永磁同步电动机定转子磁场正交控制研究

1、永磁同步电动机定转子磁场正交控制研究康尔良1，霍 亮2，吕德刚3 基金项目：国家自然科学基金青年项目（51107023）黑龙江省攻关项目(GC04A17)作者简介：康尔良（1967），男，博士，教授，研究方向为电机测试与控制； 霍 亮（1988），男，硕士研究生，研究方向为永磁同步电动机及其控制； 吕德刚（1976），男，硕导，副教授，研究方向为电机控制。（1、2、3、哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨150080）摘要：本文提出了一种H桥结构的三相电流合成磁场定向控制的电机控制策略，以避免矢量控制的复杂算法和降低电机参数变化对电机控制性能的影响。依据转子磁场位置确定三相电流的

2、大小和相位以实现三相合成磁场的方向与转子磁场正交；各电流相位决定合成磁场方向；电流的幅值决定转矩的大小。根据H桥结构和永磁同步电动机的数学模型建立了包括电流环和速度环的控制系统仿真模型研究定转子磁场正交控制原理，分析负载转矩波动时和转速给定变化时定转子磁场的正交和速度响应的控制算法。通过仿真分析了定子电流合成磁场定位的准确性和控制过程的实时性，从而为进一步的工程应用研究奠定基础。关键词：永磁同步电动机；H桥变换器；磁场正交；SIMULINK仿真中图分类号：TM341 文献标志码：A Study on the Orthogonal Control of Magnetic Field for Pe

3、rmanent Magnet Synchronous MotorKANG Erliang，HUO Liang，LV Degang(1Electrical & Electronic Engineering College，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China 2Electrical & Electronic Engineering College，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)ABSTRACT:

4、 This paper presents a kind of motor control strategy which is based on three-phase current synthetic field oriented control of H-bridge, in order to avoid the impact on motor control performance which has been taken by complex algorithms of vector control and reducing the variation of motor paramet

5、ers. Defining the magnitude and phase of the three phase currents based on the position of the rotor field, in order to achieve a three-phase synthesis of the magnetic field direction orthogonal to the rotor field; each phase of current determines the direction of the resultant magnetic field; the m

6、agnitude of the current determines the magnitude of the torque. Establishing the control system simulation model which includes current loop and speed loop is based on the decoupled mathematical models of permanent magnet synchronous motor( PMSM) and H-bridge topology, and researches orthogonal roto

7、r magnetic control principle, then analysis orthogonal of rotor magnetic and control algorithm of speed response when the load torque is fluxing and the given speed is changing. This paper analysis the accuracy of stator current synthetic magnetic field orientation and real-time quality of control p

8、rocess by simulation, thereby laying the foundation for further applied research of projects.KEY WORDS: PMSM; converter based on H-bridge; orthogonal magnetic field; SIMULINK中图分类号：TM341 文献标志码：A 0 引 言矢量控制和直接转矩控制仍是现有控制策略广泛应用的两种，同时也存在各自的不足1。失量控制采用的解耦的思想，该方法采用复杂的坐标变换，对控制器处理能力要求很高 2。直接转矩控制不需要对电机进行复杂的变换与计

9、算，它把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，计算定子磁通和转矩，通过PWM逆变器的开关状态直接控制转矩3，但由于功率开关有一定的延时，它需要考虑死区设置，死区会使电压在各调制周期内引起微小畸变4，这样便引起转矩脉动，低速时死区效应更明显5。为了改善电机的控制精度问题，本文提出了一种新型的控制策略，即基于H桥的永磁同步电动机定转子磁场正交控制策略。应用H桥结构直接控制三相电流的大小和方向使得永磁同步电动机三相电流的合成磁场方向与转子磁场正交；运用MATLAB /SIMULINK对永磁同步电动机以及基于H桥的控制系统进行了建模，研究该控制策略的实

10、现方法以及系统的动态控制特性。1 基于H桥的永磁同步电动机控制系统的基本原理1.1 H桥控制器搭建的基本思想本文所设计的H桥控制器分别以永磁电机三相绕组的三相电流作为控制目标，在转子磁场位置精确可测的前提下，通过气隙圆形磁场形成理论，确定三相电流大小和相位以实现对三相合成气隙磁场的方向和大小进行控制，来达到气隙磁场与转子磁场正交的目的；同时可以通过调节合成磁场的幅值来决定转矩的大小。该控制策略以电流为控制目标可以减少控制算法对电机参数的依赖度。1.2 H桥控制器的结构与工作原理图1 基于H桥实现电机气隙圆形磁场控制器Fig.1 Achieving motor gap circular magn

11、etic controller based on the H-bridge H桥控制器的结构（见图1），包括启动模块、整流模块、开关控制电路、滤波电容、三个电流检测传感器，十二个功率转换器件。由于H桥控制器对每相的控制方法基本相同，所以本文以U相的控制为例介绍H桥的工作原理。假设V1和V2功率转换器件导通为U相绕组正向通电，V7和V8功率转换器件导通为U相绕组反向通电，正向通电时，由开关控制电路控制V1和V2功率转换器件导通（见图2（a），同时通过电流检测传感器hl1检测U相电流，当检测获得的电流大于给定值与电流滞环误差量之和时，V2功率转换器件截止，此时电流流向（见图2（b），此时电流开始下

12、降，当检测的电流降至给定值与电流滞环误差量之差时，V2功率器件恢复导通，此时一个正向控制周期完成 6。（a）V1和V2导通时电流走向图（b）V2截止时电流走向图图2 电流走向图Fig. 2 the chart of current trend 1.3由转子位置确定三相电流在交流电机的三相空间对称分布绕组上通以时间上对称的电流，三相U、V、W电流在各自绕组内生成的脉振磁场分解得到的基波磁势为式（1）： （1）其合成磁势为式（2）： （2）转子位置精确可测时，便可控制基波合成磁场与转子磁场正交。转子顺时针旋转时，则合成磁场幅值最大处与转子磁场正交的条件是合成磁场超前于转子磁场角度。即合成磁场所转过

