永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[1]

1、第25卷第3期 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) 2006年6月V ol.25 No.3 Journal of Liaoning Technical University Jun. 2006收稿日期:2006-04-12作者簡介:馬盟盟(1982-,女,遼寧 丹東人,碩士研究生,主要從事電機(jī)與電器方面的向研究。本文編校:楊瑞華文章編號(hào):1008-0562(200603-0187-04永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)馬盟盟1,呂 振2(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣工程系,遼寧 阜新 123000摘 要:針對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),首先闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制原理,它是在維持定子磁鏈幅值恒定的前提下,通過電壓空間矢量來

2、調(diào)節(jié)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度,從而控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。其次,在此理論基礎(chǔ)上,簡單地建立了系統(tǒng)的模型,說明了它的工作過程以及與異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的不同。最后用SIMULINK 仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了建模和仿真,仿真結(jié)果表明了直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的正確性和可行性,永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能和優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。關(guān)鍵詞:直接轉(zhuǎn)矩控制;永磁同步電機(jī);電壓空間矢量;仿真中圖分類號(hào):TM 301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:APermanent magnet synchronous motor direct torque control systemMA Meng-meng ,LV Zhen(Dep

3、artment of Electrical Engineering, Liaoning Technology University, Fuxin 123000,China Abstract :In view of permanent magnet synchronous motor direct torque control system , elaborates direct torque control theory , it is under the maintenance of stator flux linkage peak-to-peak value premise , adjus

4、ts the rotational speed of stator flux linkage by voltage space vector , thus controling torque and rotational speed .On this theory , the article establishes the system model simply , explains its work process and the difference from asynchronous motor direct torque control system . Finally uses SI

5、MULINK simulation software is used to carry on the model and simulation , the simulation results manifest the accuracy and feasibility of direct torque control which is applied in permanent magnet synchronous motor. Permanent magnet synchronous motor direct torque control system has good stable and

6、track performance and the outstanding dynamic response .Key words :direct torque control ;permanent magnetic synchronous motor ;voltage space vector ;simulation0 引言1與世界交流調(diào)速迅速發(fā)展的勢(shì)頭相比,在理論研究和產(chǎn)業(yè)形成方面,中國大約落后1520年。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在異步電動(dòng)機(jī)的控制中獲得了成功的應(yīng)用,在永磁同步電機(jī)中的應(yīng)用近年來才有報(bào)道。作為一種優(yōu)秀的控制策略,直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在永磁同步電機(jī)中的應(yīng)用對(duì)我國交流調(diào)速的發(fā)展具有實(shí)際意義

7、。1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)1.1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理2-4定子磁鏈空間矢量(t s 的運(yùn)動(dòng)軌跡平行于相應(yīng)的電壓空間矢量(t u s 的作用方向,根據(jù)式t R t i t u t s s s s d (=,只要定子電阻壓降足夠小,那么這種平行就能得到很好的近似;在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻依如下次序給出定子電壓空間矢量:011(1s u 001(2s u 101(3s u 100(4s u 110(5s u 010(6s u ,則得到定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡。為正六邊形,正六邊形的六條邊代表磁鏈空間矢量(t s 一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)軌跡,這就是空間電壓矢量對(duì)磁鏈的控制。對(duì)公式qd d q s q f s pe L L L L L

8、 n T 42sin (sin 23=進(jìn)行求導(dǎo)得2cos (2cos 243d d q d s q f qd sp L L L L L n t T += 由此可知,保持定子磁鏈為恒定值,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨著定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角的變化而變化,因此,盡可能快的改變這個(gè)夾角可以得到快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng),這就是空間電壓矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。 1.2 系統(tǒng)框圖5-7系統(tǒng)框圖如圖1,其工作過程如下:被測(cè)信號(hào)有遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) 第25卷 188定子電流s i 和轉(zhuǎn)速r 。由s i 、逆變器直流側(cè)電壓U 、開關(guān)電壓矢量表所返回的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)通過23變換與逆變器模型法得到在定子靜止兩相坐標(biāo)系下的電流i i 、與電壓u u

9、、,再經(jīng)過磁鏈計(jì)算單元、轉(zhuǎn)矩計(jì)算單元得到磁鏈計(jì)算值s (包括幅值和幅角,轉(zhuǎn)矩計(jì)算值e T ,將磁鏈計(jì)算值的幅值和轉(zhuǎn)矩計(jì)算值與給定的磁鏈幅值s 和轉(zhuǎn)矩值e T 進(jìn)行比較,從而得到磁鏈控制信號(hào)和轉(zhuǎn)矩控制信號(hào),其中給定的轉(zhuǎn)矩值e T 由給定速r 度與實(shí)際速度r 經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器得到。它們與磁鏈計(jì)算值的幅角共同作用于開關(guān)電壓選擇表,從而得到開關(guān)電壓選擇信號(hào)。永磁同步電機(jī)在由開關(guān)電壓選擇信號(hào)控制的逆變器的作用下進(jìn)行工作,實(shí)現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)矩控制。圖1 系統(tǒng)框圖 Fig.1 system diagram1.3 與異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的不同1和異步電機(jī)相比,應(yīng)該注意的是零矢量在永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中的作用。

