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基于占空比控制的无刷直流电机直接转矩控制新方法
刘欢、张慧
摘要
传统的直接转矩控制（DTC）存在较大的转矩脉动和开关频率不恒定，这是由磁滞带振幅和电机转速引起的。已经提出了许多解决这些问题的方法。然而，这些方法通常是复杂的，并且依赖于参数。提出了一种基于占空比控制的无刷直流电机直接转矩控制方法，以减小转矩脉动，保持开关频率恒定。在每个开关期间，应用一个有源电压矢量和一个零电压矢量。一种简单有效的计算占空比的方法只依赖于转矩误差，减少了参数依赖性。该方法具有传统直接转矩控制的优点，有效地降低了转矩脉动，提高了传统直接转矩控制的性能。通过仿真和实验验证了该方法的有效性。
1.引言
直接转矩控制（DTC）自20世纪80年代由Takahashi和野口和DeNeBROCK首次提出以来，已成为一种流行而强大的控制策略。
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术语 T e 电磁的 扭矩。 T e （ n ） T e （n 1） 前脉冲 和 后脉冲转矩 T H 转矩滞环 T av 转矩平均值 T load 负载 转矩。 T rip 转矩脉动。 e J 相位反电动势， J = A B C. i J 相位 电流， J = A B C. omega; 机械的 角速度 p 极点数 U m 主动的 电压 矢量，m= 1, 2, hellip; 6. U 0 零 电压 矢量。 tm 激活脉冲时间，m=1，2，hellip;，6. t0 零脉冲时间。 Tau; 转矩误差。 T S 抽样 时期。 d 主动矢量占空比 稳态误差。 * 参考值 alpha;，beta; 定子基准架 |
直接转矩控制的原理是根据转差频率与转矩的关系，选择合适的电压矢量控制实现转矩与磁链的联动。由于其结构简单、动态响应快、转子参数鲁棒性强等特点，直接转矩控制（DTC）被应用于无刷直流（BLDC）电机驱动[3-6]。
传统的直接转矩控制通常由三部分组成：转矩和磁链估计、磁滞比较器和开关表。迟滞比较器的输出决定了逆变器的输出电压矢量。传统直接转矩控制的主要缺点是转矩和磁通波动大[7–9]和开关频率不恒定[10,11]。为了克服这些缺点，文献中提出了许多方法，包括模糊控制[12-14]、模型预测控制[15-17]和自适应控制[18,19]。近年来，研究人员在降低转矩脉动和实现恒定的直接转矩开关频率方面取得了很大进展[20–26]。一些低转矩脉动和恒定开关频率的方案已在[20]和[21]中报告。然而，它们需要两个调节器来控制转矩和磁链，两个调节器需要协调控制。多电平逆变器具有额外的电压空间矢量，能够获得更平滑的转矩[22,23]。额外的交换设备不仅增加了硬件成本，而且使系统更加复杂。占空比控制已在[24–26]中的传统故障诊断码中引入。虽然这些方法显著降低了转矩脉动，并实现了恒定的开关频率，但它们非常复杂，严重依赖于电机参数。
本文提出了一种在保持开关频率不变的情况下减小转矩脉动的直接转矩控制方法。在每个循环中计算占空比，以控制在一个恒定的切换周期中的扭矩。这是通过使用计算有功电压矢量所需的转矩误差来控制转矩来实现的。采用对称脉宽调制方法来降低电流谐波和转矩脉动，是基于作者在[27]和[28]中提出的永磁同步电动机的修正直接转矩控制方案。通过仿真和实验，比较了所提出的直接转矩控制方法和传统直接转矩控制方法的性能。
2.在两相二次导通模式下，EBLDC电机的驱动电路
图1 三相无刷直流电动机典型的驱动电路
图2 两相传导模式下的有功电压矢量
图1所示为三相无刷直流电机的典型驱动电路，该电机具有熟悉的感应能量回收用自由旋转二极管。
电磁转矩可以用式（1）表示。
由于三个绕组以星形结构连接，因此三相电流与式（2）有关。
（2）
在alpha;-beta;平面上，六个有源电压矢量如图2所示。通过三个霍尔效应信号（Ha、Hb和Hc）的给定组合来识别扇区，并在表1中列出。
表1
基于霍尔效应信号识别alpha;-beta;平面中的六个扇区。
表2
Mourad等人提出的直接转矩控制策略的第一向量选择表。逆时针旋转。
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钍 |
1 |
1 |
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扇区I |
U（001001）型2 |
单位（001000）0 |
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扇区II |
单位（011000）3 |
单位（010000）0 |
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第三部门 |
U（010010）4 |
单位（000010）0 |
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第四部门 |
单位（000110）5 |
单位（000100）0 |
