无刷直流电机磁场定向控制系统研究_肖金凤

第 46 卷第 1 1期 2012 年 11 月 电 力 电子技 术 Pow er E l eetr o nies V o l4 6 , N o.ll N ovem ber 20 12 无刷直流电机磁场定向控制系统研究 肖金凤 , 喻金 , 盛 义发 , 张垒 (南华大学, 电气工程学院, 湖南 衡阳4 2 10 0 1 ) 摘要 :转矩脉动是无刷直流电机(BLDCM )目前存在的突出问题之一?这里阐述 了BLDCM 转矩脉动机理及抑制 ? 仿照永磁同步 电机磁场定向控制(FOC),提 出了采用 FOC 策略降低 BLDCM 转矩脉动, 给出了控制策略及实现 方法 , 并建立系统仿真模型, 仿真表明基于 Foc 的 BLDcM 控制系统性能良好 ,转矩脉动小 ? 以STM3 2 F 1 0 3 B 为 核心设计了基于 FOC 策略的BLDCM 控制系统试验平台, 基于 VB 设计了 BLDCM 上位机监控系统 ? 实测的相电 流为近似正弦波 ,监控系统显示转速波动小 , 电机运行平稳? 关键词:无刷直流电机; 转矩脉动 ; 磁场定向控制 中图分 类号 :TM 33文献标识码 :A文章编号 :l0 ( ) 0一 100X (2012)11一 0 103一 03 S tu dy o fB rush less D ireet C urren t M otor C ontrol Sy s tem B ased onF ieldO rientat i onC on trol X IA O Jin一 f e n g , Y U Jin , S H E N G Y i一 f a , Z H A N GLei (U n i ver s i z 了o f Souzh China , H en邵飞 刀 1 9 42100 1, C hina) A bstract:The t o啊ue r ippl e 15 the m ostout standi ng pr o bl em ofbr u shl ess di r e eteur r ent m otor(BID CM ), t he t or q ue r ippl e m eehanism and r e duet i on ar e i nt r o dueed. M odel li ng per m anent m agnet synehr o nous m otor f iel d or ient at i on eont rol(FOC ), t h e ap pli eati onof F O Cstr a te留 1 5 put f o r w ard to redu ee t h e t o明ue d p ple of B L D C M,the e ont rol st rat e 群 an di m ple- m en t ati onm etho dar egi ve n ,an dt h esyst emsim u l ati onm odel 15est ab l i shed , thesi m ulat i o nr e sul tssho wthei ntro- du eedeontr o l per f or manee of B L D C MbasedonF O C15 good , andt h e t o川u e r i pp l e1 5 sm all. ST M 3 2F 10 3 B15 usedas t h e eon t r o l eor et o d esignthe B L D C Meon t r o l systemtest Pl ai f or mb asedon F O C .AB L D C Mm oni tor i n g syst emb ased on V B1 5 d esigned . T he P hase eur r ent eu r v e 15 aP proxim at e sine w ave , sp eed r i P Pl e 1 5 sm all,and the oPerati on 15 st ab l e . K eyw ord s:b r u sh l ess d i r e et eur r ent m otor; to砚u e r i pp l e ; f i el d or i ent ati oneontr o l Foundati on P ro j eet:SuPPor ted by H unan N at ur a l Sei enee Fund Pr o gram (No.12JJ60 4 3 );H engyang S( : ienee and Teeh - nolo郡 Fund Program (N o. 20llK G 63 ) 1引言 转矩脉 动 问题是 B LD C M 存 在 的突 出问题之 一?一 2 ? 这里提 出 了一种新 的无刷 电机 控制方法 , 即 FO C , 为 B LD CM的转矩 脉动抑制 提供 了一个 新思路 ?部分学者 己将 FO C 策略应用于永磁 同步 电机 ,使 电机 响应速度快 ?转矩波动小 ?