直接转矩控制在无轴承无刷直流电机中的应用
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摘要
无轴承无刷直流电机是集无刷直流电机与磁轴承于一体的新型电机。它在继承无刷直流电机结构简单,可靠性高,效率较高,高效区域大,转矩密度高,功率因数接近1等优点上,又可实现高速稳定的悬浮控制。无轴承无刷直流电机与其他无轴承电机相比,具有轴向空间更短,临界转速更高等诸多优点。并且由于电机悬浮是以电动机本身的旋转磁场为偏置磁场,所以磁悬浮功耗较小,具有节能质优的优点,使其成为目前高速传动领域中一个新的研究方向。
直接转矩控制(DTC),在正弦波控制电机方面已获得成功应用,近年来在无刷直流电机上也取得了一定的突破。直接转矩控制是控制方法与电动机模型的综合,这种方法实现电机的自然解耦并且大幅提高了电机的动、静态性能,这方面的研究已是现代电机控制中的一个主要方向。但是由于该方法转矩脉动较大,所以不可以直接应用到无轴承电机控制中,要想在无轴承无刷直流电机中应用直接转矩控制,首先需要解决其转矩脉动过大的问题。
本文首先分析无刷直流电机的数学模型,建立无轴承无刷直流电机悬浮控制的理论基础,然后推导出无轴承无刷直流电机的数学模型,包括转矩控制部分和悬浮力控制部分；其次,基于DSVM控制方法推导出复合层次任意扇区细分型的直接转矩控制方法(MRDSVM-DTC),并将其运用在无轴承无刷直流电机中。这种方法可以根据系统要求生成多层次及细化扇区的矢量表,并选择最佳的控制矢量以取得最好的控制效果；再次,设计闭环直接悬浮力控制方法,并且针对无轴承无刷直流电机的特点进行优化。该方法提升悬浮控制力响应的速度和精度,使得控制更为简洁,使用更为高效；然后,针对无轴承无刷直流电机悬浮控制器的参数选择,提出结合自适应遗传算法的最优参数迭代计算；最后,设计并实现无轴承无刷直流电机的数字控制系统。在Matlab/Simulink平台上建立结合复合层次任意扇区细分型直接转矩控制、闭环直接悬浮力控制及自适应遗传算法的无轴承无刷直流电机仿真,仿真结果表明MRDSVM-DTC能够明显抑制转矩脉动,电流畸变严重等一系列缺点,能够有效改善电机的动静态控制性能。并且闭环直接悬浮力控制可以精确跟踪电机转子的状态,有效提高了悬浮控制力的响应速度和控制精度。自适应遗传算法的迭代寻优又进一步提高了悬浮系统的控制精度。最后设计其数字控制系统,在DSP-TMS320F2812上实现以上控制方法。
Bearingless brushless dc motor is one kind of new motor which combined brushless dc motor with magnetic bearing. It has the advantages of simple structure, lower fault-rate, smaller volume, higher efficiency of energy conversion and it also realize the suspension control in high speed. Compare the other bearingless motor, the brushless dc motor has more short axial space, higher rated speed and the rotor suspended by the rotating flux which produced by the permanent magnet in rotor surface. So the rotor suspension needs smaller energy. Because of the advantage of energy conservation and enviroN·mental protection, the bearingless brushless dc motor becomes a new research direction in high speed drives.
The direct torque control (DTC) has successful applied in the sine wave control motor and recent years it also made breakthrough in brushless dc motor. Direct torque control is combination of the control method and motor. This method realizes the decoupling of motor and dramatically improves the dynamic and static performance of motor. Now it is one of the main research directions of motor control. But this method has large torque ripple so it can not directly use in bearingless brushless dc motor control. In order to introduce the direct torque control in bearingless brushless dc motor it needs to solve the problem of the large torque ripple.
In the first, this paper analyzes the mathematical model of brushless dc motor; establish the suspension control theory of bearingless brushless dc motor. Then deduce the mathematical model of bearingless brushless dc motor which includes the torque control and suspension force control. In the second, deduced multi-level and sectors subdivision control for direct torque control and introduce it to bearingless brushless dc motor. This method can produce the vector tables according to the system requirements and choose the best control vector to obtain the best effect. In the third, improve the suspension control by use closed-loop suspended force direct control. In the forth, combine adaptive genetic algorithm to calculate the optimum parameters of the suspension system. In the end, design and implement the digital control system of bearingless brushless dc motor. Make the simulink of combine multi-level and sectors subdivision control with direct torque control for bearingless brushless dc motor. The results show that this method can inhibit torque ripple and the current distortion obviously, it is able to improve the motor dynamic and static performance effectively. The closed-loop suspended force direct control can track the rotor state accurately and it improves the control's precision and speed effectively. Verify the method and realize the control method by DSP (TMS320F2812).
