直接轉(zhuǎn)矩控制在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中的應(yīng)用與研究

1、2008, 35(2控制與應(yīng)用技術(shù)EM CA 直接轉(zhuǎn)矩控制在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中的應(yīng)用與研究王勉華, 梁媛媛, 宋景哲, 李利(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院, 陜西西安710054摘要:闡述了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SR M 直接轉(zhuǎn)矩控制(DT C 策略的原理, 指出直接轉(zhuǎn)矩控制的核心在于電壓矢量的選擇及開(kāi)關(guān)表的建立, 給出了DTC 在SR M 中應(yīng)用的具體實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)基于直接轉(zhuǎn)矩控制策略的SR M 電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了仿真及試驗(yàn)研究。仿真結(jié)果表明, 這種策略能夠較好的抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng), 系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性良好, 實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單。關(guān)鍵詞:開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī); 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng); 直接轉(zhuǎn)矩控制中圖分類號(hào):T M301. 2T M352

2、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):167326540(2008 0220025204Research of D i rect Torque trol to Sw itched WAN G I AN G J ing 2zhe, L I L iof Xi an University of Science andTechnol ogy, Xi an 710054, China Abstract:It is p resented a strategy of direct t orque contr ol which is app lied t o s witched reluctance mot ors .

3、Thecore of this strategy is the op ti on of voltage vect or and how t o establish the s witch list . The s pecific sche me of this strategy is p r oposed and then si m ulati on experi m ent is carried out . The si m ulati on results verify that this strategy can restrain t orque ri pp le well and th

4、e syste m has all right dyna m ic state and static state .Key words:sw itched reluct ance m otor; torque r i pple; d i rect torque con trol0引言開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固, 制造成本低, 調(diào)速范圍寬, 有較高的系統(tǒng)效率, 是可變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中極具潛力的新成員1。但是SR M 的雙凸極結(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)形式的供電電源, 導(dǎo)致了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲有著很大的影響, 對(duì)SR M 應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)生了阻礙作用。因此, SRM

5、 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的研究一直受到人們的重視。本文提出了一種控制策略, 把交流電機(jī)中成熟的直接轉(zhuǎn)矩控制策略用于SRM 中, 對(duì)SR M 的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制, 把轉(zhuǎn)矩控制在一個(gè)滯環(huán)帶內(nèi)。1直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制(DT C 的基本思想就是要保持定子磁鏈幅值基本恒定, 通過(guò)調(diào)整定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的相角來(lái)控制轉(zhuǎn)矩的增加與減少, 從而把轉(zhuǎn)矩控制在一個(gè)給定大小的滯環(huán)寬度內(nèi)5。用此方法來(lái)對(duì)SRM 的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制, 可以有效減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)6。1. 1控制定子磁鏈的幅值SR M 每相的電壓方程式:U =R i +d t(1式中:U, R, i 依次是電機(jī)定子相電壓、相電阻和相電流;電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度; (,

6、i 電機(jī)定子的相磁鏈。整理式(1 可得(d t=U -R i(2SR M 同普通交流電機(jī)一樣, 定子電阻很小,可忽略不計(jì)。由=u t , 可以看出, 定子磁鏈變化幅值與定子電壓和定子所加電壓的時(shí)間有52 控制與應(yīng)用技術(shù)EMCA2008, 35(2 關(guān), 定子磁鏈增加的方向與所加電壓方向一致。所以, 如果能對(duì)這個(gè)電壓進(jìn)行合理控制, 定子磁鏈就可以控制在一個(gè)給定的滯環(huán)帶寬度內(nèi), 保證定子磁鏈幅值的基本恒定。 SRM 運(yùn)行遵循磁阻最小原理(磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合 。當(dāng)定子某相通電時(shí), 轉(zhuǎn)子就要向磁阻最小位置移動(dòng)。即:讓轉(zhuǎn)子的主軸線與定子磁場(chǎng)的軸線重合, 當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極與定子激磁相重合時(shí), 電磁轉(zhuǎn)

