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永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究論文
摘 要:將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)研究過(guò)程。根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合直接轉(zhuǎn)矩控制理論,以永磁同步電動(dòng)機(jī)為例,利用Matlab/Simulink軟件,對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真建模,給出了其仿真結(jié)果。
關(guān)鍵詞:永磁同步電動(dòng)機(jī);直接轉(zhuǎn)矩控制;Matlab/Simulink
永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)具有高效節(jié)能、體積小以及良好的變頻調(diào)速性能等優(yōu)點(diǎn);直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)直接對(duì)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,使電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速;該技術(shù)最先應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)控制中,隨著PMSM廣泛應(yīng)用,將直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制。近年來(lái)已經(jīng)成為研究者競(jìng)相關(guān)注的課題,大多數(shù)研究集中于其控制理論和實(shí)現(xiàn)方案的方面。本文則基于Matlab/Simulink軟件環(huán)境應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制理論,對(duì)PMSM控制系統(tǒng)建模仿真;詳細(xì)介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真中各個(gè)控制計(jì)算單元模型的建立,提供了一種建模思路;為電機(jī)控制器硬件的設(shè)計(jì)提供了仿真參考。
1 PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真建模
1.1 PMSM特點(diǎn)及控制系統(tǒng)選擇
PMSM常用的控制策略有:小容量同步電機(jī)的恒壓頻比控制;基于磁場(chǎng)定向的矢量控制;直接轉(zhuǎn)矩控制[2]。三種控制策略各有各的特點(diǎn),且在不同的應(yīng)用場(chǎng)合取得了較好的控制效果。然而,恒壓頻比控制的動(dòng)態(tài)性能不高;矢量控制在實(shí)際應(yīng)用上由于轉(zhuǎn)子磁鏈難于準(zhǔn)確觀測(cè),系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大,使得其控制效果難于達(dá)到理論分析的結(jié)果。直接轉(zhuǎn)矩控制的控制思想新穎,控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制手段直接,信號(hào)處理的物理概念明確,轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速,對(duì)轉(zhuǎn)子參數(shù)不敏感。鑒于這些優(yōu)點(diǎn),在PMSM控制系統(tǒng)中,選擇直接轉(zhuǎn)矩控制理論進(jìn)行嘗試,利用Matlab/Simulink計(jì)算機(jī)仿真軟件,進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真和分析。
1.2 PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的建模
在PMSM數(shù)學(xué)模型和直接轉(zhuǎn)矩控制理論的基礎(chǔ)上,在Matlab/Simulink的環(huán)境中,對(duì)PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。其控制系統(tǒng)仿真模型原理框圖見(jiàn)圖1。
PMSM數(shù)學(xué)模型的電系統(tǒng)采用dq軸數(shù)學(xué)模型[3](即PARK方程的數(shù)學(xué)模型)描述。它不僅可以用于分析電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能,也可以用于分析電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能。它使用固定于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子且隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的平面坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系見(jiàn)圖2。取永磁體基波磁場(chǎng)的方向?yàn)閐軸,而q軸順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°電角度,轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度即為轉(zhuǎn)軸速度。而PMSM數(shù)學(xué)模型的機(jī)械系統(tǒng)則由一階線性微分方程描述。
電磁轉(zhuǎn)矩的大小是由轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈之間的叉積來(lái)決定。直接轉(zhuǎn)矩控制的方法是控制定轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值基本不變,通過(guò)改變定轉(zhuǎn)子磁通間的夾角來(lái)改變電磁轉(zhuǎn)矩的大小。實(shí)際中主要是通過(guò)改變定子磁通的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)達(dá)到改變轉(zhuǎn)矩的目的。為了實(shí)現(xiàn)控制定子磁通的幅值和方向,可采用SVPWM逆變器選擇電壓矢量的方法實(shí)現(xiàn)。把SVPWM逆變器產(chǎn)生的電壓矢量平面的圓周劃分為6個(gè)扇區(qū),每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的磁通軌跡由該扇區(qū)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電壓矢量來(lái)形成,見(jiàn)圖3。在每個(gè)區(qū)域可選擇兩個(gè)相鄰矢量來(lái)增加或減少磁鏈的幅值,這兩個(gè)矢量就決定了最小開關(guān)頻率。通過(guò)選擇合理的電壓矢量及誤差帶,即可控制定子磁通的幅值和方向。根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制原理框圖見(jiàn)圖1,利用Matlab/Simulink建立永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。它主要包括了永磁同步電動(dòng)機(jī)模型、開關(guān)表、3/2變換、磁鏈估算、轉(zhuǎn)矩估算和逆變器等子模塊。[4][5]
