您的当前位置:首页正文

基于离散空间矢量调制的永磁同步电机DTC方案

2020-07-29 来源:易榕旅网
电气传动2008年第38卷第9期EI,ECTRICDRIVE2008V01.38No.9基于离散空间矢量调制的永磁同步电机DTC方案徐艳平,钟彦儒(西安理工大学电气工程系,陕西西安710048)摘要:传统直接转矩控制方法具有转矩脉动大。开关频率不恒定等缺点。在叙述永磁同步电机传统直接转矩控制原理的基础上,详细分析了零电压矢量和非零电压矢量对转矩变化的影响,提出了一种基于离散空间矢量调制的新型直接转矩控制方法。该方法根据实时转矩误差和电机转子速度来选择电压矢量,仿真和实验结果表明基于离散空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制能够减小传统直接转矩控制中的转矩脉动,改善了控制系统性能。关键词:直接转矩控制;永磁同步电机;离散空间矢量调制中国分类号:TM35l文献标识码:AonDirectTorqueControlofPermanentMagnetSynchronousMotorsBasedDiscreteSpaceVectorModulationXUYan—ping.ZHONGYan—go(ElectricalEngineeringDepartment,Xi’anUniversityAbstract:TraditionaldirectconstanttorqueofTechnology,xi’an710048,Shaanxi,China)torquecontrol(DTC)methodhasdisadvantagesofhighzeroripplesandin—switchingfrequency.EffectsofonandnonzerovoltagevectorsontorqueaincrementwereanalyzedindetailbasedcretespacetheDTCprincipleofpermanentmagnetsynchronousmotorandmodulationwasproposed.VoltagevectorsarenewDTCmethodusingdis—tOtorqueerrorsvectorselectedaccordingandmotorsyn—speedinthismethod.SimulationandexperimentresultsshowthattheDTCmethodofpermanentmagnetehronousmotorbasedperformance.Keywords:directtorqueondiscretespacevectormodulationcanreducetorqueripplesandimprovecontrolsystemcontrol;permanentmagnetsynchronousmotor;discretespacevectormodulation1引言直接转矩控制(DTC)是继矢量控制之后发以合成任意方向、任意大小的电压矢量,因而可以有效减小电机的转矩脉动,并且能够使逆变器具有恒定的开关频率,但是这种方法需要实时计算出合成任意电压矢量器件开关所需的时间,因此会增加控制系统的复杂性;利用占空比控制的方法来减小电机转矩脉动,需要确定出每个电压矢量的占空比系数,无论通过实时计算还是模糊控制确定的方法,都需要较大的计算量;采用离散空间电压矢量法能够增加所选电压矢量的个数,有效减小电机转矩脉动。本文叙述了永磁同步电机直接转矩控制原理,详细分析了零矢量和有效电压矢量对转矩的影响,在此基础上提出了基于离散空间电压矢量的直接转矩控制方法,仿真和实验结果表明该方展起来的另一种高性能的交流电机控制方法。与矢量控制相比,直接转矩控制省去了复杂的坐标变换,直接在静止的定子坐标系中计算电机的转矩和磁链‘¨,同时由于计算中只用到定子电阻,对电机参数的鲁棒性好,因此该控制方法已经推广到永磁同步电机上[2J。传统的直接转矩控制具有转矩脉动大、逆变器开关频率不恒定等缺点,为改善传统直接转矩控制的性能,出现了多种改进方法,如空间矢量脉宽调制法‘3’‘],占空比控制法[5’6]、离散空间电压矢量法‘7’81等。