毕业设计论文10kW无刷直流电机的直接转矩控制系统设计

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1、PINGDINGSHAN UNIVERSITY毕业设计10kW无刷直流电机的直接转矩题 目: 控制系统设计 院 (系): 电气信息工程学院 专业年级: 电气工程及其自动化专业2007级 姓 名: 学 号: 指导教师: 2011年4月10日原 创 性 声 明本人郑重声明：本人所呈交的毕业设计，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签

2、名： 日 期： 关于毕业设计使用授权的声明本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属平顶山学院。本人完全了解平顶山学院有关保存、使用毕业设计的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权平顶山学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为平顶山学院。本人离校后使用毕业设计或与该设计直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为平顶山学院。论文作者签名

3、： 日 期： 指导老师签名： 日 期： 10kW直流电机的直接转矩控制系统设计摘 要针对无刷直流电机直接转矩控制（BLDCM DTC）中磁链观测困难、控制复杂等问题，提出了一种应用于无刷直流电机二二导通方式下的新型直接转矩控制方法：在电机基频以下调速时，略去了常规的磁链观测控制环节，改进了转矩计算方法，通过转矩滞环控制选择所施加的空间电压矢量。该方法简化了控制结构，降低了控制成本，实现了无刷直流电机的直接转矩控制运行。仿真和试验结果表明该方法可行有效。关键词:无刷直流电机，直接转矩控制，空间电压矢量，转矩，滞环控制10kW dc motor of the direct torque contr

4、ol system design AbstractA new brushless DC motor DTC scheme was studied to solve those problems associated with direct torque control (DTC) of brushless DC motor, such as difficulty to control flux and complexity to estimate torque. The flux hysteresis controller was ignored in the constant torque

5、region and an imp roved method was proposed to make the estimation of torque easier. The proper stator voltage space vector was selected based on the output of the torque hysteresis controller and the sector which the current rotor flux locates in. The structure of the control system was simplified

6、and the cost was reduced. Simulation and experimental results are presented, and it is shown that the feasibility and the validity of the scheme.Key Words: Brushless DC motor, DTC, Voltage space vector, Torque, Hysteresis control目 录1绪论11.1课题背景11.2课题的主要研究内容22 无刷直流电机直接转矩控制的基本原理32.1 无刷直流电机数学模型32.2直接转矩控

7、制原理43 BLDCM DTC方案43.1 BLDCM空间电压矢量分析43.2 BLDCM电磁转矩观测63.3结构简化的DTC策略74 仿真研究85结论12参考文献13致谢151绪 论1.1课题背景随着电力电子技术、现代控制理论和新型永磁材料的发展，永磁无刷直流电机及其控制技术已有突破性进展。永磁无刷直流电机由于具有调速方便、结构简单、维护方便、易于控制、功率密度大等优点，在计算机外围设备、仪器仪表、伺服系统、变频空调、变频洗衣机等家用电器中得到广泛应用。随着无刷直流电机应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。但是，在低速运行期间，无刷直流电机存在较大的转

8、矩脉动，这就限制了其在高精度系统中的应用1-4。直接转矩控制于1985年由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授首次提出，并获得了令人满意的控制效果。不同于向量控制，直接转矩控制不需要估计转子磁链，只需要估计定子磁链，涉及到的电动机参数只有定子电阻，因而对电动机参数的依赖性大大减弱。相比向量控制，直接转矩控制省去了复杂的向量旋转变换，其控制思想新颖、控制结构简单、控制手段直接、转矩响应迅速，因而是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。目前广泛应用于三相异步电动机、单相异步电动机、开关磁阻电动机和永磁同步电动机中，在家用电器、汽车工业、电力机车牵引等工业生产中也发挥着巨大的作用。但是，将直接

