小电感无刷直流电机的瞬时转矩控制外文翻译资料

 2021-11-22 09:11

英语原文共 13 页

小电感无刷直流电机的瞬时转矩控制JianchengFang,Member,IEEE,XinxiuZhou,andGangLiu

摘要:三相逆变器由于电感小,调制时会产生较大的转矩脉动。此外,调制频率的增加受到处理器速度的限制。因此,传统的转矩控制方法并不适用。针对上述问题,通过改进小电感无刷直流电动机的转矩估计和控制,提出了一种新的瞬时转矩控制方法。首先,通过改进的位置信息和反电动势系数估计瞬时转矩。前者是通过提出的霍尔传感器位置校准和补偿方法实现的,后者是通过神经网络拟合得到的。其次,在导通和换相区域实现了转矩脉动的减小。采用直流链路buck变换器脉宽调制控制方法抑制三相逆变器调制引起的纹波。在此基础上,设计了一种不对称补偿函数来解决三相绕组之间的不平衡问题。然后通过前馈控制对应用于电流动力学的反电动势扰动进行补偿。随后,输出相位控制减小了整流纹波。最后通过实验结果验证了所提出的转矩控制方法的有效性。

介绍

无刷直流电动机具有功率密度大、效率高、转矩惯性比大、控制简单等优点,被广泛应用于多种高性能场合[1]-[3]。转矩平滑度是高性能运动控制应用中必不可少的,获得准确无撕裂的瞬时转矩对无刷直流电动机具有重要意义。

转矩主要包括齿槽转矩、磁阻转矩和互转矩,其中齿槽转矩是由定子槽与转子磁场相互作用产生的,不受定子电流激励。磁阻转矩是由相位电感相对位置的变化引起的,而互转矩是由定子绕组电流与转子磁场之间的相互耦合产生的。从机械设计的角度来看,寻找总磁链的基本组成部分是很有意义的。对于无芯定子永磁电机,由于铁定子槽和磁场的作用,磁链产生谐波不饱和[4]-[6]。由于气隙较大,可以忽略定子绕组反电动势(EMF)空间分布引起的谐波。此外,由于无芯定子,绕组电感小,相电流变化快。因此,前两种转矩分量的影响可以大大降低,此时需要考虑的主要纹波是由于相互转矩。因此,如果相位反电动势和相电流的波形完全匹配,则转矩脉动将达到最小。

主动转矩控制方案分为开环控制和闭环控制。最常用的开环转矩控制方法是广义谐波注入方法,通过数值优化求解,找出基于反电动势谐波的最优电流波形,减小相互转矩和齿槽转矩波动[7]-[9]。由于计算的复杂性[10],这些方法将傅立叶系数限制在任意高次谐波。此外,最佳电流参考不是恒定的,需要非常灵敏的控制器,特别是当电机运行在高速。由于转矩不是直接控制的,无法实现快速的转矩响应。已经发表的有限的经验数据表明,即使在实验室环境[11]中进行了仔细的调优,单靠开环方法也很难将脉动转矩幅值降低到额定转矩的1%以下。

针对闭环方法,提出了各种转矩估计和观测器技术,以产生抑制脉动转矩分量所需的反馈信息。近年来,直接转矩控制(DTC)方案得到了广泛的研究。它最初是为感应电机驱动[12],[13]而开发的。建立了转矩、磁通和最优逆变器开关之间的关系,实现了快速转矩响应。它比传统的控制方法具有更好的动态性能。近年来,传统的直接转矩控制方案的应用已扩展到无刷直流电动机[14]、[15]。在[14]和[15]中,定义了两相开关模式下的电压空间矢量,推导了具有非正弦反电动势的表面安装式永磁同步电机在静止坐标系下的电磁转矩方程。并将无传感器直接转矩控制方案应用于非正弦反电动势[16]的无刷直流电机,通过简化扩展卡尔曼滤波器得到转子转速。在[17]和[18]中,提出了一种改进的瞬时转矩估计和控制特性的瞬时转矩控制方案,分析了不确定性和扰动的集合,即使在电机参数不确定性较大的情况下,也能获得鲁棒的瞬时转矩估计。此外,本文还提出了一种恒区四开关逆变器用于非正弦电动势无刷直流电机的直接转矩控制技术在[19]。设计并实现了四开关逆变器的电压矢量查找表,实现了快速的转矩响应。在此基础上,提出了一种基于dq参考系的最高效、新颖、简单的实现低频转矩无撕裂的DTC[20]的方法。提出了简化坐标变换和无传感器位置检测等方法,在最小转矩脉动的情况下获得最优电流和转矩控制。

上述闭环转矩控制方法[14]-[20]具有减小脉动、抑制扰动等优点。然而,也有如下几个缺点:

