无刷直流电机控制的新方案

无刷直流电机控制的新方案

0动态矢量分析方法无刷直流电机（blocm）具有稳定的机械旋转和良好的机械功率特性。结构简单，操作可靠，维护方便，具有良好的电机性能，而不是机械换向器，得到了广泛应用。直接转矩控制技术是一种高性能交流调速技术，它应用空间矢量的分析方法，采用定子磁场定向。在控制思想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单及动态响应速度快等优点。模糊控制基于知识和经验，能对难以建模的复杂非线形系统进行有效控制，适合解决混沌系统的控制问题。通过模糊控制器对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。较传统的直流无刷控制系统来说，直接转矩控制在更简单的控制结构中具有更好的动态特性。本文将直接转矩控制技术应用于无刷直流电机控制，通过直接控制电机的磁链和转矩，获得对无刷直流电机响应速度快、有效抑制转矩波动的控制效果。1无刷直流电机直接旋转控制1.1转子电第一环直接转矩控制技术的基本原理是根据参考转矩与真实转矩、参考定子磁链与真实定子磁链之间的差异，直接控制定子电压矢量，从而达到直接控制转矩的目的。无刷直流电机直接转矩控制系统的原理框图如图1所示。通常情况下，忽略交、直轴间的互感，无刷直流电机定子绕组产生的电磁转矩在d-q坐标系内可表示为式中：ψsd=Ldisd+ψrd；ψsq=Lqisq+ψrq；θe为转子电角度；p为电机的极对数；dL、qL分别为d、q轴电感；isd、isq分别为d、q轴定子电流；ψrd、ψrq、ψsq、ψsd分别为转、定子的d、q轴磁链。对于转子为永磁隐极的直流无刷电机来说，Ld、Lq在d-q坐标下为常量且相等，令Ld=Lq=Ls则电磁转矩的公式可表示成为将d-q坐标系下的电磁转矩公式转化到α-β坐标系下，得到电磁转矩表达式为式中：1.2零电压矢量的选择直接转矩控制中定子磁链是通过控制加到电机端子上的电压来实现的，而电机的端电压又和逆变器开关管的导通或关断有关。对于无刷直流电机来说，根据每个桥臂上开关状态不同，可以得到6个非零矢量U1(100001)，U2(001001)，U3(011000)，U4(010010)，U5(000110)，U6(100100)和2个零矢量U0(000000)，U7(111111)。其中，6个非零矢量相互间隔60°，如图2所示。对于无刷直流电机来说，由于逆变器开关管的通断的信号来源于霍尔元件，所以扇区的选择可以通过霍尔元件的信号来选择。非零电压矢量和零电压矢量对转矩变化的作用不同，前者可以使转矩上升或下降，而后者总是使转矩不上升。另外，在不同的速度范围内二者对转矩作用产生的变化率也在变化。在异步电机控制中，零电压矢量的加入可以迅速改变转差率，使T为负；而在无刷直流电机中无转差的概念，T只与负载角度δ有关，当施加零电压矢量的时候，δ近似不变，T也近似不变，因此可以利用零电压矢量来保持转矩基本不变。在转矩预测控制方法中，电压矢量不是作用整个采样周期，而是有一定的占空比，在一个采样周期中可以分为非零电压矢量和零电压矢量。如果使下一采样周期非零电压矢量和零电压矢量共同作用产生的转矩变化等于本周期计算出来的转矩误差，将消除转矩误差。即使出现计算出来的电压矢量作用时间超出采样周期，也可以用满电压矢量来代替，因此非常易于实现。1.3u3000定添加转子和旋转的电压和转速通过控制定子电流和电压可以达到控制定子磁链的目的，它们之间的关系为式中R为定子电阻。因此定子磁链的大小和角位置为由上面的分析可知：通过控制定子磁链ψ的幅值和旋转速度可有效地控制电磁转矩。当定子磁链逆时针方向旋转时，如果反馈转矩小于给定转矩，就要选择保持定子磁链ψ同一方向旋转的电压矢量。负载角δ尽可能快地增大，反馈转矩也就增大。一旦真实转矩大于给定转矩，就选择使定子磁链ψ反向旋转的电压矢量。负载角δ减小，转矩也减小。用这种方法选取电压矢量，定子磁链ψ始终在旋转，其旋转方向则由滞环控制器的输出来决定。1.4无刷直流电机空间电压通过上述分析，将定子磁链误差Eψ，转矩误差ET和θ作为模糊器输入，逆变器的开关状态作为输出，在模糊化过程中，将模糊变量Eψ取3个模糊量，分别是正(P)，零(Z)，负(N)。转矩是控制的主要目的，将模糊变量ET取3个模糊量，分别是正(P)，零(Z)，负小(N)。θ在平面上分为6个区间，转矩和磁链隶属函数如图3、图4所示。再根据上面给出的无刷直流电机空间电压矢量，可得到控制规则表如表1所示。模糊控制器采用Mamdani推理算法，解模糊化过程采用Max-Min法。在模糊控制规则表中，ET和Eψ很小时，选择零电压作为输出，保持转矩和磁链不变，零电压矢量选择比负电压矢量对转矩和磁链产生脉动小，能较好地控制转矩脉动。2系统的响应特性采用上述模型，利用MATLAB/SIMULINK软件，对一台无刷直流电机进行了仿真研究。无刷直流电机参数为额定电压UN=36V，额定转矩TN=0.5N⋅m,nN=3600r/min，相电阻R=0.66Ω，有效电感L-M=1.4mH，转动惯量J=0.0000157kg⋅m2。图5、6给出系统在负载转矩为0.45N⋅m的情况下，输出转矩和相电流的仿真波形。从图7、9给出的实验波形中可以看到，电流和转矩的波形基本和仿真结果相一致，通过和图8、10中没有模糊直接转矩控制无刷直流电机的波形相比较，可以看到模糊直接转矩控制的无刷直流电机控制系统中，相电流波形有了很大的改观，转矩脉动也较原来减小了近30%。图11为磁链波形，测量方法是在定子测加入检测绕组，检测绕组开路，电压值等于检测绕组的感生电动势，电动势的大小等于检测绕组的磁链对时间的导数，对其进行积分，即可得到检测绕组的磁链。从图中可以看出经过系统控制的磁链波形较已经不是标准的正六边形，由于加入了模糊控制系统响应的速度更快，有效抑制了转矩波动。I/Aψβ3数字仿真实验研究了直流无刷电机DTC控制理论，分析了BLDC数学模型，对DTC原理和模糊控制进行了介绍，对直接转矩模糊控制系统进行了数字仿真和实验，提出控制的新方案，可直接在定子坐标系下分析电机的数学模型，控制电机的磁链和转矩。与矢量控制方法的区别是，它不是通过控制电流、磁链等来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。