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        永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)

        2013-11-21 08:00:22涂小衛(wèi)俞志軒
        電機與控制應(yīng)用 2013年10期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        涂小衛(wèi),楊 影,陳 鑫,俞志軒

        (上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,上海 200072)

        0 引言

        交流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速精度高、調(diào)速范圍廣、響應(yīng)速度快、過載能力強、節(jié)能顯著等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于電力、運輸、制造等國民經(jīng)濟領(lǐng)域。永磁同步電動機(PermanentMagnetSynchronous Motor,PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、易維護、體積小、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點,在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,因此研究高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實意義[1]。結(jié)合電機控制專用浮點型數(shù)字信號處理(DSP)芯片TMS302F28335,設(shè)計了PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),采用截止頻率隨轉(zhuǎn)速同步修改的低通濾波器(Low Pass Filter,LPF)估算定子磁鏈。在系統(tǒng)中采用了一種簡單有效的零矢量電流限幅措施解決起動過流,該系統(tǒng)具有控制結(jié)構(gòu)簡單,動態(tài)性能好,改善了低速性能等優(yōu)點。

        1 PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制原理

        1.1 PMSM數(shù)學(xué)模型

        圖1 PMSM在不同坐標(biāo)下的矢量圖

        PMSM不同坐標(biāo)系下的矢量圖如圖1所示,轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系,d軸正方向為轉(zhuǎn)子磁鏈方向;定子同步旋轉(zhuǎn)的xy坐標(biāo)系,x軸正方向為定子磁鏈方向;兩相靜止坐標(biāo)系αβ,α軸正方向與電機A軸重合。運用坐標(biāo)變換原理,整理三相PMSM在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下[2]。

        式中:ψd,ψq——定子磁鏈 d,q軸分量;

        Ld,Lq——定子 d,q 軸等效電感;

        id,iq——定子電流;

        ud,uq——定子電壓 d,q 軸分量;

        ψf——轉(zhuǎn)子磁鏈;

        p——微分算子;

        Rs——定子繞組電阻;

        ωr——轉(zhuǎn)子機械角速度;

        Te——電磁轉(zhuǎn)矩;

        np——電機極對數(shù)。

        PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制采用的是定子磁鏈定向控制,根據(jù)定子磁鏈坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過等效坐標(biāo)變化可得其直接轉(zhuǎn)矩控制的基本方程為[3]

        對于隱極式PMSM,Lq=Ld,故式(4)可寫為

        1.2 PMSM傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制原理

        PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,主要包括:滯環(huán)比較器、開關(guān)表、轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈估算三個環(huán)節(jié)。定子磁鏈參考值設(shè)定為轉(zhuǎn)子磁鏈幅值,將磁鏈和轉(zhuǎn)矩的估算值分別與對應(yīng)參考值滯環(huán)比較,得到定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩的控制信號Δψs、ΔTe,并參考定子磁鏈扇區(qū),查詢表1所示的開關(guān)表,確定逆變器的開關(guān)狀態(tài),得到功率器件的控制信號驅(qū)動逆變器。表1中電壓矢量U0、U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7分別對應(yīng)逆變器三相 Sa、Sb、Sc的開關(guān)狀態(tài)“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”、“111”[4]。

        表1 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控開關(guān)表

        圖2 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        2 定子磁鏈估算

        電壓模型是交流調(diào)速系統(tǒng)中觀測定子磁鏈的基本方法,其具有算法簡單、對電機參數(shù)依賴小等優(yōu)點,所以電壓模型磁鏈觀測法一直受到人們的重視。

        基于電壓模型的定子磁鏈估算方案采用了純積分器,但利用理想積分器估算磁鏈時,定子電流與變頻器直流電壓的測量誤差以及定子電阻參數(shù)不準(zhǔn)都可能在磁鏈估算結(jié)果中引起畸變。為克服直流漂移問題而采用LPF替代純積分器估算定子磁鏈的方案。

        LPF的傳遞函數(shù)為τ/(1+τs),τ為時間常數(shù),其倒數(shù)1/τ=ωc為截止頻率,可進一步演變?yōu)?/p>

        由式(7)可將LPF看成由高通濾波器(HPF)和純積分兩個環(huán)節(jié)組成。純積分正是計算定子磁鏈所需要的算法,HPF則可以抑制或濾去直流偏移量。

        LPF和純積分的波特圖如圖3所示,適當(dāng)?shù)倪x取截止頻率的LPF可以取代純積分環(huán)節(jié),同時可以抑制或濾去直流偏移量。LPF帶來的相位和幅值誤差,也會帶來電壓矢量誤選的問題,可以采用改變截止頻率來減小LPF所帶來的幅值和相位的偏差,從而提高性能。根據(jù)實際電機轉(zhuǎn)速實時調(diào)整截止頻率 ωc=kωe,比例系數(shù) k范圍為0.1 ~0.5[5],對低速下的磁鏈估算誤差起到抑制作用,同時在高速時恢復(fù)到較高的截止頻率,這樣就不會影響高速下的穩(wěn)定性能。

        圖3 LPF和純積分的波特圖

        3 直接轉(zhuǎn)矩控制起動限流措施

        由于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)無電流環(huán),雖然轉(zhuǎn)矩限幅可以限制電流,但在起動的初始過程中電磁轉(zhuǎn)矩為零,轉(zhuǎn)矩限幅無法限制電流,直接利用開關(guān)表選擇電壓矢量自然的起動,將會帶來很大的電流沖擊而引起頻繁的保護動作,甚至?xí)p壞主電路,因此必須采取起動限流措施。

