同步磁阻电机直接转矩控制系统研究
2023-04-13
来源：爱问旅游网
控制与应用技术EMCA、草动，LJ}拮句’iJ.，；岳阉却18,45(4) 同步磁阻电机直接转矩控制系统研究＊钱杰，鲁文其，林健，张帧毅，吴迪（浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州摘310018) 要：鉴于矢量控制对电机参数依赖性强的问题，借鉴现有永磁同步电机数学模型及其直接转短控制的相关理论，分析同步磁阻电机的数学模型，提出了同步磁阻电机的直接转矩控制方法，包括空间电压矢量的讨算、磁链和转矩的滞环控制等；并基于位置信息的估算，设计了速度的闭环控制器。构建了系统的仿真模型，并对电机的稳态和动态性能进行了仿真分析。由仿真结果可知，所提方法设计的系统能够在较宽的转速范围内变速运行。关键匍：同步磁阻电机；直接转短控制；速度闭环；矢量控制中图分类号：TM 301.2 文献标志码：A文章编号：1673-6540(2018）归－刷4－俑Research on DTC System of Synchronous Reluctance Motor* QIAN Jie, LU 胁邸，UNJian, Z剧NCZhen抖，WU Di 310018, China) (Faculty of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Han回iouAbstract: In view of the vector control of motor归rameter也.ed叩end.entproblems , based on the relev皿t也.eoryof direct tor甲Econtrol，叩1chronousexisting mathematical model of permanent m且gnetsynchronous analysis，由emotor皿dreluctance motor mathematical pro萨>Sed.direct to叫uecon田lme由odof s严”险。1nousreluctance motor was etc.It includ臼也ecalculation of space voltage vector, hysteresis con国，1of flux linkage and to叫时，integrall!C阳rationw国b山It,咀1esimul四onbased on由eestimation of position information, a PI controller wi也哑ICwas introduced, and a closed-loop and the g怡且dy-s钮.teand dynar回Csystem designed based on也IScontroller of speed was d四伊ed.model of the sy曲mperformances d也Emotor were simulated and anal严ed.method could change sp曲dat a wide自peedresult showed也at也erange. Key words: syn曲rono皿reluc描画cem，侃。·r;direct torque con·仙也4；咿蜡dclosed loop; vector control 0引言目前，在同步磁阻电机的控制上主要采用矢出如何得到准确参数。为了解决磁路饱和对控制的影响，文献［3-4］在处理d、q轴电感与d、q轴电流的非线性关系时做了如下近似：认为d轴电感仅与d轴电流相关，并通过拟合的方式得到d轴电感与d轴电流的关系曲线，而q轴电感视为量控制、恒压频比控制和直接转短控制（DirectTorque Control, DT℃）方法兰大类，而同步磁阻电机因其磁路不同，磁饱和现象对d-q轴电感影响差别很大，所以国内外学者在矢量控制中的研究重点是如何获取实时准确的d-q轴电感参数。h扣ngBin[I］和RobertoMorales-Caporal[ 2l等人针对磁路饱和现象进行了大量研究分析，但并未给恒定值。若完全忽略q轴电流对d轴电感的影响，仅根据d轴电流与拟合曲线实时得到的d轴电感，会导致得到的参数不准，同理，q轴电感视为恒定亦不合理。文献［5-6］介绍了一种同步磁阻电机的精确恒电流角控制技术，利用有限元计·基金项目：浙江省自然科学基金项目（LY18E07侃邸，LY18E050016)；国家自然科学基金项目（513切151,51677172）；浙江省科技厅公益项目（2017C31042 ,2017C31036) 作者简介l钱杰（1992一），男，硕士研究生，研究方向为永磁交流伺服驱动器。鲁文其（1982一），男，副教授，硕士生导师，研究方向为电机驱动和运动控制。（通讯作者）-44一、草动1LJ}控制忿阉2018,45(4) 算结果精确解捐d、q轴电流，该法在控制过程中通过实测电流值实时查表得到磁链，但需要大量的试验数据和仿真计算的多次拟合，限于条件，也无法在电机运行的全工况范围内，准确确定电机参数。文献［7］分析了d、q轴电流对d,q轴磁路交叉饱和的影响，提出了改进层叠式可编程低通滤波器的定子磁链观测方法，但此方法并未解决相位延迟、动态性能差的问题。DTC方法因其控制简单、对电机参数的鲁棒’性良好，较适合同步磁阻电机驱动。