永磁無(wú)刷直流電機(jī)換相電流預(yù)測(cè)控制與消除控制研究

永磁無(wú)刷直流電機(jī)換相電流預(yù)測(cè)控制與消除控制研究

1高速區(qū)和低頻區(qū)運(yùn)行時(shí)的換相扭矩控制無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用效率高，控制簡(jiǎn)單。但是其固有的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題制約了其在要求高精度高穩(wěn)定性場(chǎng)合的應(yīng)用。解決其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題一直是工程技術(shù)工作者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)工作于120°導(dǎo)通方式時(shí)，對(duì)于換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，文獻(xiàn)中采用電流滯環(huán)控制方式控制開(kāi)通相的電流上升速率來(lái)抑制低速下的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但對(duì)高速區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)沒(méi)給出解決辦法；文獻(xiàn)采用非換相相電流恒頻PWM控制的最優(yōu)換相方案，這種方法雖然對(duì)抑制高速下的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有效，但需要離線求解開(kāi)關(guān)狀態(tài)并且算法復(fù)雜；文獻(xiàn)給出了電機(jī)在高速區(qū)域減小換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制規(guī)則，并采用無(wú)差拍控制方法取得了較好的效果，但其所采用的補(bǔ)償方法本質(zhì)上為開(kāi)環(huán)補(bǔ)償，補(bǔ)償措施適應(yīng)性較差，在應(yīng)用中并不一定能夠取得較好的實(shí)際效果。電流預(yù)測(cè)算法具有控制精度高，可控性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)容易的特點(diǎn)，但將電流預(yù)測(cè)算法應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)換相電流控制中的文獻(xiàn)報(bào)道目前還很少見(jiàn)。本文以換相電流為研究對(duì)象，提出并推導(dǎo)出電機(jī)在高速區(qū)和低速區(qū)運(yùn)行時(shí)的換相電流預(yù)測(cè)控制規(guī)則，使非換相相繞組的相電流在換相期間保持恒定，減小換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)在該方法中結(jié)合使用了消除直流母線負(fù)電流的方法，使換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到進(jìn)一步的抑制。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法能夠有效地減小換相電流的脈動(dòng)，從而減小無(wú)刷電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。2相流變化預(yù)測(cè)控制2.1電機(jī)運(yùn)行特性分析假設(shè)無(wú)刷直流電機(jī)三相對(duì)稱，其等效電路及驅(qū)動(dòng)主電路如圖1所示(忽略電樞反應(yīng))。圖中R、L分別為定子繞組電阻和電感，UN為電機(jī)中性點(diǎn)，Ud為直流母線電壓，eA、eB、eC分別為對(duì)應(yīng)的A、B、C三相繞組上的反電動(dòng)勢(shì)。以A相到B相換流，C相為非換相相為例分析換相過(guò)程。電機(jī)在不同的速度區(qū)間，反電動(dòng)勢(shì)、直流母線電壓和換相電磁轉(zhuǎn)矩三者有如圖2所示關(guān)系，圖2(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)中、高、低速時(shí)運(yùn)行特性。由圖可見(jiàn)，由于在換相過(guò)程中關(guān)斷相和開(kāi)通相電流變化率的不相等，使得非換相繞組電流在換相期間發(fā)生變化。可見(jiàn)，控制換相過(guò)程中兩換相繞組電流的變化率相等是抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的關(guān)鍵。2.2相對(duì)稱星形接法以電機(jī)運(yùn)行在高速區(qū)段為例分析換相電流預(yù)測(cè)控制特性。在換相期間，由于關(guān)斷相電流下降率快于開(kāi)通相電流上升率，造成非換相相電流凹陷（見(jiàn)圖2(b)），使換相期間電磁轉(zhuǎn)矩減小。