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無刷直流電機全范圍調速控制策略研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:656

1 傳統無刷直流電機方波控制策略

傳統的方波控制結構如圖1所示,一般為速度、電流雙閉環控制系統。這種系統的優點在于控制簡單,動態響應快,額定轉速下運行穩定,在許多領域得到了廣泛應用。在控制系統中,控制器多采用PI控制,PI控制盡管魯棒性強,但在全范圍調速中若只采用一組固定的調節參數,難以達到令人滿意的動態響應特性;同時由于轉矩波動原因,調速范圍一般較小,尤其不適合低速運行。

2 BLDCM全范圍調速控制策略

2.1控制參數優化    

對于控制系統的參數優化,有很多方法。在線查表法實現簡單,也是一種行之有效的優化方法。本文把電機從零到最大轉速劃分成n段,在每個轉速區間內,再把負載從零到最大值劃分成m段,計算出每個區間內的最優控制參數,列成一個表,如表1所示。為了提高系統性能,本文增加了限流幅值的在線調整,這是因為限流幅值也是影響系統性能的一個重要因素。

這里存在兩個問題,一是區間如何劃分,二是負載如何檢測。區間主要是根據經驗來劃分,因為低速情況下負載變化時,控制參數的變化比較大,一般是低速范圍內多劃分幾段。如果實際系統中可以很方便地檢測到負載變化而不用外加裝置的話可以直接利用負載的測量值。在不方便檢測負載的情況下,可使用母線電流值代替負載。根據電機轉矩方程:

Te=(EaIa+EbIb+EcIc)/ω(1)式中,Te電機電磁轉矩,Ex為x相反電動勢,I為相電流,ω為機械轉速。

為了產生恒定的電磁轉矩,定子電流應為方波,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為120°,而且二者應保持嚴格同步,如圖2所示。這時可得到:

   圖2理想反電動勢和電流波形

 可知,在轉速一定時,電機轉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,會影響系統的動態響應,而且當出現干擾或負載波動時轉速和轉矩會產生很大的波動,一般可取實際電流的3-8倍。

2.2轉矩波動分析和抑制

減小轉矩波動是無刷直流電機控制的一個難題,尤其在低速運行情況下。為了分析轉矩波動的原因,作如下假設:

1 電機磁路的磁導率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,轉子上無起動繞組,永磁體無阻尼作用。

3 電機的齒械、相槽轉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,只要電機機械轉速穩定,電機的轉矩是一個恒值。然而,任何偏離理想波形的情況,都會產生轉矩波動。產生電機轉矩波動的原因有以下幾個方面。

1)反電動勢波形偏理想的梯形波

由于設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) 控制電流波形偏離理想的矩形波

理想的控制電流波形為矩形波,但電機實際運行中電流不可能是矩形波。這是因為電機繞組的電阻和電感限制了電流的變化率,使電流不可能發生突變。

3) 電流和反電動勢波形不同步

這一般是由于位置傳感器和控制系統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轉矩的影響很大。

2.3轉矩波動的抑制

根據上面的析分,可得出如下結論:反電動勢的梯形波平頂寬度由電機本身限制,在控制中無法改變,只能在電機的設計制造過程中加以改進。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系統抑制轉矩波動,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式(1),將理想情況下的反電動勢和電流波形用傅立葉級數形式展開,得到理想情況下的轉矩的諧波表達式。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形式展開,得到實際情況下轉矩的諧波表達式。通過對兩個表達式的比較,得到對轉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化,將轉矩表達式的含有這些諧波分量的項化為零,從而實現轉矩波動的抑制[4]。該方法的實質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

 實際電流達到設定值和理想電流形相比有個相位滯后,這是引起轉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算法計算得到[s],其值一般可取電流換流角的一半。在實際應用中,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上逆轉向移動這個角度即可實現。 綜合上述兩種方法,前者精度較高,但計算比較。復雜,會增加微控制器或數字信號處理器的計算負擔。后者計算最小,實現簡單。本文采用后者進行系統設計。

   根據以上分析,得到無刷直流電機會范圍調速控制系統框圖如圖3所示。系統采用雙閉環方波控制結構。在速度環,增加了一個參數自動調節模塊,可對速度控制PI參數和限流值進行在線查表法調節;電流環采用滯環控制,以提高系統動態響應速度;轉矩抑制采用換相角提前法。

     通過對無刷直流電機傳統方波控制策略和全范圍調速控制策略進行仿真比較。電機參數如下:直流電壓320V,額定轉速2500r/min,相電阻l Ω,相電感0.02L,互感-0.0067H,極對數為1,轉動慣量為0.005㎏.㎡。仿真參數如下:

仿真時間1.5s,參考轉速從10r/min開始,0.5s時變為100r/min,ls時變為2500r/min,并同時在0.3s、0.8s和1.3s時分別增加負載轉矩2N.m、3N.m和5N.m,仿波形如圖4所示。

 圖4兩種控制策略的仿真結果比較    

     由轉速仿真曲線可以看出,傳統的方波控制策略在低速時穩態誤差較大,當轉速發生變化時,轉速超調量大,調節時間長,甚至出現負轉速,而全范圍調速控制策略下轉速超調量小,動態響應快。由轉矩仿真曲線可以看出,傳統控制策略在電流換相時存在明顯的轉矩波動,尤其低速時更為明顯,而全范圍調速控制策略無論低速還是高速,在電流換相時無明顯的轉矩波動。

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