永磁同步電動機定子磁鏈扇區(qū)細分控制分析

魏保立，張瑞坤

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州450000)

0 引 言

控制系統(tǒng)優(yōu)劣對橫向磁通永磁電機性能發(fā)揮有很大影響，直接轉(zhuǎn)矩控制是在保持定子磁鏈幅值不變的前提下改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向和速度，從而達到控制電機輸出轉(zhuǎn)矩的目標［1］。直接轉(zhuǎn)矩控制在與其它控制方法對比中具有動態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)簡單和響應(yīng)速度快等優(yōu)點，并且其實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩與磁鏈近似解耦，因而得到電機控制領(lǐng)域的廣泛關(guān)注［2-3］。

電壓矢量的選擇在直接轉(zhuǎn)矩控制開關(guān)表中具有重要的地位。在某一瞬時時間段內(nèi)應(yīng)盡量選擇既能滿足動態(tài)性能又能減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動的單一電壓矢量，前后兩個時間段內(nèi)的電壓矢量可能會有較大差異，但是由于各個時間段內(nèi)所施加電壓矢量的不連續(xù)性，這樣就造成在一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩與磁鏈之間存在較大變化。

基于空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制，本文提出基于定子磁鏈十八扇區(qū)細分法的永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)控制方案，減小兩個快速切換矢量間的幅值，降低磁鏈脈動，優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制效果。研究表明，定子磁鏈十八扇區(qū)細分法的電壓矢量直接轉(zhuǎn)矩(以下簡稱SVM -DTC)控制方法可以通過抑制轉(zhuǎn)矩脈動達到改善電機低速性能。

1 SVM-DTC 控制算法

在直接轉(zhuǎn)矩控制中電磁轉(zhuǎn)矩的控制是通過控制磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度實現(xiàn)的，只要在每一時間段內(nèi)選擇合適的空間電壓矢量控制定子磁鏈走走停停得以實現(xiàn)，就可以改變定轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角。分析坐標系d-q 中PMSM 磁鏈關(guān)系，可得到定子磁鏈坐標系下電壓和轉(zhuǎn)矩方程式:

直接轉(zhuǎn)矩控制和空間電壓矢量都具有一定的優(yōu)缺點，研究人員將二者進行結(jié)合，形成SVM -DTC，它兼顧了二者優(yōu)點，在一定程度上彌補了各自的不足［4-5］。空間電壓矢量直接轉(zhuǎn)矩控制使下一個周期的觀測轉(zhuǎn)矩和磁鏈幅值等于給定值，從而在一周期內(nèi)確定了下一個周期的控制量變化方向和大小，能有效減小磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩的脈動改善控制效果。

SVM-DTC 控制算法磁鏈軌跡比常規(guī)DTC 磁鏈軌跡要相對平滑，整個控制過程沒有出現(xiàn)磁鏈急速變化和波動幅值大的情況，這凸顯了SVM 控制和DTC 控制相結(jié)合的優(yōu)良性，克服了常規(guī)DTC 因采用兩個滯環(huán)控制器和零電壓矢量來獲得轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)而犧牲系統(tǒng)穩(wěn)定性的缺陷［6］。空間電壓矢量直接轉(zhuǎn)矩控制的圓形磁鏈控制中選擇多個電壓矢量控制一個區(qū)域內(nèi)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩。基于六邊形電壓矢量的直接轉(zhuǎn)矩控制定子磁鏈軌跡如圖1 所示。

圖1 六邊形電壓矢量定子磁鏈軌跡

從圖1 中可以看出，六邊形直接轉(zhuǎn)矩控制可基本實現(xiàn)預(yù)期的轉(zhuǎn)矩控制，但產(chǎn)生的磁鏈軌跡明顯波動較大，很不均勻，動態(tài)平衡范圍大，對電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制都會產(chǎn)生不良影響，降低電機工作性能。

2 定子磁鏈扇區(qū)細分法

2.1 十二扇區(qū)定子磁鏈細分法

直接轉(zhuǎn)矩控制是通過選擇適當?shù)亩ㄗ与妷菏噶繉⑥D(zhuǎn)矩和定子磁鏈誤差限制在滯環(huán)寬度內(nèi)，但離散分布的不同電壓矢量間切換使得磁鏈發(fā)生突變，造成磁鏈幅值的急速增大或減小，引起磁鏈畸變，造成轉(zhuǎn)矩脈動。六邊形矢量選擇表中只有六個空間電壓矢量，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動超過設(shè)定的滯環(huán)寬度，使電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，影響電機的工作性能。

