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无刷直流电动机抑制低速转矩脉动的滞环电流SVPWM控制

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:215

摘要:研究采用转子磁场定向的矢量控制方法使无刷直流电动机定、转子磁势矢量始终保持正交,结合滞环调制电流控制和空间电压矢量调制,设计了无刷直流电动机滞环电流SVPWM控制方案。运行结果表明,此方案能有效地抑制无刷直流电动机低速时的转矩脉动,更好地改善系统的动态性能。

0  引  言

   无刷直流电动机既有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点,又有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等特性,故在高性能的伺服驱动和机器人等领域越来越多地得到应用。然而,在这些要求低速平滑运行的场合,BLD—CM的转矩脉动直接影响系统的动态性能,因而转矩脉动的抑制备受关注。传统矢量的120。导通型PWM控制方式电流控制能力较弱,而且关断频率恒定,导致低速转矩脉动相当严重。本文提出滞环电流SVPWM控制以及空间电压矢量调制方法,能克服传统矢量控制方式的不足,改善动态性能,有效抑制低速转矩脉动。

1  BLDCM滞环电流SVPWM控制

 图1  BLDCM滞环电流SVPWM控制系统结构原理图

   空间矢量调制(Space Vector Modulation—SVM)的机理就是根据期望输出电压矢量Vo所在扇区去选择8个基本电压空间矢量中的某些矢量,并使其按一定的次序作用于电机系统,从而使输出矢量与期望的电压矢量相匹配。

   BLDCM滞环电流SVPWM控制系统结构原理图如图1所示,如图,矢量线电流由所采用的电压空间矢量所决定。在某一瞬间,若电压空间矢量被正确地使用,则输入给滞环比较器的线电流误差会维持在滞环带宽的一半以内,反之,线电流误差就会位于滞环带宽的一半以外。因此,可以利用滞环比较器的输出信号来确定期望输出电压矢量V0所处区域。

   如图所示,用滞环带宽大一点的3个滞环比较器(称为外环)输出来确定期望输出电压矢量所处区域,用滞环带宽小一点的3个滞环比较器(称为内环)来跟踪参考电流,也就是通过内环3个滞环比较器把误差电流限制在内环滞环界限内。图中“区域判别”环节根据外环输出信号A1、B1、C1来确定期望输出电压矢量V0所处区域。期望区域和外环信号A1、B1、C1之间的分布关系如图2所示。“矢量判别”环节根据内环输出信号A2、B2、C2,再结合区域判别输出确定电压空间矢量的选择并生成动作次序。例如:在区域Ⅱ中,空间矢量Vo、V1、V2和V3用来跟踪参考电流。A1=1,B1=1,C1=0,表示a、b轴电压应当增大,c轴电压应当减小。根据此原则生成的滞环电流SVP—WM控制器各区域的转换如表1所示。对图2和表l的进一步解释如下。

   (1)每个区域由两个扇区组成,V精确位于哪一个扇区由参考电流的正负相序决定。当参考电流正序时(a—b—c),则期望电压矢量V0位于前向扇区(如区域I中的扇区工),当参考电流负序时(a—c—b),则期望电压矢量V位于另一个扇区(如区域I中的扇区Ⅵ)。

   (2)当A2=1,B2=0时,表明应当用V1来增大a轴电流ia;当A2=0,B2=1时,表明应当用Vs增大b轴电流ib;当A2=1,B2=1时,表明应当用V2同时增大ia和ib;当A2=O,B2=O时,表明应当运用V。同时减小ia和ib。

   (3)如表1所示,在其他情况下零电压矢量也会被使用。例如:在区域Ⅱ,由于非零电压矢量为V1(100),V2(110),V3(010),所以选用零电压矢量V(000)来进一步减小转换次数,而不是用零矢量V7(11 1)。

    图2 V0与信号A1、B1、C1分布关系图(V7和V为零矢量)

   其中:区域工(A1=1,B1=0,C1=0,区域Ⅱ(A1=1,B1=1,C1=0),

         区域Ⅲ(A1=0,B1=1,C1=O,区域Ⅳ (A1=0,B1=1,C1=1),

         区域V(A1=0,B1=O,C1=1,区域Ⅵ(A1=1,B1=0,Cl=1)。

 2仿真及运行结果

本文对l台Y接法、4极0.75kW、2000r/min的BLDCM进行仿真实验。基于TI公司TMS320LF2407A DSP建立双闭环系统。设外环带宽为0.8A,内环带宽为0.4A。经仿真得如图3所示滞环电流SVPWM控制形成的电磁转矩波形,经实验又得如图4所示转速为1800r/min时A相给定电流in及其输出电流ia的波形。

 图 3滞环电流SVPWM控制时电磁转矩波形图

由图3可见,滞环电流SVPWM控制方式使BLDCM的转矩及脉动得到了很好的抑制。同时由图4可见,定子电流的基波基本为正弦波,说明滞环电流SVPWM控制使定子电流较好地跟踪了给定相电流信号。综上所述,采用滞环电流SVP—WM控制能获得抑制转矩脉动很好的控制效果。

  图4 给定电流in及输出电流ia的波形图

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