一种基于定子电压相角控制的永磁同步电机弱磁控制方法.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.47M 资料格式：pdf 举报版权申诉

weixin_38702945-12240187-201305-433.pdf-第1页.png

第1页 / 共7页

weixin_38702945-12240187-201305-433.pdf-第2页.png

第2页 / 共7页

weixin_38702945-12240187-201305-433.pdf-第3页.png

第3页 / 共7页

weixin_38702945-12240187-201305-433.pdf-第4页.png

第4页 / 共7页

weixin_38702945-12240187-201305-433.pdf-第5页.png

第5页 / 共7页

weixin_38702945-12240187-201305-433.pdf-第6页.png

第6页 / 共7页

weixin_38702945-12240187-201305-433.pdf-第7页.png

第7页 / 共7页

文本预览

5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 一种基于定子电压相角控制的永磁同步电机弱磁控制方法王旭，徐永向** （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001）摘要：为提高系统弱磁性能，改善弱磁过程中由于电流环短时饱和造成的电压不可控，提高弱磁阶段转矩输出能力，结合最小幅值误差调制方法提出了一种以定子电压相角为控制对象的弱磁方法，根据转速给定值与实际值的偏差，经过比例积分调节器快速调制得到定子电压相角，以控制直轴电流分量跟随转速变化。仿真和实验结果表明，这种算法弱磁过程响应快，电流波动小，可以有效地减小动态过程的电流震荡，提高表贴式永磁同步电机弱磁阶段的带载能力。关键词：电机与电器；最小幅值误差调制；定子电压相角；弱磁控制中图分类号：TP276 Voltage phase angle based flux weakening control algorithm Wang Xu, Xu Yongxiang (Department of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001) Abstract: In this paper,a novel flux weakening control method based on stator voltage phase angle was proposed by combinng the most modest value error modulation with SVPWM method. In order to improve the performance of flux weakening control system,reduce current shock caused by voltage saturation and increase the output torque,the difference between the reference speed and feedback speed is used to produce voltage phase angle through a PI controller.The d and q axis stator current compent is redistributed.Finally,the speed operation range of PMSM is extended.By this way,the dc link voltage is uitilized more efficiently and the stator vlotage is limited to the reference limitation,which makes the system get higher output torque and better dynamic response.The effectiveness of the proposed method was verified with simulation results. Keywords: Electrical machinery and electrical apparatus; most modest value error modulation; Stator voltage phase angle; flux weakening control 0 引言永磁同步电机具有高转速，高功率密度，高效率及较高调速范围等优点，广泛应用于高性能伺服控制的场合，如汽车，精密机床，机器人及航空航天领域。