因此，在高速下對(duì)換相期間電流補(bǔ)償?shù)脑瓌t是通過(guò)調(diào)節(jié)關(guān)斷相的電流下降率從而保證非換相相電流的恒定。在換相期間：eA=eB=E,eC=-E,A相為關(guān)斷相，其占空比（DA），決定于預(yù)測(cè)控制律的輸出；B相為開(kāi)通相，其占空比為1;C相為非換相繞組，在換相期間恒通，其電流幅值為i，即Ci=i。則有假設(shè)電機(jī)為三相對(duì)稱星形接法，即其中，UA、UB、UC分別為A、B、C三相對(duì)直流母線地的端電壓。這樣在換相期間，由式(1)、(3)可得由式(2)、(3)可得結(jié)合式(4)、(6)則有由式(5)、(7)可得將上式離散化之后可得其中，T為采樣周期，式(9)即為高速區(qū)段換相期間電流預(yù)測(cè)控制的表達(dá)式，其物理意義是：在當(dāng)前k時(shí)刻，在關(guān)斷相A、非換相相C兩相繞組之間施加以式(9)所示的電壓時(shí)，就可以迫使在(k+1)時(shí)刻非換相繞組上的電流值達(dá)到理想值i*(k+1)。預(yù)測(cè)控制規(guī)則表現(xiàn)為，以非換相相繞組上的電流在換相期間保持恒定為控制目標(biāo)，使開(kāi)通相恒通，關(guān)斷相上施加以式(9)所示的占空比DA進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)電機(jī)在低速下運(yùn)行時(shí)換相期間電流狀態(tài)，由同樣的分析方法，可得低速區(qū)段下預(yù)測(cè)控制的表達(dá)式（具體推導(dǎo)過(guò)程從略）為同理，其物理意義是：在當(dāng)前k時(shí)刻，在開(kāi)通相B、非換相相C之間施加以式(10)所示的電壓時(shí)，就可以迫使在(k+1)時(shí)刻非換相繞組上的電流值達(dá)到理想值i*(k+1)。式中DB為加于開(kāi)通相上的占空比。可見(jiàn)，電機(jī)在低速區(qū)運(yùn)行時(shí)，預(yù)測(cè)控制規(guī)則表現(xiàn)為，以非換相相繞組上的電流在換相期間保持恒定為控制目標(biāo)，使關(guān)斷相關(guān)斷，開(kāi)通相上施加以式(10)所示的占空比DB進(jìn)行補(bǔ)償。3gm調(diào)制策略在換相期間的應(yīng)用在上述理論分析中，為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型和算法，根據(jù)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)性質(zhì)的不同，將電機(jī)運(yùn)行區(qū)間分為低速區(qū)域和高速區(qū)域分別進(jìn)行了分析，執(zhí)行不同的換相電流預(yù)測(cè)控制規(guī)則。而在實(shí)際的工程應(yīng)用中，需尋求一種在全速度范圍內(nèi)均適用的換相電流預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)策略。另外，在應(yīng)用中利用無(wú)刷直流電機(jī)特殊的120°工作方式，分析不同工作區(qū)間的電流特性，可以實(shí)現(xiàn)只需檢測(cè)直流母線電流值來(lái)獲取換相期間電機(jī)繞組上電流的大小，而不是直接檢測(cè)各相的電流?；谏鲜隹紤]，本文在實(shí)現(xiàn)換相電流預(yù)測(cè)控制方法時(shí)采用了一種“重疊換相”的方法：關(guān)斷相延遲關(guān)斷一段時(shí)間，用以補(bǔ)償換相電流。為了能夠在延遲關(guān)斷期間在直流母線上反映出非換相相的電流（總電流），在換相期間采取關(guān)斷相和非換相相同步PWM調(diào)制而開(kāi)通相恒通的措施，如圖3所示，t0表示重疊換相區(qū)間。在t0區(qū)間采取這種同步PWM調(diào)制措施，無(wú)論換相補(bǔ)償前非換相相電流在換相期間增大（換相轉(zhuǎn)矩增大）還是減小（換相轉(zhuǎn)矩減?。┑那闆r，即在全速度范圍內(nèi)均可以通過(guò)這種PWM調(diào)制措施在換相電流預(yù)測(cè)控制規(guī)則下得到很好的調(diào)節(jié)。以從A相換流到C相，B相為非換相相為例進(jìn)行分析，在t0區(qū)間，A、B相同時(shí)調(diào)制，C相恒通；t0區(qū)間，PWM處于ON狀態(tài)時(shí)，電流同時(shí)從A相和C相流入B相，并經(jīng)過(guò)電阻Rd流入電源，如圖4(a)所示；當(dāng)PWM處于OFF狀態(tài)時(shí)，A相和B相均關(guān)斷，A相通過(guò)電阻Rd和其下橋臂二極管續(xù)流，B相通過(guò)其上橋臂二極管和C相續(xù)流，如圖4(b)所示?？梢?jiàn)，在PWM(ON)期間，流過(guò)直流母線電阻上的電流為非換相相電流，電流流向?yàn)檎?；而在PWM(OFF)期間，直流母線反向流過(guò)A相續(xù)流。因此，在PWM(ON)期間，可以和開(kāi)關(guān)頻率一致同步采樣直流母線電流，從而得到換相期間非換相相上的電流值。