基于SVPWM的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 - 王麗梅 - 圖文-

1、收稿日期:2006-09-11.基金項(xiàng)目:遼寧省科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目(20052043.作者簡(jiǎn)介:王麗梅(1969-,女,遼寧建平人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事交流伺服系統(tǒng)、智能控制等方面的研究.文章編號(hào):1000-1646(200706-0613-05基于SVPWM 的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制王麗梅,高艷平(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,沈陽(yáng)110023摘要:針對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩、控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的脈動(dòng)問題,設(shè)計(jì)了基于電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVP WM 策略的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制.在每個(gè)控制周期內(nèi),計(jì)算出參考磁鏈和所估計(jì)磁鏈的偏差,選擇相鄰非零矢量和零矢量,并精確地計(jì)算出各自作用時(shí)

2、間,然后利用線性組合法將其合成為新的電壓矢量.在M AT LA B /SI M U LIN K 仿真環(huán)境下,對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真.仿真結(jié)果表明,該方法可以明顯減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng),具有更好的動(dòng)、靜態(tài)性能,而且響應(yīng)速度快,運(yùn)行平穩(wěn).關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī);直接轉(zhuǎn)矩控制;電壓空間矢量脈寬調(diào)制;線性組合;參考磁鏈中圖分類號(hào):T M 351文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADirect torque control for permanent magnet synchronous motorbased on space voltage vector pulse width modulationWANG Li -mei

3、 ,GAO Yan -ping(School of Electrical Engineering ,Sheny ang University of T echnology ,Shenyang 110023,China A bstract :To solve the problem of torque and stator flux linkage ripples in direct torque control (DTC fora permanent magnet synchronous mo tor (PMSM ,the space voltage vector pulse width mo

4、dulation (SVPWM strategy in DTC for PMSM was designed .The offset betw een the reference stator flux linkage and the estimated one is calculated during each sampling period ,and the tw o nonzero neighboring voltage vectors are selected and then the operating time is calculated accurately .Finally th

5、e linear combination method is utilized to synthesize a new voltage vector .The modeling and simulation of this system w ere introduced based on MATLAB /SIM ULINK .Simulation results show that the present method can dramatically reduce the torque and the stator flux linkage ripples .The system has b

6、etter dy namic and steady state performances ,fast response and stable operation .Key words :permanent mag net synchronous motor ;direct to rque control ;space vector pulse widthmodulation ;linear combination ;reference flux linkage 隨著社會(huì)實(shí)際生產(chǎn)要求的不斷提高,現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)也不斷得以升級(jí).繼矢量控制之后,1986年日本I .Takhashi 和德國(guó)M .De

7、penbrock 分別提出了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)1-2.這項(xiàng)技術(shù)的問世,以其新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)受到普遍關(guān)注并被廣泛研究.直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在永磁同步電機(jī)上的研究還并非十分完善,在有些方面仍存在欠缺3.比如說由定子磁鏈脈動(dòng)而導(dǎo)致的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)就是一個(gè)非常棘手的問題.常規(guī)的DTC 方案其實(shí)是一種Bang -Bang 控制方法:針對(duì)定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩偏差以及磁鏈的空間位置,在一個(gè)控制周期內(nèi),選擇和發(fā)出單一空間電壓矢量,這個(gè)電壓矢量要同時(shí)控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差方向,而忽略了轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差大小,從而經(jīng)常造成轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng),不能達(dá)到期望的最佳控制效果.第29卷第6期2007

8、年12月沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)Journal of Shenyang University of TechnologyVol .29No .6Dec .2007本文在分析了直接轉(zhuǎn)矩控制原理(DTC和空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM的基礎(chǔ)上,提出了基于磁鏈空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù).本方案中,僅僅采用一個(gè)調(diào)節(jié)器來控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩,這一點(diǎn)與常規(guī)的DTC有顯著的差別.最后,通過MATLAB/SIMULINK建模和仿真,與常規(guī)的DTC比較,可以看出磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯降低,同時(shí)保證了固定的開關(guān)頻率.1直接轉(zhuǎn)矩控制原理永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型4 u du q=R+p L

9、 d-wL qwL d R+p L qi di q+wf(1t e=3P ns4L d L q2f L q sinsm+s(L d-L qsin2sm(2式中:u d,u q,i d,i q,L d,L q定子電壓、電流、電感在d,q軸上的分量;f,s勵(lì)磁磁鏈和定子磁鏈;t e,P n,p電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)和微分算子;sm負(fù)載角.式(2表明,電機(jī)參數(shù)確定后,在實(shí)際運(yùn)行中,永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上勵(lì)磁磁場(chǎng)的磁鏈幅值一般為恒值,為保證充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心,通常要使定子磁鏈的幅值為額定值,這樣就可以直接通過控制負(fù)載角sm的大小來控制電磁轉(zhuǎn)矩的大小,這就是DTC的核心思想.在電機(jī)運(yùn)行過程中,如何保證定子磁鏈

