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随着科技的不断进步,新型永磁材料不断涌现和高质量的电力电子器件不断研发,永磁同步电机因此具有广阔的发展前景。 本文以永磁同步电动机为研究对象,采用二极管三电平逆变器拓扑结构,基于矢量控制技术设计了永磁同步电动机双闭环调速系统。本文主要从理论分析、模型搭建、仿真实现三个方面着手研究问题,利用七段式技术、转子磁链位置检测技术,完成了PMSM高性能控制系统电流环、转速环、SVPWM实现、测量环节等模块的设计与搭建。最后,将PI算法作为主要算法应用在校正后的典型环节中,完成了矢量控制模型的实现。 基于MATLAB/SIMULINK的仿真结果,转矩、电流、转速等曲线可以证明本文设计的调速系统具有跟随性好、抗干扰能力强等优点。
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1
基于 PI 算法的三电平永磁同步电机双闭环矢量控制
摘要
随着科技的不断进步,新型永磁材料不断涌现和高质量的电力电子器件不断
研发,永磁同步电机因此具有广阔的发展前景。
本文以永磁同步电动机为研究对象,采用二极管三电平逆变器拓扑结构,基
于矢量控制技术设计了永磁同步电动机双闭环调速系统。本文主要从理论分析、
模型搭建、仿真实现三个方面着手研究问题,利用七段式技术、转子磁链位置检
测技术,完成了 PMSM 高性能控制系统电流环、转速环、SVPWM 实现、测量
环节等模块的设计与搭建。最后,将 PI 算法作为主要算法应用在校正后的典型
环节中,完成了矢量控制模型的实现。
基于 MATLAB/SIMULINK 的仿真结果,转矩、电流、转速等曲线可以证明
本文设计的调速系统具有跟随性好、抗干扰能力强等优点。
关键词:PMSM 三电平逆变器 矢量控制 双闭环
0 前言
永磁同步电机具有效率高,功率因数高的优点。并且其重量轻,体积小;速
度稳定,过载能力强;调速范围极宽等其他优势
[1]
,在国内外受到人们的高度重
视,并投入了大量的时间和物力进行研发
[2]
。广泛应用于高速列车、电动汽车,
大型空调,风力发电,机器人等精确控制行业。随着高性能永磁材料的不断涌现
和电力电子设备的突破性发展,相关传动技术和PMSM控制理论的不断发展和完
善,使永磁同步电动机的研究和实际应用日益完善,其驱动控制系统将变得越来
越广泛
[3]
。
现代科技水平发展迅速,人们的生活需要不断扩大,这不仅对永磁同步电机要
求更高,对 PMSM 的控制系统要求也逐日严格,要求 PMSM 的控制稳度、精度不
断得到提高,调速范围不断得到扩大
[4-5]
。规范化、标准化、高精度以及模块化
的高速发展成为永磁同步电机控制系统未来发展最大的趋势
[6]
。基于矢量控制的
高性能闭环控制在 PMSM 驱动系统中十分重要,可以进一步提高控制对象的控
2
制精度、获得较宽的调速范围,有利于提高产业效益。因此研究基于矢量控制的
PMSM 闭环控制系统对提高生产水平和科技发展有着十分重要的现实意义。
矢量控制缺点在于此种调制方法随着对输出波形要求的提高,电平数也随之
增多,这对控制算法提出了更高的要求,控制困难程度不断上升,因此 SVPWM
多用于五电平以下的逆变器控制
[7-9]
。本文即研究 SVPWM 调制方法下的二极管
钳位型三电平逆变器控制。
1 永磁同步电机控制系统模型
1.1 PMSM 数学模型
为了得到更好的永磁同步电机控制性能,需要利用坐标变换得到精准且便于
实际运用的 PMSM 数学模型,包括:电压方程、磁链方程、运动和转矩方程。
建立合理的 PMSM 数学模型,准确表示出各参数之间的关系是永磁同步电机控
制系统中至关重要的一个环节
[10]
。永磁同步电机是非线性控制系统。其数学模
型方程式是一个高阶微分函数,因此我们需要对其进行如下理想假设以获得更加
优越的控制性能
[11-14]
,如图 1 所示。
(1)定子绕组采用“Y”型方式连接,忽略空间谐波;
(2)不计磁滞损耗和涡流损耗;
(3)忽略铁心损耗,忽略转子阻尼绕组;
(4)电机长时间工作绕组的电阻受到温度和频率影响不计;
(5)忽略磁路饱和,把它看作线性化,PMSM 的建模过程中通常假设电机的
绕组自感与互感是保持恒定的。
图 1 带阻尼绕组的同步电机物理模型
考虑同步电机的凸极效应和阻尼绕组,PMSM 在三相静止坐标系下的定子
电压方程为:
O
d
a
q
b
c
3
a
a s a
t
b
b s b
t
c
c s c
t
d
u R i
d
d
u R i
d
d
u R i
d
y
y
y
ì
= +
ï
ï
ï
= +
í
ï
ï
= +
ï
î
(1-1)
上式中
a b c
i i i、 、
为三相定子电流,
a b c
u u u、 、
为三相定子电压,
s
R
为定子电
阻,
a b c
y y y
、 、
为三相定子磁链。按照坐标变换原理,
abc
三相静止坐标系变
换到
dq
两相旋转坐标系后得到两个电压方程:
d
d s d d
t
q
q s q q
t
d
u R i
d
d
u R i
d
j
wy
j
wy
ì
= + -
ï
ï
í
ï
= + -
ï
î
(1-2)
上式中
d q
u u、
分别为
d q、
轴上的电压矢量;
d q
i i、
分别为
d q、
轴上的电流矢
量;
d q
y y
、
分别为
d q、
轴上的磁链;
w
为转子角速度。从式(1-2)可以看出,
abc
三相静止坐标系变换到
dq
两相旋转坐标系后,
dq
轴的电压方程等号右侧由
电阻上的电压降、电流变化产生脉变电动势和旋转电动势构成,其物理意义与异
步交流电机相同。
PMSM 的磁链方程:
d d d r
q q q
L i
L i
y y
y
= +
ì
ï
í
=
ï
î
(1-3)
上式中
d q
L L、
分别为
d q、
轴上的电枢电感;
r
y
表示转子磁链。
PMSM 的电磁转矩方程:
( )
e p d q q q
T n i i
y y
= -
(1-4)
上式中
p
n
为 PMSM 极对数,将式(1-3)代入式(1-4)可得到如下所示公
式:
[ ( ) ]
e p r q d q d q
T n i L L i i
y
= + -
(1-5)
从式(1-5)可以分析,PMSM 的
r
y
不会发生变化,
( )
p d q d q
n L L i i-
是磁阻转
矩,是由于凸极效应造成的磁阻变化,同时在电枢反应磁动势的作用下产生的转
矩,这个磁阻转矩是凸极同步电机所特有的,由于在隐极同步电机中
d q、
轴上
的电枢电感分量相等,即
- =0
d q
L L
,没有磁阻变化,也就没有磁阻转矩的影响。
因此,本课题所采用的表面式永磁同步电机的电磁转矩数学方程式又可表示为:
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空一的电机
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