（电机与电器专业论文）双凸极永磁电机矢量控制研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo c wd s p mm o t o rd r i v es y s t e mi sac o m p e t i t i v ec a n d i d a t ei nv a r i a b l e s p e e do p e r a t i o n d r i v ew i t hh i g hp e r f o r m a n c e a t t r a c t i n gm o ma n dm o r ea t t e n t i o n s i nt h i sp a p e r an e wv e c t o r c o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e da n di m p l e m e n t e do na n8 6 p o l e s k e w e d r o t o rd s p mm o t e lt h e n t h ed s p mm o t o ro p e r a t e ss m o o t h l yw i t hs m a l lt o r q u er i p p l ea n dw i d e rs p e e d r a n g e a tt h es a m e t i m e t h es w i t c h f r e q u e n c yi sf i x e db ys o f t w a r e c o m p 口e dw i t hp e r m a n e n tm a g n e ts y n c i l r o n o a sm o t o r p m s m a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r e a n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so f d s p mm o t o r t h ep e r m a n e n tm a g n e t si n s e ti nt h es t a t o ri ss u p p o s e dt o l o c a t ei nt h er o t o r i nt h i sw a y t h ed s p mm o t o rh a st h e s a m es t r u c t u r ea n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa s t h o s eo fp m s m t h e n t h em a t h e m a t i cm o d e lo fd s p mm o t o ri sd e d u c e d i ti sf o u n dt h a tt h e i x f o r m e n c o fd s p mm o t o ri sd i r e c t l ya f f e c t e db yt h ep h a s ec u r r a n t s ot h ec o n t r o ls t r a t e g y f o c u s e so nt h ec u r r e n tc o n t r o la n di t si n f l u e n c e s i no r d e rt ow i d e nt h eo p e r a t i n g s p e e d f l u x w e a k e n i n gc o n t r o li sa d o p t e d ad s p mm o t o rv e g t o rc o n 订o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e db a s e d o n8 0 c 1 9 6 k c i na d d i t i o n a d 9 8 5 4w h i c hc a no u t p u tt w os i n u s o i d a ls i g n a l sw i t hv a r i a b l e f r e q t m n c y p h a s ea n da m p l i t u d ei su s e di nt h em o t o rc o n t r o lf i e l df o rt h ef i r s tt i m e i nt h ee n d t h ep r o p o s e dd s p mm o t o rv e c t o rc o n t r o lt h e o r yh a sb e e nv a l i d a t e db yb o t h s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t s k e yw o r d s d s p mm o t o r t o r q u er i p p l e v o c t o rc o n t r o l f l u x