改良的無(wú)刷電機(jī)操控體系

　　BDFM具有2套不同極數(shù)的定子繞組，這種復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)使其轉(zhuǎn)矩和磁鏈的計(jì)算較普通感應(yīng)電機(jī)麻煩。將DTC引入了BDFM調(diào)速系統(tǒng)，但該系統(tǒng)計(jì)算量較大，難以實(shí)現(xiàn)，針對(duì)上述系統(tǒng)提出了1種轉(zhuǎn)矩和磁鏈的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的根本原因在于該系統(tǒng)采用的常規(guī)DTC方法在1個(gè)采樣周期內(nèi)只能輸出單一的電壓矢量，使得電磁轉(zhuǎn)矩增量在1個(gè)采樣周期內(nèi)早已超過(guò)轉(zhuǎn)矩容差的限制。對(duì)感應(yīng)電機(jī)的DTC調(diào)速系統(tǒng)，眾多學(xué)者對(duì)其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題做了大量的改進(jìn)研究，如電壓預(yù)期法、矢量細(xì)分法、轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)法等。這些方法能有效地降低DTC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但運(yùn)算與實(shí)現(xiàn)都比較復(fù)雜，對(duì)微處理器處理速度要求很高。本文受電壓預(yù)測(cè)和矢量細(xì)分原理的啟發(fā)，改進(jìn)和優(yōu)化了常規(guī)的電壓矢量開關(guān)表，從而能在系統(tǒng)采樣時(shí)間為常規(guī)系統(tǒng)2倍的情況下減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在MATLAB環(huán)境下，建立了該改進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型，與文獻(xiàn)[9]中的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明這種改進(jìn)的BDFM的DTC系統(tǒng)在低速范圍內(nèi)可有效地降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善定子電流波形，具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

　　1常規(guī)的BDFM的DTC原理系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制方案所示。其中，BDFM在轉(zhuǎn)子速dq0坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，速度調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為轉(zhuǎn)矩給定Tg。功率繞組和控制繞組的相電流及控制繞組相電壓經(jīng)三相兩相變換(3/2變換)轉(zhuǎn)換為、分量后作為磁鏈、轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的輸入。磁鏈、轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的輸出sc和Tfd分別進(jìn)入磁鏈滯環(huán)和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)，與給定磁鏈g和Tg進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的兩點(diǎn)式和多點(diǎn)式(BangBang控制)調(diào)節(jié)。磁鏈位置角是控制繞組磁鏈與坐標(biāo)軸之間的夾角，即r=arcsin(c/sc)。

　　2本文的改進(jìn)方案

　　從上述的分析可知，常規(guī)DTC系統(tǒng)中，根據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁鏈、扇區(qū)的計(jì)算結(jié)果在1個(gè)采樣周期內(nèi)只能輸出單一電壓矢量，若把1個(gè)采樣周期分成多個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段恰當(dāng)?shù)夭迦肓闶噶?，既可使單一電壓矢量的有效作用時(shí)間減小，使其對(duì)轉(zhuǎn)矩增量的作用在1個(gè)采樣時(shí)間內(nèi)不至于超出轉(zhuǎn)矩的容差限，使得轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小。

　　設(shè)定子磁鏈處于扇區(qū)1內(nèi)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則有5個(gè)電壓矢量供選擇以補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差，選V2、V3可使轉(zhuǎn)矩增加，V5、V6可使轉(zhuǎn)矩減小，V0也可使轉(zhuǎn)矩減小，但效果不如V5、V6強(qiáng)烈;V2、V6可使定子磁鏈增加，V3、V5可使定子磁鏈減小。本文將1個(gè)采樣周期分成3段，設(shè)定子磁鏈處于扇區(qū)1內(nèi)，以電壓矢量V3為例，因V3對(duì)轉(zhuǎn)矩的作用非常強(qiáng)烈，故其作用時(shí)間不應(yīng)持續(xù)至整個(gè)采樣周期，應(yīng)恰當(dāng)?shù)夭迦肓闶噶?。為遵循最小開關(guān)頻率原則，在第3個(gè)時(shí)間段或第2、3個(gè)時(shí)間段內(nèi)插入零矢量，即在1個(gè)采樣周期內(nèi)，分3個(gè)時(shí)間段依次插入V3V0V0或V3V3V0。