9、转矩控制技术应用于无刷直流电机还是一个新的研究课题5-7。自从20世纪70年代向量控制技术发展以来，交流拖动技术就从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流调速系统相媲美的问题。所谓向量控制，就是将交流电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立控制，从而获得高性能的转矩和转速回应特性。尽管向量控制从理论上可以使交流拖动控制系统的动态特性得到改善，但是在向量解耦时需要用到电动机参数。在电动机运行过程中，随着电动机温度的升高和磁路的饱和，这些参数可能在大范围内变化，而使用不精确的参数则难以实现动态过程的完全解耦。为补偿参数变化的影响，人

10、们又引入了各种参数的补偿算法和在线辨识，但这些算法使得系统复杂化，并且由于向量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果很难达到理论分析的程度，这是向量控制在实践上的不足之处。直接转矩控制（DirectTorque ControlDTC）是在向量控制基础之上发展起来的，是继向量控制以后提出的又一种异步电动机控制方法。其思路是把异步电动机和逆变器看成是一个整体，采用电压向量分析方法直接在静止坐标系下分析和计算电动机的转矩和磁链，通过磁链跟踪得出逆变器的开关状态切换的依据从而直接控制电动机转矩。与向量控制相比，直接转矩控制的主要优点是：在定子坐标系下对电动机进行控制，摒弃了向量控制中的解耦思想，直接控制

11、电动机的磁链和转矩，并用定子磁链的定向代替转子磁链的定向，避开了电动机中不易确定的参数（转子电阻）。由于定子磁链的估算只与相对比较容易测量的定子电阻有关，所以使得磁链的估算更容易、更精确，受电动机参数变化的影响也更小。此外，直接转矩控制通过直接输出转矩和磁链的偏差来确定电压向量，与以往的调速方法相比，它具有控制直接、计算过程简化的优点。因此，直接转矩控制一问世便受到广泛关注，目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。目前，无刷直流电机的直接转矩控制方法大体有以下两种：三三导通方式下的直接转矩控制。10-11这种控制方式使无刷直流电机工作于三相导通模式看，避免了关断相对磁链的影响；将磁链给定值设

12、为一常数，通过插入零电压矢量控制定子磁链的运动速度，从而实现了电机调速。由于定子磁链设定为一定值，定子电流波形偏离方波较大，造成了较大的转矩脉动。并且，由于磁链观测误差，低速情况时定子磁链运动轨迹畸变严重，电机运行性能不好。二二导通方式下的直接转矩控制。该控制方案通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，利用两个滞环比较器选择最优空间电压矢量的方式实现对定子磁链和转矩的解耦控制。12-16但是在无刷直流电机运行中，由于关断相电压的不确定性，定子磁链幅值随空间位置不同而时刻变化，定子磁链的观测和给定非常困难；而且，转矩观测中包含的微分项会降低控制精度看，增大计算量，降低系统实时性。

13、1.2课题的主要研究内容针对以上问题，本文提出了一种新颖的直接转矩控制方案：在电机基频以下调速时，略去复杂的定子磁链控制滞环，并简化转矩计算方法，只用转矩滞环实现对电磁转矩的直接控制。本文采用二二导通方式下的直接转矩控制，该控制方案通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，利用两个滞环比较器选择最优空间电压矢量的方式实现对定子磁链和转矩的解耦控制。2 无刷直流电机直接转矩控制的基本原理2.1 无刷直流电机数学模型图1-1为通常采用的无刷直流电机原理图。无刷直流电动机的感应电动势（反电势）近似为梯形波，包含较多的高次谐波，故为了简化分析，作出一下假设：(1) 定子绕组为相带整距绕组

14、；(2) 不考虑齿槽效应和磁路饱和，忽略磁滞、涡流、集肤效应和温度对电机参数的影响；(3) 三相定子绕组完全对称，且为集中绕组；(4) 三相绕组的反电势为互差120电角度、平顶宽度为120梯度波。图1-1 无刷直流电机原理图其中，、和、分别为a、b、c相电压和相电流；R为定子电阻；L和M分别为定子相自感和互感；、为定子各相反电动势。由于，可写出其电压平衡方程式： (1-1)2.2直接转矩控制原理交流异步电动机直接转矩控制理论是德国鲁尔大学Depenbrock教授首次提出，后经过ABB公司10多年的逐步完善以及产品化，直接转矩控制技术已成为当今交流传动的最先进的控制方法之一。直接转矩控制技术是在

