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近年来,研究了各种非线性控制器,来解决永磁同步电机非线性特性。
1.3直接转矩控制
矢量控制方案是一种很有效交流伺服电机控制方案,但是由于该方案需要进行矢量旋转变换,坐标变换比较复杂。
此外,由于电机机械常数慢于电磁常数,矢量控制中转矩响应速度不够迅速。
针对矢量控制上述缺陷,德国学者Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具备迅速转矩响应特性控制方案——直接转矩控制(DTC)方案。
直接转矩摒弃了矢量控制中解耦控制思想以及电流反馈环节,采用定子磁链定向办法,运用离散两点式控制直接对电机定子磁链和转矩进行调节,具备构造简朴,转矩响应快等长处[2]。
2.永磁同步电机弱磁控制研究现状
弱磁控制是当前PMSM一种研究热点,电动机削弱磁场就可以实现高速运营(转矩也随之减小),因而,直流电机和感应电机都积极地进行弱磁控制,以便扩展最高转速。
对于PMSM由于转子是永磁体,不能简朴通过控制励磁电流实现弱磁控制,可以在抵消永磁体磁通方向上施加一种励磁性质电流,实现弱磁控制。
但是,对于永磁体来说,存在着一种如何避免不可逆退磁问题。
当前,具备高磁能积永磁材料实用化,使得PMSM弱磁控制得以实现,如下是现阶段国内弱磁控制发展状况。
2.1从控制角度
梁振鸿等人采用过调制技术[3],依照零电压矢量作用时间判断过调制起始点,用查表法拟定调制比,提高逆变器直流母线电压运用率,实现对永磁同步电动机弱磁运营区域扩展。
slligoMorilnoto[4]等人采用电流调节器,实现永磁同步电动机弱磁控制,电流调节器涉及前馈解耦环节和电压补偿环节,定子交轴电流由电机角频率给定值与实际值之间偏差决定,定子直轴电流由每安培最大转矩控制方案决定。
Jang-Molllkim[5]等人提出了将直流母线电压作为一种反馈量用于电压外环调节改进方案,从而使系统工作在最大电压运用状态。
控制外环电压可以保证电流调节器在任何工况下不至于饱和,从而获得较满意控制效果。
Sozer等人提出了自适应弱磁控制法[6]以克服电流调节器饱和问题。
Jiunn-JiangChen[7]等人将非线性降维状态观测器应用于弱磁控制,从而提高控制系统对电机参数变化鲁棒性。
2.2从电机本体角度
老式构造永磁同步电动机弱磁效果较差从构造上看,由于永磁体磁阻率接近于空气,老式构造永磁同步电动机,其永磁体总是串联在电机直轴磁路上,等效气隙很大,直轴电抗很小,在正常电枢电压下,不也许获得很大直轴电流,因而无法获得满意弱磁效果。
这就规定寻找特种构造永磁同步电动机,以适应弱磁运营规定[8]。
RichardF.Schifcrl、伊华杰等设计了一种复合转子构造永磁同步电动机,从电机本体上解决了弱磁扩速难问题。
二、永磁同步电机弱磁控制控制方略
(一)电压极限椭圆梯度下降法弱磁控制
文献[9]提出了电压极限椭圆梯度下降法进行弱磁,该办法重要分为拟定弱磁区域和修正电流参照值两某些。
这种办法迅速性强,控制精度高,不需查表,实现简朴且精确率高,鲁棒性好。
1.电压极限椭圆和电流极限椭圆
定子电压
要受逆变器电压极限制约,于是有
(1)
同样,逆变器输出电流能力也要受其容量限制,定子电流也有一种极限值,即
(2)
若以定子电流矢量两个分量表达,则有
(3)
由上式构成了电压极限椭圆和电流极限圆,如图1所示。
图中,电流极限圆半径为1,即设定
等于额定值。
由式
(1)可以看出,电压极限椭圆两轴长度与速度成反比,随着速度增大便形成了逐渐变小一簇套装椭圆。
由于定子电流矢量
既要满足电流极限方程,又要满足电压极限方程,因此定子电流矢量
一定要落在电流极限圆和电压极限椭圆内。
例如,当
时,
要被限制在ABCDEF范畴内。
图1电流极限圆和电压极限圆
2.弱磁区域拟定
永磁同步电动机运营过程中电流、电压轨迹如图2所示。
依照运营状况,可划分为两个弱磁区域:
1)弱磁区域I。
定义电磁转矩与产生其所需电流比为转矩电流比。
基频如下电动机恒转矩运营,采用线性最大转矩电流比控制,如图中OA所示;
最大转矩电流比曲线和最大转矩电压比曲线之间区域称为弱磁区域I。
2)弱磁区域II。
在基频以上,电动机沿着MT-PV曲线运营,称为弱磁区域II。
图2永磁同步电动机运营过程中电流、电压轨迹
3.系统构造框图
图3为永磁同步电动机调速系统构造框图。
