的当前电流换相点。因此,相对于永磁同步电动机驱动一个昂贵的高分辨率位置传感器比如光学编码器，无刷直流电动机较低的成本实现了驱动相比。直接转矩控制方案首次提出是在1980年代中期由塔克哈石 3和第彭博科 4对异步电动机的驱动器提出的。过了十年后,在1990年代末, 永磁同步电动机内部和表面贴装的DTC技术都被分析了 5。最近,DTC的应用模式被扩展到无刷直流电机驱动器用来减小相对于脉宽调制电流控制的直流无刷电动机驱动器的转矩波动和转矩响应时间。电压空间向量定义了两相传导模式和静止参照系电磁转矩方程是对非正弦back-EMF(BLDC,等等)表面贴装的永磁同步机设计的。它声称, 在两相传导模式下无刷直流电机DTC技术中的电磁转矩和定子磁链定向的链接振幅是可以同时控制的。在本文中,DTC的无刷直流电机驱动操作相传导模式在6提出了,通过消除通量在恒转矩控制区域而有意地保持定子磁链幅值几乎恒定的是长远研究和简单的。只是一个转矩控制驱动器因为流量控制被删除了, 对于控制方案需要提出的算法更少了。但是,它也表明,定子磁链幅值和无刷直流电机的电磁转矩在恒转矩地区通过使用两阶段传导模式不能被同时控制。此外,它将详细解释,没有必要控制无刷直流电机在恒转矩地区的定子磁链幅值。定子磁链的位置在轨迹有助于在无传感器无刷直流电机驱动的应用找到转矩控制正确的部分。因此,扭矩被控制了当达到了定子磁链幅值保存几乎恒定的目的。此外,实验结果表明在6中建议的使用零逆变器的电压空间矢量只能减少电磁转矩，可能会有一些缺点,比如生成更频繁和更大的上涨对相电压,恶化的轨迹定子电流磁链位点,增加的开关损耗,也导致了大的共模电压,这些都会中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 3 页 共 13 页损坏电机轴承 7。为了克服这些问题,发明了一个新的简单的两阶段逆变器的电压空间矢量的查找表。仿真和实验结果说明了，在恒转矩区域的无刷直流电机驱动器的DTC技术的正确性和高效性。中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 4 页 共 13 页二 使用两阶段模式直接转矩控制的无刷直流电机驱动器在恒转矩地区显示的无刷直流电动机的DTG技术的关键是正确估计电磁转矩。对于表面贴装的无刷直流电机back-EMF的非正弦波形(梯形),与模式(两个或两个三相)是无关的,因此(1)给出了静止参照系应该用于电磁转矩的计算式6、8。(1)P是两极的数量,是电器转子位置角、是电器转子速度,分别是静止参照系、电动机back-EMFs，定子电流。（2）机器方程(2)给出了aB-axes的计算式,式中Vsa,Vsb,Rs,Ls分别是aB-axes的定子电压、相电感和电阻, aB-axes以双方转子积分获得磁链联系如下(3):(3)式中和分别是和相定子磁链。一个被操作的无刷直流电机理想阶段时加入平phase-to-neutral back-EMF的上部电流。back-EMF在每个半周通常是扁平的电气度和在转型为60电气度。在恒转矩区域(低于基本速度) 没有理由改变振幅的定子磁链当相与相之间back-EMF电压是小于直流母线电压。然而在基本速度上方,发动机性能将大大恶化,因为back-EMF超过直流母线电压、定子电感Xs将不允许当前发展阶段足够迅速地赶上来了平顶的梯形back-EMF。超越了基本速度,所需的扭矩无法实现,除非使用其他技术,如阶段推进,180度传导等 9。在基本速度以上的无刷直流电动机的DTC技术奖不在本文阐述的范围。传统的两相传导quasi-square波电流控制导致的定子磁链轨迹是无意中保存在六边形如果忽视非预期内的全相back-EMF效果和单向转动的二极管,见图1中的虚线。如果由于变换被忽略所引起了自由二极管效应,这样, 永磁同步电动机驱动可获得更多的循环通量轨迹。可以以卸载条件去除流量位点的自由二极管效应,如图4所示。中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 5 页 共 13 页图1从定子磁链轨迹中发现,当使用传统的两相PWM电流控制, 每60电度发生急剧下降。这是由于随意操作二极管造成的。在DTC计划使用的无刷直流电机中发生了同样的现象,见图1的直线。