摘要：針對無刷直流電機直接轉矩控制(BLDcM DTc)中磁鏈觀測困難、控制復雜等問題，提出了一種應用于無刷直流電機二二導通方式下的新型直接轉矩控制方法：在電機基頻以下調速時，略去了常規的磁鏈觀測控制環節，改進了轉矩計算方法，通過轉矩滯環控制選擇所施加的空間電壓矢量。該方法簡化了控制結構，降低了控制成本，實現了無刷直流電機的直接轉矩控制運行。仿真和試驗結果表明該方法可行有效。
關鍵詞：無刷直流電機；直接轉矩控制；空間電壓矢量；轉矩；滯環控制
0 引 言
直接轉矩控制技術是繼矢量控制之后一種高性能交流調速技術。它采用空間電壓矢量直接控制轉矩，不需要復雜的坐標變換，因此具有結構簡單及動態響應速度快等優點。但是，將直接轉矩控制技術應用于無刷直流電機還是一個新的研究課題。
目前，無刷直流電機的直接轉矩控制方法大體有以下兩種：①三三導通方式下的直接轉矩控制。這種控制方式使無刷直流電機工作于三相導通模式，避免了關斷相對磁鏈的影響；將磁鏈給定值設為一常數，通過插入零電壓矢量控制定子磁鏈的運動速度，從而實現了電機調速。由于定子磁鏈設定為一定值，定子電流波形偏離方波較大，造成了較大的轉矩脈動。并且，由于磁鏈觀測誤差，低速情況時定子磁鏈運動軌跡畸變嚴重，電機運行性能不好。②二二導通方式下的直接轉矩控制。該控制方案通過檢測母線電壓和定子電流，直接計算出電機的磁鏈和轉矩，利用兩個滯環比較器選擇****空間電壓矢量的方式實現對定子磁鏈和轉矩的解耦控制。但是在無刷直流電機運行中，由于關斷相電壓的不確定性，定子磁鏈幅值隨空間位置不同而時刻變化，定子磁鏈的觀測和給定非常困難；而且，轉矩觀測中包含的微分項會降低控制精度，增大計算量，降低系統實時性。針對以上問題，本文提出了一種新穎 的直接轉矩控制方案：在電機基頻以下調速時，略去復雜的定子磁鏈控制滯環，并簡化轉矩計算方法，只用轉矩滯環實現對電磁轉矩的直接控制。
1無刷直流電機數學模型圖1為通常采用的無刷直流電機原理圖。為了簡化分析，作出以下假設：
(1)定子繞組為相帶整距繞組；(2)不考慮齒槽效應和磁路飽和，忽略磁滯、渦流、集膚效應和溫度對電機參數的影響；(3)三相定子繞組對稱；(4)三相繞組的反電勢為互差120°電角度、平頂寬度為120°梯形波。
其中，ua、ub、uc和ia、ib、ic分別為a、b、c相電壓和相電流；R為定子電阻；L和M分別為定子相自感和互感；ea、eb、ec為定子各相反電勢。
由于ia+ib+ic=O，可寫出其電壓平衡方程式：
2控制結構簡化的BLDCM DTc方案2，1 BLDcM空間電壓矢量分析直接轉矩控制中電機轉矩是通過控制加到電機端子上的電壓來實現的，而電機的端電壓又和逆變器開關管的導通或關斷有關。對于無刷直流電機二二導通方式來說，根據每個橋臂上開關狀態不同，可以得到6個非零矢量V2(100001)、V2(001001)、V3(011000),V4(010010)、V5(000110)、V6(100100)和1個零矢量V0(000000)。6個非零矢量相互間隔60°，將a一b一c定子三相坐標系分為6個扇區，如圖2所示。直接轉矩控制就是采用這些空間電壓矢量去控制電機定子磁鏈的大小及其運動方向，從而實現對電磁轉矩的動態控制。