w e a k i n gc o n t r o l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 期 东南大学学位论文使 用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论 文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包 括刊登 授权东南大学研究生院办理 研究生签名 导师签名 日期 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 二十世纪八十年代以来 电力电子技术 微电子技术 现代控制理论和计算机技术的进 步 以及新型永磁材料的出现 为电机的发展奠定了基础 在直流电机 异步电机和同步电 机的基础上 研制出了永磁电机 p e r m a n e n t m a g n e t m o t o r 简称p m 电机 开关磁阻电机 s w i t c h e dr e l u e t a n c em o t o r 简称s r 电机 无刷直流电机等新型高性能电机 同时以逆 变器供电的电机控制系统得到了飞速的发展 电机不仅被看成一个执行元件而是整个电气传 动的控制系统被广泛地运用于各个领域 无刷 高效 灵活 高精度控制都是电机发展的方 向 由于新型高性能永磁材料钕铁硼 n b f e b 的出现使得p m 电机得到迅猛发展 稀土永 磁可以增大气隙磁密 把电机转速提高到最佳值 这些都可以缩小电机体积 减轻质量 提 高功率密度 永磁同步电机不需要励磁绕组和直流励磁电源 也取消了容易出问题的集电环 和电刷装置 成为无刷电机 因此结构简单 运行更为可靠 高效永磁同步电动机与感应电 动机相比 不需要无功励磁电流 可以显著提高功率因数 减少了定子电流和定子电阻的损 耗 而且在稳态运行时没有转子电阻损耗 随着电力电子技术的迅猛发展和器件价格的不断 降低 人们越来越多地用变频电源和交流电动机系统来替代直流电动机调速系统 位置闭环 的变频调速具有电励磁直流电动机的优异的调速性能 又实现了无刷 总之 与传统的电励 磁电机相比 p m 电机特别是稀土p m 电机因具有结构简单 运行可靠 体积小 质量轻 损耗少 效率高 电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点而应用范围极为广泛 几乎遍 及航空航天 国防 工农业生产和日常生活的各个领域 3 1 但是 永磁在转子上的永磁电机 转子结构复杂 转动惯量比较大 电机高速运行时 永磁体容易发热而退磁 转子结构不够 牢固等问题需要解决 s r 电机是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一种新型电机 具有许多明显的优点 定 转 子铁心都为凸极结构 定子上为集中绕组 转子无绕组和永磁体 适合高速运行 制造工艺 简单 成本较低 起动电流和起动转矩易于控制 起动转矩大 各相间的互感较小 每相电 流和大小可以独立控制 易于实现各种特殊要求的转速一转矩特性 定子绕组可以根据负载 的要求 可以迅速地改变输出转矩的大小和方向 且电机转子惯量小 具有良好的动态调速 性能 调速范围宽 运行效率高 能实现正 反转控制及四象限运行 功率变换器只需提供 单方向电流 避免了直通的可能 提高了系统工作的可靠性等等 因而s r 电机在工业 航 空业和家用电器等领域均获得较广泛应用 s r 电机也有许多固有的缺点 首先 s r 电机只 有在绕组电感随转子位置角增大时 绘绕组通电才能产生正转矩 因而在一个导遁周期内可 能用来产生转矩的两个区域 只有一个区域得到利用 电机运行效率和材料利用率较低 其 东南大学硕士学位论文 次 由于绕组电感较大 为了避免出现绕组电流关断后延续到负转距区 必须将绕组提前关 断 因而削弱了电机出力 再则 s r 电机为了增加饱和度以提高电机出力 定 转子间气 隙较小 因此噪声和振动较大 还有 s r 电机相应绕组和功率变换器的容量及附加损耗会 增大 这是因为s r 电机本身还属于励磁电机 因此绕组中必然存在励磁电流分量 从而使 得它的效率和单位体积功率相较于无刷直流电机和其它p m 电机稍显不足1 4 5 刀 为了发挥p m 电机和s r 电机的优点 克服其缺点 美国威斯康星一麦迪逊大学的 t a l i p o 教授于9 0 年代初结合了两种电机的优点 首先在s r 电机中引入了高性能的永磁 体 从而产生了所谓的双凸极永磁电机 1 d o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r 简称d s p m 电机1 1 2d s p m 电机的基本结构和特点 1 2 18 6 极定子永磁型d s p m 电机的结构 d s p m 电机主要有两大类 转子永磁型 定子永磁型 转子永磁型d s p m 电机由于转 子结构比较复杂 优势不明显 现很少研究 这里不作介绍 定子永磁型d s p m 电机结构 和s r 电机很相似 定 转子均为凸极 转子上既无绕组也无永磁体 结构简单 牢靠 高 速运行能力强 定予齿上安放集中式绕组 绕组端部短 减少用铜量 损耗小 效率高 定 子轭部放置了永磁体 定转子齿数不相等 