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永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的研究論文
摘 要:將計算機仿真技術(shù)應用于永磁同步電動機控制器的設(shè)計研究過程。根據(jù)永磁同步電動機的數(shù)學模型,結(jié)合直接轉(zhuǎn)矩控制理論,以永磁同步電動機為例,利用Matlab/Simulink軟件,對永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真建模,給出了其仿真結(jié)果。
關(guān)鍵詞:永磁同步電動機;直接轉(zhuǎn)矩控制;Matlab/Simulink
永磁同步電動機(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;直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)直接對電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行控制,使電機轉(zhuǎn)矩響應迅速;該技術(shù)最先應用于感應電機控制中,隨著PMSM廣泛應用,將直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)應用于永磁同步電動機的控制。近年來已經(jīng)成為研究者競相關(guān)注的課題,大多數(shù)研究集中于其控制理論和實現(xiàn)方案的方面。本文則基于Matlab/Simulink軟件環(huán)境應用直接轉(zhuǎn)矩控制理論,對PMSM控制系統(tǒng)建模仿真;詳細介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真中各個控制計算單元模型的建立,提供了一種建模思路;為電機控制器硬件的設(shè)計提供了仿真參考。
1 PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真建模
1.1 PMSM特點及控制系統(tǒng)選擇
PMSM常用的控制策略有:小容量同步電機的恒壓頻比控制;基于磁場定向的矢量控制;直接轉(zhuǎn)矩控制[2]。三種控制策略各有各的特點,且在不同的應用場合取得了較好的控制效果。然而,恒壓頻比控制的動態(tài)性能不高;矢量控制在實際應用上由于轉(zhuǎn)子磁鏈難于準確觀測,系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大,使得其控制效果難于達到理論分析的結(jié)果。直接轉(zhuǎn)矩控制的控制思想新穎,控制結(jié)構(gòu)簡單,控制手段直接,信號處理的物理概念明確,轉(zhuǎn)矩響應迅速,對轉(zhuǎn)子參數(shù)不敏感。鑒于這些優(yōu)點,在PMSM控制系統(tǒng)中,選擇直接轉(zhuǎn)矩控制理論進行嘗試,利用Matlab/Simulink計算機仿真軟件,進行計算機仿真和分析。
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PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行了計算機仿真。其控制系統(tǒng)仿真模型原理框圖見圖1。
PMSM數(shù)學模型的電系統(tǒng)采用dq軸數(shù)學模型[3](即PARK方程的數(shù)學模型)描述。它不僅可以用于分析電機的穩(wěn)態(tài)運行性能,也可以用于分析電動機的瞬態(tài)性能。它使用固定于永磁同步電動機轉(zhuǎn)子且隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的平面坐標系作為參考坐標系見圖2。取永磁體基波磁場的方向為d軸,而q軸順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°電角度,轉(zhuǎn)子參考坐標系的旋轉(zhuǎn)速度即為轉(zhuǎn)軸速度。而PMSM數(shù)學模型的機械系統(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,通過改變定轉(zhuǎn)子磁通間的夾角來改變電磁轉(zhuǎn)矩的大小。實際中主要是通過改變定子磁通的旋轉(zhuǎn)速度來達到改變轉(zhuǎn)矩的目的。為了實現(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個扇區(qū),每個扇區(qū)內(nèi)的磁通軌跡由該扇區(qū)所對應的兩個電壓矢量來形成,見圖3。在每個區(qū)域可選擇兩個相鄰矢量來增加或減少磁鏈的幅值,這兩個矢量就決定了最小開關(guān)頻率。通過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)矩控制原理框圖見圖1,利用Matlab/Simulink建立永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。它主要包括了永磁同步電動機模型、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?茲(N)、磁鏈控制信號?椎和轉(zhuǎn)矩控制信號?子從而選擇合適的空間電壓矢量,以實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制原理的重要模塊。為實現(xiàn)電壓空間矢量的選擇,該模塊對其中的磁鏈控制信號?椎和轉(zhuǎn)矩控制信號?子進行處理,化為一個變量X,以便于在Matlab/Simulink中實現(xiàn)2D的Look-Up Table。經(jīng)比較后,當信號給定值比實際值大時,設(shè)磁鏈控制信號?椎和轉(zhuǎn)矩控制信號?子為1,否則為0,變量X可以設(shè)置為X=2?椎+?仔+1。
經(jīng)過該子模塊,以定子磁鏈的區(qū)間信號?茲(N)、磁鏈控制信號?椎和轉(zhuǎn)矩控制信號?子作為輸入量,從而實現(xiàn)開關(guān)電壓矢量(6個狀態(tài)量)的選擇見表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)電壓對電機直軸和交軸電壓、電流進行計算。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,可以一一對應求出Ud、Uq,這種對應關(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。模塊見圖4。
(3)磁鏈估算子模塊。計算磁鏈在dq軸上的分量?追d、?追q由該子模塊實現(xiàn)。該子模塊在估算定子磁鏈的同時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。模塊見圖5。磁鏈估算是根據(jù)磁鏈u-i模型,通過Fcn數(shù)學函數(shù)和積分環(huán)節(jié)計算?追d、?追q,再用Fcn數(shù)學函數(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編程實現(xiàn)比較方便,根據(jù)計算得到的?追d、?追q數(shù)值,通過三角函數(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)雙反應理論轉(zhuǎn)矩公式,通過Fcn數(shù)學函數(shù)即可實現(xiàn),見圖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。
仿真過程描述如下:起初電機空載,轉(zhuǎn)速給定100 rad/s,轉(zhuǎn)矩給定4 N·m,電機啟動,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,在波形上電機的電磁轉(zhuǎn)矩應有些波動,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,在此過程當中,磁鏈始終跟隨給定0.175 Wb。
從仿真結(jié)果分析,該控制系統(tǒng)達到了預期效果,驗證了永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的正確性和可行性,為實際系統(tǒng)的實現(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,真正的實現(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)學模型和直接轉(zhuǎn)矩控制的原理,利用Matlab的Simulink軟件環(huán)境對PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行了計算機數(shù)學建模及仿真。仿真結(jié)果表明該控制系統(tǒng)模型具有良好的動態(tài)、靜態(tài)性能,為PMSM控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制系統(tǒng)整體性能的提高提供了良好的幫助。
參考文獻:
[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,異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制[M],北京:機械工業(yè)出版社,1999
[3]唐任遠,現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M],北京:機械工業(yè)出版社,1997
[4]謝運祥、盧柱強,基于Matlab/Simulink的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真建模[J],華南理工大學學報,2004(1):19-23
[5]徐艷平、曾光、孫向東,永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制的研究[J],電力電子技術(shù),2003(6):15-17
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