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        基于數(shù)字信號處理器的特種電機(jī)無傳感器控制技術(shù)

        2018-01-09 09:54:50崔紅
        科技視界 2018年26期

        崔紅

        【摘 要】本文針對特種電機(jī)中的高速電機(jī)控制系統(tǒng)采用了基于滑膜控制的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制策略以解決高速電機(jī)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩帶來的問題,研究了高速電機(jī)無傳感器的速度估算方法。建立了基于滑膜控制的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型,驗(yàn)證了該控制方法的可行性。

        【關(guān)鍵詞】高速電機(jī);滑膜控制;無傳感器;直接轉(zhuǎn)矩控制

        中圖分類號: TM310 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 2095-2457(2018)26-0045-002

        DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.018

        0 引言

        高速電機(jī)具有體積小、輸出功率大等特點(diǎn),非常適合在高速銑床、壓縮機(jī)、水泵等系統(tǒng)中應(yīng)用。對于高速電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),由于在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝復(fù)雜的傳感器比較困難,所以采用無傳感器控制方式非常必要[1]。為了解決傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩帶來的轉(zhuǎn)矩脈動大、開關(guān)頻率變化等問題[1],本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快的基于滑膜控制的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制方式。

        1 高速電機(jī)基于滑膜控制的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制

        1.1 滑??刂破髟O(shè)計(jì)方法

        高速電機(jī)基于滑膜控制的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈?zhǔn)芑た刂破鞯目刂?,其輸出信號用于產(chǎn)生逆變器的控制信號以確保輸出的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈能很好地跟蹤給定值。

        結(jié)構(gòu)圖

        高速電機(jī)的狀態(tài)方程可以通過靜止坐標(biāo)系α-β參考模型來建立。在基于滑膜控制的直接轉(zhuǎn)矩控制中,轉(zhuǎn)子位置信息包含在狀態(tài)方程中,不需要位置環(huán)就可以獲得精確的轉(zhuǎn)子位置信息,進(jìn)而確保高速電機(jī)能夠可靠啟動。

        在本文的研究中把電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈給定值與檢測值的差值作為切換函數(shù)S,如式(1):

        切換函數(shù)的選擇原則是當(dāng)切換函數(shù)等于0時(shí),使滑模運(yùn)動方式穩(wěn)定。采用指數(shù)趨近律能夠使系統(tǒng)在啟動時(shí)快速運(yùn)行到切換面,而當(dāng)滑模快接近切換面時(shí)速度減慢,進(jìn)而避免電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈產(chǎn)生較大的波動。

        指數(shù)趨近律為:

        式中J、K均為大于0的常數(shù)。將式(6)代入式(2),可得式(7)所示的控制律矩陣U:

        靜止坐標(biāo)系α-β參考模型中的電壓矢量 可以計(jì)算出來,用于空間矢量的調(diào)制,能夠使開關(guān)頻率恒定。

        1.2 轉(zhuǎn)子速度的估算

        當(dāng)高速電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)速度相同[3]。轉(zhuǎn)子速度可以通過速度估算得到。

        (8)

        式中Rs為定子電阻值,ωr為轉(zhuǎn)子的速度,ωs為電機(jī)定子磁場的速度。

        2 系統(tǒng)仿真及結(jié)論

        本文以PN=15kW,UN=380V,nN=20000r/min,p=1,定子電阻Rs=0.02,Ld=Lq=4mH的高速電機(jī)為被控對象,對上述提出的基于滑膜控制的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制策略進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果如圖2-圖5所示。

        控制方式下的電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速曲線

        從圖中的仿真結(jié)果可以看出,與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制相比,高速電機(jī)基于滑膜控制的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制方式的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動更小,動態(tài)響應(yīng)和傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制一樣快。本文提出的基于滑膜控制的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)高速電機(jī)的無傳感器變速控制。電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和速度可以通過電機(jī)電壓和電流值估算出來。無傳感器控制策略特別適合于高速電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]賈洪平,周華偉,劉國海.PMSM變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制無傳感器運(yùn)行[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(10):24-29.

        [2]Zhong L,Rahman M F,Hu W Y and Lim K W.Analysis of direct torque control in permanent magnet synchronous motor drives[C].IEEE Transactions on Power Electronics,1997,3:528-536.

        [3]R.Wu,G.R.Slemon.A permanent magnet motor drive without a shaft sensor[C].IEEE Trans.Ind.Applicat.,1991,2(5):1005-1011.

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