改良的無(wú)刷電機操控體系

　　BDFM具有2套不同極數的定子繞組，這種復雜的電磁結構使其轉矩和磁鏈的計算較普通感應電機麻煩。將DTC引入了BDFM調速系統，但該系統計算量較大，難以實(shí)現，針對上述系統提出了1種轉矩和磁鏈的簡(jiǎn)化計算方法，但是轉矩脈動(dòng)較大。造成轉矩脈動(dòng)大的根本原因在于該系統采用的常規DTC方法在1個(gè)采樣周期內只能輸出單一的電壓矢量，使得電磁轉矩增量在1個(gè)采樣周期內早已超過(guò)轉矩容差的限制。對感應電機的DTC調速系統，眾多學(xué)者對其轉矩脈動(dòng)問(wèn)題做了大量的改進(jìn)研究，如電壓預期法、矢量細分法、轉矩預測法等。這些方法能有效地降低DTC系統的轉矩脈動(dòng)，但運算與實(shí)現都比較復雜，對微處理器處理速度要求很高。本文受電壓預測和矢量細分原理的啟發(fā)，改進(jìn)和優(yōu)化了常規的電壓矢量開(kāi)關(guān)表，從而能在系統采樣時(shí)間為常規系統2倍的情況下減小轉矩脈動(dòng)。在MATLAB環(huán)境下，建立了該改進(jìn)系統的仿真模型，與文獻[9]中的仿真結果進(jìn)行比較，結果表明這種改進(jìn)的BDFM的DTC系統在低速范圍內可有效地降低轉矩脈動(dòng)，改善定子電流波形，具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

　　1常規的BDFM的DTC原理系統采用轉速、轉矩雙閉環(huán)控制方案所示。其中，BDFM在轉子速dq0坐標系下的數學(xué)模型，速度調節采用PI調節器，其輸出作為轉矩給定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)轉換為、分量后作為磁鏈、轉矩觀(guān)測器的輸入。磁鏈、轉矩觀(guān)測器的輸出sc和Tfd分別進(jìn)入磁鏈滯環(huán)和轉矩滯環(huán)，與給定磁鏈g和Tg進(jìn)行比較，實(shí)現對磁鏈和轉矩的兩點(diǎn)式和多點(diǎn)式(BangBang控制)調節。磁鏈位置角是控制繞組磁鏈與坐標軸之間的夾角，即r=arcsin(c/sc)。

　　2本文的改進(jìn)方案

　　從上述的分析可知，常規DTC系統中，根據轉矩、磁鏈、扇區的計算結果在1個(gè)采樣周期內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)間段恰當地插入零矢量，既可使單一電壓矢量的有效作用時(shí)間減小，使其對轉矩增量的作用在1個(gè)采樣時(shí)間內不至于超出轉矩的容差限，使得轉矩脈動(dòng)減小。

　　設定子磁鏈處于扇區1內，逆時(shí)針旋轉，則有5個(gè)電壓矢量供選擇以補償磁鏈和轉矩的偏差，選V2、V3可使轉矩增加，V5、V6可使轉矩減小，V0也可使轉矩減小，但效果不如V5、V6強烈;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，設定子磁鏈處于扇區1內，以電壓矢量V3為例，因V3對轉矩的作用非常強烈，故其作用時(shí)間不應持續至整個(gè)采樣周期，應恰當地插入零矢量。為遵循最小開(kāi)關(guān)頻率原則，在第3個(gè)時(shí)間段或第2、3個(gè)時(shí)間段內插入零矢量，即在1個(gè)采樣周期內，分3個(gè)時(shí)間段依次插入V3V0V0或V3V3V0。

　　對電壓矢量V2，因其對轉矩的作用效果不是很強烈，故依次插入V2V2V0，從而可使電磁轉矩不致在1個(gè)采樣周期內超出轉矩容差限，從而有效減小轉矩脈動(dòng)。其余的扇區依此類(lèi)推，不再贅述。

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

　　3改進(jìn)的BDFM的DTC系統及其仿真模型

　　對常規的BDFM的DTC系統改進(jìn)后，不同之處在于電壓矢量開(kāi)關(guān)表的選擇由轉矩、磁鏈、扇區以及時(shí)間控制器4個(gè)信號共同決定。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)間段內的電壓矢量開(kāi)關(guān)表，此表可采用1張二維表格進(jìn)行查詢(xún)，這使得整個(gè)控制變得相當簡(jiǎn)單、明了。

　　3.1時(shí)間段控制器的模型

　　在MATLAB環(huán)境下，本文設計了1種時(shí)間段控制器，使其經(jīng)過(guò)一定的運算后生成2個(gè)控制量，再經(jīng)過(guò)比較判斷得到3個(gè)控制信號，進(jìn)而能按照采樣周期的3個(gè)時(shí)間段依次獨立控制3張電壓矢量開(kāi)關(guān)查詢(xún)表，從而構造逆變器的脈沖控制信號。

　　3.2矢量開(kāi)關(guān)表的控制模型

　　本文應用MATLAB中的三維數據表直接構造電壓矢量開(kāi)關(guān)(薄膜開(kāi)關(guān)的結構和類(lèi)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(kāi)關(guān)表。其中，三維數據表是由M文件構造的，比較簡(jiǎn)單。

　　3.3系統的仿真參數及仿真結果

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

　　331仿真參數

　　仿真中所用電機功率繞組功率為1.5kW，控制繞組0.55kW，繞組接法為3Y-3Y，極數為6/2，6極為功率繞組，2極為控制繞組，其電機參數為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仿真結果

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

　　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則，使得逆變器的開(kāi)關(guān)頻率基本不變。分別給出了傳統DTC調速系統與本文所提出的改進(jìn)系統的仿真結果。系統空載起動(dòng)，給定起動(dòng)轉速600r/min，1s時(shí)調速至800r/min，2s時(shí)突加負載至4Nm.可見(jiàn)，改進(jìn)的DTC控制策略可減小轉矩脈動(dòng)，并改善了定子電流波形。該系統也具有良好的動(dòng)態(tài)性能及快速性。

　　4結束語(yǔ)

　　本文所提出的改進(jìn)的BDFM直接轉矩控制系統，有效地降低了轉矩脈動(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(méi)有增加系統的復雜性，實(shí)現起來(lái)簡(jiǎn)單容易，具有一定的參考價(jià)值。