为避免单边磁拉力 径向是对称的 所以定转子 齿数为偶数 定子上以轴对称的绕组可以串联或并联 其相数是电机定子齿数的一半 图1 一l 为8 1 6 极电机截面图 也可以是6 1 4 极或1 2 8 极等其它合理的结构 冒1 1 定子永磁型8 6 极i s p m 电视 电机的定子齿顶宽为定子齿距的一半 这样保证一个极下转子齿与定子齿的重叠角之和 等于转子齿顶宽 而与转子位置无关 磁铁工作点将不随转子位置角而变 保证了电机无定 位力矩 2 第1 章绪论 1 2 2d s p m 电机的优缺点1 1 0 i d s p m 电机的优点 1 电机定转子均为凸极结构 简单 制造工序少 成本低 维修量小 2 永磁体在定子轭部 转子是纯铁心结构 无绕组 转子转动惯量小 动态响应迅速 可 以高速运行 3 d s p m 电机既可以单拍运行 也可以双拍运行 控制参数多 可以通过控制电压 电流 开关角 电流幅值等参数 满足不同的负载要求 4 通过改变导通相的顺序和绕组电流的方向 可以实现正反转及四象限运行 5 d s p m 电机调速系统一般为转速闭环系统 稳态精度高 调速范围宽广 由于定子上拥 有永磁体 因此绕组电感小 电流易于换向 系统具有良好的动态响应性能 6 由于采用永磁材料励磁 因此 能量转换率高 损耗低 效率高 7 电机和功率变换电路各相独立 在局部相发生故障时对其它相影响不大 因此 d s p m 电机的容错性能好 8 由于利用了可产生转矩的两个区 因而相对于s r 电机来说功率密度更高 转矩脉动比 s r 电机小 噪音较低 d s p m 电机有以上的众多优点 但同时存在现有的控制策略下 由于电感值较小 因此 在低速运行时斩波频率高 逆变功率模块开关损耗大 电枢电流不规则 使电机的输出转矩 不是恒值 转矩脉动较大 以及噪声的问题 1 3 国内外的发展概况 1 3 1 国外发展概况 早在1 9 5 5 年 r a u e h 和j o h n s o n 就提出了双凸极永磁电机的概念 但是由于当时所使 用的永磁材料 a l n i c o 的限制 电机体积庞大 难以投入实际应用 随着永磁材料工业 的发展 第三代稀土永磁材料钕铁硼 n d f e b 的出现 为现代双凸极永磁电机的研制提供 了可能 1 9 9 2 年 美国威斯康辛 麦迪逊大学的著名电机专家t a l i p o 教授等人首先提出了现 代双凸极永磁电机的概念 并对其进行了大量的理论和实验研究 t a l i p o 等人首先设计 了6 4 极d s p m 电机 其结构如图l 2 所示 定 转子均为双凸极结构 转子上无绕组 定子上有集中绕组 永磁体嵌在定子上 并建立了该电机的数学模型 分析了该电机的电磁 特性及工作原理 提出了低速时斩波控制 高速时单脉冲控制的控制策略 并制作了样机 将理论与实际相验证 从而验证了理论的正确性 但是其在分析过程中没有考虑非线性因素 并且也未考虑互感的作用 1 i 为了减小转矩脉动 设计出了双定子的双凸极永磁电机 i 为了拓宽调速范围 提出了一种采用电励磁法进行弱磁的d s p m 电机和三种利用机械结构 3 东南大学硕士学位论文 进行弱磁的d s p m 电机 除了对电动机结构进行研究以外 t a l i p o 等人还研究了d s p m 电机作为发电机使用的电机结构 提出了一种可作汽车发电机使用的单相d s p m 电机 结 构如图l 一3 所示f 1 4 图l 26 4 极d s p m 电机图i 3 单相d s p m 发电机 基于d s p m 电机具有明显的定位力矩 罗马尼亚的r a d u l e um m 等人开发出了一种 适合于家用电器的小型d s p m 电机 其结构如图l 一4 所示1 1 5 1 6 1 图i 4 家用电器用d s p m 电机 罗马尼亚的i o n b o l d e a 和英国的r p d e o d h a r 等人在t a l i p o 等人的基础上提出并开发 出了专用于发电的双凸极永磁电机f r m f l l l r e v e r s em a c h i n e 如图l 一5 所示i a 单相 b 三相 圈i 5f r m 发电机 d s p m 电机采用的变换器含有两个相同规格的分裂电容 由于电枢绕组电感不是恒值 4 第1 章绪论 而且 一个电容放电时另一个电容可能在充电 使得两电容上的电压不等 对此 丹麦的 f r e d eb l a a b j e r g 等人提出了通过调节绕组正负电流的开通和关断角 来保证两个电容器电压 相等 在平均转矩不变的情况下通过优化开通和关断角使效率最大的控制策略 l 叼 1 3 2 国内的发展概况 国内 东南大学的程明教授等率先展开了对d s p m 电机的研究 并获得了国家自然科 学基金等项目的资助 取得了一系列的突破 主要研究成果如下剐 i 1 首次在国内介绍了d s p m 电机的运行原理和基本的控制策略 提出了8 6 极电机的 结构 如图i 一1 所示 建立其数学模型并分析其电气性能 在基本尺寸相同的情况下 8 6 极电机比对应的6 4 极电机具有更高的功率密度 更宽的调速范围 更小的转矩脉动以及更 低的绕组电流幅值 2 首次提出分裂绕组的概念 如图l 一6 所示 以扩展电机的调速范围 针对永磁电 机一经制成 其磁场就难以调节的缺点 