无刷直流电机转矩脉动的抑制

无刷直流电机转矩脉动的抑制

1电机的特性仿真无刷直流电机的旋转动脉问题是目前的突出问题之一。本文提出一种新的无刷电机控制方法—磁场定向控制,为其转矩脉动抑制提供了一个新的思路。部分学者已将磁场定向控制策略应用于永磁同步电机,电机响应速度变快、转矩波动变减小。少数文献已提出将磁场定向控制策略应用于无刷直流电机,实际是将无刷直流电机与永磁同步电机概念混淆(反电动势波形为正弦波的无刷直流电机才称作永磁同步电机),文献只是将磁场定向控制策略应用于反电动势波形为正弦波的无刷直流电机控制系统,即永磁同步电机控制系统中。无刷直流电机在电动车领域得到广泛应用,减小无刷直流电机转矩脉动,可降低电动车运行时的噪音和振动。但与永磁同步电机不同,目前还没有文献给出无刷直流电机d-q坐标系下的等效电路,因而开展无刷直流电机的磁场定向控制研究,抑制转矩脉动具有很好的理论意义和实用价值。2基于原理性波动的约束无刷直流电机产生转矩脉动的因素主要有与控制方法无关和与控制方法有关两大类。本文重点分析与控制方法有关的转矩脉动及其抑制机理。1)电枢反应引起转矩脉动现有文献对于电枢反应引起转矩脉动研究得出:考虑转子磁路饱和时,在一个状态角内电枢反应对转子磁场的作用是先去磁后增磁,并在增磁去磁过程中增磁不能抵偿去磁,使得平均气隙磁通密度下降。采用磁场定向控制,使直轴电枢反应磁动势为零或很小,由于不存在增磁去磁过程,可以降低转矩脉动。2)电流换相导致的转矩脉动现有的转矩脉动抑制措施或通过推迟关断相的关断,或选择适当的脉宽调制方法如PWM-ON方式等,达到抑制转矩脉动的目的。文献提出一换相转矩自平衡控制方法,试图以两换相相反电动势的交点为换相点,并保证非换相相电流的稳定来维持转矩的恒定,由于此文献的分析前提是假定非换相相电流恒定,因而不能证明这种控制方式比传统控制方式有任何理论上的优势,且该方法算法较复杂,实际应用受限。本设计拟采用转子磁场定向控制,将不存在换相概念,也就没有转矩换相脉动。3)电磁转矩产生的原理性波动对于理想无刷直流电机,如不计换相转矩脉动,在一个状态角内的平均转矩几乎无转矩脉动。实际中,大多数无刷直流电机由于每相反电动势虽是梯形波,但梯形波平顶宽度大多小于120°电角度,这种无刷直流电机采用方波控制时的相电流波形不再是方波电流。实测反电动势梯形波波形宽度为30°电角度的电机在方波控制下的相电流,如图1所示。图中显示出电流有尖峰,此电流尖峰的大小与反电动势顶部波形有关。对图1所示电流波形,一个状态角内平均电磁转矩需按公式(1)计算。由(1)要保持电磁转矩恒定,如不计电枢反应,只需恒定。对图1所示的电流,还没有一种函数或者一种近似方法来描述这种波形,文献用方波函数代替这种波形来计算分析转矩和转矩脉动,显然是错误的,所以此文献所得出的结果不正确,无参考价值。故本设计提出采用磁场定向控制策略,以减小转矩脉动。3电机的数学模型1)无刷直流电机磁场定向控制的分析本设计拟在无刷直流电机控制系统中采用磁场定向控制策略,以降低转矩脉动。id=0控制的实质是保持is与q坐标轴重合,is在直轴交轴的投影分别是id、iq,须经过坐标变换得到可直接控制的量。利用经典的Park和Clarke变换,得到id=0控制模式下的电流模型为(2)。从经典变换到式(2)的推导过程是可逆的,即只要找一种方法控制电流使其满足式(2),就实现了电机id=0控制。但无刷电机反电势波形不是三相对称相位互差120°的正弦波,不能像永磁同步电机那样用施加三相相位互差120°的正弦波线电压来得到三相正弦波相电流。在此先分析满足式(2)的相电流能获得什么样的转矩脉动特性,假设得到了反电势同相位的三相相电流。假设三相定子电流为式(3)。无刷梯形反电势含有基波以及奇次高频谐波,当波形平顶宽度电角度ue54f=π-2θ时,对ea傅氏级数展开见(4)。式中,θ∈[0°,90°];E为梯形波平顶幅值;E=kΩ,k是常数。电机中性点电压方程:联合式(1)(3)(4)(5),忽略高次谐波,最高次谐波取n=4,可得出其电磁转矩相关量见(6)。