无刷直流电机的直接功率控制研究*

程军辉，黄友锐，唐超礼，陈珍萍，张超超

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

无刷直流电机的直接功率控制研究*

程军辉，黄友锐，唐超礼，陈珍萍，张超超

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

在对无刷直流电机有功功率和无功功率分析的基础上，对比分析直接转矩控制和磁场定向控制，提出一种无刷直流电机的直接功率控制策略和方法。该方法通过对瞬时有功功率、无功功率和磁链角度的计算，得到转矩与磁链之间的关系，并根据功率开关表选择合适的电压开关矢量，实现对功率的直接控制。仿真和实验表明，采用直接功率控制策略的调速系统提高了控制系统的功率因数，减少了到达稳态的时间，能很好地降低转矩脉动，该方法在各种工业应用场合中具有很好的应用前景。

无刷直流电机；直接功率控制；功率开关表；电压开关矢量

0　引言

目前无刷直流电机比较成熟的高性能控制方法主要包括直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)和磁场定向控制(Field Oriented Control，FOC)[1]。但 DTC和FOC两种控制方式都存在一定的缺陷与不足：DTC在定子坐标系上进行积分运算，从而直接得到开关管的开关状态信号，但是其低速时转矩脉动较大，不能获得稳定的开关频率[2-4]。FOC在运行过程中要求定子磁链和转子磁链始终垂直，需要通过电流控制器对磁场电流进行控制，对电机转子参数具有很强的依赖性。

本文在对DTC和FOC两种控制策略研究的基础上，提出通过瞬时功率开关表对无刷直流电机进行直接功率控制（Direct Power Control，DPC）的策略，对电机的瞬时有功功率、瞬时无功功率及磁链角度进行实时计算得到相应的电压开关矢量，通过改变开关管的开关状态对电机的瞬时功率进行直接控制[5-7]。通过仿真和具体的实验验证了该控制策略的合理性，能够保证电机运行时的无功功率为零，同时也可以减小系统的转矩脉动，使得系统具有节能性和高稳定性等优点。

1　瞬时功率理论

瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q是瞬时功率理论的研究基础。假定无刷直流电机的三相电压和三相电流的瞬时值分别为 ua、ub、uc和 ia、ib、ic，并通过 Clark变换将其从abc三相静止坐标系变换到αβ两相静止坐标系下。如图1所示，电压uα、uβ和电流 iα、iβ分别为电压矢量U和电流矢量I在α和β轴上的对应分量，φ表示电压和电流之间的夹角。瞬时有功电流id和瞬时无功电流iq分别为I在U及其法线上的投影。

定义三相瞬时有功功率为瞬时电压矢量与瞬时电流矢量的向量积，三相瞬时无功功率为瞬时电压矢量和瞬时电流矢量的叉乘，即：

由图1和式(2)可得有功功率和无功功率的表达式为：

图1　电压电流矢量图

2　无刷直流电机直接功率控制系统方案

2.1直接功率控制方案原则

如图2所示为无刷直流电机定子磁链φs和转子磁链 φf矢量之间的关系。

图2　电机运行时定子、转子磁链关系图

无刷直流电机瞬时有功功率和瞬时无功功率的表达式如下所示：

式（4）和式（5）中，下标 s表示定子 α-β坐标系，Ps表示有功功率、Qs表示无功功率、ωr表示转子角速度、φs表示定子磁链、φf表示转子磁链、θ表示定子磁链与转子磁链之间的夹角，即负载角。

无刷直流电机的转子为永磁体，不需要励磁电流，若要求在工作电流最小的前提下，提高系统的功率因数，则无功功率 Qs需维持为零，则由式(5)可知，应有。

根据以上的公式及分析可得到无刷直流电机直接功率方案的基本原则：(1)系统初始给定无功功率的值为0，在系统运行过程中调节定子磁链的值来保证运行的实际值为0；(2)通过调节θ的大小来调节有功功率，从而控制实际运行的电磁转矩的大小。

2.2直接功率控制系统方案

如图3所示为 DPC控制系统框图，变量 ia、ib、ic为通过电流互感器检测到的三相电流值，该值通过 Clark变换后计算出瞬时有功P和瞬时无功功率Q，并与给定值P*、Q*比较后送入滞环比较器，Sp、Sq为滞环比较器的输出，通过查询功率开关表得到相应的电压开关状态量Sa、Sb、Sc。其中n作为实时转速与给定转速 n*进行比较并送入PI调节器，得到瞬时给定功率P*。

图3　BLDCM直接功率控制系统框图

根据逆变器给定直流电压Udc和电压开关状态量可得到如下所示定子电压矢量：

将变量从三相定子坐标系 a-b-c变换到两相定子坐标系αβ坐标系，即Clark变换：

上式中，x表示电流或电压。

将式(6)代入式(7)，可得

系统运行时，将检测到的电机实时三相电流值ia、ib、ic代入式(7)，得到 αβ坐标系下的相应电流分量iα、iβ。然后将 usα、usβ、isα、isβ同时代入式(3)计算并得到瞬时有功功率和瞬时无功功率的估计值：

将计算得到的瞬时有功功率和瞬时无功功率与相应的给定值进行比较并通过滞环比较器进行比较，两个滞环比较器的环宽分别为pr和qr。根据以下规则定义:

