雙凸極永磁電機矢量控制的建模與仿真

1、第9卷第6期濰坊學(xué)院學(xué)報Vol.9No.62009年11月JournalofWeifangUniversityNov.2009雙凸極永磁電機矢量控制的建模與仿真韓星海(濰坊學(xué)院,山東濰坊261061)3摘要:對8/6極轉(zhuǎn)子斜槽DSPM,提出了,和方波電流控制相比,電機運行更平穩(wěn),調(diào)速范圍更寬,;DSPM電機矢量控制的有效性和正確性。關(guān)鍵詞:雙凸極永磁電機;中圖分類號:TM351:1671-4288(2009)06-0018-041引言(DSPM)是由美國電機專家LipoTA教授于1990年代初提出的一種新型高效節(jié)能電機,基本結(jié)構(gòu)與開關(guān)磁阻電機相同,為雙凸極結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子上無繞組、永磁體,定子齒上裝

2、有集中式繞組,但在雙凸極永磁電機的定子軛部放了兩塊永磁體。雙凸極永磁電機彌補了開關(guān)磁阻電機的不足,具有功率密度高、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活等一系列優(yōu)點1。與SR一樣,DSPM電機也存在轉(zhuǎn)矩脈動問題和弱磁困難。轉(zhuǎn)矩脈動是電動機振動、噪聲、速度波動的根源,限制了DSPM電機的應(yīng)用范圍。在文獻(xiàn)2中提到通過改變電動機極對數(shù)比可以降低轉(zhuǎn)矩圖18/6極DSPM電機剖面圖均為凸極,轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體,定子齒上安放集中式繞組,定子軛部放置了永磁體。圖2表明A相繞組中的永磁磁鏈與位置角的關(guān)系。A,B,C,(機械D相的磁鏈依次相差90°電角度,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°角)磁鏈變化一個周期。由圖2

3、知A相的永磁磁鏈為:A=c-mcos(6)式中:A為A相交鏈的永磁磁鏈;c為永磁磁鏈的直流分量;m為磁鏈的交流分量的幅值。C相的永磁磁鏈與A相差180°,表達(dá)式為:(1)脈動率,文獻(xiàn)3通過改變電動機的開關(guān)角來降低DSPM電動機轉(zhuǎn)矩脈動率等。這些方法雖然可以降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動,但同時會使電機的有效力矩受到不同程度的影響。根據(jù)DSPM電機的靜態(tài)特性和結(jié)構(gòu),與永磁同步電機相比較,把永磁體假想到轉(zhuǎn)子,得到與永磁同步電機相似的靜態(tài)特性,建立DSPM電機矢量控制模型,在電機高速運行時,針對反電勢升高的特點,提出了弱磁控制的方法,拓寬了電機的調(diào)速范圍,建立Matlab模型,進(jìn)行DSPM電機矢量控制

4、系統(tǒng)的仿真和分析,論證了方法的可行性。28/6極斜槽DSPM電機兩相運行原理C=c+mcos(6)A相反電勢為:eA=dtd(2)磁鏈的變化率為正弦,即反電勢波形也為正弦,(3)其中為機械角速度,把公式(1)代入(3)得:)eA=6msin(6同理可得C相反電勢:(4)圖1為8/6極DSPM電機的剖面圖,定、轉(zhuǎn)子3收稿日期:2009-09-28作者簡介:韓星海(1972-),男,山東安丘人,濰坊學(xué)院信息與控制工程學(xué)院講師。18第6期韓星海:雙凸極永磁電機矢量控制的建模與仿真)eC=-6msin(6(5)則兩相反電勢分別為:eV=eW=()=12msin6dtd)=-12mcos(6dt轉(zhuǎn)子斜槽

5、后的電感隨位置角的變化關(guān)系也接近正弦規(guī)律,四相的電感波形相同,相位角依次相差90°。假定A相電感為:(10)(11)LA=Lc-Lmcos(6同理可得:)LC=Lc+Lmcos(6程,B、D相分別落后A、C相90°。(6)(7),由式(7)和式(8)得V:=LA+LCc(12)(13)以上只列出了A、C相磁鏈、反電勢和電感的方Lc電機轉(zhuǎn)子永磁體的假想根據(jù)DSPM電機兩相運行的數(shù)學(xué)模型,電機的各物理量以空間60°為一個變化周期。為了和永磁同步(PMSM)電機相比較,現(xiàn)把定子上的永磁體假想到轉(zhuǎn)子的齒和槽上,假想后滿足電機靜態(tài)特性、繞組空載反電勢與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系保持不變。