根据转速与绕组匝数之问的关系 提出了具有分裂 绕组的d s p m 电机 从而成倍地扩展了d s p m 电机的转速范围 并通过样机实验验证了理 论分析的正确性和可行性 图1 6 四相8 1 6 极d s p m 电机分裂绕组示意图 3 首次提出采用交流法来测量d s p m 电机电感 提出了在绕组中通入交流电的方法来 实验测量电感的方法 实验结果表明测量值与计算值是一致的 4 提出了无中线的功率变换器结构 针对4 相8 6 极电机的特点 提出了无中线四相 半桥式功率变换器拓扑结构 避免中线存在时具有的分裂电容电压不平衡的缺点 简化了控 制系统 5 首次提出了8 6 极d s p m 电机的两相运行方式 可以从理论上完全消除转矩脉动 6 对8 6 极电机的控制器进行了优化设计 在p i 控制的基础上进行改进 实现了模糊 p i 控制和变参数p i 控制 并进行了d s p m 电机调速系统的无位置传感器的研究 华中科技大学 浙江大学和南京航空航天大学 山东大学等国内机构也相继对d s p m 电机展开了研究 华中科技大学的詹琼华教授等人对单相双凸极永磁电机进行了研究 提出了一种单相的 东南大学硕士学位论文 双凸极永磁电动机和一种单相的双凸极永磁发电机 并对之进行了仿真计算 理论分析和样 机实验 2 b 2 6 浙江大学的陈永校教授等人针对电动自行车需求 设计了小功率的6 4 极d s p m 电机 并进行了仿真和样机实验 2 7 1 山东大学的王蕾 李光有等人则对f r m 电机展开研究 介绍并研究了一种三相6 8 极 的f r m 电机脚i 南京航空航天大学的孟小利等人系统地介绍了d s p m 电机目前国内外的发展概况和现 状 相蓉 周波等人则对双凸极电机进行了总结 将电励磁的双凸极电机和双凸极永磁电机 进行了比较 并对电励磁的双凸极电机进行了理论仿真和样机实验1 2 9 3 j 1 从国内外对双凸极的电机研究发展情况来看 双凸极电机正受到国内外学者的广泛关 注 但目前主要的研究大都集中在电机结构设计和性能分析上 对控制策略研究较少 为提 高d s p m 电机的效率和减小转矩脉动 对于控制器的设计和控制策略的优化等研究还有待 进一步深入 1 4 本文研究的主要内容 d s p m 电机是一种具有许多优点的新型电机 具有广泛的应用前景 d s p m 电机定转子 均为凸极结构 与s r 电机相似 一问世就被认为是从s r 电机发展起来的 所以目前的控 制策略和s r 电机一样 低速时 电流斩波控制 c h o p p e dc u r r e n tc o n t r o l 简称为c c c 高速时 角度位置控制 a n g u l a rp o s i t i o nc o n t r o l 简称为a p c 1 1 0 1 这种控制策略存在磁 场难以调节 转矩脉动等问题 如何找到一种新的控制策略来解决这些问题 对d s p m 电 机的发展十分关键 本文针对d s p m 电机转矩脉动问题 以转子斜槽8 6 极d s p m 电机为 样机 做了如下工作 1 介绍了d s p m 电机的基本工作原理 分析转子斜槽8 6 极d s p m 电机的静态特性 建立d s p m 电机的数学模型 2 首次提出了基于双凸极永磁电机的矢量控制理论 把d s p m 电机控制策略从以前运 用在s r 电机的控制方法脱离出来 转为与永磁同步电机同样的控制策略 进而从 理论上消除耳前d s p m 电机最突出的转矩脉动问题 建立了d s p m 电机矢量控制 模型 对电流控制的方法进行分析 提出弱磁控制方法可以提高转速的理论 3 运用m a t l a b 软件对d s p m 电机系统建模 并进行矢量控制方法的仿真与分析 4 设计并制作基于8 0 c 1 9 6 k c 单片机的8 6 极d s p m 电机矢量控制系统 主要包括位 置检测电路 电流检测电路 电流控制器 驱动电路和逆变电路 运用仿真软件对 各部分电路进行仿真 并制作电路板 5 根据设计的硬件电路 设计流程图 编写软件 并进行调试 6 进行实验研究 通过实验 验证理论的正确性和控制器设计的合理性 分别在空载 和加负载时 在给定电流参考值时 得出电流波形 最后分析实验结果 6 第2 章d s p m 电机d s p m 电机调速系统的基本原理及其数学模型 第2 章d s p m 电机调速系统的基本原理及其数学模型 2 1d s p m 电机的基本工作原理 本文以图2 1 所示的转子斜槽8 缅极d s p m 电机为例 说明d s p m 电机的静态特性以 及工作原理 对于d s p m 电机来说 由于其结构是对称的 因此 其参数如永磁磁链或电 感都具有周期性l 周期0 p 可以表示为 咒 3 6 0 2 一1 p 式 2 1 中p 转子极数 对于8 6 极d s p m 电机 口 为6 0 图2 1 定子永磁型8 6 极d s p m 电机 2 1 1d s p m 电机的静态特性的分析 若电机电枢绕组不通电流 则电枢反应磁势为零 永磁体外磁路的合成磁导 即定子与 转子之间气隙的磁导 在不计铁心磁位降的条件下 与一个极下 n 极或s 极 四个定子齿 与转子齿重叠角之和成正比 本电机的一个极下转子齿与定子齿的重叠角之和恒为转子齿顶 宽 与转子位置角一无关 定义a 相定子齿中心与转子槽中心位置为起始位置 