15、变频器内部建立了一个交流异步电动机的软件数学模型，根据实测的直流母线电压、开关状态和电流计算出一组精确地电机转矩和定子磁通实际值，并将这些参数值直接应用于控制输出单元的开关状态，变频器的每一次开关状态都是单独确定的，这意味着可以产生最佳的开关组合并对负载变化作出快速地转矩相应，并将转矩相应限制在一拍以内，且无超调，真正实现了对电动机转矩和转速的实时控制。控制原理图如图2-1所示。18图2-1 直接转矩控制原理图3 BLDCM DTC方案3.1 BLDCM空间电压矢量分析直接转矩控制中电机转矩是通过控制加到电机端子上的电压来实现的，而电机的端电压又和逆变器开关管的导通或关断有关。对于无刷直流电机

16、二二导通方式来说，根据每个桥臂上开关状态不同，可以得到6个非零矢量V1（100001)、V2（001001）、V3（011000）、V4（010010）、V5（000110）、V6（100100）和一个零矢量V0（000000）。6个非零矢量相互间隔60，将a-b-c定子三相坐标系分为6个扇区，如图3所示。直接转矩控制就是采用这些空间电压矢量去控制电机定子磁链的大小及其运动方向，从而实现对电磁转矩的动态控制。无刷直流电机一般使用霍尔元件作为位置传感器，来判断转子所在的扇区。当电机转子所在扇区确定后，选择相应的电压矢量可改变定子磁链旋转速度，从而调节功角的大小，实现对电机转矩的瞬时控制。以转子处

17、于第一扇区为例，选择电压矢量V2（001001）可以增大转矩角，起到增加转矩的作用；电压矢量V5（000110）的作用是减小转矩角，减小电磁转矩；如果施加零矢量V0（000000），则可以保持定子磁链位置变化也很小，因此功角近似不变，可以起到减小转矩脉动的作用。 173 24 1 5 6V2(001001)bV3(011000)V4(010010)cV5(000110)V6(100100)aV1(100001)(a)空间电压矢量及转子扇区(b)各电压矢量对应的开关状态图3-1 无刷直流电机空间电压矢量3.2 BLDCM电磁转矩观测由参考文献12,对于面贴式磁钢的无刷直流电机，忽略电机d、q轴之

18、间的互感耦合，可得dq坐标系下的电磁转矩Te： （3-2）式(2)在坐标系下可表示为： （3-3） 其中： （3-4） 、和、分别是转子磁链和定子电流在轴上的分量。为了便于应用，本文对式（3）进一步推导如下： （3-5） 与式（3-3）相比，式（3-5）中不含微分项，易于计算，并有利于提高计算精度和系统的实时性。因此，本文采用式（3-5）的改进方法来对电磁转矩进行估算。3.3结构简化的DTC策略在BLDCM运行中，由于定子电流换相造成关断相电压的不确定性，定子磁链运功轨迹非常复杂，精度观测和控制难度很大。但是，当电机运行于额定转速一下的恒转矩区时，电机气隙磁通和定子磁链的幅值基本保持不变；又因

19、无刷直流电机的转子磁链由永磁体产生，转子磁链的幅值也近似恒定。根据电磁转矩为定子磁链和转子磁链矢量叉积德概念，电磁转矩将保持基本恒定。而且，由于无刷直流电机霍尔传感器的存在，可以不必进行定子磁链相位的观测，直接利用霍尔传感器输出的转子位置信号直接选择空间电压矢量。因此电机运行于恒转矩区时，在对稳态转矩波动要求不高的场合，可以略去传统直接转矩控制中的磁链滞环控制环节，简化控制结构，降低系统的软硬件成本；而只根据电机永磁转子的位置信号、参考转矩与实际转矩之间的差异，选择合适的空间电压矢量，实现对电磁转矩的直接控制的目的。原理框图如图3-2所示：整流逆变器BLDCM开关表扇形选择10 T转矩估算转速