6、由公式(9)知當(dāng)位置角為零,即轉(zhuǎn)子槽中心與V相定子齒中心重合時,與定子繞組交鏈的永磁磁鏈為負(fù)的最圖28/6極DSPM電機磁鏈大值,磁鏈的方向為從定子到轉(zhuǎn)子,如果與永磁同步電機一樣定義磁場正方向為從轉(zhuǎn)子到定子,則當(dāng)為零時,定子繞組交鏈的永磁磁鏈為正的最大,則轉(zhuǎn)子槽中心位置相當(dāng)于PMSM的N極中心位置;根據(jù)磁鏈正方向的定義,當(dāng)為30°,即轉(zhuǎn)子齒中心與V相定子齒中心重合時,定子繞組交鏈的永磁磁鏈為負(fù)的最大值,轉(zhuǎn)子齒中心位置相當(dāng)于PMSM的S極中心位置;其它位置定子繞組交鏈的磁鏈隨按正弦規(guī)律變化。由于電感恒定,可認(rèn)為空氣隙均勻,圖3DSPM電機四相變兩相這樣可等效為表面貼裝式PMSM。永磁體

7、假想到轉(zhuǎn)子上所得的DSPM電機的結(jié)構(gòu)與永磁體表面貼裝式、兩相定子繞組、轉(zhuǎn)子極對數(shù)為6的PMSM結(jié)構(gòu)相似,圖4為假想為永磁同步電機的結(jié)構(gòu)圖,與圖1相對應(yīng),圖中V相、W相就是圖相超前V相45°機械角(270°電角度),等同于V相超前W相90°電角度,定義N極中心為d軸,q軸超前d軸,V相定子齒中心定義為V相軸線,逆時針(8)電機工作時,A相和C相通的電流方向始終相反,B相和D相的電流也始終反相3。因此,可以把A相和C相反向連接,B相和D相反向連接,從而實現(xiàn)了兩相運行。如圖3把A相和C相反向串接相。兩相運行時V相磁鏈等于A相磁鏈減去C相磁鏈,由式(1)和式(2)得:V=

8、A-C=-2mcos(6)為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,直流分量不再存在。W相磁鏈落后V相90°電角度,同理得W相磁后定義為V相,B相和D相反向串接后定義為W1中A相和B相。圖4中,若轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn),W為旋轉(zhuǎn)90°為W相軸線,V軸與d軸的夾角為。電機定子兩相電流合成的空間矢量和永磁勵磁磁場軸線(直軸)之間的夾角,又稱轉(zhuǎn)矩角。,都為機械角度的六倍,因此得到圖5所示的DSPM電機兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動勢空間矢量圖由式(8)知,A相和C相反向串接后,V相磁鏈鏈:W=-2msin(6)(9)19濰坊學(xué)院學(xué)報2009年11月式中:p=,R為一相定子繞組電阻。dt(19)在d、q坐標(biāo)系內(nèi),兩相總

9、功率表達(dá)式為:P=udid+uqiq圖4DSPM電機假想轉(zhuǎn)子永磁體根據(jù)上面的功率方程,把相應(yīng)的參數(shù)帶入可得DSPM=fiq(20)Te=6fisin()Matlab中的SIMULINK工具箱和電力系統(tǒng)模塊4,根據(jù)8/6極DSPM電機兩相運行的數(shù)學(xué)模型,建立DSPM電機矢量控制仿真模型。模型主要包括DSPM電機本體模塊、電流控制模塊、功率逆變模塊、速度角度轉(zhuǎn)換模塊。5.1基速時仿真電機的額定轉(zhuǎn)速1500rpm,額定轉(zhuǎn)矩為4.775Nm,額定功率為750W,在額定正弦電流幅值為3.3A,電源電壓為300V的情況下,仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,在額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩的情況下,電流跟隨性好,輸出脈動