根据式(10)和式(11)可知，Sq=1表示在该周期内无功功率的给定值大于估计值，在下一个控制周期内需要增大输出转矩来增加无功功率输入；Sq=0表示在该周期内无功功率的给定值小于估计值，在下一个控制周期内需要减小输出转矩来降低无功功率输入。有功功率的滞环比较输入与无功功率的类似。

3　仿真结果及实验分析

根据图3所示BLDCM调速系统在 Simulink环境下搭建了直接功率控制的具体仿真模型。该模型主要包括Clark变换模块、瞬时功率计算模块、磁链角度计算模块、转速PI模块、滞环比较器模块和直接功率开关表模块。

考虑到实验室的具体情况，为保证仿真和实验的一致性，仿真所选用的无刷直流电机模型的参数如下：额定功率 PN=200 W，额定电压UN=48 V，极对数 p=4，额定转速nN=3 000 r/min，定子电阻Rs=0.45 Ω，定子电感Ls= 0.5 mH。

实验时，电机从 0～0.05 s内给定初始转矩 2N·m条件下由静止运行到额定转速，在 0.05 s时刻将转矩增加为4N·m，由此验证电机在直接功率控制策略下的控制性能。图4所示为对应的转矩波形，如图5和图6所示分别为为电机运行时刻的abc三相电流波形和直轴、交轴的电流波形。图7所示为定子磁链系统稳定时的定子磁链轨迹。图8所示为对应的转速波形，当0.15 s时增加负载，通过直接功率控制可以很快使系统达到稳定，具有较强的抗干扰能力。

图4　转矩波形

图5　abc三相电流波形

图6　交轴与直轴电流波形

图7　定子磁链轨迹

图8　转速波形

图9和图10所示为随着系统负载转矩变化，瞬时有功功率和无功功率的实时波形，无功功率基本可维持在0左右，有功功率也可以维持稳定。

搭建无刷直流电机无刷直流电机调速系统实验平台对仿真模型进行的实验进行实际验证。实验所用电机参数和仿真一致，采用STM32F407作为系统的控制器。实验数据的测量主要通过示波器和转矩转速测量仪等工具实现，实时采集的数据通过计算机处理并呈现。

图9　无功功率

图10　有功功率

4　结论

本文将直接功率控制理论应用于无刷直流电机的调速系统中，系统结构简单并且易于实现。通过对无刷直流电机直接功率控制策略的理论分析、Matlab仿真和实际实验验证，结论表明可以通过对电机定子磁场和磁链角度的控制改变电机输出的瞬时有功功率和瞬时无功功率，从而控制电机的转矩。能够保证电机运行时的无功功率为零，同时也可以减小系统的转矩脉动，使得系统具有节能性和高稳定性等优点。该方案应用于工业控制及其相关控制与应用场合，具有很好的应用前景。

[1]赵方平，杨勇，阮毅，等.三相并网逆变器直接功率控制和直接功率预测控制的对比[J].电工技术学报，2012(7)：212-220.

[2]周杨，江道灼，王玉芬.基于虚拟磁链的静止同步补偿器直接功率控制策略研究[J].电网技术，2012(11)：205-210.

[3]张旭辉，温旭辉，赵峰.电机控制器直流侧前置双向 Buck/Boost变换器的直接功率控制策略研究[J].中国电机工程学报，2012(33)：15-22，170.

[4]李生民，何欢欢，张玉坤，等.基于滑模变结构的双馈风力发电机直接功率控制策略研究[J].电网技术，2013(7)：2006-2010.

[5]李昆鹏，万健如，朱琳.永磁同步电机瞬时功率预测控制[J].电工技术学报，2015(1)：38-44.

[6]杨国良，李惠光.垂直轴永磁同步风力发电系统建模及瞬时功率控制策略[J].电力自动化设备，2009(5)：39-42.

[7]杨兴华，姜建国.永磁同步电机精确瞬时速度检测[J].电工技术学报，2011(4)：71-76.

Research of direct power control for BLDCM

Cheng Junhui，Huang Yourui，Tang Chaoli，Chen Zhenping，Zhang Chaochao
（College of Electrical and Information Engineering，An Hui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Based on the BLDCM active power and reactive power analysis,compared with the vector control and direct torque control，deduced the relationship between electromagnetic torque and rotor flux，proposed direct power control(DPC)method based on the power switch table BLDCM.The simulation and experimental results show that use direct power control strategy of speed control system to improve the control system power factor,reducing the time to reach steady state,and the torque ripple,in the practical application of the method has a good prospect.

BLDCM；direct power control；power switch table；voltage switching vector

TM341

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.029

国家自然科学基金项目(51274011)；安徽省“工业节点与电能质量控制”协同创新中心开放基金

2015-08-20)

程军辉（1991-），通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：austchengjunhui@126.com。

中文引用格式：程军辉，黄友锐，唐超礼，等.无刷直流电机的直接功率控制研究[J].电子技术应用，2016，42(2)：106-109.

英文引用格式：Cheng Junhui，Huang Yourui，Tang Chaoli，et al.Research of direct power control for BLDCM[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：106-109.