　　對(duì)電壓矢量V2，因其對(duì)轉(zhuǎn)矩的作用效果不是很強(qiáng)烈，故依次插入V2V2V0，從而可使電磁轉(zhuǎn)矩不致在1個(gè)采樣周期內(nèi)超出轉(zhuǎn)矩容差限，從而有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。其余的扇區(qū)依此類推，不再贅述。

　　本文將磁鏈圓細(xì)分為12個(gè)扇區(qū)，采用改進(jìn)后的控制方法，將每個(gè)采樣周期分為3段，每段構(gòu)造獨(dú)立的開關(guān)表進(jìn)行控制，從而在低速范圍內(nèi)有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并改善定子電流波形。這種方法不會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且可在采樣時(shí)間為常規(guī)DTC系統(tǒng)的2倍的情況下減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

　　3改進(jìn)的BDFM的DTC系統(tǒng)及其仿真模型

　　對(duì)常規(guī)的BDFM的DTC系統(tǒng)改進(jìn)后，不同之處在于電壓矢量開關(guān)表的選擇由轉(zhuǎn)矩、磁鏈、扇區(qū)以及時(shí)間控制器4個(gè)信號(hào)共同決定。時(shí)間控制器可將每個(gè)采樣周期均分為3個(gè)時(shí)間段，形成2個(gè)控制量分別去控制每個(gè)小時(shí)間段內(nèi)的電壓矢量開關(guān)表，此表可采用1張二維表格進(jìn)行查詢，這使得整個(gè)控制變得相當(dāng)簡(jiǎn)單、明了。

　　3.1時(shí)間段控制器的模型

　　在MATLAB環(huán)境下，本文設(shè)計(jì)了1種時(shí)間段控制器，使其經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)算后生成2個(gè)控制量，再經(jīng)過(guò)比較判斷得到3個(gè)控制信號(hào)，進(jìn)而能按照采樣周期的3個(gè)時(shí)間段依次獨(dú)立控制3張電壓矢量開關(guān)查詢表，從而構(gòu)造逆變器的脈沖控制信號(hào)。

　　3.2矢量開關(guān)表的控制模型

　　本文應(yīng)用MATLAB中的三維數(shù)據(jù)表直接構(gòu)造電壓矢量開關(guān)(薄膜開關(guān)的結(jié)構(gòu)和類型)表，再經(jīng)過(guò)上述時(shí)間段控制器的處理便可形成需要的電壓矢量開關(guān)表。其中，三維數(shù)據(jù)表是由M文件構(gòu)造的，比較簡(jiǎn)單。

　　3.3系統(tǒng)的仿真參數(shù)及仿真結(jié)果

　　在SIMULINK下，用上述方法構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)模塊，建立了改進(jìn)的BDFMR的DTC系統(tǒng)的仿真模型。

　　331仿真參數(shù)

　　仿真中所用電機(jī)功率繞組功率為1.5kW，控制繞組0.55kW，繞組接法為3Y-3Y，極數(shù)為6/2，6極為功率繞組，2極為控制繞組，其電機(jī)參數(shù)為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仿真結(jié)果

　　本文將改進(jìn)的BDFM的DTC系統(tǒng)的采樣時(shí)間設(shè)置為傳統(tǒng)的DTC系統(tǒng)的2倍進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。

　　雖然加大了采樣時(shí)間，但由于本文在1個(gè)采樣時(shí)間加入的電壓矢量規(guī)則，使得逆變器的開關(guān)頻率基本不變。分別給出了傳統(tǒng)DTC調(diào)速系統(tǒng)與本文所提出的改進(jìn)系統(tǒng)的仿真結(jié)果。系統(tǒng)空載起動(dòng)，給定起動(dòng)轉(zhuǎn)速600r/min，1s時(shí)調(diào)速至800r/min，2s時(shí)突加負(fù)載至4Nm.可見，改進(jìn)的DTC控制策略可減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并改善了定子電流波形。該系統(tǒng)也具有良好的動(dòng)態(tài)性能及快速性。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　本文所提出的改進(jìn)的BDFM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，有效地降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善了定子電流及磁鏈的波形，且具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能及魯棒性。而且，沒有增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單容易，具有一定的參考價(jià)值。