李 強(qiáng),祝龍記,胡鴻飛
(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)
永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous motor,PMSM)由于系統(tǒng)效率高、啟動特性硬、調(diào)速范圍廣、可靠性高、維修量小、故障率低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用[1-5]。永磁同步電機(jī)在采用空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)控制中,為了防止上下橋臂直通現(xiàn)象需要加入一個死區(qū)時間[6-7],同時,開關(guān)器件本身固有的開通和關(guān)斷時間的存在,會導(dǎo)致逆變器輸出電流波形產(chǎn)生畸變和電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動增加。因此,PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的運(yùn)行性能受到了嚴(yán)重的影響[8-10]。
本文在PMSM采用SVPWM的矢量控制(field-oriented control,F(xiàn)OC)中,把死區(qū)效應(yīng)作為給定電壓矢量的一個擾動矢量d,根據(jù)擾動矢量的變化規(guī)律,將扇區(qū)重新劃分,給出擾動矢量的大小和空間分布,利用基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(extended state observer, ESO)控制策略對死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。
圖1為礦用電機(jī)車PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以逆變器A相橋臂為例,來分析死區(qū)時間(Td)、開通時間(Ton)和關(guān)斷時間(Toff)對逆變器輸出電流的影響[11-13]。
由于電機(jī)繞組為感性, 流過其電流不能發(fā)生突變現(xiàn)象,所以在死區(qū)時間內(nèi),輸出電壓方向與當(dāng)前電流的方向一致。如圖2(a)~(c)所示,沒有死區(qū)時間時觸發(fā)信號與輸出電壓(Ua1)波形;圖2(b)為有死區(qū)時間時的觸發(fā)信號。當(dāng)ia>0時,下橋臂S2的開關(guān)管反并聯(lián)二極管實(shí)際輸出電壓(Ua2)波形如圖2(d)所示;當(dāng)ia<0時, 上橋臂S1的反并聯(lián)二極管的實(shí)際輸出電壓(Ua3)波形如圖2(e)所示[14-15]。
圖1 PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖2 A相橋臂觸發(fā)信號與輸出電壓
由圖2可以看出,當(dāng)ia>0時,誤差時間為
ΔT=Td+Ton-Toff
當(dāng)ia<0時,ΔT=-(Td+Ton-Toff)
下面分析死區(qū)時間對電壓矢量的影響。當(dāng)給定電壓矢量Uc在第一扇區(qū)時,并且ia>0、ib<0、ic<0時理想給定電壓輸出波形與實(shí)際電壓輸出波形的比較便能分析出,理想給定電壓矢量Uc與實(shí)標(biāo)電壓矢量Us相差2ΔT·U4。
隨著電流極性的變化和給定電壓矢量所在扇區(qū)的變化,導(dǎo)致了死區(qū)效應(yīng)對電壓矢量的變化,本文把實(shí)際電壓矢量偏離給定電壓矢量的差值來作為擾動矢量d,在平面矢量α-β坐標(biāo)系下如圖3所示。
圖3 矢量關(guān)系
從控制角度考慮可以把死區(qū)效應(yīng)作為PMSM控制系統(tǒng)的一個外部干擾,這個外部干擾本質(zhì)是擾動矢量d,因此,把d作為PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)的一部分并建立其數(shù)學(xué)模型。為了得到擾動矢量d的變化情況,本文把扇區(qū)S1~S6平面按照三相電流極性的組合重新平均分為了六個部分P1~P6,如圖4與表1所示。
圖4 擾動矢量的空間分布
所在部分?jǐn)_動矢量(d)電流極性(ia、b、c)P1-2ΔTU4+--P2-2ΔTU6++-P3-2ΔTU2-+-P4-2ΔTU3-++P5-2ΔTU1--+P6-2ΔTU5+-+
把重新分的P1作為研究對象,并對電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行情況在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d-q軸下得出擾動矢量d的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
(1)
(2)
式(1)和(2)中dd和dq分別為擾動矢量d在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d-q軸下的分量,s為擾動矢量d的幅值,ω為電機(jī)的電角度。
含有死區(qū)擾動矢量d的PMSM數(shù)學(xué)模型,得出下式
(3)
將式(3)轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可得
(4)
(5)
式(4)和(5)中Rs表示定子電阻,Ucd和Ucq表示電壓矢量Uc在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d-q軸上的分量,Ld與Lq表示電感,ψf表示永磁體磁鏈。為了得出ESO可以讓式(4)和(5)做如下變換
(6)
(7)
實(shí)際應(yīng)用中電感Ld與Lq值會根據(jù)PMSM電機(jī)運(yùn)行情況的不同而發(fā)生變化并且無法準(zhǔn)確測量其值。因此把實(shí)驗(yàn)測得的Lmd和Lmq作為Ld與Lq的測量值,并定義
并將Δd和Δq帶入式(6)和(7)得
(8)
(9)
令新定義的兩個變量Dd和Dq作為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d-q軸上的總擾動量。Dd和Dq分別為
這樣就可以得出擴(kuò)張狀態(tài)空間如下
(10)
實(shí)際應(yīng)用中如下
(11)
式(11)中X1與X2為id與iq的估計(jì)值,X3與X4為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d-q軸總擾動量Dd和Dq的估計(jì)值,B1和B2為ESO的兩個極點(diǎn)可有實(shí)驗(yàn)確定其值范圍。當(dāng)B1和B2取值范圍合理時X3與X4可以快速達(dá)到Dd和Dq的值。
電壓矢量Uc在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸d-q上的分量Ucd和Ucq可作如下設(shè)計(jì)。
(12)
