無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動的抑制

無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動的抑制

1電機的特性仿真無刷直流電機的旋轉(zhuǎn)動脈問題是目前的突出問題之一。本文提出一種新的無刷電機控制方法—磁場定向控制,為其轉(zhuǎn)矩脈動抑制提供了一個新的思路。部分學者已將磁場定向控制策略應用于永磁同步電機,電機響應速度變快、轉(zhuǎn)矩波動變減小。少數(shù)文獻已提出將磁場定向控制策略應用于無刷直流電機,實際是將無刷直流電機與永磁同步電機概念混淆(反電動勢波形為正弦波的無刷直流電機才稱作永磁同步電機),文獻只是將磁場定向控制策略應用于反電動勢波形為正弦波的無刷直流電機控制系統(tǒng),即永磁同步電機控制系統(tǒng)中。無刷直流電機在電動車領(lǐng)域得到廣泛應用,減小無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動,可降低電動車運行時的噪音和振動。但與永磁同步電機不同,目前還沒有文獻給出無刷直流電機d-q坐標系下的等效電路,因而開展無刷直流電機的磁場定向控制研究,抑制轉(zhuǎn)矩脈動具有很好的理論意義和實用價值。2基于原理性波動的約束無刷直流電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的因素主要有與控制方法無關(guān)和與控制方法有關(guān)兩大類。本文重點分析與控制方法有關(guān)的轉(zhuǎn)矩脈動及其抑制機理。1)電樞反應引起轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)有文獻對于電樞反應引起轉(zhuǎn)矩脈動研究得出:考慮轉(zhuǎn)子磁路飽和時,在一個狀態(tài)角內(nèi)電樞反應對轉(zhuǎn)子磁場的作用是先去磁后增磁,并在增磁去磁過程中增磁不能抵償去磁,使得平均氣隙磁通密度下降。采用磁場定向控制,使直軸電樞反應磁動勢為零或很小,由于不存在增磁去磁過程,可以降低轉(zhuǎn)矩脈動。2)電流換相導致的轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩脈動抑制措施或通過推遲關(guān)斷相的關(guān)斷,或選擇適當?shù)拿}寬調(diào)制方法如PWM-ON方式等,達到抑制轉(zhuǎn)矩脈動的目的。文獻提出一換相轉(zhuǎn)矩自平衡控制方法,試圖以兩換相相反電動勢的交點為換相點,并保證非換相相電流的穩(wěn)定來維持轉(zhuǎn)矩的恒定,由于此文獻的分析前提是假定非換相相電流恒定,因而不能證明這種控制方式比傳統(tǒng)控制方式有任何理論上的優(yōu)勢,且該方法算法較復雜,實際應用受限。本設(shè)計擬采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制,將不存在換相概念,也就沒有轉(zhuǎn)矩換相脈動。3)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理性波動對于理想無刷直流電機,如不計換相轉(zhuǎn)矩脈動,在一個狀態(tài)角內(nèi)的平均轉(zhuǎn)矩幾乎無轉(zhuǎn)矩脈動。實際中,大多數(shù)無刷直流電機由于每相反電動勢雖是梯形波,但梯形波平頂寬度大多小于120°電角度,這種無刷直流電機采用方波控制時的相電流波形不再是方波電流。實測反電動勢梯形波波形寬度為30°電角度的電機在方波控制下的相電流,如圖1所示。圖中顯示出電流有尖峰,此電流尖峰的大小與反電動勢頂部波形有關(guān)。對圖1所示電流波形,一個狀態(tài)角內(nèi)平均電磁轉(zhuǎn)矩需按公式(1)計算。由(1)要保持電磁轉(zhuǎn)矩恒定,如不計電樞反應,只需恒定。對圖1所示的電流,還沒有一種函數(shù)或者一種近似方法來描述這種波形,文獻用方波函數(shù)代替這種波形來計算分析轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動,顯然是錯誤的,所以此文獻所得出的結(jié)果不正確,無參考價值。故本設(shè)計提出采用磁場定向控制策略,以減小轉(zhuǎn)矩脈動。3電機的數(shù)學模型1)無刷直流電機磁場定向控制的分析本設(shè)計擬在無刷直流電機控制系統(tǒng)中采用磁場定向控制策略,以降低轉(zhuǎn)矩脈動。id=0控制的實質(zhì)是保持is與q坐標軸重合,is在直軸交軸的投影分別是id、iq,須經(jīng)過坐標變換得到可直接控制的量。利用經(jīng)典的Park和Clarke變換,得到id=0控制模式下的電流模型為(2)。從經(jīng)典變換到式(2)的推導過程是可逆的,即只要找一種方法控制電流使其滿足式(2),就實現(xiàn)了電機id=0控制。但無刷電機反電勢波形不是三相對稱相位互差120°的正弦波,不能像永磁同步電機那樣用施加三相相位互差120°的正弦波線電壓來得到三相正弦波相電流。在此先分析滿足式(2)的相電流能獲得什么樣的轉(zhuǎn)矩脈動特性,假設(shè)得到了反電勢同相位的三相相電流。假設(shè)三相定子電流為式(3)。無刷梯形反電勢含有基波以及奇次高頻諧波,當波形平頂寬度電角度ue54f=π-2θ時,對ea傅氏級數(shù)展開見(4)。式中,θ∈[0°,90°];E為梯形波平頂幅值;E=kΩ,k是常數(shù)。電機中性點電壓方程:聯(lián)合式(1)(3)(4)(5),忽略高次諧波,最高次諧波取n=4,可得出其電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)量見(6)。