高性能场合的电机控制，不仅要求宽的调速范围，还往往要求在现有条件下的最优控制，要求尽可能的充分利用电机的性能，实现大的弱磁扩速比及尽可能大的弱磁带载能力[1]。针对弱磁控制，国内外的学者提出了前馈电流控制，直流侧电压反馈控制，电流超前角控制等策略用以改善电机弱磁性能。前馈控制响应速度快，但受电机参数及温度影响，鲁棒性差；直流侧电压反馈控制及电流超前角弱磁控制，不依赖电机参数，鲁棒性好，但未能充分利用母线电压，在调速过程中存在电流震荡[2-3]。为此，有学者提出了六步电压调制法，以提高母线电压利用率，但算法复杂，还会产生较大电流谐波。本门阐述了永磁同步电机的运行原理，分析了传统弱磁方法没有充分利用母线电压的原因，提出了一种基于定子电压相角控制的弱磁方法，直接采用转速的差值产生电压相角从而控制电流直轴分量的产生。仿真结果表明，该算法实现了永磁同步电机额定转速以上的快速、作者简介：王旭，（1989-），男，哈尔滨工业大学电气工程系硕士，永磁同步电机驱动控制。通信联系人：徐永向，（1977-），男，副教授，博士生导师，主要从事永磁电机驱动控制研究。E-mail: xuyx@hit.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 平稳弱磁，与传统弱磁方法相比，定子电压波动小，在相同转速可输出更大转矩。 1 基于定子电压相角控制的弱磁方法 45 PMSM 运行在基速以下时，为保证定子电流的最优控制，采用最大转矩电流比的控制方式，一方面使电机铜耗较小，一方面又保证了相同定子电流下电机的最大转矩输出。对于表贴式 PMSM 来说，其转矩只有定子电流交轴分量来产生，没有由于电感不同而产生的磁阻转矩。其最大转矩电流比控制方式比较简单，即 id=0 控制。转矩表达式为 T e iψ= f q 1.5 p (1) 插入式的 PMSM，对应于同一转矩输出有不同的电流分量组合方式，对其转矩方程求极值，可得到最大转矩电流比下的各电流分量[1]，转矩方程及电流分量由式(2)、(3)给出。 T e = 1.5 p ψ⎡ ⎢ ⎣ f i + q 1 2 ( L d − L i i q d q ) ⎤ ⎥ ⎦ (2) ⎧ ⎪ =⎪ i d ⎨ ⎪ i ⎪⎩ q = f + 2 − ψ ψ f 4( + L d L q ) i 2 2 sm 8( − L d L q − ) (3) i 2 sm − i 2 d 在进行弱磁升速的过程中，定子电压的幅值保持不变，相角 Δθu 随转速升高而改变，以转速的变化 Δω 来控制定子电压的相角，得到 d-q 轴系的电压分量 ud、uq 进而控制电流直轴分量 id 的产生，式(4)、(5)给出了电流直轴分量。 k s ) θ ωψ Δ f u L ∗ ω r d (4) (5) θ Δ = u sin( Δ ω i d U m = − ∗ r 这种方式可以有效控制调制电压的幅值，减小在弱磁过程中由于电流环饱和而出现的电 50 55 60 流振荡。整个调节过程中始终满足： u 2 d = = + u U ⎧⎪ d ⎨ u U ⎪⎩ q ≤ u U 2 2 m q ) sin( θ Δ u cos( ) θ Δ u m m (6) (7) 而 Um 的选取，直接决定了空间矢量控制的定子电压矢量的幅值，常用的 SVPWM 调制， 65 能输出的最大定子电压为正六边形内切圆，而逆变器能输出的最大电压为正六边形。六步电压法，算法复杂，且需要通过大量的查表运算才能实现，为提高弱磁阶段电机的转矩输出能力，采用最小幅值误差调制的方法可以适当增大电压输出，可提高转矩输出能力。最小幅值误差调制，是将调制后得到的超出正六边形的参考定子电压矢量截断，首先将其投影在正六边形上，投影点与圆心连线得到的矢量作为替代的参考电压矢量，这种方式下，调制前后定子电压幅值误差最小[4-5]。 70 对 Um 采用滞环控制方法，将调制电压限定在 U1 与 U3 之间，中间取值为 U2。这种方法也可以提高弱磁阶段的电压极限，动态性能上最小幅值误差调制优于采用电压滞环方法的效果。 U = 1 dcU 2 3 ， 2 U = dcU 3 U ， 3 = 2 dcU π (8) - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 75 本文采用最小幅值误差调制的方法，来提高转矩输出。图 1 给出了最小幅值误差调制和电压极限。 