直接转矩控制(DTC),在正弦波控制电机方面已获得成功应用,近年来在无刷直流电机上也取得了一定的突破。直接转矩控制是控制方法与电动机模型的综合,这种方法实现电机的自然解耦并且大幅提高了电机的动、静态性能,这方面的研究已是现代电机控制中的一个主要方向。但是由于该方法转矩脉动较大,所以不可以直接应用到无轴承电机控制中,要想在无轴承无刷直流电机中应用直接转矩控制,首先需要解决其转矩脉动过大的问题。
本文首先分析无刷直流电机的数学模型,建立无轴承无刷直流电机悬浮控制的理论基础,然后推导出无轴承无刷直流电机的数学模型,包括转矩控制部分和悬浮力控制部分；其次,基于DSVM控制方法推导出复合层次任意扇区细分型的直接转矩控制方法(MRDSVM-DTC),并将其运用在无轴承无刷直流电机中。这种方法可以根据系统要求生成多层次及细化扇区的矢量表,并选择最佳的控制矢量以取得最好的控制效果；再次,设计闭环直接悬浮力控制方法,并且针对无轴承无刷直流电机的特点进行优化。该方法提升悬浮控制力响应的速度和精度,使得控制更为简洁,使用更为高效；然后,针对无轴承无刷直流电机悬浮控制器的参数选择,提出结合自适应遗传算法的最优参数迭代计算；最后,设计并实现无轴承无刷直流电机的数字控制系统。在Matlab/Simulink平台上建立结合复合层次任意扇区细分型直接转矩控制、闭环直接悬浮力控制及自适应遗传算法的无轴承无刷直流电机仿真,仿真结果表明MRDSVM-DTC能够明显抑制转矩脉动,电流畸变严重等一系列缺点,能够有效改善电机的动静态控制性能。并且闭环直接悬浮力控制可以精确跟踪电机转子的状态,有效提高了悬浮控制力的响应速度和控制精度。自适应遗传算法的迭代寻优又进一步提高了悬浮系统的控制精度。最后设计其数字控制系统,在DSP-TMS320F2812上实现以上控制方法。
Bearingless brushless dc motor is one kind of new motor which combined brushless dc motor with magnetic bearing. It has the advantages of simple structure, lower fault-rate, smaller volume, higher efficiency of energy conversion and it also realize the suspension control in high speed. Compare the other bearingless motor, the brushless dc motor has more short axial space, higher rated speed and the rotor suspended by the rotating flux which produced by the permanent magnet in rotor surface. So the rotor suspension needs smaller energy. Because of the advantage of energy conservation and enviroN·mental protection, the bearingless brushless dc motor becomes a new research direction in high speed drives.
The direct torque control (DTC) has successful applied in the sine wave control motor and recent years it also made breakthrough in brushless dc motor. Direct torque control is combination of the control method and motor. This method realizes the decoupling of motor and dramatically improves the dynamic and static performance of motor. Now it is one of the main research directions of motor control. But this method has large torque ripple so it can not directly use in bearingless brushless dc motor control. In order to introduce the direct torque control in bearingless brushless dc motor it needs to solve the problem of the large torque ripple.
In the first, this paper analyzes the mathematical model of brushless dc motor; establish the suspension control theory of bearingless brushless dc motor. Then deduce the mathematical model of bearingless brushless dc motor which includes the torque control and suspension force control. In the second, deduced multi-level and sectors subdivision control for direct torque control and introduce it to bearingless brushless dc motor. This method can produce the vector tables according to the system requirements and choose the best control vector to obtain the best effect. In the third, improve the suspension control by use closed-loop suspended force direct control. In the forth, combine adaptive genetic algorithm to calculate the optimum parameters of the suspension system. In the end, design and implement the digital control system of bearingless brushless dc motor. Make the simulink of combine multi-level and sectors subdivision control with direct torque control for bearingless brushless dc motor. The results show that this method can inhibit torque ripple and the current distortion obviously, it is able to improve the motor dynamic and static performance effectively. The closed-loop suspended force direct control can track the rotor state accurately and it improves the control's precision and speed effectively. Verify the method and realize the control method by DSP (TMS320F2812).
引文
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