(1)開關(guān)表子模塊。開關(guān)表子模塊是根據(jù)定子磁鏈的區(qū)間信號(hào)?茲(N)、磁鏈控制信號(hào)?椎和轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)?子從而選擇合適的空間電壓矢量,以實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制原理的重要模塊。為實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量的選擇,該模塊對(duì)其中的磁鏈控制信號(hào)?椎和轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)?子進(jìn)行處理,化為一個(gè)變量X,以便于在Matlab/Simulink中實(shí)現(xiàn)2D的Look-Up Table。經(jīng)比較后,當(dāng)信號(hào)給定值比實(shí)際值大時(shí),設(shè)磁鏈控制信號(hào)?椎和轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)?子為1,否則為0,變量X可以設(shè)置為X=2?椎+?仔+1。
經(jīng)過(guò)該子模塊,以定子磁鏈的區(qū)間信號(hào)?茲(N)、磁鏈控制信號(hào)?椎和轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)?子作為輸入量,從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)電壓矢量(6個(gè)狀態(tài)量)的選擇見(jiàn)表1。
(2)3/2變換子模塊。3/2變換子模塊根據(jù)逆變橋直流母線側(cè)電壓對(duì)電機(jī)直軸和交軸電壓、電流進(jìn)行計(jì)算。輸入端口1將三相電流引入后,按照3/2變換公式,用Fcn數(shù)學(xué)函數(shù)即可得出Id、Iq;輸入端口2引入開關(guān)電壓矢量后,按照電壓矢量dq軸分量表,可以一一對(duì)應(yīng)求出Ud、Uq,這種對(duì)應(yīng)關(guān)系可以很方便的用一維Look-Up Table查詢得到。輸出端口1只引出了直軸和交軸電流;輸出端口2則引出直軸和交軸電壓、電流。模塊見(jiàn)圖4。
(3)磁鏈估算子模塊。計(jì)算磁鏈在dq軸上的分量?追d、?追q由該子模塊實(shí)現(xiàn)。該子模塊在估算定子磁鏈的同時(shí)還可以確其在空間中所處的區(qū)域?茲,從而為空間電壓矢量選擇模塊提供輸入信號(hào)。模塊見(jiàn)圖5。磁鏈估算是根據(jù)磁鏈u-i模型,通過(guò)Fcn數(shù)學(xué)函數(shù)和積分環(huán)節(jié)計(jì)算?追d、?追q,再用Fcn數(shù)學(xué)函數(shù)求算術(shù)平均值即可得到定子磁鏈的幅值;區(qū)間判斷用MATLAB Fcn編程實(shí)現(xiàn)比較方便,根據(jù)計(jì)算得到的?追d、?追q數(shù)值,通過(guò)三角函數(shù)關(guān)系可以判斷出磁鏈所在區(qū)間。
(4)轉(zhuǎn)矩估算子模塊。轉(zhuǎn)矩估算模塊根據(jù)雙反應(yīng)理論轉(zhuǎn)矩公式,通過(guò)Fcn數(shù)學(xué)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn),見(jiàn)圖6。
2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真分析
仿真中,結(jié)合一臺(tái)2.2kW PMSM,其參數(shù):相數(shù)為3,極數(shù)為6,額定頻率50Hz;設(shè)置控制系統(tǒng)的參數(shù)為速度環(huán)比例系數(shù)Kp=3,速度環(huán)積分系數(shù)Ki=10,轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器參數(shù)?駐T=0.05,磁鏈滯環(huán)比較器參數(shù)?駐?追=0.05,磁鏈給定值?追為0.175。
仿真過(guò)程描述如下:起初電機(jī)空載,轉(zhuǎn)速給定100 rad/s,轉(zhuǎn)矩給定4 N·m,電機(jī)啟動(dòng),開始加速并馬上跟隨給定轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)矩,穩(wěn)定后,在0.1 s將轉(zhuǎn)矩突變?yōu)? N·m,在波形上電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)有些波動(dòng),轉(zhuǎn)速開始調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)完成后最終轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在2 N·m,在此過(guò)程當(dāng)中,磁鏈?zhǔn)冀K跟隨給定0.175 Wb。
從仿真結(jié)果分析,該控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果,驗(yàn)證了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的正確性和可行性,為實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。但需要注意的是:在仿真中有很多模型都是理想化的,有很多因素還不能從模型中反映出來(lái),真正的實(shí)現(xiàn)PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制還需要考慮眾多因素。
3 結(jié)論
文章分析了PMSM數(shù)學(xué)模型和直接轉(zhuǎn)矩控制的原理,利用Matlab的Simulink軟件環(huán)境對(duì)PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)建模及仿真。仿真結(jié)果表明該控制系統(tǒng)模型具有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能,為PMSM控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)整體性能的提高提供了良好的幫助。
參考文獻(xiàn):
[1]Zhong L,Rahamn M F, Analysis of Direct Torque Control in Permanent Magnet Synchronous Motor Drives [J],IEEE Trans On PE, 1997.12(3):528-535
[2]李夙,異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999
[3]唐任遠(yuǎn),現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997
[4]謝運(yùn)祥、盧柱強(qiáng),基于Matlab/Simulink的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真建模[J],華南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004(1):19-23
[5]徐艷平、曾光、孫向東,永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制的研究[J],電力電子技術(shù),2003(6):15-17
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