即日为零 位置 磁导为常数 磁铁工作点将不随p 而变 这样电机静止时无定位力矩 而且任意一相 定子所交链的永磁磁链仅与该相磁导成正比 在转子斜槽2 2 后 d s p m 电机每相交链的磁链与转子位置角按正弦规律变化 图2 2 表明一相绕组中的磁链与位置角的关系 a b c d 相的磁链依次相差9 0 电角度 转 子转过6 0 机械角 磁链变化一个周期 a 相的永磁磁链为 f 一杪 c o s 6 0 2 2 式中y 月为a 相交链的永磁磁链 f 为永磁磁链的直流分量 妒 为磁链的交流分量的幅 值 由图2 2 知 妒一 0 3 4 w b 矿 0 1 w b 则虬 o 2 2 w b 妒 o 1 2 w b 7 东南大学硕士学位论文 c 相的永磁磁链与a 相差1 8 0 表达式为 c 妒 c o s 6 0 o o加 柏卯 r o t o r p l r r 嘲 d a g r i 2 3 图2 3 为转子斜槽2 2 辱筹与位置的关系 曲线非常接近正弦波 四相依次相差 9 0 电角度 磁链的变化率为正弦 即反电势波形也为正弦 a 相反电势为 铲警 等国 2 4 其中m 为机械角速度 把公式 2 2 代入 2 4 得 e 6 s i n 6 0 2 5 e o o 门 m 同样得到c 相反电势表达式 r o t o rp o s i t i o nl m e c h d e g r e e 图2 31 5 0 0 转时反电势波形 p c 6 s i n 6 0 0 7 8 2 6 第2 章d s p m 电机d s p m 电机调速系统的摹本原理及其数学模型 图2 4 是d s p m 电机转速为1 0 0 0 r p m 时四相绕组实测的反电势波形 从实测图可知 反电势接近正弦 四相相位依次相差9 0 夕澎 八 j 彳仝 一 一 一 j 八 二j 一 象 裟 2 j 篙 r j哪f t i 坤 vl z i j i l 临i i 图2 4 实测的反电势 如图2 5 所示 转子斜槽后的电感随位置角的变化关系也接近正弦规律 四相的电感波 形相同 相位角依次相差9 0 0 假定a 相电感为 则 一 一 一一 j j 一 一j 一 一 一臣虱 慕 o1 02 0 加5 0 r o t o rp o s i t i o ni m e e h d e g r e e 图2 5 电 舂曲线 l l c l c o s 6 0 l c l c l c o s 6 口 s o 2 7 2 8 其中电感参数为t o 0 2 h l o 0 0 8 h 以上只列出了a c 相磁链 反电势和电感的方程 b d 相分别落后a c 相9 0 0 这里不再列出 9 弱 筋 2 竹 0 o 一工车一ouc要d 口三 东南大学硕士学位论文 2 1 2 d s p m 电机工作原理 对于i 至i2 1 所不结构电彩l 来说 在线性情况f 如果忽略边缘效应和铁芯磁阻等因素 一相绕组永磁磁链如图2 2 所示 其值仅与转子位置角有关 而与电流无关 如在一相绕 组中通入电流f 幅值为 时 将在转子上产生一转矩r p f 9 q 丁p 牡j 1 2 丽o l f 鲁 霉 乙 2 9 式 2 9 中 工 一相绕组电感 妒 一相永磁磁链 j 1f 2 嚣 电感变化产生的磁阻转矩 f 旦 永磁磁链变化产生的永磁转矩 0 转子位置角 如在旦孑 时通入的是正电流 在旦 ec e苗 l 16 l 艮 jo k m 第3 章d s p m 电机d s p m 电机矢量控制的理论研究 粤 口一9 0 0 3 4 7 将式代入 3 4 7 代入 3 3 7 得 f sin p一901 3 48 将 3 4 8 与转矩方程式 3 3 0 联立求解 得到电流矢量幅值f 与输出转矩 之 闻的关系 如图3 8 所示 由图3 9 可以看出 在c o s a l 的条件下 输出转矩掣存在一个极大值 当定子电 流从0 开始增大时 电机输出转矩也随之增大 当输出转矩达到极大值时 输出转矩随电流 增大而减小 当电流标么值增大到1 时 输出转矩为0 对于一个给定的输出转矩 电 机可以工作在输出转矩最大值z 的左边区域 这里定义为a 域 也可以工作在输出转矩 最大值臻 的右边 这里定义为b 域 3 孚 占 卜 芎 导 o c u r r e n t p u 图3 9 转矩与电流的关系 c u r r e n t p u 图3 一l o 端电压比与电流关系 图3 一1 0 为端电压比与电流矢量标么值的关系 由图可知 端电压比随电流的增大而减 小 这种控制方式对逆变器容量要求比起电流直轴分量为0 屯 0 的控制方式要小 电机工作在a b 两区域对应的电机的工作特性如图3 一1 1 至图3 一1 4 所示 下面分别 对电机工作在a b 两域的工作特性近行分析 首先分析电机工作在a 域的工作特性 电机输出转矩随定子电流的增大而增大 电机的 电流直轴分量 和电流交轴分量0 绝对值均随着转矩掣的增大而增大 功角 9 和定子电 流矢量超前q 轴的角度都随着输出转矩的增大而减小 电机的端电压x 随输出转矩的增大 而减少 0u t 口u tt o r a u e p u 图3 1 1 电流直轴分量与转矩关系 兮 百 葛 8 0 u t p u tt o r q u e u 图3 1 4 电流交轴分量与转矩关系 oil西正 