13、的角度等于转子磁场转过的角度加上，为式（3）： （3）此时三相电流的给定值，即为式（4）： （4）转子反转时同理。2基于H桥永磁同步电动机控制系统的仿真模型2.1永磁同步电动机仿真模型的建立在流经永磁同步电动机三相绕组的三相电流、已知时，可由Clarke变换和Park变换得到、，如式（5）、式（6）所示： （5） （6） 将所得的、代入到电磁转矩方程可得式（7）： （7） 最终可得系统的运动方程： （8） （9） 根据以上各个参数的表达式可以建立永磁同步电动机的数学模型。在MATLAB/SIMULINK中，由于现有的电动机模型输入端为三线输入，而基于H桥的控制系统需要对电机的输入端改造成为六线

14、输入，所以需要对永磁同步电动机模型进行搭建。通过对三相电流与、关系的模型搭建（见图3），以及电流、与转矩、角速度的关系的模型搭建（见图4），便搭建出一个满足要求的永磁同步电动机模型7。图3三相电流与、关系的模型图Fig. 3 Model of the relationship between three-phase the current and 图4 电流、与转矩、角速度的关系的模型图Fig. 4 Model of the relationship between and torque2.2控制系统仿真模型的建立在所搭建的永磁同步电动机模型基础上，根据H桥控制系统的原理建立系统的控制仿真模型

15、如图5所示，由直流电压源经IGBT组成的逆变电路向同步电动机提供三相正弦交流电，控制系统采用双闭环控制，其中转速环作为系统的外环,它所采用的是经典的PI控制，这样便能消除系统的误差，使得电机转速能够跟随给定变化；电流环作为系统的内环,它所采用的是滞环控制，滞环控制可以有效提高系统的动态特性8。图5 基于H桥控制系统仿真模型图Fig. 5 the model of control system simulation based on H-bridge3基于H桥永磁同步电动机控制系统的仿真根据建立的仿真模型，对该系统的PMSM参数进行了设定，电机定子电阻，励磁磁通，转动惯量，电机定子交直轴电感，极

16、对数。为了观察基于H桥PMSM系统对转速改变和负载转矩改变的响应特性，在本设计中电机以空载启动，转速为1000r/min。在0.05s时负载转矩从0变到5N·m，0.1s时给定转速从1000r/min变到750r/min，三相电流、转速、转矩、滤波后的A相电压和电流波形以及气隙磁场轨迹如下图所示，（a） 定子电流随时间变化的曲线图（b） 转速随时间变化的曲线图（c） 转矩随时间变化的曲线图（d） 滤波后A相电压电流随时间变化的曲线图（e） 气隙磁场变化轨迹图6 系统仿真曲线Fig. 6 The system simulation curve从图6（a）可以看出，三相绕组电流波形趋近正

17、弦并且时序对称，由图6（b）转速响应和图6（c）得出在给定变化时系统的动态性能较好，能够良好地跟随给定转速和负载转矩的变化。转子转速由0升至1000r/min用时5ms，此时电机为空载启动，在此过程中，电流和转矩都有所波动，当转速达到1000r/min 时，电流和转矩趋于稳定。0.05s时负载转矩从0N·m给定为5N·m，电机输出转矩瞬间加大并迅速达到平衡，用时0.2ms，三相绕组电流幅值加大到13.8A，频率不变仍为33.3Hz，转速仅有微小波动，基本不受影响。0.1s时给定转速由1000r/min减至750r/min，电机转速较好的跟随给定值，减速时间为2ms，电流的频

18、率减小到25Hz，由于给定负载不变，所以电机的电流幅值和输出转矩几乎不受影响。从图6（d）中可以看出，A相电压电流相位基本重合，说明通过对三相电流的控制，能够达到气隙合成磁场与转子磁场正交的目的，永磁同步电动机的输入功率近似为有功功率。通过图6（e）可以看出，基于H桥实现电机气隙圆形磁场控制器能够形成精度较高的气隙磁场。4结 论本文在分析现有电机控制原理的基础上，提出了基于H桥的新型控制策略，它摒弃了复杂的计算，同时忽略了功率开关的死区问题。为了验证基于H桥实现定转子磁场正交控制方法的可行性，本文结合MATLAB/SIMULINK软件，对基于H桥的永磁同步电动机控制系统进行了建模仿真与分析。分

19、析结果表明:（1）基于H桥的控制系统能够实时的对三相电流的幅值、相位和频率进行控制。（2）通过对三相电流的控制，能够得到精度比较高的圆形旋转磁场，在转子磁场位置确定条件下，可以实现定转子磁场正交控制。（3）以电流为控制对象实现气隙磁场的方向和幅值控制时，可以大大降低电机参数变化对系统控制性能的影响。（4）基于H桥的永磁同步电动机控制策略能够很好地对永磁同步电动机进行控制，使系统能够很快且平稳的达到稳定运行状态。基于H桥的控制系统结构与算法都相对简单，控制性能也相对较高，它为永磁同步电动机的控制提出了一种新的思路，同时为进一步的工程应用奠定基础。参考文献1陈容，严仰光交流永磁伺服系统控制策略的研究J电机与控制学报，2004，8(3)：205-2082黄立培，孙凯关于矢量控制与直接转矩控制比较的一些思考J电力电子，2001，2(2)：12-153CHRIC FPaul Acarnley，Dire