0 引言

    目前無(wú)刷直流電機(jī)比較成熟的高性能控制方法主要包括直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)和磁場(chǎng)定向控制(Field Oriented Control，F(xiàn)OC)^[1]。但DTC和FOC兩種控制方式都存在一定的缺陷與不足：DTC在定子坐標(biāo)系上進(jìn)行積分運(yùn)算，從而直接得到開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，但是其低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，不能獲得穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)頻率^[2-4]。FOC在運(yùn)行過(guò)程中要求定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)冀K垂直，需要通過(guò)電流控制器對(duì)磁場(chǎng)電流進(jìn)行控制，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)具有很強(qiáng)的依賴(lài)性。

    本文在對(duì)DTC和FOC兩種控制策略研究的基礎(chǔ)上，提出通過(guò)瞬時(shí)功率開(kāi)關(guān)表對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行直接功率控制（Direct Power Control，DPC）的策略，對(duì)電機(jī)的瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無(wú)功功率及磁鏈角度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算得到相應(yīng)的電壓開(kāi)關(guān)矢量，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)電機(jī)的瞬時(shí)功率進(jìn)行直接控制^[5-7]。通過(guò)仿真和具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的合理性，能夠保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率為零，同時(shí)也可以減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得系統(tǒng)具有節(jié)能性和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

1 瞬時(shí)功率理論

    定義三相瞬時(shí)有功功率為瞬時(shí)電壓矢量與瞬時(shí)電流矢量的向量積，三相瞬時(shí)無(wú)功功率為瞬時(shí)電壓矢量和瞬時(shí)電流矢量的叉乘，即：

2 無(wú)刷直流電機(jī)直接功率控制系統(tǒng)方案

2.1 直接功率控制方案原則

    如圖2所示為無(wú)刷直流電機(jī)定子磁鏈φ_s和轉(zhuǎn)子磁鏈φ_f矢量之間的關(guān)系。

    無(wú)刷直流電機(jī)瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的表達(dá)式如下所示：

    式（4）和式（5）中，下標(biāo)s表示定子α-β坐標(biāo)系，P_s表示有功功率、Q_s表示無(wú)功功率、ω_r表示轉(zhuǎn)子角速度、φ_s表示定子磁鏈、φ_f表示轉(zhuǎn)子磁鏈、θ表示定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即負(fù)載角。

2.2 直接功率控制系統(tǒng)方案

    如圖3所示為DPC控制系統(tǒng)框圖，變量i_a、i_b、i_c為通過(guò)電流互感器檢測(cè)到的三相電流值，該值通過(guò)Clark變換后計(jì)算出瞬時(shí)有功P和瞬時(shí)無(wú)功功率Q，并與給定值P^*、Q^*比較后送入滯環(huán)比較器，S_p、S_q為滯環(huán)比較器的輸出，通過(guò)查詢(xún)功率開(kāi)關(guān)表得到相應(yīng)的電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)量S_a、S_b、S_c。其中n作為實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速n^*進(jìn)行比較并送入PI調(diào)節(jié)器，得到瞬時(shí)給定功率P^*。

    根據(jù)逆變器給定直流電壓U_dc和電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)量可得到如下所示定子電壓矢量：

    上式中，x表示電流或電壓。

    將式(6)代入式(7)，可得

    系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，將檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)時(shí)三相電流值i_a、i_b、i_c代入式(7)，得到αβ坐標(biāo)系下的相應(yīng)電流分量i_α、i_β。然后將u_sα、u_sβ、i_sα、i_sβ同時(shí)代入式(3)計(jì)算并得到瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的估計(jì)值：

    將計(jì)算得到的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率與相應(yīng)的給定值進(jìn)行比較并通過(guò)滯環(huán)比較器進(jìn)行比較，兩個(gè)滯環(huán)比較器的環(huán)寬分別為p_r和q_r。根據(jù)以下規(guī)則定義:

    根據(jù)式(10)和式(11)可知，S_q=1表示在該周期內(nèi)無(wú)功功率的給定值大于估計(jì)值，在下一個(gè)控制周期內(nèi)需要增大輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)增加無(wú)功功率輸入；S_q=0表示在該周期內(nèi)無(wú)功功率的給定值小于估計(jì)值，在下一個(gè)控制周期內(nèi)需要減小輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)降低無(wú)功功率輸入。有功功率的滯環(huán)比較輸入與無(wú)功功率的類(lèi)似。

3 仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)分析

    根據(jù)圖3所示BLDCM調(diào)速系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下搭建了直接功率控制的具體仿真模型。該模型主要包括Clark變換模塊、瞬時(shí)功率計(jì)算模塊、磁鏈角度計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)速PI模塊、滯環(huán)比較器模塊和直接功率開(kāi)關(guān)表模塊。

    考慮到實(shí)驗(yàn)室的具體情況，為保證仿真和實(shí)驗(yàn)的一致性，仿真所選用的無(wú)刷直流電機(jī)模型的參數(shù)如下：額定功率P_N=200 W，額定電壓U_N=48 V，極對(duì)數(shù)p=4，額定轉(zhuǎn)速n_N=3 000 r/min，定子電阻R_s=0.45 Ω，定子電感L_s=0.5 mH。

    實(shí)驗(yàn)時(shí)，電機(jī)從0～0.05 s內(nèi)給定初始轉(zhuǎn)矩2N·m條件下由靜止運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速，在0.05 s時(shí)刻將轉(zhuǎn)矩增加為4N·m，由此驗(yàn)證電機(jī)在直接功率控制策略下的控制性能。圖4所示為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩波形，如圖5和圖6所示分別為為電機(jī)運(yùn)行時(shí)刻的abc三相電流波形和直軸、交軸的電流波形。圖7所示為定子磁鏈系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的定子磁鏈軌跡。圖8所示為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速波形，當(dāng)0.15 s時(shí)增加負(fù)載，通過(guò)直接功率控制可以很快使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

    圖9和圖10所示為隨著系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化，瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的實(shí)時(shí)波形，無(wú)功功率基本可維持在0左右，有功功率也可以維持穩(wěn)定。

    搭建無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿真模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)參數(shù)和仿真一致，采用STM32F407作為系統(tǒng)的控制器。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量主要通過(guò)示波器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x等工具實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)處理并呈現(xiàn)。

4 結(jié)論

    本文將直接功率控制理論應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且易于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)直接功率控制策略的理論分析、Matlab仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論表明可以通過(guò)對(duì)電機(jī)定子磁場(chǎng)和磁鏈角度的控制改變電機(jī)輸出的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。能夠保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率為零，同時(shí)也可以減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得系統(tǒng)具有節(jié)能性和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。該方案應(yīng)用于工業(yè)控制及其相關(guān)控制與應(yīng)用場(chǎng)合，具有很好的應(yīng)用前景。

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