永磁同步电机直接转矩控制系统[1]

1、第25卷第3期 辽宁工程技术大学学报 2006年6月V ol.25 No.3 Journal of Liaoning Technical University Jun. 2006收稿日期:2006-04-12作者简介:马盟盟(1982-,女,辽宁 丹东人,硕士研究生,主要从事电机与电器方面的向研究。本文编校:杨瑞华文章编号:1008-0562(200603-0187-04永磁同步电机直接转矩控制系统马盟盟1,吕 振2(辽宁工程技术大学 电气工程系,辽宁 阜新 123000摘 要:针对永磁同步电机直接转矩控制系统,首先阐述了直接转矩控制原理,它是在维持定子磁链幅值恒定的前提下,通过电压空间矢量来

2、调节定子磁链的旋转速度,从而控制转矩和转速。其次,在此理论基础上,简单地建立了系统的模型,说明了它的工作过程以及与异步电机直接转矩控制系统的不同。最后用SIMULINK 仿真软件对其进行了建模和仿真,仿真结果表明了直接转矩控制应用于永磁同步电机的正确性和可行性,永磁同步电机直接转矩控制系统具有良好的稳态跟踪性能和优异的动态响应。关键词:直接转矩控制;永磁同步电机;电压空间矢量;仿真中图分类号:TM 301 文献标识码: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与世界交流调速迅速发展的势头相比,在理论研究和产业形成方面,中国大约落后1520年。直接转矩控制技术在异步电动机的控制中获得了成功的应用,在永磁同步电机中的应用近年来才有报道。作为一种优秀的控制策略,直接转矩控制技术在永磁同步电机中的应用对我国交流调速的发展具有实际意义

7、。1 直接转矩控制系统1.1 直接转矩控制原理2-4定子磁链空间矢量(t s 的运动轨迹平行于相应的电压空间矢量(t u s 的作用方向,根据式t R t i t u t s s s s d (=,只要定子电阻压降足够小,那么这种平行就能得到很好的近似;在适当的时刻依如下次序给出定子电压空间矢量:011(1s u 001(2s u 101(3s u 100(4s u 110(5s u 010(6s u ,则得到定子磁链的运动轨迹。为正六边形,正六边形的六条边代表磁链空间矢量(t s 一个周期的运动轨迹,这就是空间电压矢量对磁链的控制。对公式qd d q s q f s pe L L L L L

8、 n T 42sin (sin 23=进行求导得2cos (2cos 243d d q d s q f qd sp L L L L L n t T += 由此可知,保持定子磁链为恒定值,电机的电磁转矩随着定、转子磁链夹角的变化而变化,因此,尽可能快的改变这个夹角可以得到快速的转矩响应,这就是空间电压矢量对转矩的控制。 1.2 系统框图5-7系统框图如图1,其工作过程如下:被测信号有辽宁工程技术大学学报 第25卷 188定子电流s i 和转速r 。由s i 、逆变器直流侧电压U 、开关电压矢量表所返回的开关状态信号通过23变换与逆变器模型法得到在定子静止两相坐标系下的电流i i 、与电压u u

9、、,再经过磁链计算单元、转矩计算单元得到磁链计算值s (包括幅值和幅角,转矩计算值e T ,将磁链计算值的幅值和转矩计算值与给定的磁链幅值s 和转矩值e T 进行比较,从而得到磁链控制信号和转矩控制信号,其中给定的转矩值e T 由给定速r 度与实际速度r 经PI 调节器得到。它们与磁链计算值的幅角共同作用于开关电压选择表,从而得到开关电压选择信号。永磁同步电机在由开关电压选择信号控制的逆变器的作用下进行工作,实现了直接转矩控制。图1 系统框图 Fig.1 system diagram1.3 与异步电机直接转矩控制系统的不同1和异步电机相比,应该注意的是零矢量在永磁同步电机直接转矩控制中的作用。

10、在异步电机中,转矩的变化和转差(角度的微分有关,在施加零矢量时,尽管转矩角变化不大,但它的微分却变化很大,定子磁链因零矢量在空间停止不动,但转子仍然按原转速惯性运动,异步电机的转差从一个较小的正值,突变成较大的负值,产生巨大的制动转矩,而使电磁转矩快速下降。同步电机中无转差的概念,转矩只和转矩角有关,不存在微分的关系,只要转矩角变化不大,转矩就变化不大。所以,在施加零矢量时,的改变可近似认为是零,即转矩基本保持恒定。这与在异步电机中零矢量使电磁转矩急剧下降有很大不同。2 系统仿真5,8,92.1 仿真框图10,4图2 仿真框图Fig.2 simulation diagram2.2 仿真结果(1

