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        永磁同步電動機(jī)定子磁鏈扇區(qū)細(xì)分控制分析

        2015-03-12 09:22:56魏保立張瑞坤
        微特電機(jī) 2015年11期
        關(guān)鍵詞:扇區(qū)磁鏈細(xì)分

        魏保立,張瑞坤

        (鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,鄭州450000)

        0 引 言

        控制系統(tǒng)優(yōu)劣對橫向磁通永磁電機(jī)性能發(fā)揮有很大影響,直接轉(zhuǎn)矩控制是在保持定子磁鏈幅值不變的前提下改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向和速度,從而達(dá)到控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)[1]。直接轉(zhuǎn)矩控制在與其它控制方法對比中具有動態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)簡單和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),并且其實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩與磁鏈近似解耦,因而得到電機(jī)控制領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[2-3]。

        電壓矢量的選擇在直接轉(zhuǎn)矩控制開關(guān)表中具有重要的地位。在某一瞬時時間段內(nèi)應(yīng)盡量選擇既能滿足動態(tài)性能又能減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動的單一電壓矢量,前后兩個時間段內(nèi)的電壓矢量可能會有較大差異,但是由于各個時間段內(nèi)所施加電壓矢量的不連續(xù)性,這樣就造成在一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩與磁鏈之間存在較大變化。

        基于空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制,本文提出基于定子磁鏈?zhǔn)松葏^(qū)細(xì)分法的永磁同步電動機(jī)(以下簡稱PMSM)控制方案,減小兩個快速切換矢量間的幅值,降低磁鏈脈動,優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制效果。研究表明,定子磁鏈?zhǔn)松葏^(qū)細(xì)分法的電壓矢量直接轉(zhuǎn)矩(以下簡稱SVM -DTC)控制方法可以通過抑制轉(zhuǎn)矩脈動達(dá)到改善電機(jī)低速性能。

        1 SVM-DTC 控制算法

        在直接轉(zhuǎn)矩控制中電磁轉(zhuǎn)矩的控制是通過控制磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度實現(xiàn)的,只要在每一時間段內(nèi)選擇合適的空間電壓矢量控制定子磁鏈走走停停得以實現(xiàn),就可以改變定轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角。分析坐標(biāo)系d-q 中PMSM 磁鏈關(guān)系,可得到定子磁鏈坐標(biāo)系下電壓和轉(zhuǎn)矩方程式:

        直接轉(zhuǎn)矩控制和空間電壓矢量都具有一定的優(yōu)缺點(diǎn),研究人員將二者進(jìn)行結(jié)合,形成SVM -DTC,它兼顧了二者優(yōu)點(diǎn),在一定程度上彌補(bǔ)了各自的不足[4-5]。空間電壓矢量直接轉(zhuǎn)矩控制使下一個周期的觀測轉(zhuǎn)矩和磁鏈幅值等于給定值,從而在一周期內(nèi)確定了下一個周期的控制量變化方向和大小,能有效減小磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩的脈動改善控制效果。

        SVM-DTC 控制算法磁鏈軌跡比常規(guī)DTC 磁鏈軌跡要相對平滑,整個控制過程沒有出現(xiàn)磁鏈急速變化和波動幅值大的情況,這凸顯了SVM 控制和DTC 控制相結(jié)合的優(yōu)良性,克服了常規(guī)DTC 因采用兩個滯環(huán)控制器和零電壓矢量來獲得轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)而犧牲系統(tǒng)穩(wěn)定性的缺陷[6]??臻g電壓矢量直接轉(zhuǎn)矩控制的圓形磁鏈控制中選擇多個電壓矢量控制一個區(qū)域內(nèi)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩?;诹呅坞妷菏噶康闹苯愚D(zhuǎn)矩控制定子磁鏈軌跡如圖1 所示。

        圖1 六邊形電壓矢量定子磁鏈軌跡

        從圖1 中可以看出,六邊形直接轉(zhuǎn)矩控制可基本實現(xiàn)預(yù)期的轉(zhuǎn)矩控制,但產(chǎn)生的磁鏈軌跡明顯波動較大,很不均勻,動態(tài)平衡范圍大,對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制都會產(chǎn)生不良影響,降低電機(jī)工作性能。

        2 定子磁鏈扇區(qū)細(xì)分法

        2.1 十二扇區(qū)定子磁鏈細(xì)分法

        直接轉(zhuǎn)矩控制是通過選擇適當(dāng)?shù)亩ㄗ与妷菏噶繉⑥D(zhuǎn)矩和定子磁鏈誤差限制在滯環(huán)寬度內(nèi),但離散分布的不同電壓矢量間切換使得磁鏈發(fā)生突變,造成磁鏈幅值的急速增大或減小,引起磁鏈畸變,造成轉(zhuǎn)矩脈動。六邊形矢量選擇表中只有六個空間電壓矢量,會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動超過設(shè)定的滯環(huán)寬度,使電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動,影響電機(jī)的工作性能。

