基于滑模观测器的无传感器无刷直流电机控制下DTC方案

Girija P K¹一个王子²

PG学生,EEE称,拉吉夫·甘地理工学院,戈德喀拉拉邦,印度
副教授,EEE称,拉吉夫·甘地理工学院,戈德喀拉拉邦,印度

文摘

直接转矩控制(DTC)是一种方法来控制转矩变频驱动器。介绍了直流无刷无传感器DTC的(刷)电机驱动操作在恒转矩区两相瞬时转矩控制传导模式。滑模观测器(SMO)这是健壮的参数不确定性提出了估计的相间梯形反电动势无传感器操作。这个估计反电动势用于推导出转子位置和转子的角速度。和瞬时电磁转矩可以通过反电势和电流的乘积计算。摘要滑模观测器的有效性与符号和饱和函数DTC方案调查。

关键字

无刷直流电机直接转矩控制,非正弦反电动势,滑模观测器,两阶段传导

介绍

现在每天的需求增加无刷直流电机因其效率高、扭矩和功率密度更高,成本更低,更简单的结构,更好的可控性和大转矩惯量比相比,无刷交流电机。所以他们被用在许多国内和工业应用从伺服牵引驱动器。无刷直流电机是一种insideout直流换向器电动机的机械换向器由一个电子开关变换器取代。最受欢迎的方式来控制无刷直流电机是通过电压源电流控制逆变器。逆变器必须提供一个矩形电流波形的大小正比于电动机的轴扭矩。无刷直流电机的反电势波形梯形形状由于集中绕组。摘要刷120º传导模式提出,这意味着在任何即时的时间只有两阶段进行。无刷直流电机由两阶段传导具有较高的功率/重量和转矩/电流比率[1]。理想的无刷直流电机提供矩形120º电工。阶段电流产生一个梯形反电动势波形的振幅恒定> 120ºelec.将结果自由转矩脉动。然而,在一个实际刷驱动转矩脉动产生的偏差从理想的反电势波形。

在DTC方案中,转矩命令从两层滞后控制器通过比较获得的电磁转矩估计的参考价值获得速度误差。控制,电压矢量选择从一个查找表,取决于转子磁通矢量位置和转矩误差降低开关频率和转矩脉动整流地区[2]。霍尔效应传感器通常用来作为位置传感器知道换向点的位置。通常这些传感器安装在定子120º分开。这些传感器的成本增加,电机的尺寸和重量,降低整个系统的可靠性。为了克服这些问题,而不是使用位置传感器,无传感器的方法估计了转子的位置和速度的估计使用滑模观测器相间反电势。滑模观测器是一个非线性的高增益观测器估计误差的能力将坐标动力学有限时间为零。证明所提出的SMO的稳定使用李雅普诺夫方法确定观察者获得。拟议中的观察者很容易设计和对设计参数鲁棒性[2]- [7]。

摘要DTC方案下的恒转矩区域两阶段基于滑模观测器的传导与符号和饱和函数提出了反电势估算。在两阶段传导,定子磁链的幅值不容易控制由于急剧变化和通量的弯曲形状向量轨迹之间的连续两个换向点。忽略了流量控制的恒转矩区域可以实现更快的转矩响应。

无刷直流电机的数学模型

三相星形连接的无刷直流电机可以通过下面的方程来描述,

v, i, e表示相间电压、相电流和反电势分别在三个阶段,b和c。Rs和Ls表示相间阻力和定子绕组的电感。Te是产生的电磁转矩,TL是负载转矩,B是摩擦系数,J是极惯性矩和m一个¯·是转子的角速度[3],[4]。

无刷直流电机直接转矩控制

将无刷直流电机状态方程在静止参考系α-β可以写成:

转子角速度的电磁转矩的计算可以得到估计的滑模观测器。

直接转矩控制,选择逆变器的开关模式的输出滞后控制器和通量矢量的位置。

图1显示了六个电压矢量和部门。适当的电压矢量,Vi DTC方案选择的开关表如表所示。即τ表示的输出滞后控制器和部门和θr表示。如果参考转矩大于实际转矩,磁滞带内限制,滞环控制器的输出被定义为τ= 1否则τ= 1,六的电压矢量,选择合适的电压矢量逆变器基于开关表。

转子磁链

利用转子磁通观测器,转子磁通矢量组件(5)可以计算,

滑模观测器

滑模观测器用于相间反电势估算准确。

滑模观测器提出:

降低抖振效应,(14)中的符号函数替换饱和函数。饱和度函数定义为:

滑动面在哪里乐队。

为了减少纯积分器影响的反电势估算、PI控制器用于观察者[2]。

转子位置和速度的估计

六个转子位置的检测(θr)很容易确定适当的无刷直流电机的换向的估计back-EMFsα-β静止参考系[5]- [7]。估计转子位置如下,

back-EMFs信号包含转子速度信息。为了估计瞬时转子角速度,被认为是下面的数学关系。

,马克斯(阶段阶段)E是相间back-EMFs的振幅和E K是反电势常数[4]。

结果和讨论

无传感器直接转矩控制的总体框图刷驱动图2所示由MATLAB / Simulink仿真模拟。

实际的,估计一个¢º-β静止的参考系相间反电动势,Eab使用符号和饱和度函数分别为图3和图4所示。当与符号函数实现滑模观测器来估计无刷直流电机反电动势造成图喋喋不休由于高符号函数的不连续的性质。为了减少聊天,而不是符号函数,给出饱和。然后发现聊天是很大程度上减少了。

图5和图7显示了实际和估计转子位置分别使用SMO sgn和饱和函数。微型计算机体积很小,估计转子位置显示抖振的影响问题。当饱和函数作为控制信号在SMO,喋喋不休的影响大大减少了图7所示。上面的图表显示相位延迟的实际转子位置,因为引入低通滤波器用于转子位置估计

图7和Fig.8显示实际的估计转子速度。当350 rpm的参考速度,估计速度跟踪实际速度fig.7.fig所示。8显示了SMO的速度响应饱和函数作为控制信号;估计速度很快达到的参考价值。

电磁转矩估计与sgn DTC方案和饱和函数分别fig.9和fig.10所示。通过比较这些结果可以看出换向转矩脉动,很大程度上减少了应用程序的饱和函数作为控制信号。

从这些结果的分析,表明估计的输出是准确的。然而有一个问题的抖振效应估计波形。由抖振的影响,忽视了滑模观测器估计是一个非常好的无传感器方法相间back-EMFs,转子位置和角速度。

结论

本文基于观察者的无传感器无刷直流电机的直接转矩控制。使用电磁转矩误差和转子磁通矢量位置适当的电压矢量选择逆变器开关的查表来减少转矩误差在一个预定义的磁滞带限制。SMO的性能与符号和饱和函数的电磁转矩估计,转子转速和位置估计和估计back-EMFs DTC方案进行了验证。仿真结果显示了SMO用饱和函数具有更好的响应速度,减少转矩脉动和喋喋不休的不影响转子位置的估计和反电势。

在滑模控制中,有一个问题喋喋不休的效果由于开关缺陷的存在,开关时间延迟和不连续控制。在我未来的工作,我打算取代不连续控制功能,如sgn andsaturation函数与连续乙状结肠函数和比较抖振的影响。

引用

萨利赫巴里斯Ozturk和哈米德·a·Toliyat”直接转矩控制的无刷直流电机与非正弦反电势、“IEEE Int。电机和驱动器相依,1卷,第171 - 165页,2007年。
阿拉伯Markadeh g r, s。穆萨维,Abazari和a . Kargar”无位置传感器无刷直流电机直接转矩控制,“IEEE Int。Conf.于2008年印第安纳州,抛光工艺。。
a . Deenadayalan和g Saravana Ilango”,修改滑模观测器在无刷直流电机位置和速度估计,“IEEE为基础。印度相依(INDICON), 1 - 4, 2011页。
H。Fakham, M。Djemai和K。Busawon”设计和实际实现的无刷直流电动机反电势滑模观测器,“电力:专业期刊。2卷,6号,第361 - 353页,2008年。
Hyun李和Jangmyung李,“设计迭代滑模观测器的无传感器永磁同步电动机的控制,“IEEE反式。在控制系统。抛光工艺。,vol. 21,no. 4, pp. 1394-1399, Jul. 2013.
陈伟,陈Yankun,李宏峰和歌曲丰,“无传感器控制基于滑模观测器的永磁同步电动机,“IEEE第七Int。电力电子。,2012年6月在和运动控制相依。
萨利赫巴里斯Ozturk和哈米德·a·Toliyat”直接转矩和间接通量控制无刷直流电机,“IEEE / ASME反式。机电一体化,16卷,。2、2011年4月。