采用空间矢量脉宽调制的方法可作者简介:徐艳平(1977一),女,博士研究生,Email:prc_xyp(孕126.corn14万方数据徐艳平,等:基于离散空间矢量调制的永磁同步电机DTC方案电气传动2008年第38卷第9期法不需要复杂的计算,增加了可供选择的电压矢量的个数,能够减小电机转矩脉动。2永磁同步电机DTC原理永磁同步电机直接转矩控制通过检测电机定子电压和电流,借助瞬时空间矢量理论计算出电机的磁链和转矩,并根据与给定值比较所得差值以及磁链所处空间位置实时选择基本电压矢量,实现磁链和转矩的直接控制。在永磁同步电机DTC中,定子磁链与输入电压关系为广识一I(“。一R。i。)dt(1)J式中:坞为定子电压;蟊为定子电流;哦为定子磁链。式(1)表明可以通过控制电机的输入电压“。来使定子磁链按照一定的轨迹和速度运动,从而达到控制磁链的目的。永磁同步电机的转矩计算式为T:‰掣[2吼L洱n艿一-±LdLqI・虻l(L。一L。)sin(2d)](2)式中:T为电磁转矩;雪。为永磁电机的转子磁链;咒,为电机极对数;L。,L。为电感的d,q轴分量;占为定转子磁链之间的夹角,也称负载角。对于隐极式同步电机,电感的d轴分量与q轴分量相等,因此式(2)可化简为T一半I蛾I蛾sina口们(3)厶L,d式(3)说明,当定子磁链幅值保持不变时,可以通过控制负载角来控制电机的电磁转矩。在电机恒定负载稳态运行时,定、转子磁链都以同步速旋转,此时负载角d为恒定值;瞬态时,d则因定、转子旋转速度的不同而不断改变。一般情况下,电机的电气时间常数远远小于机械时间常数,与转子磁链旋转速度相比,定子磁链的旋转速度更易改变。因此通过对逆变器开关状态的适当选择,保持定子磁链幅值近似恒定,控制定子磁链空间矢量旋转速度,即快速改变定、转子间的磁链夹角,就能控制永磁同步电动机的输出转矩[2]。3离散空间电压矢量的DTC方案传统直接转矩控制是根据实时计算出的电机磁链和转矩,以及定子磁链在空间的位置角,在开关电压矢量表中选择电压矢量,控制电机运行。传统直接转矩控制中可选的电压矢量仅仅是6个万方数据非零基本电压矢量,只要定子磁链处于同一扇区并且磁链和转矩误差状态相同,就会选择相同的电压矢量,但事实上随着定子磁链在同一扇区中空间位置的不同,电压矢量对磁链和转矩的影响会发生变化,因此6个非零基本电压矢量不能满足转矩和磁链实时控制的要求,增加所选电压矢量的个数可以解决这一问题。根据直接转矩控制的开关电压矢量表[2],当需要减小电机转矩时,选择的不是零电压矢量,而是具有使定子磁链反转的电压矢量,这些电压矢量作用后,能够使转矩角迅速减小,进而使转矩迅速减小,加快了系统的响应速度。但是当电机高速运转时,定子磁链和转子磁链的旋转速度都很快,这时施加使定子磁链反转的电压矢量,会使定子磁链反转,从而引起转矩角的很大减小量,使得转矩减小过度,进而引起较大的转矩脉动,因此,系统高速运行时,应避免选择使定子磁链反转的电压矢量,以减小转矩脉动。3.1DTC中电压矢量对转矩的影响永磁同步电机的转矩计算式如式(2)。当哦恒定不变时,对式(2)相应于艿求微分,可得:c?2砀j■L。蚧La∞80一I,虬I(L。一Ld)cos(23)](4)当转矩变化很小时,有AT一‰掣[奶Lqc。s占一6LdL口I,呒l(L。一Ld)cos(2艿)]△艿(5)从式(5)中可以看出,改变负载角增量,可以使转矩迅速发生变化。在电机运行过程中,若磁链变化△识,负载角艿也会变化,永磁同步电机定转子磁链的动态变化图如图1所示。图1中,吐,cOr分别是定子磁链和转子磁链的旋转角速度,在采样周期L内,定子磁链角增量△疋一山。Tk,转子磁链角增量△盈一%Tk,负载角增量为△艿一盈+。一瓯=△疋一△盈。图1定转子磁链增量变化图Fig.1Changeofstatorandrotorfluxincrements15电气传动2008年第38卷第9期徐艳平,等:基于离散空间矢量调制的永磁同步电机DTC方案在定子磁链轨迹为圆形或近似圆形时,定子磁链角增量可以表示为△允≈△蛾/I识I=№T。f/I吼I(6)因此在采样周期瓦内引起的负载角增量为△艿=A盈一△盈=I地T。I/I识I一∞,L(7)从式(7)可以看出,当零电压矢量作用时,地=0,会引起转矩的减小。同时在不同的转速范围内零矢量所引起的转矩的减小量有很大不同。同时,电机高速运转时零电压对转矩的减小作用强于电机低速运行时的减小作用。