《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無刷直流電機(jī)的直接功率控制研究
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
程軍輝,黃友銳,,唐超禮,陳珍萍,,張超超
安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南232001
摘要: 在對(duì)無刷直流電機(jī)有功功率和無功功率分析的基礎(chǔ)上,對(duì)比分析直接轉(zhuǎn)矩控制和磁場(chǎng)定向控制,提出一種無刷直流電機(jī)的直接功率控制策略和方法,。該方法通過對(duì)瞬時(shí)有功功率,、無功功率和磁鏈角度的計(jì)算,得到轉(zhuǎn)矩與磁鏈之間的關(guān)系,,并根據(jù)功率開關(guān)表選擇合適的電壓開關(guān)矢量,實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的直接控制,。仿真和實(shí)驗(yàn)表明,,采用直接功率控制策略的調(diào)速系統(tǒng)提高了控制系統(tǒng)的功率因數(shù),減少了到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間,,能很好地降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),,該方法在各種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中具有很好的應(yīng)用前景。
中圖分類號(hào): TM341
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.029
中文引用格式: 程軍輝,,黃友銳,,唐超禮,等. 無刷直流電機(jī)的直接功率控制研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,,42(2):106-109.
英文引用格式: Cheng Junhui,Huang Yourui,,Tang Chaoli,,et al. Research of direct power control for BLDCM[J].Application of Electronic Technique,2016,,42(2):106-109.
Research of direct power control for BLDCM
Cheng Junhui,,Huang Yourui,Tang Chaoli,,Chen Zhenping,,Zhang Chaochao
College of Electrical and Information Engineering,An Hui University of Science and Technology,,Huainan 232001,,China
Abstract: Based on the BLDCM active power and reactive power analysis, compared with the vector control and direct torque control,deduced the relationship between electromagnetic torque and rotor flux,,proposed direct power control(DPC) method based on the power switch table BLDCM. The simulation and experimental results show that use direct power control strategy of speed control system to improve the control system power factor, reducing the time to reach steady state, and the torque ripple, in the practical application of the method has a good prospect.
Key words : BLDCM,;direct power control;power switch table,;voltage switching vector

0 引言

    目前無刷直流電機(jī)比較成熟的高性能控制方法主要包括直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control,,DTC)和磁場(chǎng)定向控制(Field Oriented Control,F(xiàn)OC)[1],。但DTC和FOC兩種控制方式都存在一定的缺陷與不足:DTC在定子坐標(biāo)系上進(jìn)行積分運(yùn)算,,從而直接得到開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)信號(hào),但是其低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大,,不能獲得穩(wěn)定的開關(guān)頻率[2-4],。FOC在運(yùn)行過程中要求定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)冀K垂直,,需要通過電流控制器對(duì)磁場(chǎng)電流進(jìn)行控制,對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)具有很強(qiáng)的依賴性,。

    本文在對(duì)DTC和FOC兩種控制策略研究的基礎(chǔ)上,,提出通過瞬時(shí)功率開關(guān)表對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行直接功率控制(Direct Power Control,DPC)的策略,,對(duì)電機(jī)的瞬時(shí)有功功率,、瞬時(shí)無功功率及磁鏈角度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算得到相應(yīng)的電壓開關(guān)矢量,通過改變開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)對(duì)電機(jī)的瞬時(shí)功率進(jìn)行直接控制[5-7],。通過仿真和具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的合理性,,能夠保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)的無功功率為零,同時(shí)也可以減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),,使得系統(tǒng)具有節(jié)能性和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),。

1 瞬時(shí)功率理論

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    定義三相瞬時(shí)有功功率為瞬時(shí)電壓矢量與瞬時(shí)電流矢量的向量積,三相瞬時(shí)無功功率為瞬時(shí)電壓矢量和瞬時(shí)電流矢量的叉乘,,即:

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2 無刷直流電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)方案

2.1 直接功率控制方案原則

    如圖2所示為無刷直流電機(jī)定子磁鏈φs和轉(zhuǎn)子磁鏈φf矢量之間的關(guān)系,。

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    無刷直流電機(jī)瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率的表達(dá)式如下所示:

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    式(4)和式(5)中,下標(biāo)s表示定子α-β坐標(biāo)系,,Ps表示有功功率,、Qs表示無功功率、ωr表示轉(zhuǎn)子角速度,、φs表示定子磁鏈,、φf表示轉(zhuǎn)子磁鏈、θ表示定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角,,即負(fù)載角,。