dcU 2 3 suΔ su∗ su 图 1 SVPWM 电压极限与调制方法 Fig. 1 SVPWM voltage limitation and Modulation method 80 2 系统仿真模型的建立 2.1 仿真模型为验证算法的有效性，在 Simulink 环境下建立了系统的仿真模型。整个系统包括两个电流环，一个转速环，主体模块包括最大转矩电流比控制模块及弱磁模块，空间矢量调制模块，逆变桥，电机系统。 85 2.1.1 系统仿真模型图 3 给出了在 Simulink 环境下建立的整个系统的仿真模型。 Discrete, Ts = 1e-005 s. powergui -K- Gain n* PI MTPA&FWC id1 iq1 ism Ud Uq n w* idf PI Uq Ud Iq* Id* w Decoulping Step PI Vector control Uq TL Ud Ualfa Ubeta we thetam Te idq iabc theta iabc n K- Gain1 Te idq 90 2.1.2 电流控制模块图 3 系统仿真模型 Fig.3 Simulation model of the PMSM system 主要包括基速以下最大转矩电流比电流分配及弱磁升速阶段电流分配。需要注意的是，整个过程都需要对电流进行限幅。图 2 给出了仿真算法模型。 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 2 Ud 3 Uq f(u) Fcn3 6 dn K- -C- nN 5 n* f(u) Fcn2 PI 95 -C- um Product -C- Ls cos ang w* 4 -C- flux Uref -C- MTPAd Saturation1 Switch1 f(u) Fcn4 K- 1 is 1 id f(u) Fcn5 图 2 电压相角控制的弱磁模块 Fig. 2 Flux weakening module based on voltage phase angle control 2 iq 2.1.3 仿真电机参数 100 选用表贴式 PMSM 进行仿真分析，其交直轴电感相等。表 1 给出了仿真用电机的各项参数。相电阻 R/Ω 0.092 极对数 p/对 4 定子电感 Ls/mH 0.9755 105 3 仿真结果表 1 电机参数 Tab.1 Parameters of SPMSM 额定转速 n/(rpm) 2300 永磁磁链 ψf/Wb 0.1688 额定转矩 Te/(N.m) 39.5 额定电流 Ism/(A) 38 设定仿真时长 0.25s，直流母线电压 300V，由额定转速 2300rpm 空载升速至 3000rpm， 0.06s 突加负载 20N.m，选用表贴式 PMSM 来进行算法验证。图 4 为传统电流超前角控制弱磁过程中各变量变化波形。图 5 为电压相角控制弱磁过程各变量波形。 3.1 传统弱磁方法仿真结果 110 图 4(a)所示定子电流分量变化曲线，电机从 0 r/min 上升稳定至 3000 r/min，然后突加负载，在额定转速以下，电流直轴分量为 0，定子电流全部为交轴分量，按最大转矩电流比的方式分配，在弱磁升速阶段，电流直轴分量由电压闭环的 PI 调节器产生，随转速升高幅值逐渐增大，同时电流交轴分量来产生电磁转矩，最后电流直轴分量稳定在-32A，而电流交轴分量在弱磁过程中有小幅震荡，这将造成电机转矩输出的不稳定，这是由于电流环 PI 调节器饱和，电压失去控制造成的，最终其值稳定在 17.3A。图 4(b)定子电压分量变化曲线，可以看到，弱磁过程中定子电压有超出电压极限的部分，最终稳定在 SVPWM 调制限定的最大电压 173V，弱磁过程中存在较长的调整过程，这个过程导致了弱磁阶段电流分量的波动。图 4(a)所示定子电流交轴分量曲线可以看到，在进行弱磁控制过程中，系统仍有一定的带载能力，在限定的电压极限和电流极限下，电机带载能力有限，转矩系数为 1.04，故输出转矩最大只有 18N.m。 115 120 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 125 a) 定子电流交直轴分量 b) 定子电压分量图 4 弱磁过程仿真波形 Fig. 4 Simulation results operating on the conventional flux weakening control method 130 135 140 3.2 电压相角控制弱磁方法仿真结果图 5(a)所示为电机转速曲线，电机从 0 r/min 上升 3000 r/min，系统用时 0.03s，0.06s 突加负载，转速有很小的浮动,很快回到给定转速，稳定在 3000 r/min。