        將常規(guī)定子磁鏈六扇區(qū)劃分為定子磁鏈?zhǔn)葏^(qū),可在不改變源逆變器電路拓?fù)淝疤嵯逻x擇更多的矢量,減小因電壓矢量交替產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動。六扇區(qū)磁鏈軌跡中存在諧波分量,5 次和7 次諧波分量最大。十二扇區(qū)定子磁鏈細(xì)分法可以削弱5 次和7 次諧波分量,但11 次和13 次諧波分量相比于由六扇區(qū)磁鏈軌跡卻有所增加[7-8]。

        2.2 十八扇區(qū)定子磁鏈細(xì)分法

        在十二扇區(qū)細(xì)分的基礎(chǔ)上,本文提出定子磁鏈進(jìn)一步細(xì)分的SVM -DTC PMSM 控制方案,將定子磁鏈由十二扇區(qū)細(xì)分為十八扇區(qū),以削弱定子電流中的5 次、7 次、11 次和13 次諧波分量。

        圖2 十八扇區(qū)磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制扇區(qū)

        十八扇區(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制扇區(qū)及電壓矢量選擇如圖2 所示。PMSM 定子磁鏈?zhǔn)松葏^(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。定子磁鏈?zhǔn)松葏^(qū)的空間矢量選擇同六邊形磁鏈空間矢量選擇一樣,根據(jù)定子磁鏈?zhǔn)噶康母鞣至看笮】梢耘袛嗍松葏^(qū)定子磁鏈所在扇區(qū)。依據(jù)六扇區(qū)定子磁鏈空間矢量所在扇區(qū)的判定,作十八扇區(qū)的扇區(qū)判斷,得到十八扇區(qū)電壓矢量選擇,如表1 所示,表中只列出前9 個扇區(qū)。

        表1 定子磁鏈?zhǔn)松葏^(qū)電壓矢量選擇表

        表1 中P 為正反轉(zhuǎn)控制的輸出信息,“1”為正轉(zhuǎn),“0”為反轉(zhuǎn);T 為轉(zhuǎn)矩控制的輸出信息,“1”為需要增加轉(zhuǎn)矩,“0”為不需要增加轉(zhuǎn)矩;F 為磁鏈控制的輸出信息,“1”為需要增加磁鏈幅值,“0”為不需要增加磁鏈幅值。

        依據(jù)PMSM 定子磁鏈?zhǔn)松葏^(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)圖,在Simulink 環(huán)境中建立定子磁鏈?zhǔn)松葏^(qū)細(xì)分SVM-DTC 仿真模型,得到如圖4 所示的定子磁鏈軌跡圖。

        圖4 表明定子磁鏈?zhǔn)松葏^(qū)的磁鏈軌跡比六扇區(qū)的磁鏈軌跡要相對平滑,整個控制過程沒有出現(xiàn)磁鏈急速變化和波動幅值大的情況。

        定子磁鏈?zhǔn)松葏^(qū)細(xì)分SVM -DTC 方式下三相電流仿真如圖5 所示,轉(zhuǎn)速曲線如圖6 所示。電機(jī)運(yùn)行處于平穩(wěn)狀態(tài)后三相電流峰值對稱分布,基于定子磁鏈?zhǔn)松葏^(qū)細(xì)分的SVM -DTC 能夠滿足控制要求??梢钥闯鲛D(zhuǎn)速在0.02 s 時就達(dá)到穩(wěn)定,且沒有轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象。在轉(zhuǎn)速快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,轉(zhuǎn)速相對平穩(wěn)于135 r/min。

        研究表明,十八扇區(qū)定子磁鏈比十二扇區(qū)定子磁鏈與六扇區(qū)定子磁鏈更加逼近于圓形磁鏈,能夠有效改善定子磁鏈軌跡,定子電流中的5 次和7 次諧波分量比六扇區(qū)磁鏈和十二扇區(qū)磁鏈都明顯減小,而11 次和13 次諧波分量的幅值很小,可以忽略不計。這進(jìn)一步凸顯了扇區(qū)細(xì)分思想的定子磁鏈?zhǔn)松葏^(qū)控制的優(yōu)良性,克服了常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩控制的兩個矢量間快速切換而犧牲系統(tǒng)穩(wěn)定性的缺陷。

        3 結(jié) 語

        本文提出的定子磁鏈?zhǔn)松葏^(qū)細(xì)分的SVM -DTC 控制,發(fā)揮了SVM 控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的共同優(yōu)勢,在沒有引入其他測量方式和增加控制系統(tǒng)復(fù)雜性的情況下已可以使控制效果充分滿足要求。十八扇區(qū)磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制既可以減小PMSM 電流諧波、減小轉(zhuǎn)矩脈動,改善直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能,且功率器件的開關(guān)頻率增加不大,可以在工程中得到較好的應(yīng)用。

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