7、矩便會(huì)消失。SR M 是通過(guò)功率變換器按照一定的規(guī)律依次給定子繞組各相通電, 來(lái)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的, 所以加在定子每相上的電壓, 是通過(guò)功率變換器開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)控制的。而控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷是很方便的。以三相6/4SRM為例, 其功變換器結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1SR M 的變換器結(jié)構(gòu)圖1中, 每相由兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管和兩個(gè)續(xù)流二極管組成。以A 相為例:T1、T2兩管均導(dǎo)通時(shí), A 相通電, 通電電壓為正, 定義為開(kāi)關(guān)狀態(tài)“1”; T1管關(guān)斷, T2管導(dǎo)通時(shí), A 相通過(guò)T2、D2構(gòu)成閉合回路短路, 電壓為零, 定義為開(kāi)關(guān)狀態(tài)“0”; T1、T2兩管均截止時(shí), A 相通過(guò)通過(guò)二極管D1、D2構(gòu)成閉合回

8、路續(xù)流, 電壓為負(fù), 定義為開(kāi)關(guān)狀態(tài)“-1”。在每一個(gè)確定的時(shí)刻, 每相繞組都因開(kāi)關(guān)狀態(tài)的確定而有一個(gè)確定的電壓狀態(tài), 三相繞組公共作用就形成了一個(gè)空間電壓矢量。在不同的時(shí)刻, 每相選擇不同的開(kāi)關(guān)組合, 就會(huì)確定出不同的空間電壓矢量。所以通過(guò)對(duì)每相開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制, 就可以控制加在定子相繞組上的空間電壓。由前所述, 通過(guò)控制這個(gè)電壓, 就可以控制磁鏈。選用6個(gè)有效的開(kāi)關(guān)狀態(tài), 每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的空間電壓矢量如圖2所示。根據(jù)DTC 的原理磁鏈增加的方向跟所加電壓矢量的方向相同(即定子空間磁鏈?zhǔn)噶康氖割^沿著所加空間電壓矢量的方向運(yùn)動(dòng) , 如果定子空間磁鏈?zhǔn)噶刻幵趨^(qū)間N =1內(nèi)(如圖2所示 , 那么選

9、擇開(kāi)關(guān)S 2、S 6均可使磁鏈增加; 當(dāng)磁鏈幅值增加到滯環(huán)上限值時(shí), 選擇開(kāi)關(guān)S 3、S 5均可使磁鏈減少(圖中虛線所示為定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡 。依此方法類推, 在區(qū)間N =k 內(nèi)(k =1, 2, , 6 , 選擇開(kāi)關(guān)S (k +1 、S (k -1 , 可以使磁鏈增加; 選擇開(kāi)關(guān)S (k +2 、S (k -2 , 可以使磁鏈減少。圖2開(kāi)關(guān)矢量及磁鏈滯環(huán)控制1. 2調(diào)整定子磁鏈相位SR M 的轉(zhuǎn)矩方程與交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程有所不同, 推導(dǎo)過(guò)程如下:從電源傳到磁場(chǎng)的有功功率為P eff =U e i =(U -R i i 。把式(1 代入, 可得P eff =d t =i d t +id

10、 t (3 這些有功功率的一部分要輸出到負(fù)載轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)成機(jī)械能W m 做功; 還有一部分做為磁場(chǎng)儲(chǔ)能W f 。在某一微分時(shí)間d t 內(nèi),W e =P eff d f =i d i +d =W m +Wf(4在某一個(gè)時(shí)刻, 電流視為定值, 則電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩T 為:T =d W m d =d (W e -W f d =d W e d -d W fd =-d W f d(5 由于SR M 的高度磁飽和性, 轉(zhuǎn)矩公式中的第二項(xiàng)一般非常小, 即62 2008, 35(2控制與應(yīng)用技術(shù)EM CA T (6SRM 每相繞組都是單極性驅(qū)動(dòng), 所以SR M的每相電流都是正的6。從式(6 可以看出, 轉(zhuǎn)矩符號(hào)完全由

