基于零电压矢量的永磁同步电机直接转矩控制系统.pdf

研 究 与 开 发 基 于零 电压矢量的永磁 同步 电机直接转矩控制系统 牛慧文王淑红侯胜伟何 冲 太原理工大学电气与动力工程学院 太原0 3 0 0 2 4 摘要本文研 究了永磁同步电机 P MS M 直接转矩控制 D T C 系统 D T C系统普遍存在着在 低速运行时 转矩脉动比较大的不足 本文具体分析了零 电压矢量对转矩的作用 根据加入的零 电压矢量作 出了新的开关表 仿真结果表 明 在保持 了P MS M 直接转矩控制系统优 良的特性同时 使转矩脉动有显著减小 关键词 永磁同步电机 零 电压矢量 直接转矩控制 仿真 The Di r e c t To r q u e Co n t r o l o f PM S M Ba s e d o n t h e Ze r o Vo l t a g e S p a c e Ve c t o r N u Hu i we n Wa n g Sh u h o n g Ho u Sh e n gwe i He Ch o n g T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 Ab s t r a c t T h i s p a p e r s t u d i e s t h e p e r ma n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s mo t o r P MS M d i r e c t t o r q u e c o n t r o l DT C s y s t e m D T C h a s d r a w b a c k s t h a t t h e r i p p l e s i n t o r q u e a r e r e l a t i v e l Y h i g h e r a t l o w s p e e d The t h e s i s a n a l yz e s t h e r e a s o n s o f DTC s y s t e m f o r t he e x i s t e nc e o f t o r q u e r i p p l e a n d u s e s t he n o nl i ne a r p e r pe nd i c ul a r f l u x o bs e r v e r wi t h c o mp e ns a t i o n f e e d ba c k s o l ve s t h e p r o b l e m s a s s o c i a t e d wi t h t r a d i t i o n a l flu x o b s e r v e r a n d s t u di e s t he e f f e c t o f z e r o v ol t a g e v e c t o r t o t he t o r q u e u s e s t h e s wi t c h t a b l e t h a t a d d t he z e r o vo l t a g e v e c t o r Th r o u g h a n a l yz e t h e r e s ul t s o f s i mu l a t i o n i t c a n r e d u c e t h e t o r q ue r i p pl e Ke y wo r ds PM S M t he z e r o vo l t a g e s pa c e v e c t o r di r e c t t o r q ue c o n t r o l DTC s i mu l a t i o n 永磁 同步 电机在近几十年 伴随着微 电子和计 算机 技术 的发展广 泛 受到学 者 的青睐 尤其 是铝 镍 钴 铁氧 体 和稀土 永磁 等永 磁材 料 的开发 更推 动 了永磁同步 电动机 的飞速发展 这都归功于现代永 磁 材料 价格 的 降低和 材料磁 性 能 的大幅提 高 永磁 同步电机由于采用了永磁体作为转子获取磁场 极 大的减小了电机的空间 降低了能耗 目前在航空 航 天 汽 车 驱动 智 能机 器 人等 科研 领域 P MS M 已 经成 为 国内外 电机界研 究 的热 点 直接 转矩 控制 在2 0 世纪 8 0 年代 就 以其 独特 的控 制 方法 简 明 的系统 结构 优 良的动 静态 性能 受到 了人们 的广 泛关注 并得 到 了长足 的发展 在 这些 年里发展了多种直接转矩控制策略 