矗毋lio 焉uii 卜芒 j 一11i曲1u jjno 东南大学硕士学位论文 o u t p u lt o r q u e p l l 图3 1 3 功角与输出转矩的关系 o u t p u tt or q u e p u 图3 1 4 端电压与输出转矩关系 电机工作在b 域时工作特性 定子电流矢量的幅值随输出转矩的增大而减小 电流直轴 分量g 的绝对值随着输出转矩掣的增大而减小 电流交轴分量f 随着输出转矩的增大而 增大 功角 9 随输出转矩的增大而减小 电机的端电压比k 随输出转矩的增大而增大 但 较电机工作在a 域时端电压比小 通过对电机工作在a b 两域工作特性的分析知 电机工作在b 域比工作在a 域的端电 压比小 所以当电机转速较高而逆变器输出电压能力不够时 宜工作在b 域 电机工作在a 域时 定子电流较小 可以降低电机的铜耗 同时有利于逆变器半导体开关器件的工作 故 当逆变器有足够的电压输出能力时 宜工作在a 域 3 5 4 恒磁链控制 恒磁链控制就是控制电机定子电流 使电机全交链磁链 与永磁体产生的磁链 相 等 即 缈o2y 3 49 忽略定子绕组的电阻压降 厄万瓦f 丽 3 5 0 联立上两式得 瓶二7 吒而j 而 矿面万面矿 l 3 5 1 由电机矢量图3 3 和端电压方程式 3 3 3 知上式左边为端电压比k 的表达式 k l 3 5 2 2 s i n f l 一9 0 1 3 5 3 将式 3 5 3 和转矩方程 3 3 0 联立求解 可以得到定子电流与输出转矩的关系曲 线 如图3 一1 5 所示 同c o s a 1 控制方法类似 恒磁链控制方法输出转矩也存在极大值 且为c o s a 1 控制的最大输出转矩的一倍左右 当f 2 时 输出转矩为0 2 6 e i p i v 笛t 6 乱 第3 章d s p m 电机d s p m 电机矢量控制的理论研究 寻 e g 卜 己 芎 o 2 1 b 6 4 2 0 c u r r e n t pu 图3 一1 5 定子电流与输出转矩关系图3 一1 6 输出功率与电流的关系 这种控制方式时 电机的功率因数随定子电流的增大而减小 如图3 一1 6 虽然对于某 一给定转矩 有两个电流矢量与之对应 常选择定子电流较小的作为电机的工作点 如图3 一1 7 和图3 1 8 工作在a 域 i o o l l l j013 l 111 东南大学硕士学位论文 3 6 高速时的弱磁控制 d s p m 电机随着转速的升高 反电势增大 因此电机的端电压增大 当电机的端电压增 大到接近逆变器能够输出的最大电压时 电机实际电流不能随着参考电流的增大而增大 称 之为电流控制器饱和 转速越高 逆变器能够输出的电流越小 从而减小电机的输出转矩 而且使电机的转矩脉动变大 根据d s p m 电机的矢量控制模型 可以控制电流直轴分量d 对电机进行弱磁控制 使得电机在高速时反电势变小 电流控制器退出饱和 电机实际运行 时电流直轴分量嚣的大小与电机的转速有关 转速越商d 越大 通过弱磁控制的方法 很 大程度上拓宽了电机的调试范围 3 7 小结 1 根据第二章d s p m 电机两相运行时的静态特性和数学模型 与永磁同步电机的静态 特性和电机模型相比较 作了d s p m 电机定子永磁体放到转子上的假设 从而实现了d s p m 电机模型向永磁同步电机模型的转变 2 通过两相静止坐标与d q 轴同步旋转坐标之间的变换 建立了d s p m 电机矢量控 制的数学模趔 从模型可知 d s p m 电机与转子六对极 表面贴装式永磁同步电机矢量控制 的数学模型相同 3 具体介绍了d s p m 电机矢量控制的总体思路 便于电机的分析 又建立了d s p m 电 机标么值矢量控制数学模型 4 分析了电机电流的四种控制方法1 屯 0 控制 2 转矩电流比最大控制 3 功 率因数等于l 控制 4 恒磁链控制 分析不同控制方法下电流 输出转矩 电机的端电压 比 整个系统的效率之间的关系 结合本电机的特点 选用 0 控制方式 5 针对d s p m 电机高速运行时 电机反电势幅值增大 电流控制器进入饱和 绕组电 流不能跟随给定电流 输出转矩小 转矩脉动变大的不足 提出了高速时采用弱磁控制方法 从而大大拓宽了电机的调速范围 第4 章d s p m 电机d s p m 电机系统的建模与仿真 第4 章d s p m 电机系统的建模与仿真 m a t l a b 是一种具有强大矩阵计算功能的仿真软件 主要为控制领域和系统设计领域编 写 其它领域的学者利用其矩阵计算功能 编写了许多具有特殊功能的工具箱 电气系统模 块工具箱 p o w e r s y s t e m sb l o c k 简称p s b 以s i m u l i n k m a t l a b 中一种常用的图像化建 模界面 为运行环境 涵盖了电路 电力电子 电气传动和电力系统等电工学科中常用的基 本器件模型 通过p s b 可以搭建电气模型 并与s i m u l i n k 搭建的其它模型相连构成整 个电气系统模型1 4 3 i 本章主要利用仿真软件m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱和电力系统模块 根据第二章建 立的两相运行的双凸极永磁电机的数学模型 对d s p m 电机系统建立仿真模型 