        在本系統(tǒng)中采用了一種簡單有效的零矢量電流限制措施:加入軟件電流限制措施。當(dāng)電流的檢測值達到軟件保護閾值時,選擇零矢量進行限流;當(dāng)電流降至保護閾值以下時,則正常按照開關(guān)表選擇電壓矢量[6]。

        4 仿真及試驗研究

        為了驗證所提出方案的正確性和可行性,針對同一PMSM分別進行了基于MATLAB/Simulink的仿真驗證和實際系統(tǒng)的試驗驗證。

        仿真和試驗用PMSM電機參數(shù)額定轉(zhuǎn)矩2.39 N·m,極對數(shù) 4,定子電阻1.6 Ω,永磁體磁鏈 Ψf=0.065 8 Wb。交、直軸電感 0.004 H,轉(zhuǎn)動慣量0.000 103 kg·m2額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。磁鏈滯環(huán)寬度設(shè)為0,轉(zhuǎn)矩滯環(huán)范圍設(shè)為[-0.01,0.01]。速度環(huán)采樣周期為2 ms,控制周期為50 μs,直流母線電壓50 V,軟件電流限幅值為6 A,均在空載下試驗,仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

        圖4 起動時電壓矢量和母線電流波形

        圖5 系統(tǒng)在空載下運行的響應(yīng)曲線

        由圖4(a)自然起動波形可看出,起動電流為8 A,超出實際系統(tǒng)中的硬件電路保護值6.67 A,在實際系統(tǒng)中起動失敗。圖4(b)采用軟件零矢量限流措施起動的波形,在檢測母線電流超出閾值6 A時選擇了零矢量,電流降至保護閾值以下時,則正常按照開關(guān)表選擇電壓矢量,故可以將起動時的電流限制在6 A附近,在實際系統(tǒng)中可順利起動。對比圖4(a)、圖4(b)可看出達到穩(wěn)態(tài)的時間均約30 ms,即采用軟件零矢量限流措施起動方案對系統(tǒng)快速響應(yīng)性幾乎無影響。圖5為系統(tǒng)在20%額定轉(zhuǎn)速、空載下運行穩(wěn)態(tài)時的波形,圖5(a)表明系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能好,圖5(b)可看出純積分會帶來累計誤差,而采用截止頻率隨轉(zhuǎn)速同步改變的LPF方案可以很好地跟隨真實磁鏈,估算定子磁鏈較為準(zhǔn)確,圖5(c)為給定轉(zhuǎn)速1 000 r/min起動在0.3 s轉(zhuǎn)速跳變到100 r/min,系統(tǒng)經(jīng)過40 ms達到穩(wěn)態(tài),系統(tǒng)響應(yīng)快速,低速性能良好。

        為進一步試驗驗證所提出方案的可行性,搭建了基于浮點型DSP芯片TMS302F28335的直接轉(zhuǎn)矩控制硬件平臺,采用電機自帶的2 500線增量式光電編碼器測速,系統(tǒng)中硬件電路母線電流保護值6.67 A,試驗波形如圖6~圖9所示。

        圖6 穩(wěn)態(tài)時定子磁鏈圓

        圖7 1 000 r/min時磁鏈(上)和定子磁鏈扇區(qū)(下)

        圖8 100 r/min時ψα磁鏈(上)和定子磁鏈扇區(qū)(下)

        圖9 100 r/min時輸出轉(zhuǎn)矩(上)和實際轉(zhuǎn)速(下)波形

        圖6 為穩(wěn)態(tài)時實際系統(tǒng)的定子磁鏈圓波形,可見系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能好。圖7和圖8為系統(tǒng)空載下,分別在轉(zhuǎn)速1 000 r/min和100 r/min時所對應(yīng)的定子磁鏈在α軸的分量和定子磁鏈扇區(qū)波形。對比圖7和圖8可看出,在高速范圍內(nèi)系統(tǒng)性能良好,而在低速100 r/min時定子磁鏈和扇區(qū)波形有所畸變,但系統(tǒng)總體運行正常。圖9為低速100 r/min時輸出轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)速波形,轉(zhuǎn)矩脈動約0.3 N·m,轉(zhuǎn)速波動較大為±30 r/min,系統(tǒng)運行平緩,拓寬了PMSM的調(diào)速范圍。

        5 結(jié)語

        針對純積分帶來的累計誤差問題,采用低通濾波器估算定子磁鏈的方案,在低速時由轉(zhuǎn)速同步實時修改截止頻率,而在高速時恢復(fù)較高的截止頻率,仿真和試驗結(jié)果表明,可以改善直接轉(zhuǎn)矩在低速的性能,拓寬了PMSM直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍。系統(tǒng)同時采用了軟件零矢量限流措施起動方案,采用零矢量來限制起動電流,仿真和試驗結(jié)果說明該方案可有效抑制起動電流過大問題,而且保持了傳統(tǒng)DTC控制的動態(tài)響應(yīng)快速,控制結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點,改善了傳統(tǒng)DTC的控制性能,但仍存在低速范圍噪聲大,極低速時運行不穩(wěn)定的缺點。

        [1]韓如成,潘峰,智澤英.直接轉(zhuǎn)矩控制理論及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

        [2]田淳,胡育文.永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)理論及控制方案的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2002(2):8-11.

        [3]袁登科,陶生桂.交流永磁電機變頻調(diào)速系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

        [4]周揚忠,胡育文.交流電動機直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

        [5]HINKKANEN M,LUOMI J.Modified integrator for voltage model flux estimation of induction motor[J].IEEE Trans Ind Electron,2003,50(4):818-820.

        [6]胡育文,黃文新,張?zhí)m紅,等.異步電機(電動、發(fā)電)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

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