因此可以在电机高速运行时选择零矢量减小转矩,这会减小因选择反矢量而引起的转矩脉动。对于有效电压矢量而言,在电机运行过程中,与转子磁链旋转速度相比,定子磁链的旋转速度更易改变,因此忽略转子对负载角变化的影响,把式(7)代人式(5),可得:AT=翌华≠』9fL。cos占一厶LdLgI识l(L口一厶)cos(23)](8)式(8)说明,若合理控制一个采样周期内作用于电机的定子电压的大小,就能相应控制该采样周期内所引起的转矩变化量的大小,因而可以相应减小转矩脉动。3.2离散空间电压矢量的DTC方案在传统的永磁同步电机直接转矩控制中,选择电压矢量是从6个非零基本电压矢量中进行选择,不选择零矢量。基本电压矢量和扇区分布如图2所示。从上面的分析可知,转矩增量的大小与作用电压矢量的大小有关,如果在当前时刻转矩误差为△T,那么按误差大小选择与之相应大小的电压矢量,去补偿转矩误差△T,则恰恰就可以消除当前的转矩误差。按照这一推论,把转矩误差从小到大分为4个等级,即0,1,2,3;相应的把电压矢量按幅值大小也分为4个等级,即0,(I/3)u,,(2/3)肌,‰。当转矩误差达到最大为3时,在本采样周期内就作用电压矢量‰,若当前转矩误差为0,那么就作用零电压矢量,从而得到相应的电压矢量选择表。这样所选择的电压矢量就是沿基本矢量作用方向上,幅值为0,(1/3)‰,(2/3)uk,%的电压矢量,那么可供电机选择的电压矢量数大大增加。电压矢量示意图如图2所示。根据零矢量对转矩影响的分析可知,当电机高速运转时,零矢量对转矩有减小的作用。因此,为了避免在高速时选择使定子磁链反转的电压矢16万方数据,-,.j惑.历17.,≥・Jl。I||-冷。一‘图2电压矢量和用区分布图Fig.2Distributionotvoltagevectorsandsectors量而带来的转矩脉动,在高速时采用零电压矢量来实现转矩的减小作用。但是不能完全使用零矢量,完全使用零矢量虽然能降低转矩脉动,但是无法实现转矩的迅速减小,因此随着电机转速的增大,用零矢量使转矩减小,但当转矩需要明显减小时,则使用反矢量。综合上述分析,将电机转速分成3个范围:低于额定转速的1/6为低速;高于额定转速的112为高速;在这二者之间为中速,在不同转速下选择不同的电压矢量,得到的电压矢量选择表如表1所示。囊1开关电压矢■选择衰Tab.ITableofswitchingvoltagevectorsCTG一3—2—1012302112低舢一2了机一2了m—z蛳了UL+2T。k+2Mk+2速21121m一1了m~1了m—l‰了Mt+I了Hk+l。k+l02112中了‰一2了舢一2脚了“Zk+2了。k+ZU/m+2舢+2211速12了m一1丁m一1Uo"§-at+1了。k+llilt+Iuk+IO112高了№一2Ito了‰十2了MI#+ZMk+2Hit+2№+2遮11Z1了m一1-0了I。k+l丁Uk+I。k+lBit+1Hk+l4仿真和实验分析为了验证基于离散空间电压矢量的永磁同步电机DTC能够有效地减小转矩脉动,针对同一隐极式永磁同步电机分别进行了仿真与实验验证,同时也进行了传统直接转矩控制的仿真与实验。所用永磁同步电机的参数为:永磁体磁链0.24Wb;d轴电感8.5mH;q轴电感8.5mH;额定电压200V,额定电流9.4A,定子电阻0.2fl,额定转速2000r/rain,极对数4,转子惯量0.00123kg・rft2。系统运行中,磁链滞环宽度为0.001Wb,转矩滞环宽徐艳平.等:基于离散空间矢量调制的永磁同步电机DTC方案电气传动2008年第38卷第9期度为0.2N・m,磁链给定值为0.24Wb。转速给定为1000r/min,仿真和实验所得到的波形如图3和图4所示。(a)传统DTc藉矩仿真波形(b)离散矢量调制D]rc转矩仿真波形图3传统DTC和离散矢量调制DTC转矩仿真波形Fig.3SimulationwavesofconventionalDTCanddiscretevectorsmodulationDTC(a)传统DTc转矩实验波形(b)离敢矢量调制DTC转矩买验诬彤图4传统DTC和离散矢量调制DTC转矩实验波形Fig.4ExperimentwavesofconventionalDTCanddiscretevectorsmodulationDTC图3是传统直接转矩控制和基于离散矢量调制的直接转矩控制的转矩仿真波形,电机启动时以最大转矩限幅值5N・m启动,进入稳态运行后在0.03S时负载转矩从0突加至2N・m,从二者仿真波形上可以看出,两者都能较快响应转矩的变化,同时基于离散矢量调制的DTC转矩脉动有明显减小,这说明改进DTC保持了传统DTC响应迅速的优点,同时又能有效减小转矩脉动。