并根据实 际要求 给出在给定不同电压 电流和转速情况下的仿真结果 4 1d s p m 电机系统模型的建立 如图4 1 为d s p m 电机系统的仿真结构图 主要包括d s p m 电机本体模块 电流控制 模块 功率逆变模块 速度角度转换模块 本文主要的目的是电机在稳态运行时 减小转矩 脉动 为此建立了一个电流闭环的控制系统 系统的总体思路是 首先给定转速 根据转速 计算出转子随时间变化的位置角以及两路正交正弦电流的频率 在绕组两端加上一定的电 压 同时给定两路正交电流 参考电流与输出电流比较得出i g b t 的控制信号 控制i g b t 的开通和关断 使输出电流与给定电流保持一致 最后得出绕组中的电流 输出转矩及i g b t 控制信号的波形 为了验证采用矢量控制方法比采用c c c 和a p c 控制方法输出转矩脉动小 的结论 在绕组内通入方波电流 得出的转矩波形与通入正弦电流时的转矩波形相比较 电藏控制曩蜓 图4 ld s p m 电机系统的总体框图 东南大学硕士学位论文 4 1 1d s p m 电机模型 在整个模型中 电机本体模型建立最为关键 它将直接影响到仿真结果 电机模型建立 的精确程度与电机的各参数紧密相关 d s p m 电机的参数有绕组电阻 电感和永磁磁链 前 面两章的数学建模把电感和永磁磁链理想化为正弦波形 而本章所用参数都是电机实际设计 的参数 从而确保电机仿真模型的精确性 电机模型根据电机电压方程建立 式 4 1 为 v 相的电压方程 为了清晰起见 方程中的变量与模型表达式中的变量保持一致 而乘号用 来表示 电机本体模型利用s l m u l i n k 中的模块搭建而成 如图4 2 所示 u a c r a c i a c i a c d l a c d t h e t a w l a c d i a d t d p u s a i p m d t h e t a w 4 1 式 4 1 中 u a c 绕组两端电压 r a c 绕组电阻 i a c 一电流 d l a c d t h e t a 电感对转子位置角的导数 l a c 一绕组电感 d p us a i p m d t h e i a 永磁磁链对转 子位置角的导数 计一角速度 自n 一0 i p d t h m l 图4 2d s p m 电机本体模型 根据转矩方程 4 2 得到输出转矩模型如图4 3 转矩模型的输出用来分析电机绕 组通入不同电流 电压和不同转速时的电机转矩的脉动情况 t a c 0 5 i a c i a c d l a c d t h e t a i a c d p u s a i p m d t h e t a 4 2 图4 3 输出转矩模型 第4 章d s p m 电机d s p m 电机系统的建模与仿真 4 1 2 速度角度转换模块 电机的电感 磁链等主要参数与转子位置角有关 所以建立了转速与位置角转换模块 d s p m 电机各物理鼍以转子转过6 0 为一个周期 转子机械角速度为转速的6 倍 实时计算 得到的转子角度再加上各相的偏移角度 图4 4 是v 相的转速与转子位置角的转换模块 图中偏移角为6 0 是因为以v 相转子位置为参考 如果为w 相 因落后v 相9 0 电角度 所以偏移角为4 5 0 得到的总的角度再除以6 0 求余 得到一周期内的角度 图4 4 速度角度转换模块 4 1 3 电流控制模块 电流控制采取电流滞环方式 滞环宽度固定 根据速度给定 给定与速度相对应频率的 正弦电流或者方波电流 与实际的电流相比较 经过滞环控制模块 输出i g b t 的控制触发 信号 输出两组控制信号在逻辑上保持反向 用反向器来实现 这样就能保证电流值在规定 的环宽之内 电流控制模块如图4 5 所示 图4 5 电流控制模块 4 1 4 功率模块 电机系统的功率模块用p s b 工具箱中的功率器件i g b t 模块和二极管模块搭建而成 电机的每相绕组由4 个i g b t 模块来控制 两相共用8 个i g b t 模块 二极管并联在i g b t 两端 构成绕组的续流回路 i g b t 的控制信号来自电流控制回路输出信号 一相功率模块 如图4 6 所示 嚣 吁呦 p 东南大学硕士学位论文 图4 6 一相功率模块 4 2 仿真分析 根据前面建立的d s p m 电机控制系统仿真模型 结合第三章提出的 0 和高速时进 行弱磁控制的方法 分别在不同转速时 低速选择4 0 0 r p m 基速选择1 5 0 0 r p m 高速选择 3 0 0 0 r p m 对给定不同电流和电源电压进行仿真 最后对仿真结果进行分析 仿真时只有 电机在3 0 0 0 r p m 时进行弱磁控制 其它情况都采用 0 电流控制方式 4 2 1 低速时的运行仿真 电机的给定速度为4 0 0 r p m 给定电源电压为5 0 v 正弦参考电流幅值为1 5 a w 相电 流落后v 相电流9 0 0 仿真结果如图4 7 所示 v 相和w 相仿真的电流波形为图 a 和 b 由图可知 在电源电压和转速比较低的情况下 由于反电势的影响 电流控制器进入 饱和状态 绕组电流不能跟随给定正弦电流 图中电流出现下凹 是因为电机的反电势达到 或接近最大值 电流不能继续上升 反而回落 电机两相的输出转矩如图 c 和 d 所示 各相转矩的大小基本随电流的绝对值增大而增大 