式(12)中Kd與Kq表示比例系數(shù),ird與irq為轉(zhuǎn)矩電流id和勵磁電流iq的參考電流。將式(12)帶入式(10)和(11)得
(13)
由式(13)可以得出當(dāng)估計(jì)值X3與X4達(dá)到總擾動量Dd和Dq的值時,就會達(dá)到明顯的補(bǔ)償效果。采用了基于ESO控制策略對死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償,該策略的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)整體控制框圖
針對本文提出死區(qū)補(bǔ)償方法的可行性和有效性,將提出的控制策略和傳統(tǒng)id=0矢量控制策略在MATLAB/SIMULINK仿真軟件下進(jìn)行了仿真試驗(yàn)比較,表2為永磁同步電機(jī)仿真參數(shù)。
表2 永磁同步電機(jī)仿真參數(shù)
圖6是傳統(tǒng)id=0矢量控制與ESO控制策略下三相電流的波形圖。由圖6(a)可以明顯看出來在傳統(tǒng)id=0矢量控制下三相電流因死區(qū)時間的存在波形發(fā)生了較為嚴(yán)重的畸變現(xiàn)象,而圖6(b)基于ESO策略下的電機(jī)三相電流波形相有了明顯的改善并且正弦度很好,基本沒有畸變現(xiàn)象。
(a)補(bǔ)償前
(b)補(bǔ)償后圖6 死區(qū)補(bǔ)償前與補(bǔ)償后三相電流波形
圖7可以看出補(bǔ)償后的轉(zhuǎn)矩波動較補(bǔ)償前控制策略下有了一定的減少。通過仿真試驗(yàn)的驗(yàn)證,可以看出本文所設(shè)計(jì)的控制策略對死區(qū)時間帶來的死區(qū)效應(yīng)有了較好的補(bǔ)償作用,能夠有效地改善電流波形和減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動。
(a)補(bǔ)償前
(b)補(bǔ)償后圖7 死區(qū)補(bǔ)償前與補(bǔ)償后轉(zhuǎn)矩波形
針對礦用電機(jī)車PMSM驅(qū)動系統(tǒng)因死區(qū)效應(yīng)的存在造成電流波形畸變與電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動變大問題,本文把死區(qū)效應(yīng)作為驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的一個外部干擾,建立PMSM數(shù)學(xué)模型,在基于ESO的控制策略下對死區(qū)時間進(jìn)行補(bǔ)償。最后利用MATLAB仿真試驗(yàn)表明了該控制策略能夠有效的改善電流波形和減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動。
參考文獻(xiàn):
[1] 張程,金濤.永磁同步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)MATLAB建模與仿真[J].動力學(xué)與控制學(xué)報(bào),2014,12(2): 183-187.
[2] 劉軍,俞金壽.永磁同步電機(jī)控制策略[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,10(3): 180-185.
[3] 王慶龍,張興,張崇巍.永磁同步電機(jī)矢量控制雙滑模模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速辨識[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014,32(6): 897-902.
[4] 肖宇連.基于DSP的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)研制[D].贛州:江西理工大學(xué),2014.
[5] 楊立永,翟飛,陳智剛.基于死區(qū)補(bǔ)償?shù)腜MSM無傳感器矢量控制方法[J].電氣傳動,2015,45(12): 8-11.
[6] FAN B, XU X, MA J. The dead zone compensation applied to induction motor vector control in inverter[C]// IEEE International Conference on Information and Automation. Singapore: IEEE, 2016:444-447.
[7] GUANYU LAI,ZHI LIU,YUN ZHANG,et al. Fuzzy adaptive inverse compensation method to tracking control of uncertain nonlinear systems with generalized actuator dead zone[J].IEEE Transactions on Fuzzy Systems,2017,25(1): 191-204.
[8] ARKADIUSZ LEWICKI.Dead-Time effect compensation based on additional phase current measurements[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(7): 4 078-4 085.
[9] 張冀,徐科軍.矢量控制電動執(zhí)行器死區(qū)補(bǔ)償新方法[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào),2015,29(2):272-281.
[10] 王庚,楊明,牛里,等.永磁同步電機(jī)電流預(yù)測控制電流靜差消除算法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(10):2 544-2 551.
[11] 周娟,陳映,唐慧英,等.基于脈沖調(diào)整的四橋臂逆變器死區(qū)補(bǔ)償策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2016,31(3):16-24.
[12] 楊立永,陳智剛,陳為奇,等.逆變器輸出電壓模型及新型死區(qū)補(bǔ)償方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(1):182-187.
[13] 王慶義,鄧歆,羅慧,等.一種新的基于SVPWM策略的死區(qū)補(bǔ)償方法[J].電氣傳動,2008,38(2):19-22.
[14] 孫紹華,賁洪奇,李春鵬,等.基于指數(shù)趨近律滑模控制的逆變器死區(qū)補(bǔ)償[J].電力自動化設(shè)備,2013,33(11):9-14.
[15] 王瑞,張學(xué)廣,徐殿國.雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器死區(qū)補(bǔ)償方法[J].電力自動化設(shè)備,2012,32(9):95-100.