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扇区V |
U（100100）6 |
U（100000）0 |
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扇区六 |
U（100001）1 |
单位（000001）0 |
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表3 第二向量选择表等。逆时针方向R |
提出了直接转矩控制策略。 |
Mourad |
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钍 |
1 |
1 |
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扇区I |
U（001001）型2 |
单位（000001）0 |
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扇区II |
单位（011000）3 |
单位（001000）0 |
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第三部门 |
U（010010）4 |
单位（010000）0 |
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第四部门 |
单位（000110）5 |
单位（000010）0 |
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扇区V |
U（100100）6 |
单位（000100）0 |
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扇区六 |
U（100001）1 |
U（100000）0 |
3.Noveldtcbasedondutyratiocontrol公司
3.1. 背景
Mourad等人提出了最新且性能最佳的直接转矩控制策略。〔29〕。它通过在降低电机共模电压平均值的同时，实现逆变器上、下绝缘栅双极晶体管的平衡开关频率，提高了可靠性。当电机逆时针旋转时，选择矢量表，如表2所示。同样的方法也可以用不同的方法，通过前面方法的控制规则排列，生成表3中的向量选择表。根据实际扭矩相对于参考扭矩的误差水平，仅使用扭矩误差tau;。在滞后带宽内，如果实际扭矩小于参考扭矩，则扭矩误差tau;定义为1；如果实际扭矩大于参考扭矩，则tau;为-1。
3.2. 常规故障诊断码问题
传统的直接转矩控制方案是基于转矩比较器和磁通比较器的开关控制。控制性能和最大开关频率
图3。传统直接转矩控制中转矩误差与误差带的关系。
图4基于占空比控制的故障诊断码方框图。
系统由误差带的设计宽度决定。图3显示了传统故障诊断码中扭矩误差与误差带之间的关系。（注意，为了便于说明，简化了扭矩波形。）
在图3（a）中，由于模拟信号的离散处理，实际扭矩可能超出扭矩误差带。当采样时间缩短时，可以减小转矩误差，但可以增加开关的最大频率。
在图3（b）中，扭矩误差的符号决定了开关信号。这种方法可以减小转矩误差，但实际转矩的平均值也会降低，从而降低控制性能。
3.3. 基于占空比控制的新型直接转矩控制
在传统的直接转矩控制中，主动电压矢量被应用于整个开关周期。然而，在许多情况下，有源电压矢量不需要应用开关周期。在每个开关周期中引入零电压矢量，使主动矢量对转矩的影响更为温和，从而减小了转矩脉动。因此，将占空比控制引入到传统的直接转矩控制中，提出了一种新的直接转矩控制算法。图4显示了基于占空比控制的故障诊断码的框图。它由三个主要部分组成：A
图5。电压矢量序列的应用。
图6。当定子磁链位于图2的区域I时，滞后比较器的典型操作和对应于表2和表3的门开关波形。
转矩估计器、占空比计算和开关表。为了准确估计转矩，采用滑模观测器（SMO）来获得两相静止参考系的反电动势。有关详细信息，请参见[30]。
在每个开关期间，应用一个有源电压矢量和一个零电压矢量。施加电压矢量的顺序很重要。图5显示了施加电压矢量的顺序。证明了对称脉宽调制方法既能降低转矩脉动，又能降低电流谐波，第四有源电压矢量是最佳的。因此，我们使用第四个。首先在t 0/2中应用u 0，然后在t m中应用u m，最后在另一个t 0/2中应用u 0。
在[33]中总结了各种脉宽调制技术。一种是双极型脉宽调制技术，其中逆变器的上桥臂和下桥臂同时被控制。其他四种脉宽调制技术是单极的，即H-U脉宽调制-L_开、H-U开-L_脉宽调制、脉宽调制-on和ON-PWM。在两相传导模式下，任何时候只要将PWM信号输入一个桥臂，另一个桥臂总是关闭。因此，可以采用任何单极开关方案。
图6显示了当定子磁链位于图2的区域I时，滞后比较器的典型操作和对应于表2和表3的栅极开关波形。在图6（a）中，门开关信号等效于单极PWM技术中的门开关信号，即ON-PWM。在图6（b）中，门开关信号等效于单极性PWM技术中的门开关信
资料编号：[3177]
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