10、幅值始終為額定值,這也是DTC技術(shù)集中解決的問題.常規(guī)的DTC就是采用兩個(gè)滯環(huán)比較器得到磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制指令,再結(jié)合磁鏈位置以及開關(guān)狀態(tài)表查得所要求的逆變器開關(guān)指令,進(jìn)而得到所需要的空間電壓矢量作用于磁鏈和轉(zhuǎn)矩,對(duì)二者進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),保證其在所給定的范圍內(nèi)變化,從而獲得近似圓形磁鏈軌跡和精確的轉(zhuǎn)矩5.2電壓空間矢量脈寬調(diào)制早期提出的SVPWM技術(shù)應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,其主要思想是把逆變器和電機(jī)視為一個(gè)整體,針對(duì)不同的電壓空間矢量和相應(yīng)不同的作用時(shí)間,采用線性組合的方法將其合成所需要相位的磁鏈增量,進(jìn)而可以 很好地跟蹤定子磁鏈,使其形成近似圓形的磁場(chǎng)6.電壓空間矢量合成原理如圖1

11、所示,u1,u2為相鄰電壓矢量;t1,t2為其作用時(shí)間;T0為采樣周期;u s為期望電壓空間矢量.圖1電壓空間矢量的線性組合Fig.1Linear combination of voltage space vecto rs可以看出u s=t1T0u1+t2T0u2=u s cos+j u s sin(3用相電壓表示合成電壓空間矢量得到u s=u AO(t+u BO(te j+u CO(te j2(4式中,=120°.由相電壓與線電壓關(guān)系u AB(t=u AO(t-u BO(t(5u BC(t=u BO(t-u CO(t(6代入式(4并化簡(jiǎn)后,可得u s=u AB(t-u BC(te-

12、j(7如圖2所示,根據(jù)各功率開關(guān)處于不同狀態(tài)線電壓可分別取為U d、0或-U d,當(dāng)開關(guān)狀態(tài)為100(上橋臂器件導(dǎo)通用數(shù)字“1”表示,下橋臂器件導(dǎo)通用數(shù)字“0”表示時(shí),輸出線電壓u AB=U d,u BC=0,則合成電壓u1=U d.當(dāng)開關(guān)狀態(tài)為110時(shí),u AB=0,u B C=U d,則合成電壓u2=-U d e-j=U d e-j/3.圖2三相逆變器原理圖Fig.2Block diagram of three phase inver ter依次類推,同樣可以求出u3u6的表達(dá)式.代入式(3,得u s=t1T0U d+t2T0U d e j/3=U dt1T0+t2T0e j/3=U dt

13、1T0+t2T0cos3+jsin3= 614沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第29卷U d t1T0+t2T012+j32=U d t1T0+t22T0+j3t22T0(8比較式(3和式(8,令實(shí)數(shù)項(xiàng)和虛數(shù)項(xiàng)分別相等,則u s cos=t1T0+t22T0U d(9u s sin=3t22T0U d(10從而解出t1和t2,得部分空間矢量所占時(shí)間的成分為t1 T0=u s cosU d-13u s sinU d(11 t2T0=23u s sinU d(12采樣周期T0應(yīng)由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所需的頻率決定,T0與t1+t2未必相等,其間隙時(shí)間可用零矢量u7或u8填補(bǔ).為減少功率開關(guān)器件的開關(guān)次數(shù),一般使u7和u8各占

14、一半時(shí)間,即t7=t8=12(T0-t1-t20(13 3SVPWM DTC PMSM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基于SVPWM策略永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖3所示.與常規(guī)的DTC 系統(tǒng)相比,沒有采用電壓開關(guān)矢量表和滯環(huán)控制器,而是采用了一個(gè)PI調(diào)節(jié)器和參考磁鏈?zhǔn)噶抗烙?jì)器(RFVC來確定參考定子磁鏈?zhǔn)噶?-8.根據(jù)參考定子磁鏈的角頻率和所估計(jì)的定子磁鏈位置以及參考磁鏈幅值產(chǎn)生下一個(gè)時(shí)刻的參考磁鏈?zhǔn)噶?計(jì)算磁鏈的反饋值和電阻壓降補(bǔ)償,得到磁鏈偏差值,再由SVPWM選擇所應(yīng)施加的電壓矢量,計(jì)算作用時(shí)間來控制逆變器開關(guān)狀態(tài),這樣,就可以把誤差降低到零.圖3基于SV PWM的直接轉(zhuǎn)矩控制框圖Fig.3