虚线某些为电流修正值计算模块。
速度指令信号与检测到转子速度信号相比较,经速度控制器调节,输出电磁转矩Te指令信号,经MTPA模块后输出d、q轴电流
、
作为指令信号。
分别为d、q轴电流修正值。
图3永磁同步电动机调速系统构造框图
4.基于梯度下降法内埋式永磁同步电机弱磁控制方略
内埋式永磁同步电机(IPMSM)由于构造上特点使其在性能上有诸多突出长处,如高功率密度、高功率因数、构造紧凑、调速范畴宽等,正是由于这些长处使其广泛应用于家用电器、交通运送、磁盘驱动器以及机床、机器人等数控系统。
轨道交通和电力牵引传动系统规定电机在速度较低时候可以输出比较大转矩,这样可以满足起动、加速、低速爬坡等规定,除了对基速如下某些规定外,还规定在速度范畴上可以更加辽阔,这就对电机弱磁性能提出了规定,规定其调速范畴大。
内埋式永磁同步电机由于存在构造转矩,比较容易弱磁,且输出转矩大,因而对内埋式永磁同步电机研究具备重要意义[10]。
基于梯度下降法弱磁控制算法,不需要查表,控制精度高,响应速度快,且鲁棒性好。
详细算法描述如下。
内埋式永磁同步电机运营过程中电流、电压轨迹曲线如图4所示。
基速如下,电机运营在恒转矩区域,采用线性最大转矩电流比(MTPA)控制可以使永磁同步电机获得最大电磁转矩[11],如图中OA曲线所示。
随着转速升高,电机将沿着最大转矩电流比曲线OA和最大转矩电压比(MTPV)曲线BC之间恒转矩曲线运营,即为弱磁区域I(FWRl)。
在更高转速范畴,电机沿着MTPV曲线BC运营,即上述弱磁区域2(FWR2),如图2所示。
对于给定参照转矩瓦,随着转速升高,电机沿着恒转矩曲线DE运营,到达E点之后,如果转速继续升高,电机将沿着MTPV曲线EC运营,其输出转矩逐渐减小M。
在弱磁过程中,最重要是拟定设定电流修正值大小。
一方面依照电机运营曲线拟定其所在弱磁区域(FWRl、FWR2),再依照所在弱磁区域,对电流设定值进行相应修正。
(二)采用改进超前角控制弱磁增速
超前角弱磁控制算法是当前较为惯用弱磁控制办法[12]。
运用该算法控制表贴式永磁同步电机运营于弱磁区时,随着负载增长,普通会浮现如下问题:
从恒转矩区到恒功率区过渡过程中,浮现较大电流震荡,从而引起速度波动,系统动态性能变差。
而在恒功率区,会浮现稳态速度下降现象,稳态时速度和电流波动也会变大,系统稳态性能不佳。
1.表贴式永磁同步电机数学模型及老式超前角弱磁控制算法
d-q轴系下表贴式永磁同步电机定子电压方程为[13]
(4)
式中:
和
分别为直轴和交轴同步电感,且
=
,
为定子相电阻,
为转子电角速度,
为转子永磁体产生励磁磁场基波磁链。
电机高速稳定运营时,忽视定子压降,电压方程可以改写为
(5)
电机定子电压
由式(5)可得
(6)
由式(6)可以看出,当电机定子电压达到逆变器输出极限时,为了使转速
升高,只能通过增长直轴去磁电流分量
和减小交轴电流分量
,以维持电压平衡,达到弱磁调速目。
图4为老式超前角弱磁算法控制框图,其基本原理为:
以电流环输出值作为电压PI调节器输入控制量,与给定电压
之间差值通过电压PI调节器来控制电机定子电流矢量与q轴之间超前角
。
为
,其中
为逆变器直流母线电压。
当
低于
时,由于饱和环节作用,PI调节器处在正向饱和,输出电流超前角
=0,此时
=
=0,电机运营在恒转矩区。
高于
时,电压PI调节器输入为负值,PI调节器开始退出饱和,输出负超前角
,产生负向d轴电流分量,电机进入弱磁工作区。
同步对
还要采用一定限制,使其不大于电机最大去磁电流。
[14]
图4 老式超前角弱磁算法框图
2.改进SVPWM过调制算法
表贴式永磁同步电机采用老式超前角弱磁控制算法加载运营时,当给定电机转速超过其转折速度,在其升速阶段,会浮现d,q轴电流激烈震荡,进而导致速度波动,电机没有实现从恒转矩区到恒功率区平滑过渡。
电流激烈震荡普通会引起驱动器过流保护,同步引起逆变电路较大di/dt和dv/dt,增大电机运营时电磁干扰,减少功率器件使用寿命。
通过度析得出在弱磁调速升速阶段,电流环输出即电压指令值在某些瞬会超过SVPWM算法输出范畴,由于PI调节器固有延迟性,依托弱磁控制电压闭环并不能迅速地将电压调节过来,从而导致了输出电压在某些瞬间不可控,引起了电流震荡。
为此,本文尝试采用一种改进SVPWM过调制算法,在逆变器直流侧电压不变状况下增大其交流电压输出,提高电压输出能力,改进弱磁调速时动态性能[15]。
