呂瑩,林聯(lián)偉
(株洲易力達機電有限公司,湖南株洲 412000)
永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)是一種采用高能永磁體為轉(zhuǎn)子的電機,具有結(jié)構簡單、尺寸靈活、響應快、效率高、便于控制的優(yōu)點,因此得到廣泛應用[1]。隨著電力電子技術、微處理器技術的推廣,PMSM的控制方式普遍采用矢量控制(Vector Control),這種控制方式需要進行坐標變換。SVPWM也是矢量控制的一種,通過在電流和速度雙閉環(huán)中生成SVPWM控制信號實現(xiàn)對電機控制[2]。但由于在該算法中需要進行幾次坐標變換,不利于控制系統(tǒng)中的參數(shù)調(diào)整和測試驗證。本文作者使用一種簡化的PMSM控制系統(tǒng),減少坐標變換,并使用MATLAB/Simulink進行仿真測試,便于算法優(yōu)化及參數(shù)調(diào)整。
當三相繞組通入對稱的正弦波三相電流,電機內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,該磁場和轉(zhuǎn)子的磁場相互作用,從而使電機旋轉(zhuǎn)[3]。
在坐標系中觀察,若將PMSM轉(zhuǎn)子固定在d-q旋轉(zhuǎn)坐標系上,轉(zhuǎn)子與q軸重合,d軸與q軸垂直,則PMSM的定子轉(zhuǎn)矩方程為
(1)
PMSM的定子電壓方程為
(2)
式中:ud、uq為定子電壓在d-q軸的電壓分量;id、iq為定子電流在d-q軸的電流分量;Rs為三相定子繞組相電阻;ψd、ψq為定子磁鏈在d-q軸磁鏈分量;ωe為轉(zhuǎn)子機械角速度。
同步旋轉(zhuǎn)坐標系下定子磁鏈方程為
(3)
式中:Ld、Lq為定子電感在d-q軸的分量,文中設定為Ld=Lq。
得到定子電壓方程為
ud=Rsid+Ldpid-ωeLqiq
uq=Rsiq+Lqpiq+ωe(Lqiq+ψf)
(4)
在永磁同步電動機中,矢量控制是一種高效的控制方式,而且是目前應用較為廣泛的控制方式。其基本思想是模擬直流電機的控制方式來控制永磁同步電機[4]。為簡化自然坐標系下三相PMSM的數(shù)學模型,選擇合適的坐標變換對數(shù)學模型進行降階和解耦變換[5-6]。通常采用靜止坐標變換(Clark變換)和同步旋轉(zhuǎn)坐標變換(Park變換),其關系如圖1所示。
圖1 三種坐標的關系
如上圖所示,A-B-C為自然坐標系;α-β為經(jīng)過Clark變換的靜止坐標系;d-q為經(jīng)過Park變換的同步旋轉(zhuǎn)坐標系。
目前以微控制器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)是電機驅(qū)動的一個趨勢,因此在逆變器中選擇使用更適用于數(shù)字化控制系統(tǒng)的SVPWM方法[7]。SVPWM具有優(yōu)化諧波程度高、消除諧波效果較好、更容易實現(xiàn)的優(yōu)點。而且SVPWM提高了電壓源逆變器的直流電壓利用率和電機的動態(tài)響應速度,同時減小了電機的轉(zhuǎn)矩脈動。
相電壓源逆變器電路如圖2所示,輸出電壓取決于Q1-Q66個功率器件的開關狀態(tài)。在任意時刻,同一橋臂只有一個功率器件導通,設上管導通,下管關斷為1;上管關斷,下管導通為0。Qa、Qb、Qc分別對應A相、B相、C相功率器件的開關狀態(tài),則三相開關狀態(tài)組合Qabc一共有8種狀態(tài),對應8個電壓空間矢量,在復平面表示為
(5)
圖2 相電壓源逆變器電路
當3個開關狀態(tài)同時為1或同時為0時,其模值為0,稱為零矢量,因此8種狀態(tài)中只有6種非零矢量,用Ui表示,將電壓復平面空間分為6個扇區(qū),如圖3所示。
圖3 電壓空間矢量圖