大多数方法都 用来解 决低 速 时转矩 脉 动 的问题 DT C系统其 基本 思 想 就 是通 过控 制 定 子 磁链 来 达 到控 制 转 矩 的 目 的 比起 矢 量控制 省 去 了大量复 杂 的计算 8 l 辔暮 甍 i 技7 lt 2 0 1 2 年 第 7 期 1 P MS M 数学模 型及 DT C系统 1 d q轴下 P MS M数 学建模 在建立数学模型 以前 为了简化分析过程 忽 略一些影响较小的因素 先作以下几点假设 电机 的磁路是线性的 不考虑磁路饱和 磁滞和涡流的作 用 三相绕组是对称的 并在在空问上互差1 2 0 不考虑 边缘 效应 定子绕 组产 生 的是磁动 势为 正弦 分布 不计铁 心损 耗 综 合运用 P a r k 变换e l C l a r k 变 换 就可 以建立d q 轴 下P MS M数 学模型 永磁同步电机在d q 同步旋转坐标系的磁链 电 压方程 为 L d i d Vr 一 f d 誓 R siq 电磁 转矩 方程为 3p f q 一 i a 运动 方程 为 一 l R n C O r 3 U f 式 中 L a L q 为 电机直 轴 交 轴 同步 电感 R为 定 子 电阻 为转 子磁链 为定 子绕组 极对 数 i 为电机磁链 定子 电流综合矢量 f a 为在 d q 同步旋转坐标系中直轴与交轴 的电流 C O 为机械角 速度 为负载阻力矩 为电机轴联转动惯量 R n 为 阻尼 系数 2 永 磁 同步 电机 P MS M 直接 转矩 控制 控制 DT C 系 统 DT C 系统就 是将 P MS M 和逆变 器作 为一 部分 考虑 采用定子磁场定向 然后从 电机 中采集 电流 电压信 号进 行计 算 得 到对磁 链和 转矩 的估算 再 经 过滞 环 比较器 得到 的信 号综 合 空间 电压矢 量 的位 置 确定 控制 信号 从 而控 制逆 变器 的开 关状 态 从 而 实现对 转矩 的控 制 图 1 为同步电机的坐标系 d 图 1 同步电机坐标系 如图 1所示 定子磁链和转子磁链之间的夹角 就是负载角 当 P MS M 处于稳态时 恒定不变 那就 是说 负载转 矩 也保持恒 定 当 电机 处于 暂态 时 定子 磁链 和转 子磁 链 旋转速 度就 不 同 了 这 时负 载 角 也是变化的 不管调节定子或转子磁链都克改 变 的大小 然而永磁 同步电机的电气时间远小于 机械 时 问 因此我 们通 过控 制 定子磁 链 来调节 负 载 角 达 到调 节转矩 的 目的 由图 1 得 s in d l d c o s 6 gz I 式 中 为 磁链 的幅值 将式 2 经过 P a r k变换 得到 P l l i 研 究 与开 发 同理 把磁 链 公式 变换 到 X y 坐标 轴 下 由于 L d 由于 X 轴定义在 定子磁链 上便可得到 图 2 P MS M 直接转矩控制结构框图 2 直接转矩控制系统 中零电压矢量的影响 D T C技术 中将 磁链 和转矩 的参考 值和 实际值 的 误差 交 给滞 环 比较 器 得 到 的控 制信 号 与 当前 的电压空间矢量作综合考虑选取合适的量 最后完 成对 电机转矩的控制 在这个过程 中 他是对单一 的矢 量进 行控 制 的 所 以就造 成 了低速 运行 时开 关 频率低 且转 矩脉 动大 的 问题 现在 对 隐极 式 P MS M 为例 进行 分析 对 于 隐 极式 P MS M 有 三 d 上 由式 1 和式 2 知 j5c L A i s 4 三 of s oA i s 5 二 由式 1 式 4 和 式 5 知 L a g 昙 O s 0 L fi 0 一 R T T 6 式 中 为采样 的周 期 当 0时 上式就 可变 为 L 一 7 由式 6 和式 7 比较可知 在 电机低速运 行 时 零电压矢量可减小转矩但是电机的电磁转矩直接 与 转矩角 的变化 大小 A 6有关 转 矩角的变化又 由定 子磁链 的旋转角度和转子磁链 的旋转 角度组成 即 A 6 a 4 A f 8 在采 样周 期 中加 入零 电压矢 量就 可得到 Adc o s d 9 s i n 当电机在额定转速范围内运行时 一个控制周 期 内 T 1 0 0 p s 转子磁 链角 增量为 A t 0 O 0 7 8 5 r a d 1 0 故当 时 0 0 2 0 1 2 年 第 7 期电 墨 技 术I 9 研 究 与 开 发 当 时 0 0 6 3 A r e t o 0 4 5 当 3 兰时 0 当 时 0 A 6 L L 7 9 1 9 q O 1 3 6 由此可见 当加入零矢量 电压时 转矩角的变化很小 在一个采样周期内转矩基本保 持不 