改良的無刷電機操控體系

　　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)矩和磁鏈的計算較普通感應(yīng)電機麻煩。將DTC引入了BDFM調(diào)速系統(tǒng)，但該系統(tǒng)計算量較大，難以實現(xiàn)，針對上述系統(tǒng)提出了1種轉(zhuǎn)矩和磁鏈的簡化計算方法，但是轉(zhuǎn)矩脈動較大。造成轉(zhuǎn)矩脈動大的根本原因在于該系統(tǒng)采用的常規(guī)DTC方法在1個采樣周期內(nèi)只能輸出單一的電壓矢量，使得電磁轉(zhuǎn)矩增量在1個采樣周期內(nèi)早已超過轉(zhuǎn)矩容差的限制。對感應(yīng)電機的DTC調(diào)速系統(tǒng)，眾多學(xué)者對其轉(zhuǎn)矩脈動問題做了大量的改進研究，如電壓預(yù)期法、矢量細分法、轉(zhuǎn)矩預(yù)測法等。這些方法能有效地降低DTC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動，但運算與實現(xiàn)都比較復(fù)雜，對微處理器處理速度要求很高。本文受電壓預(yù)測和矢量細分原理的啟發(fā)，改進和優(yōu)化了常規(guī)的電壓矢量開關(guān)表，從而能在系統(tǒng)采樣時間為常規(guī)系統(tǒng)2倍的情況下減小轉(zhuǎn)矩脈動。在MATLAB環(huán)境下，建立了該改進系統(tǒng)的仿真模型，與文獻[9]中的仿真結(jié)果進行比較，結(jié)果表明這種改進的BDFM的DTC系統(tǒng)在低速范圍內(nèi)可有效地降低轉(zhuǎn)矩脈動，改善定子電流波形，具有良好的動、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)矩觀測器的輸入。磁鏈、轉(zhuǎn)矩觀測器的輸出sc和Tfd分別進入磁鏈滯環(huán)和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)，與給定磁鏈g和Tg進行比較，實現(xiàn)對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的兩點式和多點式(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)的計算結(jié)果在1個采樣周期內(nèi)只能輸出單一電壓矢量，若把1個采樣周期分成多個時間段，每個時間段恰當(dāng)?shù)夭迦肓闶噶?，既可使單一電壓矢量的有效作用時間減小，使其對轉(zhuǎn)矩增量的作用在1個采樣時間內(nèi)不至于超出轉(zhuǎn)矩的容差限，使得轉(zhuǎn)矩脈動減小。

　　設(shè)定子磁鏈處于扇區(qū)1內(nèi)，逆時針旋轉(zhuǎn)，則有5個電壓矢量供選擇以補償磁鏈和轉(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對轉(zhuǎn)矩的作用非常強烈，故其作用時間不應(yīng)持續(xù)至整個采樣周期，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個時間段或第2、3個時間段內(nèi)插入零矢量，即在1個采樣周期內(nèi)，分3個時間段依次插入V3V0V0或V3V3V0。

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

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

　　3改進的BDFM的DTC系統(tǒng)及其仿真模型

　　對常規(guī)的BDFM的DTC系統(tǒng)改進后，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)以及時間控制器4個信號共同決定。時間控制器可將每個采樣周期均分為3個時間段，形成2個控制量分別去控制每個小時間段內(nèi)的電壓矢量開關(guān)表，此表可采用1張二維表格進行查詢，這使得整個控制變得相當(dāng)簡單、明了。

　　3.1時間段控制器的模型

　　在MATLAB環(huán)境下，本文設(shè)計了1種時間段控制器，使其經(jīng)過一定的運算后生成2個控制量，再經(jīng)過比較判斷得到3個控制信號，進而能按照采樣周期的3個時間段依次獨立控制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。

　　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)過上述時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)的各個模塊，建立了改進的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

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

　　雖然加大了采樣時間，但由于本文在1個采樣時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系統(tǒng)的仿真結(jié)果。系統(tǒng)空載起動，給定起動轉(zhuǎn)速600r/min，1s時調(diào)速至800r/min，2s時突加負載至4Nm.可見，改進的DTC控制策略可減小轉(zhuǎn)矩脈動，并改善了定子電流波形。該系統(tǒng)也具有良好的動態(tài)性能及快速性。

　　4結(jié)束語

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