由于在每一个变换定子磁链空间矢量大幅下降和平顶部分的阶段back-EMF平稳扭矩匹配的电流趋势,没有简单的方法来控制定子磁链幅值。另一方面,转速的定子磁链可以很容易的控制,所以可以很快获得转矩响应。急剧下降的规模是非常难以预测的,取决于几个因素将在稍后的部分中解释这一节的和相关的更多的圆形,见图1中的直线。在第三节提供了仿真波形。最好的方法来控制定子磁链幅值是知道的它确切形状,但它在恒转矩区域被认为是太累赘的。因此,在两阶段传导方案无刷直流电机的转矩驱动中,膜通量误差qa在电压矢量选择查找表总是选为零,只有扭矩错误r是使用根据错误水平的实际的扭矩从引用扭矩。如果参考力矩大于实际力矩、滞环内的带宽、转矩误差r被定义为“1”,否则它就是“1”,显示在表1中。中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 6 页 共 13 页图2当主绕组,这被认为是由一个逆变器使用对称美联储两相传导模式,如图2所示,主要的电压,Van,Vbn,Vcn,是由6个开关状态决定的SW1,SW2和SW6。例如,如果SW1是1和SW2是0，然后Van = v / 2和Vbn和vcn同样。自上下开关在一个阶段的桥臂或许都是同时关闭,不分状态相关的随意的二极管的两相传导模式,六位数字是必需的逆变器操作,为每一个数字开关 6。因此,总共有六个零电压向量和零电压矢量两相传导模式,它可以被表示成V 0,1,2，。，6 (SW1,SW2,. .,SW6),如图1所示。6非零向量和60电角度是彼此分开的,如图1所示。但是30电度相移从相应的三相电压向量用于轨迹,当传统的两相PWM的永磁同步电动机直接转矩电流驱动。基于闭环DTC方案的无刷直流电机驱动的总体框图的反映在图3。灰色区域是只用于比较的目的代表了定子磁链控制计划的一部分。当两个开关在图3是改变状态2到状态1,流量控制被认为是在整个系统中单独被转矩控制的。在两阶段传导模式形状的定子磁链轨迹是理想的预期是六角形,如在图1的灰色线。然而,非期望中的全相back-EMF的影响导致每个直边的理想的六边形的定子磁链轨迹更圆形,见图1中的直线 6。除了急剧的变化,弯曲的形状在两个连续的减刑之间通量轨迹控制的复杂化了定子磁链幅值,因为它取决于大小的急剧下降,深度的变化可能随取样时间,电压、滞回带宽,电机参数尤其是阶段电感、运动速度、保护电路,还有大量的负载转矩。如果一个无刷直流电机具有一个理想梯back-EMF拥有一个电气平顶度,一个当前的传感器对dclink可以用来估计扭矩。通过了解采用霍尔传感器部门使用的扭矩可以估计Ten=2keidc,是back-EMF常数和idc,是dc-link电流。 在现实中,这可能会有一些由于back-EMF的逼近理想梯中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 7 页 共 13 页形而产生的低频率扭矩振荡。为了达到一个更加精确的转矩估计,总的来说, 建议(1)应该被使用在非正弦地面安装的永磁电动机中。通常无刷直流电机的整个控制系统驱动包括安装在定子120度电角度的三个采用霍尔位置传感器上。如果back-EMF是理想的梯形那么这些都是用来提供低脉动转矩控制,因为当前变换每隔60电度发生一次,见图1。然而,如果back-EMF无刷直流电机的不理想的梯形，那么，使用高分辨率的位置传感器是很有用的。在(1)中介绍过的转子的导数ab-axes通量在电气位置所得(3) ,在每个变换点会导致问题的急剧下降。back-EMFs和ab-axes电机的转子位置和值可以创建的查找表,分别与伟大的精度取决于位置传感器的分辨率,因此非常准确的ab-axes和back-EMF价值观和最后一个好的转矩估计可以获得。表1图3中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 8 页 共 13 页3 仿真结果电动机驱动系统在多种情况下和没有固定流量控制下的仿真图如图三所示，开关状态1和2，分别为了证明无刷直流电动机驱动系统的有目的性的两相驱动技术DTC。为了尽可能简便和呈现在真实条件下的仿真情况，我们设置了电源开关的门信号，在Matlab中利用电力系统工具箱设置进行电气模型的无刷直流电动机的实际与R_L元素和逆变器的功率半导体器件开关管的电路设计。