10、在異步電機(jī)中,轉(zhuǎn)矩的變化和轉(zhuǎn)差(角度的微分有關(guān),在施加零矢量時(shí),盡管轉(zhuǎn)矩角變化不大,但它的微分卻變化很大,定子磁鏈因零矢量在空間停止不動(dòng),但轉(zhuǎn)子仍然按原轉(zhuǎn)速慣性運(yùn)動(dòng),異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差從一個(gè)較小的正值,突變成較大的負(fù)值,產(chǎn)生巨大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,而使電磁轉(zhuǎn)矩快速下降。同步電機(jī)中無轉(zhuǎn)差的概念,轉(zhuǎn)矩只和轉(zhuǎn)矩角有關(guān),不存在微分的關(guān)系,只要轉(zhuǎn)矩角變化不大,轉(zhuǎn)矩就變化不大。所以,在施加零矢量時(shí),的改變可近似認(rèn)為是零,即轉(zhuǎn)矩基本保持恒定。這與在異步電機(jī)中零矢量使電磁轉(zhuǎn)矩急劇下降有很大不同。2 系統(tǒng)仿真5,8,92.1 仿真框圖10,4圖2 仿真框圖Fig.2 simulation diagram2.2 仿真結(jié)果(1

11、 不同給定轉(zhuǎn)速的響應(yīng)。1600.50.40.30.60.20.1-2002040608010012014010.90.80.7圖3 130 rad/s 狀態(tài)下轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig.3 rotational speed response under 130rad/s condition時(shí)間 t / s轉(zhuǎn)速 / (r a d s -1增 刊 馬盟盟等:永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究189 00.262481014120.10.30.40.50.60.70.80.91 圖4 130 rad/s 狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩響應(yīng)Fig.4 torque response under 130 rad/s condition

12、 800.21401001201601802202000.10.30.40.50.60.70.80.91240260 圖5 240 rad/s 狀態(tài)下轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig.5 rotational speed response under 240 rad/s condition 30.2645781090.10.30.40.50.60.70.80.9111圖6 240 rad/s 狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩響應(yīng)Fig.6 response under 240 rad/s condition torque00.2150501002002503000.10.30.40.50.60.70.80.91圖7 310 rad/

13、s 狀態(tài)下轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig.7 rotational speed response under 310rad/s condition00.2624810120.10.30.40.50.60.70.80.9114圖8 310rad/s 狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩響應(yīng)Fig.8 torque response under 310 rad/s condition三種不同速度下觀測(cè)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)波形,得到如下結(jié)論:最大超調(diào)分別為15.38 %、3.22 %和3.13 %,隨著給定轉(zhuǎn)速增加超調(diào)越來越小,但是當(dāng)小到一定程度(3%左右開始基本保持不變;調(diào)節(jié)時(shí)間分別為0.045 s 、0.05 s 和0.055 s 。隨著給

14、定轉(zhuǎn)速的增加,調(diào)節(jié)時(shí)間越來越長,但時(shí)間的增加幅度不大;同時(shí)可以看到隨著給定轉(zhuǎn)速的增大,轉(zhuǎn)矩響應(yīng)中脈動(dòng)越來越明顯,這必然會(huì)導(dǎo)致開關(guān)的頻繁切換,應(yīng)盡量避免。綜上所述,可知:給定轉(zhuǎn)速在第二種情況時(shí),轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)達(dá)到優(yōu)化,既能有效的抑制超調(diào)量,盡可能地縮短響應(yīng)時(shí)間,又能最大限度地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),系統(tǒng)處于比較理想的狀態(tài)。(2 負(fù)載為階躍信號(hào)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間 t / s時(shí)間t / s時(shí)間t / s時(shí)間 t / s時(shí)間 t / s轉(zhuǎn)速 / (r a d s -1轉(zhuǎn)矩T /(N m 轉(zhuǎn)矩T /(N m 轉(zhuǎn)矩T /(N m 轉(zhuǎn)速 / (r a d s -1遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) 第25卷 190800.41401

15、001201601802000.20.60.811.21.41.61.82220240260圖9 階躍負(fù)載信號(hào)下的轉(zhuǎn)速波形Fig.9 rotational speed profile under step leap load signal30.46457890.20.60.811.21.41.61.821011圖10 階躍負(fù)載信號(hào)下的轉(zhuǎn)矩波形 Fig.10 torque profile under step leap load signal-0.6-1-0.8-0.4-0.20.20.40.60.81-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81圖11 圓形磁鏈 Fig.11

16、 circular flux linkage通過以上的仿真曲線,可以看到轉(zhuǎn)速響應(yīng)在啟動(dòng)時(shí)響應(yīng)時(shí)間短,超調(diào)量小,在負(fù)載信號(hào)階躍時(shí)略有轉(zhuǎn)速降,反應(yīng)快。轉(zhuǎn)矩信號(hào)除了在啟動(dòng)時(shí)和負(fù)載信號(hào)階躍時(shí)有較大波動(dòng)外,其余時(shí)間能較好地跟蹤負(fù)載變化。磁鏈基本呈現(xiàn)圓形,從磁鏈可以看出六邊形控制,比較理想。 3 結(jié) 論(1證明了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制思想的正確性和可行性,永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能和優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。(2通過對(duì)不同給定轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)的比較,可以看出隨著給定轉(zhuǎn)速的增大,系統(tǒng)速度響應(yīng)性能越來越突出。(3發(fā)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的一些問題:首先是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩具有較大的躍動(dòng),很有可能

17、超過電機(jī)所能承受的轉(zhuǎn)矩極限;其次是普遍存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),在給定轉(zhuǎn)速大時(shí)更加明顯。這些都是要改進(jìn)和完善的地方,也是今后的工作方向。 參考文獻(xiàn):1 徐祖華,黃智偉,盛義發(fā),等.永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論基礎(chǔ)與仿真研究J.微特電機(jī),2003 (5:128-130.2 徐艷平,曾 光,孫向東,等.永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制的研究J.電力電子技術(shù),2003 (6: 32-36.3 李三東,薛 花,紀(jì)志成,等.基于MATLAB 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真建模J.江南大學(xué)學(xué)報(bào),2004, 21(2: 44-45.4 胡奇峰,賀益康,唐益民,等.基于DSP 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究J.電力電子技術(shù),2

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