无刷直流电机新型直接转矩控制基础研究

Direct torque control technology has been applied on sinusoidal permanent magnet synchronous motor successfully, but the study on brushless DC motor is still at primary stage.There are many misunderstandings on definition of zero voltage vector, control method of stator flux linkage under non-sinusoidal and turn-off phase condition. And the design method of torque regulator is not available in preset theory. Two-phase conducting brushless DC motor direct torque control system is studied in this project, and the misunderstanding of zero voltage vector definition, ambiguous understanding of stator flux linkage control method are pointed out .The definition of zero voltage vector in a real sense is proposed and the role of proposed zero voltage vector is analyzed and validated by simulation and experiments under different loads. After the comprehensive comparison of “single-closed loop control method” and “double-closed loop control method”, a novel stator flux linkage control method is presented. In order to improve the dynamic performance and reduce the torque ripple, a novel torque regulator design method is developed. The research in this project helps to establish scientific theory for two-phase conducting brushless DC motor direct torque control system.

直接转矩控制技术在正弦波永磁同步电机上得到了成功应用，而在无刷直流电机上的研究还处于初级阶段，现有理论对无刷直流电机在非正弦和关断相条件下零矢量的定义，定子磁链的控制存在误区，对转矩调节器的优化设计缺乏理论指导。本申请以两相导通无刷直流电机直接转矩控制系统为研究对象，指出现有理论中对零矢量的定义存在错误，对定子磁链的控制方法乃至是否需要控制等关键问题存在认识模糊，理论依据缺乏等问题，提出了一种真正意义上的零矢量，并对不同转速，不同负载条件下零矢量的作用进行全面的理论分析和实验验证；全面比较现有理论中的“单闭环方案”和“双闭环方案”的优缺点，确定定子磁链的控制依据，提出定子磁链的控制方法；提出该系统中转矩调节器定量优化设计的方法，以达到电机转矩动态性能好，转矩脉动小的目的。本申请的成功研究有助于建立两相导通无刷直流电动机直接转矩控制新理论。

本项目以两相导通无刷直流电机直接转矩控制理论涉及的三个基础问题：电压矢量、定子磁链和电机转矩为主要研究内容，开展了理论分析、仿真和实验研究。电压矢量方面，提出了基于“导通相相电压合成矢量”的电压矢量定义方法，澄清了全关矢量是零矢量的误区，提出了适用于该系统的零矢量，分析了所提电压矢量对转矩的作用规律；定子磁链方面，研究了两相导通条件下定子磁链的变化规律，给出了定子磁链幅值给定方法，指出了由于两相导通条件下电机磁链和转矩之间存在强耦合关系，转矩控制结构中应省去磁链环以实现对转矩的直接控制；电机转矩方面，基于所定义的电压矢量，提出了转矩优化控制方法；不同运行条件下的仿真和实验结果均验证了理论分析的正确性和所提方法的可行性。. 本项目所获得的研究成果，已发表论文13篇，其中EI检索9篇，SCI检索1篇，授权专利5项；培养研究生5名。本项目的研究成果进一步完善了两相导通无刷直流电机直接转矩控制理论，为该技术的进一步发展奠定了良好的理论基础，所提出的控制方法对后续研究提供了有益的借鉴。