橫向磁通永磁電機直接轉矩控制系統研究

袁小慶, 蘇士斌, 史儀凱

(西北工業大學 機電學院, 陜西 西安 710072)

橫向磁通永磁電機(transverse flux permanent-magnet motor,TFPM)的電路與磁路不在同一平面上,消除了傳統電機槽寬和齒寬相互制約的矛盾,從根本上提高了轉矩密度[1]。橫向磁通永磁電機具有轉矩密度高的優點,在低速直接驅動的場合具有良好的應用前景[2-3]。直接轉矩控制(direct torque control,DTC)變頻調速是繼矢量控制技術之后又一新型的高效變頻調速技術,把轉矩直接作為被控量控制,其實質是對定子磁鏈和電磁轉矩進行直接控制的。定子磁鏈估計精確度直接影響直接轉矩控制性能的好壞,基于定子磁鏈的電壓模型估算定子磁鏈是普遍應用的一種方法。文獻[4]給出了一種利用轉子位置和定子電流估計磁鏈方法,但是由于引入了編碼器裝置,會產生增大系統體積、增加成本等不利影響。

但傳統直接轉矩控制采用滯環比較器來控制,存在明顯缺陷,開關頻率變化可能導致2個橋臂的開關狀態同時切換,扇區切換處產生電流和轉矩畸變,起動和低速性能差,以及需要很高的采樣頻率來實現數字滯環比較器[5]。傳統的直接轉矩控制弱磁方法是在弱磁區將定子磁鏈參考值跟隨轉速成反比變化。定子磁鏈參考值的高或低都不能使電機產生最大的輸出轉矩[6]。為此,本文采用一種新穎的空間矢量直接轉矩控制(Space Vector Modulation DTC,SVM-DTC)的控制方式,將磁鏈和轉矩誤差信息分別通過PI控制器解耦出電機空間電壓矢量中控制轉矩和磁鏈的2個分量,進行SVM-DTC控制;同時,采用基于轉子位置和定子電流的估算磁鏈方法。通過構建改進的直接轉矩控制的系統模型,與直接轉矩控制進行對比研究,結果表明改進的直接轉矩控制比傳統直接轉矩控制減小了轉矩脈動,提高了輸出轉矩和轉速,使橫向磁通永磁電機更加滿足高轉矩、低轉速領域的應用要求。

1 TFPM數學模型

橫向磁通永磁電機各相之間獨立,無互感作用,實現了磁路結構上的解耦。m相TFPM電機電樞磁場在空間上是由m個獨立的單相正弦脈振磁場構成。單相的脈振磁場與轉子永磁體磁場作用形成單相電磁轉矩,在輸入電流后在每相所產生的轉矩通過轉子作用于同一個軸上,產生的合成轉矩是各相所產生轉矩相加。對電機的a相進行分析,建立TFPM的數學模型,忽略電機的鐵心飽和、渦流和磁滯損耗,a相定子繞組瞬時電壓方程為

(1)

式中：u為端電壓;ia為a相電流;Ra為繞組電阻;La為繞組自感;ea為反電動勢。

取轉子縱軸d與磁極中心線一致,橫軸q沿轉子旋轉方向領先縱軸90°電角度?？梢缘玫絋FPM 的電壓、磁鏈和電磁轉矩方程[6-7]:

(2)

(3)

(4)

式中：Ψs為定子磁鏈;Ψf為轉子磁鏈;R為定子相繞組電阻;pn為極對數;Ld與Lq為定子繞組的d、q軸電感;γ為轉子位置角。

可以看出,電磁轉矩包括永磁轉矩和磁阻轉矩兩部分,因此只要按一定的規律調整定子磁鏈的幅值和轉矩角,就能夠得到要求的轉矩。

2 TFPM直接轉矩控制建模

2.1 傳統直接轉矩控制模型

電機本體模塊是所有電機控制系統模型中不可或缺的一部分,它的正確搭建是整個系統模型的基礎。對a相和b相進行分析,根據上述電機數學模型搭建了橫向磁通永磁電機本體模塊,如圖1所示。

圖1 TFPM電機的本體模塊

為了使搭建的模型更加系統化、模塊化,將新型橫向磁通永磁電機各相分別集成為一個子模塊,此模塊中包含了每一相產生的反電動勢和電磁轉矩,電機產生的總電磁轉矩即為各相轉矩之和。

將TFPM電機本體模型封裝為TFPM model模塊,其輸入分別是電機的相電壓以及負載轉矩TL,輸出主要為電機的兩相電流ia、ib以及電磁轉矩Te和機械角速度Ω。

基于TFPM本體模塊建立傳統直接轉矩控制的系統模型,如圖2所示。控制系統模型主要包括TFPM本體模塊、逆變模塊和控制模塊。直接轉矩的控制模塊由轉矩調節器、滯環比較器、轉矩和磁鏈估測模塊、驅動模塊及位置檢測模塊構成。