11、磁鏈的偏微項(xiàng)的符號(hào)決定。如果定子磁鏈對(duì)轉(zhuǎn)子角度的變化率為正, 則轉(zhuǎn)矩符號(hào)為正, 轉(zhuǎn)矩增加; 反之, 如果定子磁鏈對(duì)轉(zhuǎn)子角度的變化率為負(fù), 則轉(zhuǎn)矩符號(hào)為負(fù), 轉(zhuǎn)矩減少。由于SR M 是同步電機(jī), 所以定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)峭降? 當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶肯鄬?duì)于轉(zhuǎn)子角度變化率為正時(shí), 表明定子磁鏈有超前于轉(zhuǎn)子磁鏈的趨勢(shì); 當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶肯鄬?duì)于轉(zhuǎn)子角度變化率為負(fù)時(shí), 表明定子磁鏈有滯后于轉(zhuǎn)子磁鏈的趨勢(shì)。即:定子磁鏈?zhǔn)噶坑谐坝谵D(zhuǎn)子磁鏈趨勢(shì)時(shí), 轉(zhuǎn)矩增加; 定子磁鏈?zhǔn)噶坑袦笥谵D(zhuǎn)子磁鏈趨勢(shì)時(shí), 轉(zhuǎn)矩減少。所以, 可以通過(guò)控制定子磁鏈來(lái)有效的控制轉(zhuǎn)矩根據(jù)上節(jié)所述, 由, 如果定子磁鏈在區(qū)間N =, 選擇開(kāi)關(guān)S 2

12、、S 3(如圖2中虛線所示 , 定子磁鏈都將會(huì)有超前于轉(zhuǎn)子磁鏈的趨勢(shì), 使轉(zhuǎn)矩增加; 而選擇開(kāi)關(guān)S 6、S 5, 定子磁鏈將會(huì)有滯后于轉(zhuǎn)子磁鏈的趨勢(shì), 使轉(zhuǎn)矩減少。依此方法類推, 在區(qū)間N =k 內(nèi)(k =1, 2, , 6 , 選擇開(kāi)關(guān)S (k +1 、S (k +2 , 可以使轉(zhuǎn)矩增加; 選擇開(kāi)關(guān)S (k -1 、S (k -2 , 可以使轉(zhuǎn)矩減少。綜上所述, 本系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)表如表1所示。用“0”表示轉(zhuǎn)矩或磁鏈的減少, “1”表示其增加。表1開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制開(kāi)關(guān)表狀態(tài)N 1N 2N 3N 4N 5N 600S 5S 6S 1S 2S 3S 401S 6S 1S 2S 3S 4S 51

13、0S 3S 4S 5S 6S 1S 211S 2S 3S 4S 5S 6S 12直接轉(zhuǎn)矩控制的MAT LAB 仿真使用MAT LAB 軟件對(duì)60k W 三相6/4結(jié)構(gòu)SRM 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真(如圖3所示 。12N m 、0. 36, 與給定值進(jìn), , 得到轉(zhuǎn)矩和磁鏈值; 根據(jù)開(kāi)關(guān)表選擇相應(yīng)的開(kāi)關(guān)矢量去驅(qū)動(dòng)變換器的主開(kāi)關(guān)管, 導(dǎo)通電機(jī)相應(yīng)的相, 使得電機(jī)旋轉(zhuǎn)。3仿真結(jié)果及分析通過(guò)對(duì)DTC 和電流斬波控制方法的仿真結(jié)果進(jìn)行比較, 可以看出, DT C 達(dá)到了“保持定子磁鏈幅值基本恒定”的目標(biāo), 磁鏈軌跡是一個(gè)圓形, 圖3開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真圖72 控制與應(yīng)用技術(shù)EMCA2008,