逆变器的截止时间和无刷直流电动机的无效反应在仿真模型中被忽略了。逆变器的取样时间是25微妙。在表1中给的开关表被基于DTC技术的无刷直流电动机驱动调用了。较大的转矩和通量磁滞块分别为0.001N.M和0.001WB。应该注意到，在6中建议的零电压矢量没有被应用的原因是在1部分解释过的。图4和5显示的仿真结果为，在梯形的BACK-EMF应用在的无刷直流电动机的中当负载转矩分别为0N.M和1.2835N.M的无控制开环状态的定子磁链轨迹。稳态进行速度控制与一个inner-loop转矩控制没有流量控制。定子磁链估计使用(1)作为一种开环。我们可以看到在图5当负载转矩水平提高,更深入的观察急剧的变化是,增加困难流量的控制如果是用于控制方案。稳态速度为30机械rad / s和dc-link电压伏直流电,等于33.94 v自速度是一个更好的开环控制循环通量轨迹获得方法。图4 图5在仅有转矩的控制下，在6中已经提过的，当零电压矢量VO被用来减小转矩，在相电压被显示的时候出现大的，更频繁的出现峰值，这是相对于在表1中给出的电压质量查找表中提示的一项应用，见下图6所示。利用实际的-axes的电动机back-EMFS在（3）中包含了，对于采用DTC中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 9 页 共 13 页技术的伺服电动器驱动器来说就像是最好的解决方案对于一个稳定的电流磁链状态。与无刷直流电动机不同的是，在PMSM中，由于仿真波形中back-EMFS电动机的-和-axis，常量区的电流磁链的获得是丰富和充足的，然而，对于无刷直流电动机而言，不被期望的非全相back-EMF作用位点和更重要的流量大小的急剧下降无法轻易被预测以达到更好的定子磁链定向的引用在两相传导模式。图7代表了定子磁链定向的参考轨迹中获得(3)当back-EMF不是理想梯形负荷下(1.2835 N米)。仿真时间3秒。由于扭曲的电压和电流,定子磁链定向的轨迹可以看到图7。图6 图7尽管转矩控制仍然存在于一些低频振动中，电动机将由于高端电流的过渡峰值被损坏。如同图8中所示，转矩的不稳定性想比较电流不会发生除了高波纹，因为速度控制纠正了在供应不期望的大量的电压值时转矩中的错误。高的电压比在电动机终端比较当转矩控制不被用来控制电流。由于大的和是真的电压存在，高和失真的波形电流很明显能被看到，如图8所示。这些问题的来源是电流控制，应该给予有正确的电流振幅作为电流值得参考，包含在每个交流点形状的改变和众多交流点中的曲线形，从而适当的电流控制会在不失去转矩控制的情况下被包含。然而，预测所有这些情况在恒转矩区域来生成一个流量是非常繁琐的工作参考是不必要的。表9-11分别显示一相电流，电子转矩和一相电压，仅仅是在控制转矩的情况下当back-EMF没有被明确的考虑。基本理想梯形back-EMF第一、第三和第五次谐波。参考扭矩是1.225 Nm和负载转矩是1.2N.M,因此速度保持在55左右电弧度为一个更好的循环通量位点。如果使用比如增量编码器高分辨率的位置传感中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 10 页 共 13 页器,而不是三个采用霍尔传感器、低频扭矩振荡在使用中可以减少 (1),如图10所示。图8 图9图10 图11中北大学 2013 届本科毕业设计说明书第 11 页 共 13 页四 实现结果无刷直流电机的DTC技术的可行性和实用的特点通过应用一种评估一个实验性的试验台被提了出来,如图12所示。拟议中的控制算法实现数字化使用eZdspTM委员会从光谱数字公司基于TMS320F2812 DSP,见图，12(a)，12(b),永磁无刷直流电动机驱动器的附件是耦合的 在本节中,瞬态和稳态特性扭矩和当前的反应提出两相传导DTC方案的无刷直流电机驱动演示实验在0.2 pu负载转矩条件。实验结果将直接从datalog(数据日志记录)模块在德州仪器作曲家StudioTM IDE软件代码。图13(a)和(b)阐述了实验结果的phase-a当前和扭矩,分别只有转矩控制采用(1),如图3所示与开关状态1。在图13(b),参考扭矩是突然增加了从0.225到0.45 pu聚氨酯在9.4毫秒低于0.2的pu负载转矩。一个单位是1.146 N.m扭矩,5个当前,和1800 rpm的速度。 采样时间被选为