20、估算PIUdc位置传感器ia ib+转矩调节器+转矩给定速度给定图3-2 简化结构的BLDCM DTC框图在改控制系统中，将速度环PI调节器的输出作为转矩滞环的转矩给定，转矩给定和估算的实际转矩的差值送入转矩滞环调节器。当转矩给定T与实际转矩T差值大于转矩调节器滞环宽度T，即T-TT时，转矩滞环调节器输出=1，表示要求增大转矩；若T-TT,则=-1，表示要求减小转矩；否则=0，表示转矩维持不变。最后，根据转矩调节器输出、转子所在扇区S来选择作用的有效空间电压矢量。因此可得如下的开关表：表3-1 结构简化的BLDCM DTC的开关表偏差转矩扇区1234561V2V3V4V5V6V10V0V0V0

21、V0V0V0-1V5V6V1V2V3V44 仿真研究将本文提到的简化结构直接转矩控制方法应用于一台无刷直流电机进行了仿真研究。电机参数：额定电压Un=36V，相电阻R=0.35，相电感L=4.4mH，转矩惯量J=0.002kg/m，P=5，额定转速400r/min。4In1 Out1positionAtomic SubsystemSoope2Product3Product4Product514-2反电势仿真模块4-1电机本体仿真模块1In1Table(n-D)Table(n-D)1Table(n-D)2C1ProductOut14-3反电势查表模块2341UadUbdUcde+ -_1UnGa

22、in1Gain1/31/34-4中性点电压仿真实现P16P2P354In1Out1 Ucc4-5逆变器仿真模块2 34UadUadUcd1e+_+_+_21 3UacUbc+_Gain11/3+GainUcc4-6相电压仿真模块 100 80 60 40 20 0图4-7、图4-8为电机在负载转矩为1.2Nm时以额定转速400r/min稳定运行时，转速、相电流波形的仿真结果。可看出：本文提出的方法实现了对无刷直流电机的有效控制；充分验证了上面的分析。证明了该方法可行有效。0.001 0.003 0.005 0.007 0.009 图4-7 转速波形（仿真）图4-8相电流波形（仿真）5结 论本文

23、研究了一种新颖的无刷直流电机直接转矩控制方案，可用于无刷直流电机恒转矩区运行，进一步拓展了BLDCM DTC控制思想。理论分析、仿真和试验对比研究表明这种新型的控制方法简化系统的控制结构，改进了电磁转矩的估算，提供了一种低成本的直接转矩控制实现方案，易于工程应用。参考文献1 胡波，徐国卿，康劲松无刷直流电机无位置传感器控制技术电机与控制应用，2007，34（5）：21232 张琛直流无刷电动机原理及应用北京：机械工业出版社，20043 叶金虎现代无刷直流永磁电动机的原理和设计北京：科学出版社，20074 邱立军，宋超等无刷直流电机控制系统的建模及仿真海军航空工程学院学报，2008，23（4）：

24、4154185 杨巧玲，郝晓弘，张海平无刷直流电机的新型控制器电气传动自动化，2008，30（6）：41436 欧阳中盈，张奕黄无刷直流电机及控制系统的建模与仿真电机技术，2007，（5）：9117 魏海峰，李萍萍，刘国海一种新颖的无刷直流电机直接转矩控制方法研究微电机，2009，42（10）：62658 Mohamed，Y.A.R Adaptive Self-Tuning Speed Control for Permanent-magnet Synchronous Motor Drive with Dead Times IEEE Tras on Energy conversion,2006,

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