1)需要坐标变换和多传感器,增加了计算负担和成本。

2)三相逆变器直接调制,由于电感小,导致导通区域转矩脉动严重。虽然增加调制频率可以降低性能下降,但它受到处理器速度的限制。

3)忽略了三相绕组之间的不平衡,降低了转矩性能,尤其是采用单相dc-link传感器时。

因此,以往的方法不适用于小电感无刷直流电机。而上述方法只关注于某些点。小电感无刷直流电动机转矩控制的研究较少,还需要进一步的研究。

由相电流整流引起的转矩脉动通常被认为是无刷直流电动机的主要缺点之一,而无刷直流电动机的反电动势和电流波形都是正弦的。因此,许多研究者对换相转矩脉动进行了研究,并提出了减小换相转矩脉动[21]-[24]的方法。在[21]和[22]中,通过优化主动矢量占空比来减小转矩脉动。然而,这些方法通常是复杂的和参数相关的。在[23]中,提出了一种新的电路拓扑结构,在逆变器前增加了dc-dc单端主电感转换器(SEPIC)和开关选择电路。

通过SEPIC提供所需的换相电压,减小了转矩脉动。但转换开关的选择过程会引起电压和电流的波动。在[24]中,换向期间采用两相和三相混合的开关方式。通过控制所要求的转矩与估计转矩之间的误差来抑制换相纹波。从实验结果可以看出,换向纹波已经减小,但电流波形和转矩波形仍然存在明显的纹波,这是由相位脉宽调制(PWM)控制方法引起的。

需要注意的是,以往技术[7]-[24]中采用的PWM控制方法是全相位PWM控制方法。实际上,相位PWM控制和dc-linkbuck变换器PWM控制是两种最常用的转矩控制方法。相位PWM控制广泛应用于大功率/小功率驱动,但对小电感电机会产生严重的电流和转矩脉动。而dc-linkbuck变换器PWM控制主要用于低功耗驱动。直流环节降压变换器PWM驱动器的损耗与其调制频率和传导电流有关。采用dc-link降压变换器PWM驱动低功耗小电感电机是改善电流和转矩性能[25],减少高频大范围电流波动造成的电机铜损和铁损的有效途径。

高精度的瞬时转矩估计是实现高性能转矩控制的关键,需要精确的转子位置信息。然而,价格低廉、分辨率较低的霍尔传感器由于机械误差和信号处理等原因,其精度较差,在实际应用中越来越受欢迎。大多数位置和速度估计方法是基于假设每一个霍尔传感器与定子磁轴,以电角度120◦分开,没有机械偏转的磁极[26],[27]。

近年来,人们提出了一些补偿霍尔传感器[28]-[32]失调效应的方法。在[28]中,给出了霍尔传感器位置偏移量的补偿程序,并将得到的实际状态转移值存储在查询表中。由于其主要算法是基于平均速度的,在变工况下性能可能会下降,且算法复杂。[29]的位置估计使用vector-tracking锁相环(PLL)和矢量叉积相位检测方法已经证明它使用量化的旋转位置矢量在60◦从霍尔传感器获得的信号。在[30]中,提出了一种改进的基于矢量跟踪观测器的旋转位置矢量固有谐波解耦方法。在[31]中,基于参考定子电机模型,设计了一种具有前馈平均速度输入的矢量跟踪位置观测器,其结构与矢量跟踪锁相环相似。这些方法[29]-[31]具有零滞后跟踪能力。然而,由于观测器是基于机器的模型,其位置估计很容易受到系统参数的影响。在[32]中,提出了一种位置传感器偏移补偿策略,当极点和霍尔传感器的偏差同时退出时,该补偿策略可能失效。在这个意义上,有必要找到一个合理的解决方案,以满意的运行电机与低分辨率和不准确的位置传感器。

本文提出了一种基于单直流环节电流传感器和低分辨率位置传感器(霍尔传感器)的小电感无刷直流电机瞬时转矩控制方案。首先,利用高精度的位置估计和线对线反电动势估计,获得更准确的瞬时转矩估计。提出了一种霍尔传感器位置标定与补偿方法,用于校正由于极点与霍尔传感器位置偏差引起的位置误差。在此基础上,通过神经网络拟合得到电机转子位置的线对线反电动势系数。其次,通过改善转矩在导通区和换相区的性能,实现转矩脉动的减小。传导区域的纹波因素包括三相逆变器的调制、三相绕组间的不平衡以及对电流动力学的反电动势扰动。采用dc-linkbuck变换器PWM控制方法可以抑制前面提到的调制引起的转矩脉动,通过设计的自适应不对称补偿函数可以解决不平衡问题。采用前馈控制对应用于电流动力学的反电动势电压扰动进行补偿。在整流过程中,输出相位控制减小了整流转矩脉动。