將常規(guī)定子磁鏈六扇區(qū)劃分為定子磁鏈十二扇區(qū)，可在不改變源逆變器電路拓撲前提下選擇更多的矢量，減小因電壓矢量交替產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動。六扇區(qū)磁鏈軌跡中存在諧波分量，5 次和7 次諧波分量最大。十二扇區(qū)定子磁鏈細分法可以削弱5 次和7 次諧波分量，但11 次和13 次諧波分量相比于由六扇區(qū)磁鏈軌跡卻有所增加［7-8］。

2.2 十八扇區(qū)定子磁鏈細分法

在十二扇區(qū)細分的基礎(chǔ)上，本文提出定子磁鏈進一步細分的SVM -DTC PMSM 控制方案，將定子磁鏈由十二扇區(qū)細分為十八扇區(qū)，以削弱定子電流中的5 次、7 次、11 次和13 次諧波分量。

圖2 十八扇區(qū)磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制扇區(qū)

十八扇區(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制扇區(qū)及電壓矢量選擇如圖2 所示。PMSM 定子磁鏈十八扇區(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。定子磁鏈十八扇區(qū)的空間矢量選擇同六邊形磁鏈空間矢量選擇一樣，根據(jù)定子磁鏈矢量的各分量大小可以判斷十八扇區(qū)定子磁鏈所在扇區(qū)。依據(jù)六扇區(qū)定子磁鏈空間矢量所在扇區(qū)的判定，作十八扇區(qū)的扇區(qū)判斷，得到十八扇區(qū)電壓矢量選擇，如表1 所示，表中只列出前9 個扇區(qū)。

表1 定子磁鏈十八扇區(qū)電壓矢量選擇表

表1 中P 為正反轉(zhuǎn)控制的輸出信息，“1”為正轉(zhuǎn)，“0”為反轉(zhuǎn);T 為轉(zhuǎn)矩控制的輸出信息，“1”為需要增加轉(zhuǎn)矩，“0”為不需要增加轉(zhuǎn)矩;F 為磁鏈控制的輸出信息，“1”為需要增加磁鏈幅值，“0”為不需要增加磁鏈幅值。

依據(jù)PMSM 定子磁鏈十八扇區(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)圖，在Simulink 環(huán)境中建立定子磁鏈十八扇區(qū)細分SVM-DTC 仿真模型，得到如圖4 所示的定子磁鏈軌跡圖。

圖4 表明定子磁鏈十八扇區(qū)的磁鏈軌跡比六扇區(qū)的磁鏈軌跡要相對平滑，整個控制過程沒有出現(xiàn)磁鏈急速變化和波動幅值大的情況。

定子磁鏈十八扇區(qū)細分SVM -DTC 方式下三相電流仿真如圖5 所示，轉(zhuǎn)速曲線如圖6 所示。電機運行處于平穩(wěn)狀態(tài)后三相電流峰值對稱分布，基于定子磁鏈十八扇區(qū)細分的SVM -DTC 能夠滿足控制要求。可以看出轉(zhuǎn)速在0.02 s 時就達到穩(wěn)定，且沒有轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象。在轉(zhuǎn)速快速達到穩(wěn)定狀態(tài)后，轉(zhuǎn)速相對平穩(wěn)于135 r/min。

研究表明，十八扇區(qū)定子磁鏈比十二扇區(qū)定子磁鏈與六扇區(qū)定子磁鏈更加逼近于圓形磁鏈，能夠有效改善定子磁鏈軌跡，定子電流中的5 次和7 次諧波分量比六扇區(qū)磁鏈和十二扇區(qū)磁鏈都明顯減小，而11 次和13 次諧波分量的幅值很小，可以忽略不計。這進一步凸顯了扇區(qū)細分思想的定子磁鏈十八扇區(qū)控制的優(yōu)良性，克服了常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩控制的兩個矢量間快速切換而犧牲系統(tǒng)穩(wěn)定性的缺陷。

3 結(jié) 語

本文提出的定子磁鏈十八扇區(qū)細分的SVM -DTC 控制，發(fā)揮了SVM 控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的共同優(yōu)勢，在沒有引入其他測量方式和增加控制系統(tǒng)復(fù)雜性的情況下已可以使控制效果充分滿足要求。十八扇區(qū)磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制既可以減小PMSM 電流諧波、減小轉(zhuǎn)矩脈動，改善直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能，且功率器件的開關(guān)頻率增加不大，可以在工程中得到較好的應(yīng)用。

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