10、轉(zhuǎn)矩小,從而證實了矢量控制中id=0電流控制方式的可行性。圖5DSPM電機磁動勢空間矢量圖4DSPM電機的矢量控制數(shù)學(xué)模型d、q軸和矢量i(F)都以iqe轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),因此id、的長短不變,相當(dāng)于直流磁動勢。但V、W軸是靜止的,隨著時間而變化,i在V、W軸上的分量iV、iW長短也隨時間而變化,相當(dāng)于V、W繞組交流磁動勢的瞬時值。由圖5可知,iV、iW和id、iq之間存在著以下關(guān)系:idi=cos -sin-1iVsin coscos siniiV(14)(a)V相電流(b)W相電流-sin cosiW同理可得:d=Ldid+fq=Lqiq式中:d為d軸磁鏈;q為q軸磁鏈;f為一相定子繞組交鏈的最大

11、永磁磁鏈;Ld、Lq為d軸和q軸電感。(16)(c)V相轉(zhuǎn)矩(d)W相轉(zhuǎn)矩因為在V相和W相的電感為常數(shù)2Lc,在d、q坐標(biāo)內(nèi):Ld=Lq=2Lc(17)(e)合成轉(zhuǎn)矩式(16)為DSPM電機在同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系的磁鏈方程,同理可得d、q坐標(biāo)系的電壓方程為:ud=pd-qp +idR(18)uq=pq+dp +iqR20圖68/6極DSPM電機在轉(zhuǎn)速額定條件下的仿真波形5.2給定id=-1.65A,iq=0的電流全弱磁控制這種控制方式主要是在繞組中通的電流矢量全第6期韓星海:雙凸極永磁電機矢量控制的建模與仿真部用于弱磁,沒有電流交軸分量的情況下,電機的輸出轉(zhuǎn)矩的結(jié)果如圖7。從圖7中可以看出,兩

12、相的電流接近正弦波形,由于iq=0,按轉(zhuǎn)矩公式Te=6fiq,輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)為0,合成轉(zhuǎn)矩如圖7(e)所示,轉(zhuǎn)矩的平均值為0,而且轉(zhuǎn)矩脈動比較小,驗證了弱磁控制理論的正確性。(c)V相轉(zhuǎn)矩)相轉(zhuǎn)矩(a)V相電流(b(e)合成轉(zhuǎn)矩圖8電機轉(zhuǎn)速1500rpm,電壓300V,繞組通方波電流幅值2.33A時的仿真結(jié)果為了比較,把工作方式定在額定工作點,即轉(zhuǎn)速為1500rpm、,電壓300V,采用矢量控制時的正弦電流幅值為3.3A,有效值為2.33A,也就是方波電流的幅值。圖8為繞組通入方波參考電流時的仿真結(jié)果,和圖6相比,方波控制時合成轉(zhuǎn)矩的脈動相對較大。繞組中通入方波電流,把兩相電流變換到d、q同步旋轉(zhuǎn)

13、坐標(biāo)系中,既有電流直軸分量id,又有電流交軸分量iq,且兩分量時刻在變,這樣輸出轉(zhuǎn)矩也時刻在變,且電流直軸分量id使電機的永磁體增磁或去磁。6結(jié)論(c)V相轉(zhuǎn)矩(d)W相轉(zhuǎn)矩(e)合成轉(zhuǎn)矩圖7電機轉(zhuǎn)速3000rpm,電壓400V,id=-1.65A,iq=0的仿真結(jié)果5.3電流方波控制和矢量控制轉(zhuǎn)矩脈動的比較根據(jù)8/6極斜槽轉(zhuǎn)子DSPM電機的靜態(tài)特性和結(jié)構(gòu),與永磁同步電機相比較,作了把永磁體假想到轉(zhuǎn)子上的假設(shè),得到與永磁同步電機一樣的結(jié)構(gòu)和靜態(tài)特性,建立DSPM電機矢量控制模型;在電機高速運行時,針對反電勢升高的特點,提出了弱磁控制的方法,增大輸出轉(zhuǎn)矩,拓寬了電機的調(diào)速范圍;建立了矢量控制仿真模型并通過仿真驗證了理論分析的正確性。(a)V相電流(b)W相電流參考文獻(xiàn):1程明.雙