少数文献 也 己提 出将 FO C 策略应用于 BLD CM I ,但 其实是 将 BLD C M 与永磁 同步 电机概念混淆 , 反电动势波 形 为正弦波的 B LDC M 才称作永磁同步 电机 ,文献 只 是将 FO C 策 略应 用于 反 电动 势波 形 为正 弦波 的 BLD CM 控制系统 中 ?与永磁同步电机不 同 , 目 前 还没 有文 献给 出 BLD CM d ,q 坐标 系下 的等 效 基 金 项 目 :湖 南省 自然科 学基 金 项 目(12 J J 6 0 4 3 ) ;街 阳市 科 技基 金项 目(ZOllK G63 ) 定 稿 日期 : 2012一 09一 01 作 者 简 介 :肖金 凤 (19 7 2 一), 女 , 湖 南衡 阳人 , 硕 士 , 副教 授 .研 究方 向为 电机 智 能控制 系统研 究和 电 力电子装 置 ? 电路 ,因此如何 实现 B LD C M 的 FO C 以抑制转矩 脉动具 有深远 的意义 ? 2B L D C M转矩脉 动 机理 及抑 制 BLD CM 产 生转矩脉 动 的因素主 要分 为两类 : ? 与控制方法无关, 包括电机制造工艺及齿槽效应 引起的转矩脉动;? 与控制方法相关 ? 下面重点分 析与控制方法有关的转矩脉动机理及抑制 ? 2.1电枢反应引起的转矩脉动 对于 电枢反应引起 的转矩脉动 , 现 由文献4 ? 分析得 出:如转子磁路局部饱和 ,在 一个状态角 内 电枢 反应对转 子磁场 的作用是先 去磁 后增磁 , 并 在增磁去磁过程 中增磁不能抵偿去磁 , 其表 现为 平均气 隙磁通密度下降 ? 采 用 FO C 使 直轴 电枢 反 应磁 动 势 为零 或很 小 ,将 不存在增磁去磁 , 可降低转矩 脉动 ? 2 . 2电流换相导致的转矩脉动 现有转矩脉动抑制方法或通过推迟 关断相 的 10 3 第 46 卷 第 1 1期 2012 年 11 月 电 力 电 子技 术 P ow e r E l eetr o n i es V ol4 6 , N o.ll N ovem b er 2 0 12 关断 , 或选择适 当的 PW M 方法如 PW M 一 O N 方 式 等,达到抑制转矩脉动的 目的 5 ?文献 6 提出了一种 换相转矩 自平衡控 制方法 , 试 图以两 换相相 反 电 动势的交点为换相 点 , 并保证 非换相 相 电流的稳 定来维持转矩 的恒 定 ,由于此 文献 的分析前提是 假定非换相相 电流恒 定 , 因而 不能证 明这种控制 方式 比传统控 制方式有任何理 论上的优势 , 且该 方法算法较 复杂 , 实际应用受限 ? 这里 设计拟采 用转子 FO C , 将不存在 换相概 念 , 也就没有转 矩换相脉动 ? 2 . 3电磁转 矩产 生的原理性波动 由前述 分 析可见 , 对 于理想状 态 的 BLD cM , 如果不计换相 转矩脉动 , 在一个状态 角 内的平均 转矩几 乎无转矩 脉动 ? 实际的大多数 BLD CM , 每 相反 电动势虽 为梯形波 , 但梯形波 的平顶宽度大 多小于 120 0 电角度 , 这种 BLD C M 采 用方波控 制 时 的相 电流波 形不再是方波 电流 ? 实 测 了反 电动势 梯形 波波形 宽度 为 30 0 电角 度 的电机在方 波控 制下 的相 电流 , 结 果显示出 电 流有尖峰 , 且这个 电流尖峰大小与反 电动势 的顶 部波形有 关 ?上述相 电流波形 的一个状态 角内平 均 电磁转矩为 : 几 =P e /月= (ea ia+eb ib+e ? i? )/月(1) 式中 :只 为电磁功率 ;? , ? 1, ? 为定子反电势;i? , i l , :?为定 子电流;月为电机角速度 ? 由式 (l ) 可 见 , 要保 持 电磁 转矩 恒定 ,若 不计 电枢反应 , 只需 ? ? i? + ? i b+ e? i? 恒 定 ? 对上述 有尖峰 的相 电流 , 还没有一种 函数或 近似 方法来描述这 种波形 , 文献 ? 7 用方波 函数代替这 种波形 来计算 分析转矩和转矩脉动 , 显然是错误的 , 所 以此文献 得出的结果不正确 , 无参考价值 ? 故这里提 出采用 FO C 策 略 , 以减小转矩脉动 ? 制, 在控制中只需将速度环 ASR 的误差输出作为 三相相 电流 参考值 计算器输入 , 根据转子位置角 查正弦表 , 获得三相相 电流参考值 ,再输入到 电流 滞环调节器 , 电流环 调节 器输 出控制 功率 开关器 件 ?对三相相 电流滞环跟踪就 完成 了 FO C 过程 ? 电电流流写 井井 滞滞 环控 制器器 ,-月 甲甲 - - - - - ,一一 卜卜卜 曰一一 计计算算算算算算算算算 一一相 电 流值值1zb b b 图 1BLD CM FO C 双闭环控制系统结构 F i g. 1 Str u et u r eofB L D C MF O C do uble el osed一 l oop eon t rolsyst em 4B L D C M F O C 策略仿真研究 搭建 了 i 产O BLD CM FO C 仿真系统进行 FO C 策 略研 究 ? 因试验 用 电机的反 电动势梯形 波平顶宽 度为 3 0? 电角度 ,现 设定反 电动势平 顶宽度 为 30 0 电角度进行 仿真 ?仿真电机 参数如下 : 定子 电阻 2.875 几,定子相 电感 1. 5 m H , 电机负载 3 N ? m ,2 对 极 ?