对改良的无刷电机操控体系的研讨

直接转矩控制（DirectTorqueControl，简称DTC）是1种高效的交流调速技术。它借助三相定子电压、电流来计算转矩和磁链，再通过转矩、磁链的偏差来直接进行电机的调速控制，具有优良的调速性能和快速性。DTC摒弃了矢量控制技术中过于繁杂的解耦思想，故而简洁明了，这些优点引起国内外学者广泛的研究兴趣。技术已被成功地应用于普通感应电机中，如ABB公司将该技术应用于ACS600这一标准型逆变器产品中，体现出了优良的电气性能。　　BDFM具有2套不同极数的定子绕组，这种复杂的电磁结构使其转矩和磁链的计算较普通感应电机麻烦。将DTC引入了BDFM调速系统，但该系统计算量较大，难以实现，针对上述系统提出了1种转矩和磁链的简化计算方法，但是转矩脉动较大。造成转矩脉动大的根本原因在于该系统采用的常规DTC方法在1个采样周期内只能输出单一的电压矢量，使得电磁转矩增量在1个采样周期内早已超过转矩容差的限制。对感应电机的DTC调速系统，众多学者对其转矩脉动问题做了大量的改进研究，如电压预期法、矢量细分法、转矩预测法等。这些方法能有效地降低DTC系统的转矩脉动，但运算与实现都比较复杂，对微处理器处理速度要求很高。本文受电压预测和矢量细分原理的启发，改进和优化了常规的电压矢量开关表，从而能在系统采样时间为常规系统2倍的情况下减小转矩脉动。在MATLAB环境下，建立了该改进系统的仿真模型，与文献[9]中的仿真结果进行比较，结果表明这种改进的BDFM的DTC系统在低速范围内可有效地降低转矩脉动，改善定子电流波形，具有良好的动、静态性能。　　1常规的BDFM的DTC原理系统采用转速、转矩双闭环控制方案所示。其中，BDFM在转子速dq0坐标系下的数学模型，速度调节采用PI调节器，其输出作为转矩给定Tg。功率绕组和控制绕组的相电流及控制绕组相电压经三相两相变换（3/2变换）转换为、分量后作为磁链、转矩观测器的输入。磁链、转矩观测器的输出sc和Tfd分别进入磁链滞环和转矩滞环，与给定磁链g和Tg进行比较，实现对磁链和转矩的两点式和多点式（BangBang控制）调节。磁链位置角是控制绕组磁链与坐标轴之间的夹角，即r=arcsin（c/sc）。　　2本文的改进方案　　从上述的分析可知，常规DTC系统中，根据转矩、磁链、扇区的计算结果在1个采样周期内只能输出单一电压矢量，若把1个采样周期分成多个时间段，每个时间段恰当地插入零矢量，既可使单一电压矢量的有效作用时间减小，使其对转矩增量的作用在1个采样时间内不至于超出转矩的容差限，使得转矩脉动减小。　　设定子磁链处于扇区1内，逆时针旋转，则有5个电压矢量供选择以补偿磁链和转矩的偏差，选V2、V3可使转矩增加，V5、V6可使转矩减小，V0也可使转矩减小，但效果不如V5、V6强烈；V2、V6可使定子磁链增加，V3、V5可使定子磁链减小。本文将1个采样周期分成3段，设定子磁链处于扇区1内，以电压矢量V3为例，因V3对转矩的作用非常强烈，故其作用时间不应持续至整个采样周期，应恰当地插入零矢量。为遵循最小开关频率原则，在第3个时间段或第2、3个时间段内插入零矢量，即在1个采样周期内，分3个时间段依次插入V3V0V0或V3V3V0。　　对电压矢量V2，因其对转矩的作用效果不是很强烈，故依次插入V2V2V0，从而可使电磁转矩不致在1个采样周期内超出转矩容差限，从而有效减小转矩脉动。其余的扇区依此类推，不再赘述。　　本文将磁链圆细分为12个扇区，采用改进后的控制方法，将每个采样周期分为3段，每段构造独立的开关表进行控制，从而在低速范围内有效地减小转矩脉动，并改善定子电流波形。这种方法不会增加系统的复杂程度，而且可在采样时间为常规DTC系统的2倍的情况下减小转矩脉动。　　3改进的BDFM的DTC系统及其仿真模型　　对常规的BDFM的DTC系统改进后，不同之处在于电压矢量开关表的选择由转矩、磁链、扇区以及时间控制器4个信号共同决定。时间控制器可将每个采样周期均分为3个时间段，形成2个控制量分别去控制每个小时间段内的电压矢量开关表，此表可采用1张二维表格进行查询，这使得整个控制变得相当简单、明了。　　3.1时间段控制器的模型　　在MATLAB环境下，本文设计了1种时间段控制器，使其经过一定的运算后生成2个控制量，再经过比较判断得到3个控制信号，进而能按照采样周期的3个时间段依次独立控制3张电压矢量开关查询表，从而构造逆变器的脉冲控制信号。　　3.2矢量开关表的控制模型　　本文应用MATLAB中的三维数据表直接构造电压矢量开关（薄膜开关的结构和类型）表，再经过上述时间段控制器的处理便可形成需要的电压矢量开关表。其中，三维数据表是由M文件构造的，比较简单。　　3.3系统的仿真参数及仿真结果　　在SIMUlink下，用上述方法构成系统的各个模块，建立了改进的BDFMR的DTC系统的仿真模型。　　331仿真参数　　仿真中所用电机功率绕组功率为1.5kW，控制绕组0.55kW，绕组接法为3Y-3Y，极数为6/2，6极为功率绕组，2极为控制绕组，其电机参数为Rp=0.81，Lsp=80mH，Mp=0.89mH，Rc=0.81，Lsc=630mH，Mc=4.3mH，Rr=1.57，Lr=0.04mH，Kd=0，J=0.02.　　332仿真结果　　本文将改进的BDFM的DTC系统的采样时间设置为传统的DTC系统的2倍进行了系统仿真。　　虽然加大了采样时间，但由于本文在1个采样时间加入的电压矢量规则，使得逆变器的开关频率基本不变。分别给出了传统DTC调速系统与本文所提出的改进系统的仿真结果。系统空载起动，给定起动转速600r/min，1s时调速至800r/min，2s时突加负载至4Nm.可见，改进的DTC控制策略可减小转矩脉动，并改善了定子电流波形。该系统也具有良好的动态性能及快速性。　　4结束语　　本文所提出的改进的BDFM直接转矩控制系统，有效地降低了转矩脉动，改善了定子电流及磁链的波形，且具有良好的动、静态性能及鲁棒性。而且，没有增加系统的复杂性，实现起来简单容易，具有一定的参考价值。