根據(jù)圖4，設(shè)在t0期間PWM調(diào)制占空比為D(t)，則三相端電壓方程為在換相期間：eA=eC=E,Be=-E,iB=-idR，并結(jié)合式(4)，則可得此時(shí)占空比D(t)為式(14)的離散形式為式中dRi*(k+1)為在(k+1)時(shí)刻理想的目標(biāo)電流值；iRd(k)為在k時(shí)刻采樣得到的直流母線電流值。其物理意義為：在換相期間采用該算法得到的占空比D(k)，在k時(shí)刻同時(shí)施加在關(guān)斷相和非換相相上時(shí)，在(k+1)時(shí)刻，得到的電流值即為Rid*(k+1)。由于在換相期間采用關(guān)斷相和非換相相同步PWM調(diào)制的策略，在換相期間，如圖4(b)所示PWM(OFF)時(shí)，有負(fù)電流流過(guò)直流母線，經(jīng)分析可知，此時(shí)關(guān)斷相續(xù)流電流通過(guò)主電路整流側(cè)的電容進(jìn)行續(xù)流，衰減速度快于續(xù)流電流直接在相繞組內(nèi)進(jìn)行續(xù)流的衰減速度，這種體現(xiàn)在母線上的負(fù)電流必然會(huì)增大換相期間的電流脈動(dòng)，為了更好地抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，如果只是單純依靠換相電流預(yù)測(cè)控制并不是最完美的方法，更好的方法是將換相電流預(yù)測(cè)控制和直流母線負(fù)電流消除結(jié)合使用。為此，本文在研究中采取了如下的直流母線負(fù)電流消除措施，如圖5所示，圖中t0表示換相補(bǔ)償區(qū)間，T表示開(kāi)關(guān)周期。在t0區(qū)間，開(kāi)通相觸發(fā)脈沖一直為高電平，表示恒通，關(guān)斷相和非換相相保持同步PWM調(diào)制，在圖中實(shí)線所示觸發(fā)脈沖作用下，直流母線會(huì)出現(xiàn)負(fù)電流，特別是換相之后第一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)（如圖所示iRd在?t1時(shí)間內(nèi)），從而會(huì)加劇非換相繞組電流inon的跌落，加劇換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為了消除該負(fù)向電流，在?t1時(shí)間內(nèi)保持非換相相恒通（如圖中虛線），就可以消除?t1時(shí)間內(nèi)的直流母線負(fù)電流，在PWM(ON)期間，關(guān)斷相相對(duì)于非換相相提前關(guān)斷?t2時(shí)間，也可以消除一部分負(fù)電流，從而改善電流的脈動(dòng)情況，圖5(b)所示即為在?t2期間，相電流流向示意圖，在此期間，關(guān)斷相已經(jīng)關(guān)斷，其續(xù)流電流經(jīng)過(guò)非換相相進(jìn)行續(xù)流，而不是反向流過(guò)直流母線，開(kāi)通相繼續(xù)導(dǎo)通，其電流在以最大的速度上升。經(jīng)過(guò)以上這種把直流母線負(fù)電流部分消除或者全部消除措施和換相電流預(yù)測(cè)控制方法相結(jié)合的辦法，換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到更好的抑制。4仿真結(jié)果與分析仿真所用電機(jī)參數(shù)為：額定電壓300V，電樞電阻0.3?，電樞繞組電感500mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.0036kg?m2，負(fù)載2N?m，開(kāi)關(guān)頻率10kHz。電機(jī)運(yùn)行于額定參數(shù)下，電流PI控制。圖6所示為無(wú)換相補(bǔ)償時(shí)高速下仿真得到三相電流波形和電磁轉(zhuǎn)矩波形，圖7所示為采用本文提出的補(bǔ)償方法時(shí)在高速下的仿真結(jié)果，從圖可見(jiàn)，采用換相電流預(yù)測(cè)控制時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到很好的抑制。同時(shí)，以TI公司DSP2407A為控制芯片，以一臺(tái)400W的永磁無(wú)刷直流電機(jī)為實(shí)驗(yàn)電機(jī)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)文中所述的電流預(yù)測(cè)控制法以及與直流母線負(fù)電流消除相結(jié)合的策略進(jìn)行了研究。比較圖8(a)、(b)可以看出，無(wú)換相電流補(bǔ)償措施時(shí)，換相之后非換相相電流在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)到換相前的工作電流，采用換相電流預(yù)測(cè)控制方法，非換相相電流經(jīng)過(guò)2到3個(gè)開(kāi)關(guān)周期就可以被補(bǔ)償?shù)綋Q相前的正常工作電流值，而換相瞬間的直流母線負(fù)電流造成的非換相相電流急劇跌落無(wú)法被及時(shí)補(bǔ)償。比較圖9(a)、(b)，結(jié)合了直流母線負(fù)電流消除措施之后，換相瞬間非換相相上的瞬間電流跌落得到補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)母線負(fù)電流進(jìn)行