15、Block diagram of DT C control sy stem based on SV PWM 在定子坐標(biāo)系下,永磁同步電機(jī)的定子電壓矢量為9u s=dsd t+R s i s(14其離散化形式為u s k=s kT0=s k-s k-1T0+R s i s k-1(15整理后得u s k T0=s k-s k-1+T0i s k-1R s(16式中:T0采樣周期;s kk時(shí)刻期望參考磁鏈?zhǔn)噶?s k-1前一時(shí)刻磁鏈?zhǔn)噶抗烙?jì)值;u s k T0電壓矢量在一個(gè)周期的積分值;R s定子電阻.電壓空間矢量的選擇如圖4所示.可以看出三相逆變器的最大范圍是六邊形,而為了產(chǎn)生正弦波輸出電壓,就

16、必須采用一個(gè)環(huán)形的電壓限615第6期王麗梅,等:基于SVPWM的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制制7.如果磁鏈誤差幅值超出該環(huán)的界限,如圖s1,那么SVPWM 將根據(jù)這個(gè)誤差來發(fā)出一個(gè)與該誤差矢量同向的電壓矢量來減少磁鏈幅值 .圖4根據(jù)磁鏈誤差選擇電壓矢量Fig .4Voltage v ector selection based on flux linkage error4仿真為了驗(yàn)證本文所提出來的基于SVPWM 的永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略的有效性,應(yīng)用M atlab /Simulink ,在采樣周期T 0取80s ,160s 仿真環(huán)境下,對(duì)常規(guī)的DTC 和基于SVPWM 的DTC 控制算法進(jìn)行

17、了穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真研究.選擇的電機(jī)參數(shù)分別為:額定轉(zhuǎn)速1600r /min ;額定功率0.8kW ;極對(duì)數(shù)4;定子電阻0.64;d ,q 軸電感分別為0.0446H ,0.1062H ;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.0012kg ·m 2;轉(zhuǎn)子磁鏈0.44Wb ;負(fù)載轉(zhuǎn)矩5Nm .圖5為兩種算法轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)性能仿真圖形,圖6為兩種算法磁鏈穩(wěn)態(tài)性能仿真圖形,圖 7圖5轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)態(tài)性能仿真波形Fig .5Steady -state performance w aveforms of tor quea .常規(guī)D TCb .SVPW M -DT C為兩種算法轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較仿真圖形.從圖56中可以看出,采用基

18、于SVPWM -DTC 策略的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動(dòng)明顯有所減小,近似于平滑波形.在圖7所示的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較中,自0.042s 后第一次到達(dá)參考值時(shí)常規(guī)DTC 策略的響應(yīng)時(shí)間要明顯少于基于SVPWM -DTC 策略的響應(yīng)時(shí)間,而且后者在經(jīng)過較短時(shí)間的脈動(dòng)后就恢復(fù)到參考值,而前者則在參考值附近脈動(dòng)很大 .圖6磁鏈的穩(wěn)態(tài)性能仿真波形F ig .6Steady -state performance w aveforms o f flux linkagea .常規(guī)D TCb .SVPW M -DT C圖7轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較Fig .7To rque dy namic response compari

19、sona .常規(guī)D TCb .SVPW M -DT C616沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第29卷5結(jié)論本文在分析常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩控制原理以及空間矢量調(diào)制方法的基礎(chǔ)之上,設(shè)計(jì)了基于電壓空間矢量脈寬調(diào)制策略的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng).該系統(tǒng)能夠較好地跟蹤磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差值來選擇合適的空間電壓矢量以消除誤差,從而達(dá)到理想的控制效果,彌補(bǔ)了常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩控制的不足.仿真結(jié)果表明,與常規(guī)DTC策略相比,在相同的運(yùn)行條件下,基于SVPWM-DTC策略的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)較小,其穩(wěn)態(tài)性能較好,而且在較短的時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)就可以恢復(fù)到參考值,即響應(yīng)速度快,運(yùn)行更加平穩(wěn).參考文獻(xiàn):1李夙.異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制M

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22、 Chun,HU Yu-w en.T heory and study of perma-nent magnet sy nchronous machine driveJ.T ransac-tions of China Electro technical Society,1998,11(3: 21-26.5M atic P R,Blanusa B D,Bukcsavic S N.A novel directtorque control and flux control algo rithm fo r the induc-tion motor driveJ.Electric M achine and Drives,2003,2(3:1-4.6陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M.北