转矩相关量F(θ,ωt)与转矩成正比,利用matlab,可计算得到F(θ,ωt)与梯形波平顶宽度以及一个电周期2π的关系,可求具体反电动势平顶宽度下的F(θ,ωt)。试验用无刷直流电机的梯形波平顶宽度约30°电角度,θ=(π-ue54f)/2=5π/12,可计算得函数关系,如图2所示。代入(6),求得最大最小转矩见式(7)和(8)。定义转矩脉动幅度Tr:式中,Tavr为转矩算术平均值,由(9)转矩脉动幅度约为1%。可见如采用磁场定向控制,得到式(2)的正弦波电流来驱动非理想梯形波无刷直流电机,即采用磁场定向控制将能有效降低转矩脉动。2)无刷直流电机磁场定向控制的实现由上述分析可知,无刷直流电机三相相电流计算复杂,暂时还不能给出d-q坐标系下的等效电路,这是与永磁同步电机磁场定向控制的不同之处。由式(2),当给定一个转矩时,相当于设定了三相定子相电流的幅值,此时通过检测到的转子电角度位置,就可计算出三相相电流的相位值。即只要跟踪控制各相相电流的设定值,就实现了无刷直流电机的磁场定向控制的id=0控制。电流的跟踪方式可采用PI跟踪或者是滞环跟踪,本设计采用滞环跟踪。给出了无刷直流电机速度电流双闭环控制系统框图,如图3所示。在实际控制中并不需要进行Park变换与Clarke变换,因为控制模式是id=0控制,在控制中只需将速度环ASR的误差输出作为三相相电流参考值计算器输入。根据转子位置角查正弦表,获得三相相电流参考值,再输入到电流滞环调节器,电流环调节器输出控制功率开关器件。据式(2)知对三相相电流滞环跟踪就完成了磁场定向控制过程。4电机和无刷直流电机各控制特性仿真分析针对无刷直流电机传统两相六状态方波线电压控制模型和本文提出的id=0磁场定向控制,搭建了两套仿真系统,进行两种控制策略的控制特性对比研究。因试验用电机的反电动势梯形波平顶宽度为30°电角度,现设定反电动势平顶宽度为30°电角度进行仿真。仿真电机参数:定子电阻为2.875Ω,定子相电感为1.5mH,反电动势平顶宽度为30°,电机负载为3N·m,2对极。1)无刷直流电机磁场定向控制系统仿真建立基于磁场定向控制的无刷直流电机控制仿真系统,得到系统仿真波形,如图4-图6所示。2)两相六状态方波线电压控制系统仿真建立两相六状态方波控制无刷直流电机仿真系统。得到系统仿真波形,如图7-图9所示。3)仿真分析对比两种控制策略的仿真波形,可得出结论:(1)转矩脉动采用磁场定向控制时,转矩脉动更小。(2)转速波动磁场定向控制时,仿真的转速波动仅1r/min,而方波控制时,仿真转速波动约10r/min。本文基于磁场定向控制的无刷直流电机控制系统,能获得更好的控制性能,转矩脉动小,电机运转平稳,如应用于电动车控制中,可降低电动车运行时的噪音和振动。5系统实现与测试以STM32F103B为核心,设计磁场定向控制无刷直流电机控制系统。以IAR编译系统和J-Link仿真器为平台,用C语言设计磁场定向控制驱动软件,利用Windows开发上位机电机监控界面。1)试验平台试验电机参数与仿真电机参数相同。控制系统的软件部分由C语言编写,开发环境基于IAREmbedded6.10的编译系统,仿真器J_linkV8。程序分主控程序与中断处理程序。主程序主要完成系统的初始化,A/D采样及A/D采样零漂值计算、运行状态判断及调用中断等。中断服务程序用到两个定时器的三个中断,即定时器1PWM波计数器的上溢中断,定时器3的计数器溢出中断和输入捕捉中断。设计的控制系统实验样机,如图10所示。2)系统测试(1)电流测试用TDS1012型示波器实测稳定运行于磁场定向控制方式下的无刷直流电机相电流,实测波形,如图11所示。(2)速度测试设定电机开始运行在600r/min,7s后为1500r/min,上位机监控界面测得的转速曲线,如图12所示。系统测试表明,设计的基于FOC的无刷直流电机控制系统电流波形为正弦波,电机转速波形理想,转速脉动小,能达到预期设计目标。6基于foc的无刷直流电机控制系统性能试验平台为有效抑制转矩脉动,仿照永磁同步电机磁场定向控制,本文提出一无