11、 不同给定转速的响应。1600.50.40.30.60.20.1-2002040608010012014010.90.80.7图3 130 rad/s 状态下转速响应Fig.3 rotational speed response under 130rad/s condition时间 t / s转速 / (r a d s -1增 刊 马盟盟等:永磁同步电机直接转矩控制系统的研究189 00.262481014120.10.30.40.50.60.70.80.91 图4 130 rad/s 状态下转矩响应Fig.4 torque response under 130 rad/s condition

12、 800.21401001201601802202000.10.30.40.50.60.70.80.91240260 图5 240 rad/s 状态下转速响应Fig.5 rotational speed response under 240 rad/s condition 30.2645781090.10.30.40.50.60.70.80.9111图6 240 rad/s 状态下转矩响应Fig.6 response under 240 rad/s condition torque00.2150501002002503000.10.30.40.50.60.70.80.91图7 310 rad/

13、s 状态下转速响应Fig.7 rotational speed response under 310rad/s condition00.2624810120.10.30.40.50.60.70.80.9114图8 310rad/s 状态下转矩响应Fig.8 torque response under 310 rad/s condition三种不同速度下观测转速和转矩的响应波形,得到如下结论:最大超调分别为15.38 %、3.22 %和3.13 %,随着给定转速增加超调越来越小,但是当小到一定程度(3%左右开始基本保持不变;调节时间分别为0.045 s 、0.05 s 和0.055 s 。随着给

14、定转速的增加,调节时间越来越长,但时间的增加幅度不大;同时可以看到随着给定转速的增大,转矩响应中脉动越来越明显,这必然会导致开关的频繁切换,应尽量避免。综上所述,可知:给定转速在第二种情况时,转速和转矩响应达到优化,既能有效的抑制超调量,尽可能地缩短响应时间,又能最大限度地减小转矩脉动,系统处于比较理想的状态。(2 负载为阶跃信号时系统的响应时间 t / s时间t / s时间t / s时间 t / s时间 t / s转速 / (r a d s -1转矩T /(N m 转矩T /(N m 转矩T /(N m 转速 / (r a d s -1辽宁工程技术大学学报 第25卷 190800.41401

15、001201601802000.20.60.811.21.41.61.82220240260图9 阶跃负载信号下的转速波形Fig.9 rotational speed profile under step leap load signal30.46457890.20.60.811.21.41.61.821011图10 阶跃负载信号下的转矩波形 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图11 圆形磁链 Fig.11

16、 circular flux linkage通过以上的仿真曲线,可以看到转速响应在启动时响应时间短,超调量小,在负载信号阶跃时略有转速降,反应快。转矩信号除了在启动时和负载信号阶跃时有较大波动外,其余时间能较好地跟踪负载变化。磁链基本呈现圆形,从磁链可以看出六边形控制,比较理想。 3 结 论(1证明了永磁同步电机直接转矩控制思想的正确性和可行性,永磁同步电机直接转矩控制系统具有良好的稳态跟踪性能和优异的动态响应。(2通过对不同给定转速时系统响应的比较,可以看出随着给定转速的增大,系统速度响应性能越来越突出。(3发现了永磁同步电机直接转矩控制系统的一些问题:首先是启动转矩具有较大的跃动,很有可能

17、超过电机所能承受的转矩极限;其次是普遍存在的转矩脉动,在给定转速大时更加明显。这些都是要改进和完善的地方,也是今后的工作方向。 参考文献:1 徐祖华,黄智伟,盛义发,等.永磁同步电机直接转矩控制理论基础与仿真研究J.微特电机,2003 (5:128-130.2 徐艳平,曾 光,孙向东,等.永磁同步电机的直接转矩控制的研究J.电力电子技术,2003 (6: 32-36.3 李三东,薛 花,纪志成,等.基于MATLAB 永磁同步电机控制系统的仿真建模J.江南大学学报,2004, 21(2: 44-45.4 胡奇峰,贺益康,唐益民,等.基于DSP 永磁同步电机直接转矩控制系统研究J.电力电子技术,2

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