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2.2 直接功率控制系統(tǒng)方案

    如圖3所示為DPC控制系統(tǒng)框圖,變量ia,、ib,、ic為通過電流互感器檢測(cè)到的三相電流值,該值通過Clark變換后計(jì)算出瞬時(shí)有功P和瞬時(shí)無功功率Q,,并與給定值P*,、Q*比較后送入滯環(huán)比較器,Sp,、Sq為滯環(huán)比較器的輸出,,通過查詢功率開關(guān)表得到相應(yīng)的電壓開關(guān)狀態(tài)量Sa、Sb,、Sc,。其中n作為實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速n*進(jìn)行比較并送入PI調(diào)節(jié)器,得到瞬時(shí)給定功率P*,。

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    根據(jù)逆變器給定直流電壓Udc和電壓開關(guān)狀態(tài)量可得到如下所示定子電壓矢量:

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    上式中,,x表示電流或電壓,。

    將式(6)代入式(7),可得

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    系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),,將檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)時(shí)三相電流值ia,、ib、ic代入式(7),,得到αβ坐標(biāo)系下的相應(yīng)電流分量iα,、iβ。然后將u,、u、i,、i同時(shí)代入式(3)計(jì)算并得到瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率的估計(jì)值:

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    將計(jì)算得到的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率與相應(yīng)的給定值進(jìn)行比較并通過滯環(huán)比較器進(jìn)行比較,,兩個(gè)滯環(huán)比較器的環(huán)寬分別為pr和qr。根據(jù)以下規(guī)則定義:

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    根據(jù)式(10)和式(11)可知,,Sq=1表示在該周期內(nèi)無功功率的給定值大于估計(jì)值,,在下一個(gè)控制周期內(nèi)需要增大輸出轉(zhuǎn)矩來增加無功功率輸入;Sq=0表示在該周期內(nèi)無功功率的給定值小于估計(jì)值,,在下一個(gè)控制周期內(nèi)需要減小輸出轉(zhuǎn)矩來降低無功功率輸入,。有功功率的滯環(huán)比較輸入與無功功率的類似。

3 仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)分析

    根據(jù)圖3所示BLDCM調(diào)速系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下搭建了直接功率控制的具體仿真模型,。該模型主要包括Clark變換模塊,、瞬時(shí)功率計(jì)算模塊、磁鏈角度計(jì)算模塊,、轉(zhuǎn)速PI模塊,、滯環(huán)比較器模塊和直接功率開關(guān)表模塊。

    考慮到實(shí)驗(yàn)室的具體情況,,為保證仿真和實(shí)驗(yàn)的一致性,,仿真所選用的無刷直流電機(jī)模型的參數(shù)如下:額定功率PN=200 W,額定電壓UN=48 V,,極對(duì)數(shù)p=4,,額定轉(zhuǎn)速nN=3 000 r/min,定子電阻Rs=0.45 Ω,,定子電感Ls=0.5 mH,。

    實(shí)驗(yàn)時(shí),電機(jī)從0~0.05 s內(nèi)給定初始轉(zhuǎn)矩2N·m條件下由靜止運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速,,在0.05 s時(shí)刻將轉(zhuǎn)矩增加為4N·m,,由此驗(yàn)證電機(jī)在直接功率控制策略下的控制性能。圖4所示為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩波形,,如圖5和圖6所示分別為為電機(jī)運(yùn)行時(shí)刻的abc三相電流波形和直軸,、交軸的電流波形,。圖7所示為定子磁鏈系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的定子磁鏈軌跡。圖8所示為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速波形,,當(dāng)0.15 s時(shí)增加負(fù)載,,通過直接功率控制可以很快使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定,具有較強(qiáng)的抗干擾能力,。

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    圖9和圖10所示為隨著系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化,,瞬時(shí)有功功率和無功功率的實(shí)時(shí)波形,無功功率基本可維持在0左右,,有功功率也可以維持穩(wěn)定,。

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    搭建無刷直流電機(jī)無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿真模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)參數(shù)和仿真一致,,采用STM32F407作為系統(tǒng)的控制器,。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量主要通過示波器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x等工具實(shí)現(xiàn),實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)處理并呈現(xiàn),。

4 結(jié)論

    本文將直接功率控制理論應(yīng)用于無刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中,,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且易于實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)無刷直流電機(jī)直接功率控制策略的理論分析,、Matlab仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,,結(jié)論表明可以通過對(duì)電機(jī)定子磁場(chǎng)和磁鏈角度的控制改變電機(jī)輸出的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率,從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,。能夠保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)的無功功率為零,,同時(shí)也可以減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),使得系統(tǒng)具有節(jié)能性和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),。該方案應(yīng)用于工業(yè)控制及其相關(guān)控制與應(yīng)用場(chǎng)合,,具有很好的應(yīng)用前景。

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