永磁同步电机矢量控制系统的研究

永磁同步电机矢量控制系统的研究

1电流控制器设计pmmm具有高信噪比高、效率高、体积小、重量轻、控制简单、可靠性高等优点。因此，它经常被用于不同的电源级别。PMSM一般采用矢量控制来实现励磁和转矩的独立控制。电流的有效控制是实现转矩精确、快速控制的关键。实际控制中一般采用传统的PI电流调节器分别对直轴(d轴)和交轴(q轴)电流进行反馈控制。这种电流调节器忽略了交、直轴电流环的相互耦合作用,导致系统动态性能较差。为提高系统动态性能,采用以反馈电流为输入的电压前馈补偿型电流调节器来实现d,q轴电流环的解耦控制。此处采用Matlab/Simulink构建矢量控制系统模型,分别针对传统和有前馈补偿的控制模型进行仿真分析,并对采用电压前馈补偿型电流调节器的PMSM矢量控制系统进行了实验验证。2pmss数学模型与向量管理系统2.1旋转坐标系下数学模型为简化分析,首先对PMSM作如下假设:①转子上的永磁体产生主磁场,转子无阻尼绕组;②不计转子铁心与定子铁心的涡流损耗和磁滞损耗;③忽略磁场饱和效应。在上述假设条件下,可得到PMSM在d,q旋转坐标系下的数学模型为:式中:ud,uq,id,iq,Ψd,Ψq分别为d,q坐标系下定子电压、电流、磁链;Ψf为转子永磁体磁链;R1为定子相绕组电阻;Ld,Lq分别为d,q坐标系下d,q轴定子电感;ωr为转子电角速度;np为极对数;p为微分算子;Te为电磁转矩。将式(1)中的定子磁链方程代入定子电压方程中,并对其进行拉普拉斯变换得到:由式(2)可知,定子电感参数引起d,q轴的交叉耦合,ωr越大耦合作用越强,在变速区和高速区其影响较大。2.2pmmm测量系统2.2.1q轴电流控制策略由式(1)中电磁转矩方程可知,PMSM电磁转矩包括:①永磁体产生的磁链与定子电流转矩分量(iq)作用产生的永磁转矩;②转子凸极结构使得定子电流励磁分量(id)与转矩分量产生磁阻转矩。对电磁转矩的控制最终归结为对d,q轴电流的控制。同一输出电磁转矩有多个d,q轴电流的控制组合,这样就存在不同的控制策略。采用id=0的控制策略对电机进行控制时,电磁转矩只有永磁转矩分量而不包含磁阻转矩分量,与q轴电流为线性关系。该策略的控制系统简单、转矩特性好。2.2.2第三方控制脉冲a图1示出PMSM矢量控制系统框图。此系统采用电流内环、转速外环的双闭环控制结构。将位置传感器检测到的位置信息转换为电机转速并与参考转速比较得到偏差信号,此偏差信号通过速度PI调节器得到电流转矩分量参考量iqref。给定定子电流励磁分量idref=0。将相电流检测电路测得的定子三相电流ia,ib,ic通过坐标变换,转换为d,q坐标系下的id,iq作为电流环反馈量。将idref,iqref与id,iq比较得到的偏差信号,通过电流调节器(ACR)得到d,q坐标系下的电压信号udref,uqref。udref,uqref经Park逆变换得到两相静止坐标系下的电压信号ua,uβ,将其送入SVPWM中产生控制脉冲,控制脉冲用于控制三相逆变器开关状态,进而得到控制定子三相对称绕组的实际电流。在这个控制系统中,外环速度环产生了定子电流转矩分量的参考值,内环电流环得到实际控制信号,从而构成一个完整的速度电流双闭环控制系统。3供电装置的设计3.1主养对式主带系统结构的设计传统的电流控制方案采用两个PI调节器对d,q轴电流进行独立控制。采用电压型逆变器时,其d,q坐标系下电压分量表达式为:转化为频域模型可得:此处以iq通道的电流调节器设计为例,电流闭环控制框图如图2所示。