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直流無刷電機:抑制換相轉矩波動的控制方法

2023-10-25

導讀:仿真和實驗表明,該方法能有效地抑制非理想反電動勢直流無刷電機的轉矩波動。該方法只適用于速度變化不太顯著的場合。


在直流無刷電機工作時,都會引起換相轉矩波動,怎么抑制轉矩波動呢?下面小編就介紹幾種抑制由電流換相引起的轉矩波動的方法。


電流反饋調節法

如前所述,非換相相電流的變動導致換相轉矩波動,電流反饋調節方法就是使換相相電流保持恒定,從面使換相轉矩波動為零。一般來說,電流反饋控制可以分為兩種形式,即直流側電流反饋控制和交流側電流反饋控制。直流側電流反饋控制的電流反饋信號由直流母線取出,主要控制電流幅值。由于直流側電流反饋控制是根據流過直流電源的電流信號進行的,因此只需要一個電流傳感器便可。交流側電流反饋控制的電流反饋信號由交流側取出。此時,根據轉子的位置來確定要控制的相電流,使其跟隨設定電流值指令。在換相過程中,當非換相相電流未到達設定值時,PWM控制不起作用;當非換相相電流超過設定值時PWM控制開始起作用,使電流值下降,實現對非換相相電流的調節,保持穩定。


在電流反饋閉環控制中,常采用滯環電流控制法。其基本原理是電流環采用環電流調節器,通過比較設定電流和實際電流,由實際電流的幅值和滯環寬度的大小決定滯環電流調節器控制信號的輸出。當實際電流小于滯環寬度的下限時,開關器件導通;隨著電流的上升,達到滯環寬度的上限時,開關器件關斷,使電流下降。實際電流可以是相電流,也可以是逆變器的母線電流。


滯環電流法的特點是:應用簡單、快速性好、具有限流能力。

滯環電流控制方法可分為三種情況:由上升相電流控制的、由非換相相電流控制的和由三相相電流獨立控制的。


比較這三種方法抑制換向轉矩波動效果的實驗證明:后兩種情況的換相轉矩特性相同。對換相轉矩波動具有較好的抑制效果,且適用于低速。在換相期間通過滯環控制法直接控制非換相相電流來減少換相期間電磁轉矩動的控制策略。根據換相期間電磁轉矩正比于非換相相電流,且非換相相電流參考值為常數,在確定了要控制的非換相相電流和相應的參考電流后,通過滯環比較器控制其相電流,保證換相期間非換相相電流跟蹤其參考值,就可以有效減少換相期間電磁轉矩的波動。文中提到的控制方法轉矩波動小,電路簡單易實現,相對于傳統的三相滯環控制,具有功率管損耗小和效率高的特點,非常適用于高性能的伺服驅動系統。


另一種基于控制換相電流的方法。該方法以換相電流為研究對象,通過使關斷相電流的下降率等于開通相電流的上升率來維持電流在換相期間的穩定,從而減少轉矩波動。即在換相期間通過施加合適的補償電壓于A、C兩相繞組面使C相電流保持恒定,達到抑制轉矩波動的目的。實驗結果表明,該方法在地鐵屏蔽門的應用中取得良好效果,使電流波動減少8%,轉矩波動減少10%。


重疊換相法

電流反饋法、滯環電流法雖然解決了低速換相的轉矩波動問題,但在高速時通常效果不理想。在高速段抑制換相轉矩波動較成熟的方法是重疊換相法。其基本原理是:換相時本應立即關斷的功率開關器件并不是立即關斷,而是延長了一個時間間隔;將尚不應開通的開關器件提前開通。在傳統的重疊換相法中,重疊時間需預先確定,但選取合適的重疊時間較為困難,大了會過補償,小了又會造成補償不足。為此,在常規重疊換相法的基礎上,引人了定頻采樣電流調節技術。此技術在重疊期間采用PWM控制抑制換相轉矩波動,使重疊時間由電流調節過程自動調節,從而避免了對重疊區間的大小難以確定的問題。但是該方法必須保證足夠高的電流采樣頻率和開關頻率才有效。另外,該方法雖然對抑制高速下換相轉矩波動有效,但需要離線求解開關狀態并且算法復雜,在實際應用中有一定的局限性。


PWM斬波法

  滯環電流法較好地解決了低速時的換相轉矩波動問題,但在高速時效果不理想。PWM新波法與交流側電流反饋控制法較類似,即開關器件在斷開前、導通后進行一定頻率的斬波,控制換相過程中繞組的端電壓,使得各換相電流上升和下降的速率相等,補償總電流幅值的變化,抑制換相轉矩波動。與重疊換相法相比,該方法具有更小的轉矩波動,適合于精度要求更高的場合。


電流預測控制法

直流無刷電機在高速區和低速區的換相轉矩波動有所不同,研究抑制方法時大都分開考慮。然而在實際應用中,受到電機轉速、供電電壓等因素的影響,難以按照理論分析的那樣將換相轉矩波動分為高速區和低速區而采取不同的抑制措施。因此,就很有必要尋求一種能夠在全速度范圍內有效抑制換相轉矩波動的方法。電流預測控制方法就滿足了這一要求。它以換相電流為研究對象,推導出電機在高速區和低速區運行時的換相電流預測控制規則,確保換相期間關斷相的電流下降率和開通相的電流上升率相等,從而使非換相相繞組的相電流在換相期間保持恒定,減小換相轉矩波動,同時在該方法中結合使用了消除直流母線負電流的方法,使換相轉矩波動得到進一步的抑制。該換相電流預測控制方法算法簡單、實現容易、適應性強、效果明顯,無論是在開環控制、傳統的電流PI控制,還是在采用現代智能控制算法的控制系統中均能夠很好地被嵌入到換相期間,有效地抑制換相轉矩波動。


轉矩直接控制法

轉矩直接控制方法,采用兩相導電方式,無須坐標變換,并在繞組換相期間考慮了直流電源有限的供電能力。在換相期間,當控制上升相繞組對應開關管的占空比達到100%時,若仍存在轉矩波動,就導通下降相繞組對應的開關管,進行斬波控制,降低下降相電流的下降速率,而該開關管的占空比可以通過計算得到。仿真和實驗表明,該方法能有效地抑制非理想反電動勢直流無刷電機的轉矩波動。該方法只適用于速度變化不太顯著的場合。


轉矩閉環控制法

針對轉矩波動,近年來提出了轉矩閉環控制方法。它以電機的瞬時轉矩為控制對象,根據實際轉矩反饋信號,通過轉矩調節器實現對瞬時轉矩的直接控制,從而減小轉矩波動。若通過轉矩傳感器給出反饋信號,則系統響應較慢,且大多只能工作在靜態或低速狀態下。若通過利用電機的結構參數和一些容易測量的狀態變量構成轉矩觀測器,則運算相當復雜,而且參數變化也會帶來一定誤差。這些問題尚待完善解決。



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