永磁同步電機控制技術研究

點擊量：2014   日期：2019-05-27

      本文基于SVM的直接轉矩控制理論，以永磁同步電機數(shù)學模型為參考模型，以電機轉速為可調(diào)參數(shù)建立參考模型，滿足波波夫超穩(wěn)定性定理構建合適的自適應率，實現(xiàn)了采用模型參考自適應法來進行永磁同步電機無速度傳感器調(diào)速控制的方案。在Matlab-Simulink軟件環(huán)境下搭建系統(tǒng)的仿真圖并進行仿真和分析，結果驗證了該方案的可行性。

      永磁同步電機（PMSM）的體積小、噪聲低、效率高、功率密度較大，在電力電子技術與現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展的大環(huán)境下，這些優(yōu)點使PMSM漸漸得到了廣泛的應用。永磁同步電機的直接轉矩控制（DTC）是在矢量控制發(fā)展日漸成熟之后興起的另一種高性能交流調(diào)速技術。由于擁有控制結構簡潔、動態(tài)響應較快、對電機參數(shù)依賴較少等特點，直接轉矩控制已成為學術界研究的熱點。
      在現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)領域中，速度傳感器由于存在降低系統(tǒng)可靠性，增加系統(tǒng)成本等問題，已經(jīng)大大制約了交流傳動系統(tǒng)的發(fā)展，所以采用無速度傳感器的調(diào)速方案是當今國內(nèi)外研究的趨勢。
      永磁同步電機無速度傳感器的研究方法主要有基于磁鏈位置的估算法、基于反電動勢法、滑膜觀測器法、擴展卡爾曼濾波法、高頻注入法、人工智能估算法、模型參考自適應法（MRAS）。因為模型參考自適應法具有控制相對簡單而且精度高的優(yōu)點，所以本文將模型參考自適應法應用到永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)當中。將永磁同步電機本身作為參考模型，將含有轉子轉速的模型作為可調(diào)模型，采用并聯(lián)型結構進行速度辨識，兩個模型的輸出量物理意義相同。利用可調(diào)和參考模型輸出量所構成的誤差，計算出合適的比例積分自適應率，并以此來調(diào)整可調(diào)模型的參數(shù)，滿足Popov超穩(wěn)定性定理，使系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定，最終使可調(diào)模型的狀態(tài)能穩(wěn)定、快速地逼近參考模型，即讓誤差值趨近于零，進而使轉速估計值逐漸逼近實際值，實現(xiàn)轉速的識別。
      1 永磁同步電機數(shù)學模型
      建立dq坐標系下的數(shù)學模型，可以得到定子電壓、電流均為直流的永磁同步電動機的電壓方程式，利于分析永磁同步電動機控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。d軸作為基波磁場方向，q軸的位置則是在d軸方向上順時針超前90°。
      其中，R為定子電阻；ud、uq為電機的定子電壓在d、q軸上的分量；id、iq為定子電流在d、q軸上的分量；ψd、ψq為定子磁鏈在d、q軸上的分量；Ld、Lq分別為直軸和交軸同步電感；ωr為轉子旋轉角速度；ψf為轉子永磁體磁鏈；Pn為電機極對數(shù)；p為微分算子。
      2 SVM-DTC
      永磁同步電機直接轉矩控制的基本思想是在電機運行時，轉子磁鏈的數(shù)值基本恒定，保持定子磁鏈幅值穩(wěn)定在額定值上，通過改變轉子和定子磁鏈夾角的大小來改變電機轉矩的大小，進而進行達到調(diào)速的目的。
      永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的直接轉矩控制系統(tǒng)使用的是滯環(huán)控制器和開關表，在一個周期內(nèi)選擇和發(fā)出單一的空間電壓矢量來同時控制定子磁鏈和轉矩的誤差方向，這樣很難完全補償當前定子磁鏈和轉矩的誤差，會使定子磁鏈和轉矩的脈動過大。同時，在系統(tǒng)運行過程中，如果兩個置換控制器的輸出信號和定子磁鏈位置信號在多個采樣周期內(nèi)保持不變，則逆變器的開關狀態(tài)會在多個采樣周期內(nèi)保持同一個值，使得系統(tǒng)的開關頻率不恒定?？臻g電壓矢量調(diào)制（SVM）系統(tǒng)采用SVM單元來取代傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)的開關表，并用PI調(diào)節(jié)器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)DTC系統(tǒng)的滯環(huán)環(huán)節(jié)。在每個控制周期內(nèi)該系統(tǒng)都能計算出磁鏈和轉矩的誤差，然后選擇相鄰的非零矢量和零矢量，計算出各矢量的作用時間，最后利用線性組合的方式合成任意方向的空間電壓矢量，這樣就大大增加了對電壓矢量的選擇機會，更精確的補償了磁鏈和轉矩的誤差，降低了電機磁鏈和轉矩的脈動，輸出的PWM波形會保證逆變器開關頻率恒定。
      3 模型參考自適應系統(tǒng)
      4 仿真與試驗結果
      用Matlab-Simulink軟件構建總體系統(tǒng)的仿真圖。
      本系統(tǒng)仿真采用的參數(shù)設置為：定子電阻為0.81Ω；繞組電感為2.59mH；極對數(shù)為4；給定定子磁鏈為0.1827Wb。
      接下來設置參數(shù)為給定轉矩2N?m，給定初始速度為800r/min，在0.06s時將轉速提高到1000r/min，在0.13s時將轉速變?yōu)?200r/min。
      定子磁鏈軌跡近似為圓且擾動很小，運行良好；當速度在0.06s和0.13s突變時，轉矩的波動比較大，但是在很短的時間里就能夠平穩(wěn)達到穩(wěn)態(tài)，說明系統(tǒng)對外界的干擾有較好的魯棒性；圖5為電機轉速圖，估計轉速在速度突變時有很小的波動，在很短的時間內(nèi)又會平滑的跟蹤到參考轉速，達到新的穩(wěn)態(tài)，表明系統(tǒng)的動態(tài)響應較快，調(diào)速性能良好。
      5 結語
      本文采用SVM-DTC對永磁同步電動機進行調(diào)速，對傳統(tǒng)的直接轉矩控制進行了改進，同時采用了基于模型參考自適應法對電機轉速進行辨識，并通過理論分析和仿真驗證得出，該系統(tǒng)魯棒性強，動態(tài)響應較快，具有良好的調(diào)速性能。該方案結構比較簡潔，可行性較強，可為永磁同步電機的無速度調(diào)速控制提供參考。