参考文献

[1] F.Aghili,无刷直流电动机的容错转矩控制[J]IEEE电力电子,2011,26(2):355-363

[2] N.Milivojevic,M.Krishnamurthy,A.Emadi,I.Stamenkovic,无刷直流发电机简单数字控制策略的理论与实现[J]IEEE电力电子,2011,26(11):3345-3356

[3] Y.S.LaiandY.K.Lin, 无电流及霍尔传感器无刷直流电动机反电动势零点检测之统一方法[J]IEEE电力电子,2011,26(6):1704-1713

[4] R.J.Wang,M.J.Kamper,K.V.Westhuizen,andJ.F.Gieras,无芯定子轴向磁通永磁发电机的优化设计[J]IEEE电力电子,2005,41(1):55-64

[5] M.Ooshima,S.Kitazawa,A.Chiba,T.Fukao,andD.G.Dorrell清洁能源发电与储存系统用无芯定子式无轴承电机/发电机的设计与分析[J]IEEE电力电子,2006,42(10):3461-3463

[6] C.C.Hwang,P.L.Li,F.C.Chuang,C.T.Liu,andK.H.Huang,轴向磁通永磁电机转矩脉动减小的优化[J]IEEE电力电子,2009,45(3):1760-1763

[7] S.J.Park,H.W.Park,M.H.Lee,andF.Harashima,无刷直流电动机最小转矩纹波最大效率控制的新方法[J]IEEE电力电子,2000,47(1):109-114

[8] P.Mattavelli,L.Tubiana,andM.Zigliotto,采用重复电流控制的永磁同步电机驱动器的转矩脉动减小[J]IEEE电力电子,2005,20(6):1423-1431

[9] F. Aghili, 无刷电机精确转矩控制励磁电流的自适应整形[J]IEEE电力电子,2008,16(2):356-364

[10] T. Kim, H. W. Lee, L. Parsa, and M. Ehsani, 电力和混合动力汽车无刷直流电机-发电机驱动的最优功率和转矩控制[R] IEEE IAS Annu. Meeting,Tampa, FL, 2006,3:1276-1281

[11] T. M. Jahns and W. L. Soong, 永磁交流电机驱动的脉动转矩最小化技术-综述[J]IEEE 电力电子,1996,43(2):321-330

[12] I. Takahashi and T. Noguchi, 一种新的感应电动机快速反应和高效率的控制策略[J]IEEE 电力电子,1986,22(5):820-827

[13] M. Depenbrock, 变频器馈电式感应电机的直接自我控制(DSC)[J]IEEE 电力电子,1988,3
(4):420-429

[14] Y. Liu, Z. Q. Zhu, and D. Howe, 无刷直流电动机的直接转矩控制,减少转矩脉动[J]IEEE 电力电子,41(2):599-608

[15] S. B. Ozturk and H. A. Toliyat,非正弦反电动势无刷直流电动机的直接转矩控制[R]电机工程与电子工程师学会(IEMDC)双年会2007,1:165-171

[16] Y. Liu, Z. Q. Zhu, and D. Howe, 无传感器直接转矩控制无刷直流电机的瞬时转矩[J]IEEE 电力电子,2006,42(5):1275-1283

[17] Y. A. R. I. Mohamed and T. K. Lee, IPMSM驱动系统的自适应自调整MTPA矢量控制器[J]IEEE电力电子,2006,21(3):636-644、

[18] Y. A. R. I. Mohamed, 一种新设计的直接驱动永磁同步电动机伺服执行机构的瞬时转矩控制,具有改进的转矩估计和控制特性[J]IEEE电力电子,2007,54(5):2864-2873

[19] S. B. Ozturk, W. C. Alexander, and H. A. Toliyat, 非正弦反电动势四开关无刷直流电动机的直接转矩控制[J]IEEE电力电子,2010,25(2):263-271

[20] S. B. Ozturk and H. A. Toliyat, 无刷直流电动机的直接转矩与间接磁通控制[J]IEEE电力电子,2011,16(2):351-360

[21] J. H. Song and I. Choy, “使用单一直流电流传感器的无刷直流电动机的整流转矩脉动减小[J]IEEE电力电子,2004,19(2):312-319

[22] H. Lu, L. Zhang, and W. Qu, 非理想反电动势下无刷直流电动机转矩脉动最小化的一种新的转矩控制方法[J]IEEE电力电子,2008,23(2):950-958

[23] T. Shi, Y. Guo, P. Song, and C. Xia, 基于DC - DC变换器的无刷直流电动机最小换相转矩脉动的新方法[J]IEEE电力电子,2010,57(10):3483-3490

[24] Y. Liu, Z. Q. Zhu, and

原文和译文剩余内容已隐藏,您需要先支付 20元 才能查看原文和译文全部内容!立即支付

以上是毕业论文外文翻译,课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。