直接转矩控制在无轴承无刷直流电机中的应用

【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。