無刷直流電機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩分析

無刷直流電機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩分析

1動態(tài)響應(yīng)特性圖1顯示了傳統(tǒng)的方波控制結(jié)構(gòu)，通常是速度和電壓雙環(huán)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點在于控制簡單,動態(tài)響應(yīng)快,額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行穩(wěn)定,在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在控制系統(tǒng)中,控制器多采用PI控制,PI控制盡管魯棒性強(qiáng),但在全范圍調(diào)速中若只采用一組固定的調(diào)節(jié)參數(shù),難以達(dá)到令人滿意的動態(tài)響應(yīng)特性;同時由于轉(zhuǎn)矩波動原因,調(diào)速范圍一般較小,尤其不適合低速運(yùn)行。2全區(qū)域速度控制策略2.1轉(zhuǎn)速對電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的影響對于控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化,有很多方法。在線查表法實現(xiàn)簡單,也是一種行之有效的優(yōu)化方法。本文把電機(jī)從零到最大轉(zhuǎn)速劃分成n段,在每個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi),再把負(fù)載從零到最大值劃分成m段,計算出每個區(qū)間內(nèi)的最優(yōu)控制參數(shù),列成一個表,如表1所示。為了提高系統(tǒng)性能,本文增加了限流幅值的在線調(diào)整,這是因為限流幅值也是影響系統(tǒng)性能的一個重要因素。這里存在兩個問題,一是區(qū)間如何劃分,二是負(fù)載如何檢測。區(qū)間主要是根據(jù)經(jīng)驗來劃分,因為低速情況下負(fù)載變化時,控制參數(shù)的變化比較大,一般是低速范圍內(nèi)多劃分幾段。如果實際系統(tǒng)中可以很方便地檢測到負(fù)載變化而不用外加裝置的話可以直接利用負(fù)載的測量值。在不方便檢測負(fù)載的情況下,可使用母線電流值代替負(fù)載。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程:Te=(EaIa+EbIb+EcIc)/ω(1)式中,Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,Ex為x相反電動勢,I為相電流,ω為機(jī)械轉(zhuǎn)速。為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩,定子電流應(yīng)為方波,反電動勢為梯形波,并且在每半個周期,方波電流的寬度為120°電角度,梯形波反電動勢的平頂寬度也應(yīng)為120°,而且二者應(yīng)保持嚴(yán)格同步,如圖2所示。這時可得到:Te=2EI/ω(2)可知,在轉(zhuǎn)速一定時,電機(jī)轉(zhuǎn)矩與母線電流幅值成正比。另外限流值的選取也很重要,如果過小,會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng),而且當(dāng)出現(xiàn)干擾或負(fù)載波動時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生很大的波動,一般可取實際電流的3-8倍。2.2電機(jī)的轉(zhuǎn)子特性減小轉(zhuǎn)矩波動是無刷直流電機(jī)控制的一個難題,尤其在低速運(yùn)行情況下。為了分析轉(zhuǎn)矩波動的原因,作如下假設(shè):1)電機(jī)磁路的磁導(dǎo)率μ=∞,不考慮磁滯和渦流,此時磁路為線性。2)定子繞組三相對稱,轉(zhuǎn)子上無起動繞組,永磁體無阻尼作用。3)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩通過定子斜槽來消除,分析時不予考慮。由公式(2)可知,在理想的反電動勢和電流波形情況下,只要電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是一個恒值。然而,任何偏離理想波形的情況,都會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動。