(三)内置式永磁同步电动机弱磁控制
内置式永磁电机永磁体埋在转子铁心里面,在弱磁运营时使其具备退磁防护作用,因此内置式永磁电机比表贴式永磁电机不易退磁。
由于内置式永磁电机d轴电感不不大于表贴式永磁机,且d轴电感不大于q轴电感,具备磁阻转矩,因此其具备更宽恒功率范畴和优良弱磁扩速能力[16][17],非常合用于启动、低速或爬坡时输出大转矩,在高速时输出大功率,以及宽调速范畴、高可靠性车辆环境中。
与老式电励磁电机相比,内置式永磁同步电动机具备体积小、质量轻、损耗小、效率高、构造简朴、运营可靠等明显长处,在高性能、转矩响应迅速性场合具备较好应用前景,因此在电动汽车中采用永磁同步电动机驱动成为发展趋势[18]。
1.内置式永磁同步电机移相弱磁控制方略
图5是本设计提出弱磁控制方略方框图。
图5IPMSM移相弱磁控制方框图
图中转速环重要得到转子位置角度
,经取微分得到电角速度
通过转速调节器得到转矩
,由电流发生器按照最大转矩电流比控制电流输出公式给出
,d、q轴电流参照值在角度运算器中做极坐标到直角坐标变换以及逆变换。
当转速超过基速时切换到弱磁控制模式,弱磁控制器生成系数
作用到电
流相位角
上生成
d、q轴电流分量通过PI调节和电流解耦后得到
,最后通过旋转至静止坐标变换,便可获得用于控制变频器输出
静止坐标系中定子电压
与老式基速下采用
=0弱磁控制方式比较,该系统增长了一种带弱磁控制其电压反馈环节。
弱磁控制其作用就是检测给定定子电压,并用它与实际定子端电压做一种方式上比较,最后通过PI调制得到比例系数
,再经由角度元算器将它作用到电流相位角
上以起到弱磁效果。
经由给
运算得到
包括着此时电机负载信息,通过它与定子端电压做比较就保证潜在弱磁区间
中选取一种依赖于负载点进入弱磁模式。
这里弱磁控制器设计需要满足一下几种条件:
(1)运算给定低于端电压
时,输出系数
作用应不变化相位角
,相称于电机处在最大转矩电流比控制。
此时,电动机处在基速如下恒转矩运营或者是潜在弱磁区域中最大转矩电流比容许某些。
(2)电动机端电压随着IPMSM转速增长逐渐升高,当运算给定不不大于
时,弱磁控制器要迅速响应,迅速给出调制系数
,使它在角度运算器作用下得到
以保证弱磁控制开始,使IPMSM转速一继续升高。
在调制过程中,由于响应速度规定,PI调制要迅速退饱和,规定对PI控制器作出特殊设计。
(3)在调速过程中,注意对电流要限制,
都要在电流极限容许范畴内[19]。
2.具备迅速动态响应前馈弱磁控制方略
基于前馈控制弱磁控制方略,将交、直轴电随转矩及定子磁链变化关系绘制成表格。
在电机运营过程中,依照转矩及定子磁链参照值通过实时查表得出电机交、直轴电流给定值。
由于该办法可以依照实际工况规定同步得出交、直轴电流参照值,因而可以有效地提高系统迅速响应能力[20]。
图6IPMSM移相弱磁控制方框图
如图6所示,弱磁控制方略实现过程重要涉及4个某些。
第四某些是依照逆变器直流侧电压及电机转速计算定子磁链限幅值。
这里假定电压参照值为最大输出电压值,即:
(7)
第二某些即依照电机转矩、磁链参照值查表得出电机交、直轴电流给定值,以实现系统前馈控制。
第三某些是依照转速升高实时限定电机也许输出最大转矩,从而实现电机恒功率运营。
前馈控制可以提高系统迅速动态响应,然而,不同交、直轴电流作用下,电动机磁路饱和限度不同,因而,电机参数不同,这对系统弱磁控制性能有直接影响。
由于直轴磁路存在永磁体,其磁导率接近空气磁导率,不易饱和,因此直轴电流对直轴电感影响较小;
而交轴电流变化对交轴电感影响则比较明显。
永磁同步电动机弱磁升速过程中,直轴电流逐渐增大,而交轴电流是逐渐减小。
因而在弱磁过程中,应当考虑交轴电感
值变化导致直轴参照电流
计算误差。
三、结语
本文重要分析、研究了无刷直流电动机无位置传感器技术、转矩脉动控制以及起动办法分析这三个热点问题。
和老式构造永磁同步电动机和复合转子永磁同步电动机通过弱磁控制可以拓宽速度范畴,但是存在某些局限性。
与之相比,运用设计漏磁通路变化磁通途径办法为彻底解决永磁电机弱磁问题提供了新但愿和途径,当前这种运用漏磁通路弱磁办法尚有待更为进一步研究。
可见,寻找一种可以完美地满足弱磁控制规定新型永磁同步电动机构造和控制办法,是当今电机界重要研究课题。
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