ACR采用PI调节器,传递函数为:将SVPWM控制的电压型逆变器(VSI)等效为一个具有小时间常数T1的一阶惯性单元,传递函数G2(s)=1/(T1s+1),电动机作为逆变负载,等效传递函数G3(s)=1/(Ls+R)。按照一般情况选定TACR=T2,则系统的开环传递函数为:按照工程设计方法将其设计为典型I型系统,取阻尼系数为0.707,则:kT1=0.5,kpACR/kiACR=T2。id,iq经过ACR得到控制变量ud,uq,考虑实际调速系统电源额定电压、额定电流等限制条件,需选用对调节器的输出量和内部积分器进行限幅的抗积分饱和PI调节器。传统PI电流调节器结构简单、易于实现,但忽略了d,q轴交叉耦合的影响,仅做了稳态近似解耦。交叉耦合项的影响与速度相关,在速度调节过程中或高速段耦合作用显著,仅依靠PI调节器进行电流调节,不能满足性能要求。3.2传统pi控制器补偿式将式(1)中定子磁链方程代入电压方程可得:由式(7)可知,采用传统的PI调节器时,状态方程中存在耦合项。传统PI调节器的输出电压一部分用于抵消反电动势,一部分用于控制交直轴电流,增加了调节时间,降低了调节精度和系统的动态性能。因此,通过在传统的电流调节器中补偿式(8)中的耦合项,可提高系统的动态性能。将式(8)代入式(7)可得:由此得到以反馈电流为输入的电压前馈补偿型电流调节器框图如图3所示。4模拟分析和实验验证4.1动态特性仿真根据图1所示PMSM矢量控制系统框图,运用Matlab/Simulink分别建立采用上述两种电流调节器的PMSM矢量控制仿真模型。两个仿真模型采用的ACR不同,其他结构和参数均一致。永磁同步电机参数为:额定功率2.2kW,额定电压380V,额定电流5.1A,定子电感0.012H,额定转矩14N·m,额定转速1500r·min-1,额定频率50Hz,极对数2,额定磁通0.55T,转动惯量0.0154kg·m2,摩擦系数0.005N·m·s。给定转速1500r·min-1,系统空载启动,在0.2s时突加额定负载14N·m,0.3s时给定转速减小到1200r·min-1。图4示出仿真波形。由图4a知,补偿后转速更快到达给定值,突加负载时转速波动更小,稳态时转速与给定值无静差。由图4b知,补偿后动态过程d轴最大电流幅值更小,稳态时偏移量更小。由图4c知,补偿后到达稳态所需时间更短,电流跟踪效果更好。由图4d知,补偿后电磁转矩响应速度更快,当负载变化时,系统恢复到稳定状态时间更短。可见,采用电压前馈补偿型电流调节器矢量控制系统对状态变化的响应速度更快,鲁棒性更好。4.2信号调理电路采用一互馈式PMSM对拖机组构建PMSM矢量控制系统。选用TMS320F2812型DSP为控制系统主控芯片,配合FPGA实现矢量控制算法。电机轴上装有配套的增量式光电编码器,用于检测电机转子位置。主电路中的直流母线电压和电流传感器的输出信号,经过运算放大器组成的信号调理电路的处理反馈到主控制器的采样口,以实现信号电平的匹配。DSP输出的PWM脉冲信号,经过功率放大和专用驱动芯片后,用以控制IGBT的开关状态。实验电机参数与仿真电机参数一致,给定转速1350r·min-1为额定转速的0.9倍,即给定转速标幺值为0.9。图5示出实验波形。由图5a可见,反馈速度波形较好地跟随给定值,经采集计算得到的a相电流波形为理想正弦波。由图5b可见,d,q轴电流为直流电流,其大小与理论计算值一致。实验结果与理论分析均一致,电机转速及电流都能很好地跟随给定值,证明了该PM