SVPWM是在矢量圖的一個扇區(qū)內(nèi),通過控制該扇區(qū)的兩個相鄰基本矢量在一個采樣周期的作用時間,形成等效合矢量,保持該等效合矢量的幅值不變,相位不斷變化。當采樣周期足夠多,即當PWM頻率越高,電壓矢量的運行軌跡就越接近圓,電機運行越平穩(wěn)。由矢量合成原理可知,位于復平面任意位置的電壓矢量Uref都可由其所在扇區(qū)的相鄰兩個基本矢量合成,只要求出兩個基本矢量的作用時間,即可求出相應的脈沖寬度,從而實現(xiàn)對整流器的控制。以扇區(qū)Ⅰ為例,電壓空間矢量合成如圖4所示。
圖4 電壓空間矢量合成示意圖
令T4、T6、T0分別表示U4、U6和零矢量U0的作用時間,則:
(6)
由圖4可知:
(7)
(8)
判斷電壓空間矢量Uout所在的區(qū)間位置,然后利用所在扇區(qū)的相鄰電壓矢量和適當零矢量合成參考電壓矢量,用Uα和Uβ分別表示參考電壓在α、β軸上的分量,定義變量A、B、C。
(9)
若|Uref1|>0,則A=1,否則A=0;若|Uref2|>0,則B=1,否則B=0;若|Uref3|>0,則C=1,否則C=0。令N=4C+2B+A,得出N與扇區(qū)對應關系如表1所示。
表1 N與扇區(qū)對應關系
計算扇區(qū)的Simulink模型如圖5所示。
圖5 扇區(qū)的Simulink模型
設3個變量分別為X、Y、Z,其計算方式如下式:
(10)
可得到各個扇區(qū)作用的時間,如表2所示。
表2 各個扇區(qū)的作用時間
如果T4+T6>Ts,則需進行調(diào)制處理:
(11)
計算切換時間的Simulink模型如圖6所示。
圖6 切換時間點的Simulink模型
經(jīng)過以上分析,整個SVPWM的仿真模型如圖7所示。
圖7 SVPWM仿真模型
對于三相PMSM的矢量控制,沒有異步電機的轉(zhuǎn)差率問題,控制起來更方便,文中提出的簡化控制系統(tǒng),主要包括轉(zhuǎn)速控制環(huán)、電壓控制環(huán)和PWM控制算法3個主要部分。轉(zhuǎn)速控制環(huán)的主要作用是控制電機轉(zhuǎn)速,使其達到需求轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定在需求轉(zhuǎn)速,電壓控制環(huán)的作用是加速系統(tǒng)調(diào)節(jié)的過程,使電機的定子電壓更快速地接近需求電壓矢量,加快系統(tǒng)的響應速度。與常見的電流控制環(huán)不同,該控制系統(tǒng)對直流母線電壓采樣,uq閉環(huán)直接對電機進行控制,節(jié)省了電流采樣電路及電流重構算法,使控制系統(tǒng)更簡潔,響應更快速。
該控制系統(tǒng)仿真模型如圖8所示。
圖8 PMSM控制系統(tǒng)模型
在0 s時啟動電機,需求轉(zhuǎn)速為900 r/min,電機初始負載為2 N·m,在0.4 s時突變?yōu)? N·m,經(jīng)過MATLAB/Simulink仿真計算,仿真時間為1 s,得到電機定子三相電流為正弦波,電流波形如圖9所示,速度波形如圖10所示。由仿真波形可知,在電機初始啟動時,0.1 s左右開始穩(wěn)定運行,當負載發(fā)生突變時,速度發(fā)生輕微的抖動但很快恢復了穩(wěn)定值。由此可看出,該控制系統(tǒng)響應較快,發(fā)生干擾時也能快速恢復穩(wěn)定狀態(tài),仿真的波形基本符合理論分析情況,驗證了該控制系統(tǒng)的可行性。
圖9 定子三相電流波形圖
圖10 仿真電機速度曲線
通過對空間矢量脈寬調(diào)制原理的分析,結(jié)合PMSM的數(shù)學特性,利用MATLAB/Simulink軟件,搭建一個使用SVPWM方法控制PMSM電機的簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)模型,在仿真過程中,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定。通過仿真結(jié)果,可看出該控制方法響應較快,抗干擾能力強,且控制模型簡單,效率高。符合永磁同步電機的運行特性,為PMSM的控制方法的研究奠定了一定基礎。