14、35(2 并且磁鏈的幅值變化被限定在滯環(huán)寬度內(nèi)(如圖4(a 所示 。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于電流斬波控制方法得到的磁鏈軌跡(見(jiàn)圖4(b 。(a 直接轉(zhuǎn)矩控制 (b 常規(guī)控制圖4磁鏈軌跡圓形的磁鏈能降低電機(jī)損耗及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng), 所 以DTC 的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)小于電流斬波控制的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?上升到300r/min 時(shí), 兩種控制方法得到的轉(zhuǎn)矩波形分別如圖5所示。仿真結(jié)果 (a 直接轉(zhuǎn)矩控制 (b 電流斬波控制圖5轉(zhuǎn)矩波形表明, DTC 的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電流斬波控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。DTC 是對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制, 系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度也是一個(gè)重要的指標(biāo)。在0. 1s 時(shí)給定轉(zhuǎn)矩發(fā)生一個(gè)突變, 由12N m 突變到4N m

15、 , 并在0. 2s 時(shí)恢復(fù), 仿真結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明, 當(dāng)轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí), 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不受影響。把轉(zhuǎn)矩波形(見(jiàn)圖6(a 的時(shí)間軸拉開(kāi)來(lái)看, 轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時(shí)間很短, 不到0. 0001s (如圖6(b 與圖6(c , 滿足系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩的快速性要求。(b 0. 1s時(shí)的轉(zhuǎn)矩波形(c 0. 2s 時(shí)的轉(zhuǎn)矩波形圖6給定轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時(shí)的轉(zhuǎn)矩波形4結(jié)語(yǔ)DTC 的實(shí)質(zhì), 是通過(guò)對(duì)施加在電機(jī)定子上的空間電壓矢量的加入時(shí)刻和加入時(shí)間長(zhǎng)短的控制, 來(lái)保持定子磁鏈幅值基本恒定; 通過(guò)控制定子磁鏈相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鏈的變化來(lái)控制轉(zhuǎn)矩的增加與減少, 從而把轉(zhuǎn)矩控制在一個(gè)給定大小的滯環(huán)寬度內(nèi), 達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。仿真

16、結(jié)果表明, 將DTC 策略用在SR M 上, 有(下轉(zhuǎn)第36頁(yè)82 變頻與調(diào)速EMCA2008, 35(2 頻器對(duì)電機(jī)多變量的操作卻是由ALTERA 2EP M7128S LC84215芯片集成控制實(shí)現(xiàn)的。也就是說(shuō), 一、二號(hào)電機(jī)的變頻器控制是各自獨(dú)立的, 而他們的控制指令是由ALTERAEP M 27128S LC84215芯片統(tǒng)一發(fā)布的。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。 圖6硬件結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)多電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成圖及狀態(tài)轉(zhuǎn)移和控制指令圖可知, 當(dāng)顧客的需求有所改變時(shí), 企控制程序, , 化方向發(fā)展邁出了一大步。4結(jié)語(yǔ)系統(tǒng)的軟、硬件調(diào)試完成后, 連接了兩套交流異步電機(jī), 在空載條件下進(jìn)行了不同

17、轉(zhuǎn)速的調(diào)速、換向和自動(dòng)停機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明, 該系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求, 運(yùn)行狀態(tài)良好。由理論分析和試驗(yàn)分析可得出以下結(jié)論:(1 選用CP LD 作為系統(tǒng)的主要控制部分可以為企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)、性能改進(jìn)和提高設(shè)備智能化程度方面大大節(jié)約成本, 縮短研發(fā)及改進(jìn)周期。(2 電機(jī)系統(tǒng)中采用變頻器方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速、換向和自動(dòng)停機(jī), 是提高設(shè)備生產(chǎn)效率、降低能耗的一種非常有效的途徑。(3 系統(tǒng)在對(duì)多交流電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí), 可以根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)工況的變化修改控制程序, 可實(shí)現(xiàn)多交流電機(jī)的同步控制、異步控制和協(xié)同控制等控制策略?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1彭天好, 徐兵, . J ., (2 :2152221.2, , , .

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