系统仿真波形 如图 2 所示 ? ? 在毛 ?Z 丫三心 阵阵 痴神如如 叭叭- - - 冲 口 汀汀 ?汾o V/戈杏例丫悦 ? 车 ? A 三? ? , ? r(20 n, S ? a )FO C 的了 布 1. 匕流 ? /格) J反 电功 协波 形 r/(2()m s/格 ) (b)FO C I? 自 转 矩波 坪 二 . . .J J J J ,-二 - -一一 , ,咬咬 J J J兀丫一; ; ; 一一?一孟孟 - - -?一? 于?一一 ?班 ?一一u ? - - -? ?) ( 三丫之 I(20 m s/格) (e)F()C 的 转 速波 形 图 2仿 真波 形 3B L D C M磁 场定 向控 制分 析及 实现 由上述分 析可知 , BLD CM 三相相 电流计 算复 杂 ,暂 时还不 能给 出 d ,q 坐标系下的等效 电路 , 这 是与永磁 同步 电机 FO C 的不同之 处 ?当给定一个 转矩 时 ,相 当于 设定 了三相定子相 电流 的幅值 ,此 时通过检测到 的转 子 电角度 位置 , 就可计算 出三 相相 电流 的相位值 ? 即只要跟踪控制各相相 电流 的设定值 ,就实现 了 BLDC M FO C 的 id = o 控制 ?电 流 的跟 踪方式可采用 P I跟踪或滞 环跟踪 , 这里采 用滞 环跟踪 ? 图 1 示 出 BLD CM FO C 速度 电流双 闭环控 制系统 结构 ? 在实际控 制中并不需要进行 P盯k 变 换与 C l a r k 变换 , 因为控 制模式 是 i产O 控 F i g . 2Sim u l ati on w avef o r ms 由仿真波形可得 :? i 产O Foc 转矩脉动小, 且 波动频率高 , 负载 的惯性 能过滤 掉这些高频波动 , 因而 i行O FO C 转速波动也小 , 仅为 1 : ? m in一 , 电机 运行平稳; ? 提出的 FOC 能获得好的控制效果, 转矩脉动 小 , 运转平 稳 , 为 BLD cM的控制方 法提 供 了新思路 ? 5B L D C M控 制 系统 软硬 件设计 5.1硬件设计 以 STM 32F 103B 为核心 , 设计 了 B LD C M FO C 系统应用平 台 ? 104 无 刷 直 流 电机 磁 场 定 向控 制 系 统 研 究 图 3 示 出基于 FOC 的系统硬件结构框 图 ? : : :B L D C M M M 开开 关 电源源 6系统试验测试 试 验 电机 参数 : 额 定 电压 31 0V , 额 定 电流 2.8 A , 定子 电阻 2.87 5几, 定子相 电感 1.5 m H ,梯 形反电动势平 顶宽度 约 30 0 电角度 ,2 对 极 ?试验 波形如 图 6 所示 ? 图 3BLDCM FOC 系统硬件结构框图 F i g . 3 B loek d iagr a mof B L D C MF O Csyst emh ardw are 选用 FG A 2 5 N 120A N 型 I G BT 组 建全桥逆变 电 路 , rG A 25N 120A N 耐压 1.2 kV ,额定 电流 25 A , 最 大连续输 出 电流 5 0A ,上升时间 5 0ns ? 5 . 2软件设计 以 IA R 编译 系统 和 J一 Lin k仿 真器 为平 台 , 用 C 语言设计 了 FO C 驱动软件 ,利用 W in d ow s开发上 位机 电机监控 界面 ? 5.2.1主程序 流程 图 主程序流程 图如 图 4 所示 ? z/(5 ,?5/格) (a)稳 定运 行 I 七流 波 j于; 图 6 人人一厂二二 ? 尤? 令压 三 ? ? 0 0 寸) 育 ?李 ? 炭二? ? (b)转速 波 形 试验波形 图 4主程序流程图 F i g . 4F low eha r tof m ain Pr o g r am F i g . 6E xp er i m en t al w avef o r ms 图 6a 为用 TD S101 2型示波器 实测稳定运行于 FO C 方 式下 的 B LD C M 相 电流 ,其波 形近 似 正 弦 波 ? 设定电机转速 由 1soo r ? m in一 , 变为 600 r ? m in一 , 再变为 150 0 : ? 而n一 ,上位机监控界面测得 的转速 曲 线如图 6 b所示 ? 可见 ,转速脉动小 , 电机运行平稳 ? 7结论 转矩脉动 是无刷 直流电机存在的突 出问题之 一 ,这里仿照永磁同步 电机磁场 定 向控制 ,提 出采 用磁场 定向控制策略 ,给 出了实现方 法 , 仿真表 明 提出的基于磁场定 向控制 的无刷直流 电机控 制性 能好 ,转矩脉动小 ? 设计 了基于磁场定 向控制 的无 刷直流 电机控制系统 ,实测 的相 电流 为近似 正弦 波 , 监控系统 得到 的电机 转速脉动 小 , 运行 平稳 , 系统性 能好 ? 耘 =0 BLD C M FO C 启动 时没有速度信 息 , 无法 计算 转子位 置角度 , 即无法输出合适 的电压矢量 , 所 以设计 时 FO C 中采用 方波 PW M 控制 方式来启 动 , 当 电气角速度达到 200 r a d ? m in一 , 时 , 切换到 BLD CM FO C 模式 ? 5.2 . 2基 于 V B 的上位机监