摘要：针对无刷直流电机直接转矩控制(BLDcM DTc)中磁链观测困难、控制复杂等问题，提出了一种应用于无刷直流电机二二导通方式下的新型直接转矩控制方法：在电机基频以下调速时，略去了常规的磁链观测控制环节，改进了转矩计算方法，通过转矩滞环控制选择所施加的空间电压矢量。该方法简化了控制结构，降低了控制成本，实现了无刷直流电机的直接转矩控制运行。仿真和试验结果表明该方法可行有效。
　　关键词：无刷直流电机；直接转矩控制；空间电压矢量；转矩；滞环控制
    0  引  言
    直接转矩控制技术是继矢量控制之后一种高性能交流调速技术。它采用空间电压矢量直接控制转矩，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单及动态响应速度快等优点。但是，将直接转矩控制技术应用于无刷直流电机还是一个新的研究课题。
　　目前，无刷直流电机的直接转矩控制方法大体有以下两种：①三三导通方式下的直接转矩控制。这种控制方式使无刷直流电机工作于三相导通模式，避免了关断相对磁链的影响；将磁链给定值设为一常数，通过插入零电压矢量控制定子磁链的运动速度，从而实现了电机调速。由于定子磁链设定为一定值，定子电流波形偏离方波较大，造成了较大的转矩脉动。并且，由于磁链观测误差，低速情况时定子磁链运动轨迹畸变严重，电机运行性能不好。②二二导通方式下的直接转矩控制。该控制方案通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，利用两个滞环比较器选择****空间电压矢量的方式实现对定子磁链和转矩的解耦控制。但是在无刷直流电机运行中，由于关断相电压的不确定性，定子磁链幅值随空间位置不同而时刻变化，定子磁链的观测和给定非常困难；而且，转矩观测中包含的微分项会降低控制精度，增大计算量，降低系统实时性。针对以上问题，本文提出了一种新颖　　的直接转矩控制方案：在电机基频以下调速时，略去复杂的定子磁链控制滞环，并简化转矩计算方法，只用转矩滞环实现对电磁转矩的直接控制。
　　1无刷直流电机数学模型图1为通常采用的无刷直流电机原理图。为了简化分析，作出以下假设：
　　(1)定子绕组为相带整距绕组；(2)不考虑齿槽效应和磁路饱和，忽略磁滞、涡流、集肤效应和温度对电机参数的影响；(3)三相定子绕组对称；(4)三相绕组的反电势为互差120°电角度、平顶宽度为120°梯形波。

　　其中，ua、ub、uc和ia、ib、ic分别为a、b、c相电压和相电流；R为定子电阻；L和M分别为定子相自感和互感；ea、eb、ec为定子各相反电势。
　　由于ia+ib+ic=O，可写出其电压平衡方程式：

　　2控制结构简化的BLDCM DTc方案2，1 BLDcM空间电压矢量分析直接转矩控制中电机转矩是通过控制加到电机端子上的电压来实现的，而电机的端电压又和逆变器开关管的导通或关断有关。对于无刷直流电机二二导通方式来说，根据每个桥臂上开关状态不同，可以得到6个非零矢量V2(100001)、V2(001001)、V3(011000),V4(010010)、V5(000110)、V6(100100)和1个零矢量V0(000000)。6个非零矢量相互间隔60°，将a一b一c定子三相坐标系分为6个扇区，如图2所示。直接转矩控制就是采用这些空间电压矢量去控制电机定子磁链的大小及其运动方向，从而实现对电磁转矩的动态控制。
　　无刷赢流电机一般使用霍尔元件作为位置传感器，来判断转子所在的扇区。当电机转子所在扇区确定后，选择相应的电压空间矢量可改变定子磁链旋转速度，从而调节功角θ的大小，实现对电机转矩的瞬时控制。以转子处于第一扇区为例，选择电压矢量V2(00l001)可以增大转矩角，起到增加转矩的作用；电压矢量V5(000110)的作用是减小转矩角，减小电磁转矩；如果施加零矢量V0(000000)，则可以保持定子磁链位置近似不变，由于电机的机械时间常数通常远远大于电气时间常数，在一个控制周期里转子位置变化也很小，因此功角近似不变，可以起到减小转矩脉动的作用。

　　2．2  BLDcM电磁转矩观测由参考文献[5]，对于面贴式转子磁钢的无刷直流电机，忽略电机d、g轴之间的互感耦合，可得d—q坐标系下的电磁转矩Te：

其中

　　与式(3)相比，式(5)中不含微分项，易于计算，并有利于提高计算精度和系统的实时性。因此，本文采用式(5)的改进方法来对电磁转矩进行估算。
　　2．3结构简化的DTC策略在BLDcM运行中，由于定子电流换相造成关断相电压的不确定性，定子磁链运动轨迹非常复杂，精确观测和控制难度很大。但是，当电机运行于额定转速以下的恒转矩区时，电机气隙磁通和定子磁链的幅值基本保持不变；又因无刷直流电机的转子磁链由永磁体产生，转子磁链的幅值也近似恒定。根据电磁转矩为定子磁链和转子磁链矢量叉积的概念，电磁转矩将保持基本恒定。
　　而且，由于无刷直流电机霍尔传感器的存在，可以不必进行定子磁链相位的观测，直接利用霍尔传感器输出的转子位置信号直接选择空间电压矢量。因此电机运行于恒转矩区时，在对稳态转矩波动要求不高的场合，可以略去传统直接转矩控制中的磁链滞环控制环节，简化控制结构，降低系统的软硬件成本；而只根据电机永磁转子的位置信号、参考转矩与实际转矩之间的差异，选择合适的空间电压矢量，实现对电磁转矩的直接控制的目的。原理框图如图3所示：

　　在该控制系统中，将速度环PI调节器的输出作为转矩滞环的转矩给定，转矩给定和估算的实际转

　　转矩；否则τ=O，表示转矩维持不变。最后，根据转矩调节器输出τ、转子所在扇区s来选择作用的有效空间电压矢量。因此可得如下的开关表：

　　3仿真和实验研究

      将本文提出的简化结构直接转矩控制方法应用于一台无刷直流电机进行了仿真和试验研究。电机参数：额定电压UN=36 V，相电阻R=O．35 Ω，相电感L=4．4 mH，转动惯量J=0．0022kg／m的2次方，极对数为P=5，额定转速400 r／min.
　　图4～图6为电机在负载转矩为1．2 N·m时以额定转速400 r／min稳定运行时，转速、转矩、和相电流波形的仿真结果。图7～图9为相应的试验波形。对比可看出：本文提出的方法实现了对无刷直流电机的有效控制；转矩波动略大，但仍控制在允许范围之内，这也充分验证了上面的分析。试验和仿真波形基本吻合，证明了该方法可行有效。

　　4结论

     本文研究了一种新颖的无刷直流电机直接转矩控制方案，可用于无刷直流电机恒转矩区运行，进一步拓展了BLDcM DTc控制思想。理论分析、仿真和试验对比研究表明这种新型的控制方法简化了系统的控制结构，改进了电磁转矩的估算，提供了一种低成本的直接转矩控制实现方案，易于工程应用。