圖2 傳統直接轉矩控制模型

2.2 空間矢量直接轉矩控制模型

由于傳統直接轉矩控制方法中采用多級滯環選擇方法,其在低速條件下磁鏈環的波動比較大,主要是因為在該控制系統中沒有考慮低速時定子電阻對系統的影響。為了解決相應問題,提出了TFPM的空間矢量直接轉矩控制(SVM-DTC)控制的控制方案。TFPM的SVM-DTC控制采用速度環和轉矩環的雙閉環控制方法。在SVM-DTC控制中采用了參考電壓估算器和SVPWM的生成器取代了常規DTC的磁鏈轉矩滯環和開關表。使用SVM-DTC控制可以實現電壓矢量的近似連續調節,減小轉矩脈動,同時逆變器 的開關頻 率固定,改善了系統的控制性能。仿真控制系統主要由TFPM電機本體和主電路模塊、磁鏈和轉矩估計模塊、參考電壓矢量估計模塊和SVPWM生成模塊組成。

空間矢量直接轉矩控制系統模型包括轉矩和磁鏈控制模塊、驅動模塊等,圖3為直接轉矩控制系統模型。隨著轉速的提高,磁鏈和轉矩在某些區域控制失敗,不可控的區域變大,電機輸出轉矩脈動較大。通過增加一個電角度周期內的電壓矢量個數即增加系統對電機的控制頻率,削弱電流諧波,可有效地減小轉矩脈動和磁鏈。這也是目前基于電壓矢量開關表查詢方式的直接轉矩控制中來克服轉矩脈動的不錯方案。

本文將電壓矢量增加為9個,定子磁鏈區域細分成8份,電壓矢量在磁鏈區域中的位置分布由空間矢量理論確定,括號內為電壓矢量所對應的驅動信號。V9為零電壓矢量,其在控制過程中的作用主要是保持當前電磁轉矩,減小逆變器的開關次數和轉矩脈動的產生,使電機運行的更加平穩。

圖3 空間矢量直接轉矩控制系統模型

直接轉矩控制的好壞直接取決于電壓矢量開關表的建立,通過光電編碼器獲取連續轉子位置角,由(7)式和(8)式求得定子磁鏈的位置角,根據其位置角、估測的轉矩及磁鏈值,查詢改進的電壓矢量開關表,得到相應驅動信號,使電機各相的磁鏈和轉矩完全得到控制。

(5)

θs=δ+θe

(6)

式中:δ為轉矩角;θs為定子磁鏈位置角。

橫向磁通永磁電機控制系統采用直接轉矩控方式,其核心是將定子磁鏈和電磁轉矩滯環控制,根據給定的轉矩、磁鏈值與其反饋的計算值作差[6],根據兩者的誤差并結合定子磁鏈的位置通過查詢電壓矢量開關表選擇合適的電壓矢量以此來實現定子磁鏈的軌跡為恒定圓形。

表1為TFPM在H橋臂逆變電路的情況下的電壓矢量開關表。

表1 電壓矢量開關表

系統模型仿真后得到定子磁鏈軌跡如圖4所示,磁鏈滯環控制會使定子磁鏈圓環產生一定的環寬。仿真結果表明,改進的電壓矢量開關表能夠使兩相橫向磁通永磁電機的磁鏈軌跡控制達到理想效果。

圖4 定子磁鏈軌跡

3 直接轉矩控制實驗

為了進一步研究上述控制方案的合理性,本文基于課題組研制的1臺四相平板式橫向磁通永磁電機構建實驗平臺,進行控制方案研究,如圖5所示,該樣機的主要參數如表2所示。電機控制系統的性能與電機特性、負載特性及控制方式等因素有關,本文僅在恒定負載條件下研究2種控制方式對樣機的性能影響。

圖5 新型橫向磁通永磁樣機

表2 新型橫向磁通電機樣機參數

為了便于兩者進行比較,進行了對比實驗,傳統直接轉矩控制系統轉速和轉矩實驗如圖6所示,空間矢量直接轉矩控制系統的轉速與轉矩實驗如圖7所示。

圖6 傳統直接轉矩控制

圖7 空間矢量直接轉矩控制

從實驗波形看出,實驗的波形符合電機的實際情況,表明了新型TFPM模型的正確性,傳統直接轉矩控制在電機穩定后轉速波動較大,存在較大的轉矩脈動,主要是電流諧波不穩定所致。而空間矢量直接轉矩控制比傳統直接轉矩控制轉矩脈動較小,轉速較穩定,滿足穩定輸出轉矩的需求,提升了電機的工作特性。

4 結 論

針對傳統直接轉矩控制在橫向磁通永磁電機應用中的不足,本文提出一種改進的空間矢量直接轉矩控制方法,并在電壓矢量表中增加一個電角度周期內的電壓矢量個數即增加系統對電機的控制頻率,以削弱電流諧波,可有效地減小轉矩脈動和磁鏈,使磁鏈和轉矩得到完全控制。在構建的橫向磁通永磁電機系統模型和樣機本體的基礎上,進行了傳統直接轉矩控制與空間矢量直接轉矩控制的轉速與轉矩對比研究。實驗結果表明,采用改進的空間矢量直接轉矩控制,新型橫向磁通永磁電機可以獲得精確和平滑的轉矩與轉速,減小機械磨損,提高輸出轉矩性能,有利于橫向磁通電機的廣泛應用。

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