图4是传统直接转矩控制和离散矢量调制的直接转矩控制系统的实验波形。图4a是传统DTC的磁链和转矩稳态波形,从中可以看出转矩波形具有明显的转矩脉动;图4b是离散矢量调制DTC的磁链和转矩稳态波形,从中可以看出转矩脉动有了明显减小。从仿真和实验波形可以看出,采用离散矢量调制的直接转矩控制系统能够减小传统直接转矩控制中的转矩脉动,同时也保持了传统直接转矩控制响应迅速的优点。但从波形图上也可以看出,采用离散矢量调制的直接转矩控制减小的转矩脉动有限,这是由于这种方法实质上没有改变传统直接转矩控制方法,只是增加了可供选择的电压矢量个数,同时矢量个数增加的越多,转矩脉动减小就越明显,但是也增加了控制系统的复杂万方数据性,解决方法就是在降低转矩脉动与降低选择电压矢量方案的复杂性之间适当折衷。5结论本文详细分析了永磁同步电机传统直接转矩控制中零矢量和有效电压矢量对转矩脉动的影响,在此基础上,利用零矢量在电机不同转速下对转矩影响的不同,结合电机转速与实时转矩误差构建了新的开关矢量表,实现了采用离散空间电压矢量的永磁同步电机的直接转矩控制。仿真和实验结果表明基于离散空间电压矢量的直接转矩控制方法增加了可供选择的电压矢量个数,不需要大量复杂的计算,能够有效减小传统直接转矩控制中的转矩脉动,改善了传统控制系统的性能。●考文tⅡ]李夙.异步电动机直接转矩控翻[M].北京:机械工业出版社,2001.眨]ZhongL,RahmanMF,HuWY,eta1.AnalysisofDirectTorqueControlinPermanentMagnetSynchronousMotorDrives[J].IEEETransactionsonPowerElectronics・1997。12(3):528—536.㈦]LaiYen—Shin.ChenJian—Ho.ANewApproachtODirectTorqueContr01ofInductionMotorDrivesforConstantIn—verterSwitchingFrequencyandTorqueRippleReduction口].IEEETransactionsonEnergyConversion,2001,16(3):220—227.H]TangLixin,ZhongLimin,RahmanMF,eta1.ANovelDirectControlledInteriorPermanentMagnetSynchronousMachineDrivewithLowRippleinFluxandTorqueandFixedSwitchingFrequency[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2004,19(2):346—354.∞]刘军.刘丁,吴浦开,等.基于模糊控制调节电压矢量作用时间策略的永磁同步电机直接转矩控制仿真研究l-J].中国电机工程学报,2004,24(10);148—152.∞]魏欣,陈大跃.赵春宇.一种基于占空比控制技术的异步电机直接转矩控制方案[J].中国电机工程学掇,2005,25(14)t93—97.口]DomenicoCasadei,GiovanniSerra,AngeloTani.1mple—mentationofaDTCAlgorithmforInductionMachinesBasedonDiscreteSpaceVectorModulation[J].IEEETransactionsonPowerE1ectronics,2000,15(4)I769—776.凹]祝龙记,王汝琳.采用矢量细分的异步电动机直接转矩控制系统口].徽特电机・2004・32(6);30一32.硬霜百耵历而R萨订修改稿日期一2008-04--0417

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容