無刷贏流電機一般使用霍爾元件作為位置傳感器，來判斷轉子所在的扇區。當電機轉子所在扇區確定后，選擇相應的電壓空間矢量可改變定子磁鏈旋轉速度，從而調節功角θ的大小，實現對電機轉矩的瞬時控制。以轉子處于第一扇區為例，選擇電壓矢量V2(00l001)可以增大轉矩角，起到增加轉矩的作用；電壓矢量V5(000110)的作用是減小轉矩角，減小電磁轉矩；如果施加零矢量V0(000000)，則可以保持定子磁鏈位置近似不變，由于電機的機械時間常數通常遠遠大于電氣時間常數，在一個控制周期里轉子位置變化也很小，因此功角近似不變，可以起到減小轉矩脈動的作用。
2．2 BLDcM電磁轉矩觀測由參考文獻[5]，對于面貼式轉子磁鋼的無刷直流電機，忽略電機d、g軸之間的互感耦合，可得d—q坐標系下的電磁轉矩Te：
其中
與式(3)相比，式(5)中不含微分項，易于計算，并有利于提高計算精度和系統的實時性。因此，本文采用式(5)的改進方法來對電磁轉矩進行估算。
2．3結構簡化的DTC策略在BLDcM運行中，由于定子電流換相造成關斷相電壓的不確定性，定子磁鏈運動軌跡非常復雜，精確觀測和控制難度很大。但是，當電機運行于額定轉速以下的恒轉矩區時，電機氣隙磁通和定子磁鏈的幅值基本保持不變；又因無刷直流電機的轉子磁鏈由永磁體產生，轉子磁鏈的幅值也近似恒定。根據電磁轉矩為定子磁鏈和轉子磁鏈矢量叉積的概念，電磁轉矩將保持基本恒定。
而且，由于無刷直流電機霍爾傳感器的存在，可以不必進行定子磁鏈相位的觀測，直接利用霍爾傳感器輸出的轉子位置信號直接選擇空間電壓矢量。因此電機運行于恒轉矩區時，在對穩態轉矩波動要求不高的場合，可以略去傳統直接轉矩控制中的磁鏈滯環控制環節，簡化控制結構，降低系統的軟硬件成本；而只根據電機永磁轉子的位置信號、參考轉矩與實際轉矩之間的差異，選擇合適的空間電壓矢量，實現對電磁轉矩的直接控制的目的。原理框圖如圖3所示：
在該控制系統中，將速度環PI調節器的輸出作為轉矩滯環的轉矩給定，轉矩給定和估算的實際轉
轉矩；否則τ=O，表示轉矩維持不變。最后，根據轉矩調節器輸出τ、轉子所在扇區s來選擇作用的有效空間電壓矢量。因此可得如下的開關表：
3仿真和實驗研究
將本文提出的簡化結構直接轉矩控制方法應用于一臺無刷直流電機進行了仿真和試驗研究。電機參數：額定電壓UN=36 V，相電阻R=O．35 Ω，相電感L=4．4 mH，轉動慣量J=0．0022kg／m的2次方，極對數為P=5，額定轉速400 r／min.
圖4～圖6為電機在負載轉矩為1．2 N·m時以額定轉速400 r／min穩定運行時，轉速、轉矩、和相電流波形的仿真結果。圖7～圖9為相應的試驗波形。對比可看出：本文提出的方法實現了對無刷直流電機的有效控制；轉矩波動略大，但仍控制在允許范圍之內，這也充分驗證了上面的分析。試驗和仿真波形基本吻合，證明了該方法可行有效。
4結論
本文研究了一種新穎的無刷直流電機直接轉矩控制方案，可用于無刷直流電機恒轉矩區運行，進一步拓展了BLDcM DTc控制思想。理論分析、仿真和試驗對比研究表明這種新型的控制方法簡化了系統的控制結構，改進了電磁轉矩的估算，提供了一種低成本的直接轉矩控制實現方案，易于工程應用。