產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的原因有以下幾個方面。12反電動勢波形的理想偏離由于設(shè)計和制造方面的原因可能使反電動勢波形不是梯形波或平頂寬度不是120°。2電流不可能是矩形波理想的控制電流波形為矩形波,但電機(jī)實際運(yùn)行中電流不可能是矩形波。這是因為電機(jī)繞組的電阻和電感限制了電流的變化率,使電流不可能發(fā)生突變。3位置誤差引起的事件這一般是由于位置傳感器和控制系統(tǒng)精度不夠或者位置傳感器存在位置誤差引起的。在這種情況下可能是出現(xiàn)電流比反電動勢超前或滯后。電流和反電動勢不同步對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響很大。2.3波消除法工作原理及設(shè)計根據(jù)上面的析分,可得出如下結(jié)論:反電動勢的梯形波平頂寬度由電機(jī)本身限制,在控制中無法改變,只能在電機(jī)的設(shè)計制造過程中加以改進(jìn)。如果已知反電動勢波形的平頂寬度不到120°,可以采用正弦波的控制策略抑制轉(zhuǎn)矩波動。另外只要位置傳感器安裝正確,位置誤差一般不存在。這樣,方波控制無刷直流電機(jī)系統(tǒng)抑制轉(zhuǎn)矩波動,主要依靠改善控制電流波形。從目前看,改善控制電流波形,主要有以下兩種方法:1)諧波消除法此方法的原理是根據(jù)式(1),將理想情況下的反電動勢和電流波形用傅立葉級數(shù)形式展開,得到理想情況下的轉(zhuǎn)矩的諧波表達(dá)式。然后實際檢測到的反電動勢和電流波形同樣用傅立葉級數(shù)形式展開,得到實際情況下轉(zhuǎn)矩的諧波表達(dá)式。通過對兩個表達(dá)式的比較,得到對轉(zhuǎn)矩波動影響比較大的諧波分量如6、12、18、24次諧波等。再通過對控制電流的優(yōu)化,將轉(zhuǎn)矩表達(dá)式的含有這些諧波分量的項化為零,從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩波動的抑制。該方法的實質(zhì)是改善控制電流波形,使之盡量接近理想電流波形。2)換相角提前法實際電流達(dá)到設(shè)定值和理想電流形相比有個相位滯后,這是引起轉(zhuǎn)矩波動的主要原因之一。要改變這種電流相位滯后,可以將換相角提前某個角度,這個角度可通過最優(yōu)算法計算得到,其值一般可取電流換流角的一半。在實際應(yīng)用中,只要計算出了這個值,只需將位置傳感器的擺放在原來基礎(chǔ)上逆轉(zhuǎn)向移動這個角度即可實現(xiàn)。綜合上述兩種方法,前者精度較高,但計算比較復(fù)雜,會增加微控制器或數(shù)字信號處理器的計算負(fù)擔(dān)。后者計算最小,實現(xiàn)簡單。本文采用后者進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)以上分析,得到無刷直流電機(jī)會范圍調(diào)速控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)方波控制結(jié)構(gòu)。在速度環(huán),增加了一個參數(shù)自動調(diào)節(jié)模塊,可對速度控制PI參數(shù)和限流值進(jìn)行在線查表法調(diào)節(jié);電流環(huán)采用滯環(huán)控制,以提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度;轉(zhuǎn)矩抑制采用換相角提前法。3不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速超調(diào)量仿真通過對無刷直流電機(jī)傳統(tǒng)方波控制策略和全范圍調(diào)速控制策略進(jìn)行仿真比較。電機(jī)參數(shù)如下:直流電壓320V,額定轉(zhuǎn)速2500r/min,相電阻1Ω,相電感0.02L,互感-0.0067H,極對數(shù)為1,轉(zhuǎn)動慣量為0.005kg.m2。仿真參數(shù)如下:仿真時間1.5s,參考轉(zhuǎn)速從10r/min開始,0.5s時變?yōu)?00r/min,1s時變?yōu)?500r/min,并同時在0.3s、0.8s和1.3s時分別增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩2N.m、3N.m和5N.m,仿波形如圖4所示。由轉(zhuǎn)速仿真曲線可以看出,傳統(tǒng)的方波控制策略在低速時穩(wěn)態(tài)誤差較大,當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時,轉(zhuǎn)