这与转矩公式 2 2 1 相一致 如图 e 所示 由于绕组电流不规则变化 电机总的输出转矩脉动较大 上下限差值达l n m 之多 转矩的平均值大约为1 1 n m 图 f 为v 相i g b t 的p w m 波控制信号 由于电机的特性 使得只有在电流出现尖峰附近才进行斩波 而其它时间 i g b t 一直开通绕组电流都不能跟 随给定电流 通过m a t l a b 自带的示波器知 最大开关频率大约为7 k h z 总之 在电源电压较低时 即使转速很低 也会出现电流不能跟随给定电流的现象 称 为电流控制饱和现象 输出转矩脉动较大 第4 章d s p m 电机d s p m 电机系统的建模与仿真 s 器 云 右 芑 芒 云 a v 相电流 c v 相转矩 b w 相电流 1 罢 兰0 5 2 磊 0 d w 相转矩 哪 00 0 20 0 40 0 60 0 8 t i m e s c 合成转矩 f v 相i g b t 正向开关颓率信号 图4 7 电机工作在4 0 0 1 p m 电源电压5 0 v 正弦电流幅值1 5 a 时的仿真结果 现把电源电压设为1 0 0 v 而其它情况不变 仿真结果如图4 8 所示 由图 a 和图 b 可以看出 两相绕组电流波形为正弦波 幅值为1 5 a 相位相差9 0 这说明在电源电 压升高的情况下 绕组电流可以跟随给定正弦电流 两相的转矩波形按转矩公式 与电流平 方成正比 图 c 和图 d 与理论基本一致 两相的合成转矩如图 e 所示 从图可以 看出 转矩平均值大约为2 2 n m 转矩脉动非常小 在电源电压增加后 转速不变的情况下 i g b t 的开关频率明显增大 且在整个范围内不断的开通和关断 这与电源电压在5 0 v 时存 在很大差别 通过m a t l a b 自带的示波器知 最大开关频率大约为1 5 k h z 由此看出 在转 速较低时 电源电压较高使电流跟随性好 输出转矩脉动小 同时i g b t 的开关频率大 损 耗大 所以在速度较低时 电源电压不宜加得太大 一v o甓c jolu芒 o e邑 由 订c 芑0390 一u z m丁bjo 东南大学硕士学位论文 善2 乏1 云0 芑 l 1 8 2 00 00 4 0 0 6 0 0 8 t i m e 8 1 a v 相电流 3 z e 2 i g 1 0 c v 相转矩 b w 相电流 d w 相转矩 00 0 20 0 40 0 60 0 8 t i m e 8 e 合成转矩 f v 相i g b t 正向开关频率信号 图4 8 转速4 0 0 r p m 电源电压1 0 0 v 正弦电流幅值1 5 a 时的仿真结果 4 2 2 基速时的运行仿真 电机的额定转速1 5 0 0 r p m 额定转矩为4 7 7 5 n m 额定输出功率为7 5 0 w 根据矢量控 制的数学模型 转矩公式瓦 缈r j 口 这里的 2 y o 2 4w b 则额定的电流交轴分 量大约为3 3 a 由于i a 0 由两相静止坐标变换到两相同步旋转坐标系知 电流的幅值 等于d q 坐标系中的电流交轴分量 在给定正弦电流幅值为3 3 a 电源电压为3 0 0 v 的情 况下 仿真结果如图4 9 所示 电流波形为正弦曲线 幅值大约为3 3 a 合成转矩平均值 大约为额定转矩 且转矩脉动较小 i g b t 的最大开关频率信号为2 0 1 d l z 这个频率在i p m 模块的开关频率范围内 由上可知 在额定转速 额定转矩的情况下 电流跟随性好 输出脉动转矩小 从而证 第4 章d s p m 电机d s p m 电机系统的建模与仿真 实了矢量控制中i d 0 电流控制方式的可行性 t i m e 8 8 v 相电流 t i m e 暑 c v 相转矩 t i m e 8 b w 相电流 t i m e s d w 相转矩 t i m e s c 合成转矩 o坍毋c 葛芒 jno en o器cn oo go 一s m 母盖芑iuejno 东南大学硕士学位论文 4 2 3 1 给定 0 i 1 6 5 a 控制 由图4 1 0 所示电机在高速运转时 即使电源电压高达4 0 0 v 的情况下 由于反电势的 影响 输出电流不能跟随给定的正弦电流 电流控制进入饱和状态 输出转矩比较小 且脉 动较大这与低速时电源电压比较低的情况类似 由此可见 要电机能在高速时平稳运行 要 加足够高的电源电压才能克服反电势的影响 但这样会导致对i g b t 耐压要求的提高 同 i g b t 开关频率急速上升 开关损耗加大 还有一种方法可以改善电机在高速时电流跟随性 就是进行弱磁控制 使电机在高速时反电势减小 电流在高速时能保持正弦 s 器 里 a 奄 芒 芑 君 a v 相电流 c v 相转矩 s d 器 云 5 芒 害 8 b w 相电流 e 合成转矩 图4 一l o 电机转速3 0 0 0 r p m 电压4 0 0 v d w 相转矩 f v 相i g b t 正向开关状态 0 1 6 5 a 的仿真波形 一ez o bjo 第4 章d s p m 电机d s p m 电机系统的建模与仿真 4 2 3 2 给定 1 6 5 a 1 6 5 4 的弱磁控制 由坐标轴变换知电流的幅值为i 虿干虿 2 3 a 在d q 坐标系中电流矢量超前q 轴的角度为 t a n 一 i d