文献［8］研究了常规DTC和电压空间矢量DTC相结合的同步磁阻电机控制技术，实现了负载波动时转矩快速跟踪，使得稳态情况下输出电流和转矩波动减小，但是他们的方法需要依赖于准确的转子位置信号进行坐标变换。文献［9］着重研究了同步磁阻电机的三相逆变器开关模式在其控制性能上的影响，引人零电压矢量减小转矩的模式能得到更好的控制性能，但是由于逆变器开关状态的局限性依然存在较大的转矩脉动。文献［10］将DTC、DTC-SVM和FOC控制策略应用于同步磁阻电机，对比分析了这3种控制方法对相电流谐波、稳态转矩波动、转矩动态响应等方面的影响。通过Simulink仿真说明DTCSVM相比于DTC和FOC应用于同步磁阻电机能够取得更小的谐波电流、更小的转矩波动和更好的动态转矩响应性能，但是DTC-SVM相比DTC算法更加复杂。为此，本文针对以上的问题展开研究，提出了适合同步磁阻电机的DTC方案，包括空间电压矢量的计算、磁链和转矩的滞环控制等；并基于位置信息的估算，引人积分分离的PI调节器，设计了速度的闭环控制器。1 同步磁阻电机的数学模型分析借鉴永磁同步电机的数学模型，本文对同步磁阻电机的数学模型进行分析，建立该电机数学模型的公式如下：[udl 0] rql uqjI = IfL Ld OLq Il di/dq di/dtjI R. -wL +Ir rI id lwLd R. JI liq (1) r~：1=r~d :Jr::1 (2) (3) 控制与应用技术EMCA ] ddwt = Te -T1 ( 4) 式中：ud、uq一－d、q坐标系下的交直轴电压；Ld、Lq一－d,q坐标系下定子相电感；R一一定子电阻；id ,iq d、q坐标系下的交直轴电流；we一一电机转子速度；化、ψq一一定子磁链；T1一一负载力矩；p 极对数；J一一电机惯量；w，一一机械转子速度。2 DTC方法设计2. 1 空间电压矢量计算定子电压的估算可通过逆变器开关状态信息j导：2• u. = S. -Sb -Sc3 u 2Sb -3S • -S ub= cUdc (5) u = 2S -s -SL 3 -u，~ UC 即可得到基于三相静止坐标系的逆变器输出电压空间矢量：u. = t二E＇(S. + Sbei2τ1' ＋ Scei\"4霄f) (6) 根据式（6）可得逆变器输出的电压空间矢量分布图如图1所示，其中矢量＂1～＂6为非零矢量，其幅值都为2Ud/3，相角为（k-1）τ／3,U0和U7为零矢量。其中，氏为定子空间电压的不同扇区。时010)\\®: \"2~ 也⑤＇~，（c~川 ！／；~，＂＂~：：~－；，，~oooi 图l兰相逆变器输出空间电压矢量2. 2 电磁转矩计算同步磁阻电机的电磁转矩与d-q坐标系下的磁链和交直轴电流相关，而这些变量又是相互稠-45一、草动1LJ}控制忿阉2018,45(4) 下对系统进行仿真，仿真得到的波形如图8所示。观察速度波形可知，给定速度为1500 r/min时，电机经过105ms上升到给定转速稳态运行，其转速波动为0.267%。\" ζ 1吁0「一飞!,\\'.! ~ -sOI怵tor 、.·. . 回国酬0L 一一0.」1 一－0.2 0.3 俨cE: 2000 1soo 11495, 之』IOOOi500I I 105 ms ~ 1494~ 革曾士1' ’·吨飞L屋年-一＿＿＿＿＿＿：二创＼500U\" , 1493LU U.I U.L V.-' U.lfυ 0.6 0.7 0.8 0.9 LO tis 图8给定速度1500 r/min、空载起动系统仿真波形在给定速度为22000 r/min，负载为零的情况下对系统进行仿真，得到如图9所示的仿真波形。观察速度波形可知，当给定速度为2 200 r/min时，电机经过256ms上升到给定转速并稳态运行，其速度波动为0.341%。［~t:: ~＂ \\ ~~ 图9给定速度2200 r/min、空载起动系统仿真波形其次，对系统进行了动态性能的分析。在给定周期为0.8s、最低速度为750r/min、最高速度为1500 r/min的方波下，仿真得到的电机实际速度波形如图10所示。观察速度波形可知，在达到最高速度为1500 r/min时，稳态误差为－8～0 r/min，波动率为0.26%，从750r/min上升到1 500 r/min所需时间为56ms；在达到最大速度为750 r/min时，稳态误差为－20～－4r/min，波动率为1.00%，从1500 r/min下降到750r/min所需时间为47ms0 控制与应用技术EMCA ζ5「飞内县。,｝、翩翩幅幅咱，.草草l垦JII I－－寸二叫←怵to'IJ ［／－二→＼／－二一－f曾soofI、革年L屋v,.iv 怵50000.2 A 图10参考速度方波下电机实际转矩和实际速度波形5结语基于对永磁同步电机数学模型的分析，推导并给出了同步磁阻电机的数学模型；基于永磁同步电机DTC的思想，本文将DTC方法扩展移植到了同步磁阻电机的控制系统中，并给出了空间电压矢量、磁链、转矩滞环控制等方法；为了提高系统的调速性能，本文设计了积分分离的PI调节器进行了速度的闭环控制。为了验证设计方法的有效性，本文基于Simulink环境下建立了相应算法及系统的仿真模型，并进行了相应的仿真分析，由结果可知，基于本文设计方法的系统在稳态运行时转速波动随着给定转速的增大逐渐减小，但在最大速度下运行时转速波动又略微上升，动态运行时其速度跟踪性能良好，到达稳态后速度波动均在1%以下。［参考文献］[ 1 ] IM J B, KIM W H, KIM K S, et al. 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