轉(zhuǎn)矩相關(guān)量F(θ,ωt)與轉(zhuǎn)矩成正比,利用matlab,可計算得到F(θ,ωt)與梯形波平頂寬度以及一個電周期2π的關(guān)系,可求具體反電動勢平頂寬度下的F(θ,ωt)。試驗用無刷直流電機的梯形波平頂寬度約30°電角度,θ=(π-ue54f)/2=5π/12,可計算得函數(shù)關(guān)系,如圖2所示。代入(6),求得最大最小轉(zhuǎn)矩見式(7)和(8)。定義轉(zhuǎn)矩脈動幅度Tr:式中,Tavr為轉(zhuǎn)矩算術(shù)平均值,由(9)轉(zhuǎn)矩脈動幅度約為1%?？梢娙绮捎么艌龆ㄏ蚩刂?得到式(2)的正弦波電流來驅(qū)動非理想梯形波無刷直流電機,即采用磁場定向控制將能有效降低轉(zhuǎn)矩脈動。2)無刷直流電機磁場定向控制的實現(xiàn)由上述分析可知,無刷直流電機三相相電流計算復雜,暫時還不能給出d-q坐標系下的等效電路,這是與永磁同步電機磁場定向控制的不同之處。由式(2),當給定一個轉(zhuǎn)矩時,相當于設(shè)定了三相定子相電流的幅值,此時通過檢測到的轉(zhuǎn)子電角度位置,就可計算出三相相電流的相位值。即只要跟蹤控制各相相電流的設(shè)定值,就實現(xiàn)了無刷直流電機的磁場定向控制的id=0控制。電流的跟蹤方式可采用PI跟蹤或者是滯環(huán)跟蹤,本設(shè)計采用滯環(huán)跟蹤。給出了無刷直流電機速度電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖,如圖3所示。在實際控制中并不需要進行Park變換與Clarke變換,因為控制模式是id=0控制,在控制中只需將速度環(huán)ASR的誤差輸出作為三相相電流參考值計算器輸入。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置角查正弦表,獲得三相相電流參考值,再輸入到電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器,電流環(huán)調(diào)節(jié)器輸出控制功率開關(guān)器件。據(jù)式(2)知對三相相電流滯環(huán)跟蹤就完成了磁場定向控制過程。4電機和無刷直流電機各控制特性仿真分析針對無刷直流電機傳統(tǒng)兩相六狀態(tài)方波線電壓控制模型和本文提出的id=0磁場定向控制,搭建了兩套仿真系統(tǒng),進行兩種控制策略的控制特性對比研究。因試驗用電機的反電動勢梯形波平頂寬度為30°電角度,現(xiàn)設(shè)定反電動勢平頂寬度為30°電角度進行仿真。仿真電機參數(shù):定子電阻為2.875Ω,定子相電感為1.5mH,反電動勢平頂寬度為30°,電機負載為3N·m,2對極。1)無刷直流電機磁場定向控制系統(tǒng)仿真建立基于磁場定向控制的無刷直流電機控制仿真系統(tǒng),得到系統(tǒng)仿真波形,如圖4-圖6所示。2)兩相六狀態(tài)方波線電壓控制系統(tǒng)仿真建立兩相六狀態(tài)方波控制無刷直流電機仿真系統(tǒng)。得到系統(tǒng)仿真波形,如圖7-圖9所示。3)仿真分析對比兩種控制策略的仿真波形,可得出結(jié)論:(1)轉(zhuǎn)矩脈動采用磁場定向控制時,轉(zhuǎn)矩脈動更小。(2)轉(zhuǎn)速波動磁場定向控制時,仿真的轉(zhuǎn)速波動僅1r/min,而方波控制時,仿真轉(zhuǎn)速波動約10r/min。本文基于磁場定向控制的無刷直流電機控制系統(tǒng),能獲得更好的控制性能,轉(zhuǎn)矩脈動小,電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn),如應用于電動車控制中,可降低電動車運行時的噪音和振動。5系統(tǒng)實現(xiàn)與測試以STM32F103B為核心,設(shè)計磁場定向控制無刷直流電機控制系統(tǒng)。以IAR編譯系統(tǒng)和J-Link仿真器為平臺,用C語言設(shè)計磁場定向控制驅(qū)動軟件,利用Windows開發(fā)上位機電機監(jiān)控界面。1)試驗平臺試驗電機參數(shù)與仿真電機參數(shù)相同?？刂葡到y(tǒng)的軟件部分由C語言編寫,開發(fā)環(huán)境基于IAREmbedded6.10的編譯系統(tǒng),仿真器J_linkV8。程序分主控程序與中斷處理程序。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化,A/D采樣及A/D采樣零漂值計算、運行狀態(tài)判斷及調(diào)用中斷等。中斷服務程序用到兩個定時器的三個中斷,即定時器1PWM波計數(shù)器的上溢中斷,定時器3的計數(shù)器溢出中斷和輸入捕捉中斷。設(shè)計的控制系統(tǒng)實驗樣機,如圖10所示。2)系統(tǒng)測試(1)電流測試用TDS1012型示波器實測穩(wěn)定運行于磁場定向控制方式下的無刷直流電機相電流,實測波形,如圖11所示。(2)速度測試設(shè)定電機開始運行在600r/min,7s后為1500r/min,上位機監(jiān)控界面測得的轉(zhuǎn)速曲線,如圖12所示。系統(tǒng)測試表明,設(shè)計的基于FOC的無刷直流電機控制系統(tǒng)電流波形為正弦波,電機轉(zhuǎn)速波形理想,轉(zhuǎn)速脈動小,能達到預期設(shè)計目標。6基于foc的無刷直流電機控制系統(tǒng)性能試驗平臺為有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動,仿照永磁同步電機磁場定向控制,本文提出一無