变 故我 们就 认为 零 电压矢 量在P MS M直 接转 矩控制 中基本 不会 改变转矩 根据零 电压矢量不会改变转矩 的特点 用所选 的非零矢量和零矢量的不同 以及在在逆变器开关 电压 矢量表 中 的3 种开关 状态 建立 基于零 电压矢量 新 的开关表 见表 1 3 仿真 分析 为 了验 证本文 中的理论分 析 在 Ma t l a b 6 5 中的 S i mu l i n k 下建立P MS M系统 采 用 隐极式P MS M参 数 为 P N 1 1 k W U N 2 2 0 V 星形接法 2 8 7 5 f 厶 0 0 0 8 5 H 极对数为4 1 4 N m 表 1 基 于零矢 量的永磁 同步 电机 DT C开 关表 开关信 号 扇 区及 空间矢量 磁 链 转矩 S1 S 2 S3 S 4 S 5 S 6 I o u t t 1 l Ol 1 O O 1 1 0 O1 O O1 l O O1 0 0 1l 1 0 0 0 l 1 1 0 0 0 1l l 0 0 0 l 00 1 l 01 l O 0 l l O Ol 0 0l 1 1 1 1 0 O1 O O1 1 O 01 1 0 1 1 O0 1 O l l 1 00 0 1 1 1 0 0 0 l l l 0 00 1 01 0 0l 1 0 0l 1 01 l O 0 l 1 0 图3 为 基 于 零 电压 矢 量 的P MS MDT C的仿 真模 型 仿真 中设定采样 周期 T 1 0 0 g s 仿真设 置 图 4为空载 给定转 速 为 1 0 0 r mi n 时 常规 DT C和零矢量开关表的转速和转矩的仿真 结果 经分 析发现 加 入零 电压矢量后 较传 统 的 D T C 控 制 明显的减 小 了转矩 脉动 而且 并没有 影响 D T C 控制响应快的优点 有效地改善了电机控制系统的 特 性 图 3 基于零电压矢量的 P MS M 直接转矩控制系统仿真模型图 a 传 统 直 1 0 l 电 号 技 7 lt 2 o 1 2 年 第 7 期 k k 一 b 零矢量 开关表的直接转矩控制 图 4 P MS MDT C控制 系统速 度 转 矩仿真 图 下转 第 3 0页 带 控 矩 藏 精 篱 露 0 多h 一恻喜 毒 I u i 拿 睾 研 究 与 开 发 s s 1 进 制指数 退避 s r a n d t r a n u c h a r r a n d O s r a n r a n 3 0 d e l a y ms r a n s s 1 i f P I ND RF C D 0 br e a k i 9 i 1 C S MA C A成功 e l s e i 0 C S MA C A失败 r e t u r n i 4 结论 本文 将无 线传感 器 网络 O P C D A 服务 器应用 于智 能照 明控制 系统 中 实现从用 户 界面到 无线 终 端的整体控制 经验证 系统安装方便 工作稳定 各部 分衔 接 良好 满 足控制 要求 此 外 系 统还 易 于扩 展 具有 良好 的通 用性和 一 一 定的可 移植性 稍 作修 改可应 用于其他 控制领 域 参考文献 1 黄晓 霞 无 线传 感 器 网络 在 绿 色照 明 系 统 r l 的应 用 D 济大学 2 0 0 7 2 顾娜 基 于 C A N 总线 的智 能照 明控 制系统 的研 究 l j 设 计 D 江 苏大学 2 0 0 7 3 WU D F Z HA O H W DU H Y QI Y M R e s e a r c h a n d De s i g n o f wi r e l e s s t r a n s mi s s i o n s y s t e m b a s e d O il n R F 9 0 5 C 2 0 1 0 C MC E 3 1 6 3 1 9 4 余向阳 一种无线传感器网络白组网协议的研究 实 现 D 1 合肥工业大学 2 0 0 7 5 叶超邦 O P C 数据访 问 3 0服 务器 的开发 与研 究 D 华北电力大学 2 0 0 6 6 陆会 明 朱耀春 控 制装置标准化通 信 0 P C 服务器 开 发设计与应用 M 北京 机械 工业 出版社 2 0 1 0 2 1 4 2 作者简介 刘 璐 1 9 8 5 一 硕 士研究 生在读 主要从事无线传感器 网络 OP C DA服务器 成品油管道控制系统及仪表方面研究 与 作 L接第 1 0页 4 结论 基 零 电压 矢量的 P MS M 直接转矩 控制系统 充分利用 Ma t l a b软件S i mu l i n k工具箱的强大功能 根据系统的数学模型