多相永磁同步電動機調速系統建模與工程實現

苗 鑫， 李 凌

(1.遼寧石油化工大學職業技術學院，遼寧撫順 113001;2.沈陽工業大學，遼寧沈陽 113142)

0 引言

結合多相電動機和永磁電動機之優點的多相永磁同步電動機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)以效率和功率因數都較高、轉矩脈動幅值小、可靠性高等優點，在當前調速系統中得到了廣泛應用。同時，可以使逆變器的低壓功率器件實現大功率，直流母線上的諧波電流減小等，使得逆變器供電的多相PMSM調速系統得到了眾多學者的廣泛關注［1-3］。

文獻［4］針對多相PMSM矢量控制進行了仿真分析，并以表面式PMSM為例建立了矢量控制系統的仿真模型。文獻［5］對多相電機的逆變器調制策略進行了研究，在分析多相空間矢量的基礎上，通過直接定義逆變器每相橋臂的開關函數實現最終的脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)。對于多相電機可靠性和故障情況下的分析，也得到了眾多學者的關注［6-8］。文獻［6］針對六相PMSM缺一相后采用傳統坐標變換不能完全解耦的問題，基于兩相等效定子電流分量的原則，研究了繞組不對稱情況下的矢量控制方案。文獻［7］和［8］也對多相PMSM在故障后的問題進行了分析，并提出了相應的解決方案。本文在硬件和軟件設計上充分考慮了系統的可靠性和故障處理問題。

1 調速系統建模

1.1 多相PMSM調速系統特性

多相PMSM調速系統和常見的三相調速系統從調速的最終目的來說是一致的。不同的是，采用了多相電機的調速系統以增加電機相數的方法來提高電機容量，從而不受到電機絕緣等級和電力電子器件的限制。

目前，多相電機驅動系統中，對于多Y接繞組電機，通常采用多個三相逆變器并聯供電的模式，從而減少開發周期;對五相、七相電機則必須采用專門的多相逆變器來實現。

1.2 多相PMSM建模

由于當前對電機的各種控制方法主要都是基于同步旋轉坐標系下的dq軸數學模型，因此，文中在磁動勢和功率不變的原則下，利用坐標變換從多相靜止坐標系下得到dq軸數學模型。首先假設:(1)電機定子繞組產生的磁場在空間上都按正弦分布;(2)忽略電機磁路飽和，磁路線性;(3)不計定子表面齒、槽的影響;(4)不考慮溫度及頻率對電機各參數的影響。

在上述前提下，由式(1)，經過坐標變換可以得到dq坐標系下六相PMSM的磁鏈方程、電壓方程和電磁轉矩方程。

φ——直軸d分量與定位相繞組的夾角。

式中:ud、uq，id、iq，Ld、Lq，Ψd、Ψq——定子電壓、電流、電感和磁鏈的dq軸分量;

Rs——定子相電阻;

ωs——電角速度;

Ψf——永磁磁鏈;

np——電機極對數;

Tem——電磁轉矩;

Tl——負載轉矩;

1.2.3 心理護理 護理人員主動與患者交流，鼓勵患者、傾聽患者訴求，向患者講解血液透析在疾病治療中的重要性，幫助患者解決問題，及時告知患者治療進展，加強與家屬溝通，囑咐家屬不要給患者壓力，要多鼓勵患者，對出現焦慮、不安等負面情緒者給予心理輔導，消除患者顧慮，幫助其建立積極治療觀。

Rω——阻力系數;

ω——機械角速度;

J——轉動慣量。

2 雙閉環控制系統仿真分析

2.1 六相PMSM雙閉環磁場定向控制

為了對多相PMSM控制系統進行驗證，文中建立了六相PMSM基于式(2)～(5)的仿真模型。采用雙閉環的磁場定向控制方式，簡化的控制框圖如圖1所示。

圖1 雙閉環控制框圖

為了工程實現上的簡單化，采用電流滯環的PWM方式，該方式可以適合各種多相電機直接控制，而且電流滯環的快速性得到了很好的體現。其中，idref一般情況下為0，從而實現電磁轉矩的解耦控制。

利用MATLAB/Simulink建立上述控制過程模型，其中選用的六相PMSM電機參數如表1所示。

表1 電機仿真參數

2.2 仿真結果分析

基于MATLAB/Simulink建立模型的仿真結果如圖2～5所示。其中圖2為采用電流滯環控制的電機六相電流波形，可以看出，在0.01 s加載后，電流能夠快速穩定，而且正弦度較好。

圖3是電磁轉矩響應曲線，從圖中可以看出，起動初期電磁轉矩有所波動，不過在極短的時間內能夠迅速實現平滑，而且加載后，轉矩波動比較小。從圖4中的id和iq電流曲線可以看到，磁場定向控制能夠實現較好的解耦控制。圖5是速度響應曲線，可以看到，系統起動時有一定的超調，不過在0.01 s加載階段則超調很小。

圖2 六相電流波形

圖3 電磁轉矩波形

圖4 id和iq電流

3 工程實現

3.1 多相PMSM調速系統工程實現問題

圖5 轉速曲線

多相PMSM工程化問題主要體現在根據應用環境下的編碼器、電流、電壓傳感器等檢測元件的安裝，供電回路的布線走向，高頻電磁脈沖干擾對控制系統的影響等。

在速度和電流雙環控制結構系統中為了實現速度的實時檢測，采用編碼器來捕獲電機轉速和磁場位置，而采用電流和電壓傳感器實現電流和電壓等電量的采集，為控制系統提供電流內環反饋信號和電壓檢測等。為避免控制系統高頻電磁干擾問題，通常要兼顧高壓線路布線對控制電路的影響和控制電路自身抗干擾設計。

3.2 試驗硬件平臺

系統的試驗平臺如圖6所示，經過變壓器得到的交流電，再由二極管整理后，提供直流母線電壓。

圖6 系統試驗平臺

3.3 系統部分硬件電路設計

電流采樣電路如圖7所示。為了實現信號采集的準確性，采樣部分采用二級運放跟隨器的方式。同時，圖中U1是電壓提升部分，以實現輸入信號滿足數字信號處理器(Digital Siginal Processing，DSP)運算要求。D1為3.3 V的一個穩壓二極管，目的是限制輸入信號過限。

電流保護電路電路如圖8所示。

圖7 電流采樣電路

圖8 電流保護電路

其中:ia和ib是電流經過互感器或是傳感器得到的電機相電流值，經過二極管整流后與參考電壓進行比較，然后，由比較器LM339輸出故障信號，該信號參與故障電流處理部分，也即完成了硬件電流保護。

3.4 系統主要軟件設計

為完成調速功能，系統的主程序和中斷流程子程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序和中斷流程子程序流程圖

為提高響應速度，故障處理設計采用最簡單的多路與門方式，當電流、電壓、功率模塊和溫度故障信號發生電平跳轉時，即可認為是系統故障，隨即輸出封橋信號送DSP，如圖10所示。

圖10 故障處理

4 結 語

分析了多相PMSM調速系統特性，建立了PMSM的dq坐標系下的數學模型，設計了六相PMSM基于磁場定向控制的雙閉環調速系統，并基于MATLAB/Simulink進行了分析。仿真結果證明了該系統建模和算法的準確性。探討了多相PMSM調速系統工程實現的一些問題，設計了采樣、保護、故障處理等硬件電路，以及中斷處理和故障診斷等軟件部分。

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