图 5(b)为定子电流分量变化曲线，弱磁过程平滑，没有大幅度的震荡出现，当空载运行转速达到 3000 r/min 时，电流直轴分量稳定在-32A，电流交轴分量为 0A，突加负载 20N.m，电流很快调整稳定，电流直轴分量稳定在-31A，电流交轴分量为 19A。图 5(c)为电压相角变化曲线，初始阶段最大转矩电流比控制，电压相角为 90 度，此时不依靠其进行电流分配。进入弱磁区域之后，电压相角快速调整，使得电压幅值，始终被控制在最小幅值误差调制决定的范围之内。最后稳定在 9 度，带载之后调整迅速，稳定在 10 度。图 5(d)所示电磁转矩曲线，在进行弱磁控制过程中，转矩波动小，突加负载后，系统响应迅速，很快稳定在 20N.m，这显示系统有很好的带载能力和转矩响应速度。图 5(e)为定子电压分量变化曲线，可以看到，弱磁过程中定子电压很好的限定在母线所能提供的极限电压 173v 到 191V 之间，从空载到带载，调整速度较快，实现了快速平稳弱磁。此外电流幅值也被限定在电流极限之内。 145 对比仿真结果，可以发现，采用本文弱磁策略，在相同的电流极限下，输出的转矩更大为 20N.m，转矩输出提高了 11%，这是因为，采用最小幅值误差调制之后，将逆变器输出电压提高到正六边形，比正六边形内切圆幅值略大，在进行弱磁控制时，相同的转速下，较大的电压极限意味着更小的电流直轴分量幅值，也就意味着更大的电流交轴分量，因此能输出更大的转矩。同时，我们看到，采用电压相角控制的方法，使得弱磁控制过程中，电压交直轴分量始终限制在电压极限以下，没有出现电压失去控制的区域，使得弱磁过程中，电流分量过度平滑，减小了震荡。 150 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn a)转速 b) 定子电流交直轴分量 c) 电压相角 d) 电磁转矩 155 160 4 结论 e) 定子电压分量图 5 弱磁过程仿真波形 Fig. 5 Simulation results operating on the proposed flux weakening control method 本文给出了一种新的基于定子电压相角控制的永磁同步电机弱磁方法，根据永磁同步电机的运行原理，分析了弱磁过程中出现电流震荡及转矩输出不足的原因，结合最小幅值误差调制方法，提高同等条件下逆变器电压输出能力，将转速的差值作为定子电压相角的控制量， 165 将定子电压分量限制在电压极限附近，以产生合适的电流交直轴分量。仿真分析和结果表明本文提出的方法能够满足永磁同步电机快速，平滑弱磁升速的要求，同时提高了弱磁阶段的带载能力，对改善弱磁性能有一定的意义。致谢特别感谢哈尔滨工业大学微特电机与控制研究所及实验室同学。 170 [参考文献] (References) [1] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京：机械工业出版社，2011. [2] R. Doleček, J. Novák and O. Černý. Dynamics of a Feedback Optimal-Current-VectorFlux-Weakening - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 175 180 Strategy for TractionPermanent-Magnet Synchronous Motors[C]//ELECTROMOTION 2009-EPE Chapter'Electric Drives'Joint Symposium. Lille，IEEE，2009：424-429. [3] 于家斌，秦晓飞，王云宽. 一种改进型超前角弱磁控制算法[J]. 电机与控制学报，2012，16(3)：102-105. [4] Yukinori Inoue， Shigeo Morimoto. Comparative Study of PMSM Drive Systems Based on Current Control and Direct Torque Control inFlux-weakening Control Region[C]//International Electric Machines and Drives Conference. IEEE，2011：1094-1099. [5] 吴芳，万山明. 一种过调制算法及其在永磁同步电动机弱磁控制中的应用[J]. 电工技术学报，2010， 25(1)：58-63. - 7 -

分享到：

赞收藏

资料库

一种基于定子电压相角控制的永磁同步电机弱磁控制方法.pdf

相关推荐

开发技术

热门标签

最新资料