永磁同步電動機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場正交控制研究

1、永磁同步電動機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場正交控制研究康爾良1，霍 亮2，呂德剛3 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51107023）黑龍江省攻關(guān)項(xiàng)目(GC04A17)作者簡介：康爾良（1967），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)測試與控制； 霍 亮（1988），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛来磐诫妱訖C(jī)及其控制； 呂德剛（1976），男，碩導(dǎo)，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。（1、2、3、哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）摘要：本文提出了一種H橋結(jié)構(gòu)的三相電流合成磁場定向控制的電機(jī)控制策略，以避免矢量控制的復(fù)雜算法和降低電機(jī)參數(shù)變化對電機(jī)控制性能的影響。依據(jù)轉(zhuǎn)子磁場位置確定三相電流的

2、大小和相位以實(shí)現(xiàn)三相合成磁場的方向與轉(zhuǎn)子磁場正交；各電流相位決定合成磁場方向；電流的幅值決定轉(zhuǎn)矩的大小。根據(jù)H橋結(jié)構(gòu)和永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立了包括電流環(huán)和速度環(huán)的控制系統(tǒng)仿真模型研究定轉(zhuǎn)子磁場正交控制原理，分析負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動時和轉(zhuǎn)速給定變化時定轉(zhuǎn)子磁場的正交和速度響應(yīng)的控制算法。通過仿真分析了定子電流合成磁場定位的準(zhǔn)確性和控制過程的實(shí)時性，從而為進(jìn)一步的工程應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：永磁同步電動機(jī)；H橋變換器；磁場正交；SIMULINK仿真中圖分類號：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Study on the Orthogonal Control of Magnetic Field for Pe

3、rmanent Magnet Synchronous MotorKANG Erliang，HUO Liang，LV Degang(1Electrical & Electronic Engineering College，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China 2Electrical & Electronic Engineering College，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)ABSTRACT:

4、 This paper presents a kind of motor control strategy which is based on three-phase current synthetic field oriented control of H-bridge, in order to avoid the impact on motor control performance which has been taken by complex algorithms of vector control and reducing the variation of motor paramet

5、ers. Defining the magnitude and phase of the three phase currents based on the position of the rotor field, in order to achieve a three-phase synthesis of the magnetic field direction orthogonal to the rotor field; each phase of current determines the direction of the resultant magnetic field; the m

6、agnitude of the current determines the magnitude of the torque. Establishing the control system simulation model which includes current loop and speed loop is based on the decoupled mathematical models of permanent magnet synchronous motor( PMSM) and H-bridge topology, and researches orthogonal roto

7、r magnetic control principle, then analysis orthogonal of rotor magnetic and control algorithm of speed response when the load torque is fluxing and the given speed is changing. This paper analysis the accuracy of stator current synthetic magnetic field orientation and real-time quality of control p

8、rocess by simulation, thereby laying the foundation for further applied research of projects.KEY WORDS: PMSM; converter based on H-bridge; orthogonal magnetic field; SIMULINK中圖分類號：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 0 引 言矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制仍是現(xiàn)有控制策略廣泛應(yīng)用的兩種，同時也存在各自的不足1。失量控制采用的解耦的思想，該方法采用復(fù)雜的坐標(biāo)變換，對控制器處理能力要求很高 2。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要對電機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的變換與計(jì)

9、算，它把電機(jī)和逆變器看成一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算定子磁通和轉(zhuǎn)矩，通過PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩3，但由于功率開關(guān)有一定的延時，它需要考慮死區(qū)設(shè)置，死區(qū)會使電壓在各調(diào)制周期內(nèi)引起微小畸變4，這樣便引起轉(zhuǎn)矩脈動，低速時死區(qū)效應(yīng)更明顯5。為了改善電機(jī)的控制精度問題，本文提出了一種新型的控制策略，即基于H橋的永磁同步電動機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場正交控制策略。應(yīng)用H橋結(jié)構(gòu)直接控制三相電流的大小和方向使得永磁同步電動機(jī)三相電流的合成磁場方向與轉(zhuǎn)子磁場正交；運(yùn)用MATLAB /SIMULINK對永磁同步電動機(jī)以及基于H橋的控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模，研究該控制策略的實(shí)

10、現(xiàn)方法以及系統(tǒng)的動態(tài)控制特性。1 基于H橋的永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理1.1 H橋控制器搭建的基本思想本文所設(shè)計(jì)的H橋控制器分別以永磁電機(jī)三相繞組的三相電流作為控制目標(biāo)，在轉(zhuǎn)子磁場位置精確可測的前提下，通過氣隙圓形磁場形成理論，確定三相電流大小和相位以實(shí)現(xiàn)對三相合成氣隙磁場的方向和大小進(jìn)行控制，來達(dá)到氣隙磁場與轉(zhuǎn)子磁場正交的目的；同時可以通過調(diào)節(jié)合成磁場的幅值來決定轉(zhuǎn)矩的大小。該控制策略以電流為控制目標(biāo)可以減少控制算法對電機(jī)參數(shù)的依賴度。1.2 H橋控制器的結(jié)構(gòu)與工作原理圖1 基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場控制器Fig.1 Achieving motor gap circular magn

11、etic controller based on the H-bridge H橋控制器的結(jié)構(gòu)（見圖1），包括啟動模塊、整流模塊、開關(guān)控制電路、濾波電容、三個電流檢測傳感器，十二個功率轉(zhuǎn)換器件。由于H橋控制器對每相的控制方法基本相同，所以本文以U相的控制為例介紹H橋的工作原理。假設(shè)V1和V2功率轉(zhuǎn)換器件導(dǎo)通為U相繞組正向通電，V7和V8功率轉(zhuǎn)換器件導(dǎo)通為U相繞組反向通電，正向通電時，由開關(guān)控制電路控制V1和V2功率轉(zhuǎn)換器件導(dǎo)通（見圖2（a），同時通過電流檢測傳感器hl1檢測U相電流，當(dāng)檢測獲得的電流大于給定值與電流滯環(huán)誤差量之和時，V2功率轉(zhuǎn)換器件截止，此時電流流向（見圖2（b），此時電流開始下

12、降，當(dāng)檢測的電流降至給定值與電流滯環(huán)誤差量之差時，V2功率器件恢復(fù)導(dǎo)通，此時一個正向控制周期完成 6。（a）V1和V2導(dǎo)通時電流走向圖（b）V2截止時電流走向圖圖2 電流走向圖Fig. 2 the chart of current trend 1.3由轉(zhuǎn)子位置確定三相電流在交流電機(jī)的三相空間對稱分布繞組上通以時間上對稱的電流，三相U、V、W電流在各自繞組內(nèi)生成的脈振磁場分解得到的基波磁勢為式（1）： （1）其合成磁勢為式（2）： （2）轉(zhuǎn)子位置精確可測時，便可控制基波合成磁場與轉(zhuǎn)子磁場正交。轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)時，則合成磁場幅值最大處與轉(zhuǎn)子磁場正交的條件是合成磁場超前于轉(zhuǎn)子磁場角度。即合成磁場所轉(zhuǎn)過

13、的角度等于轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)過的角度加上，為式（3）： （3）此時三相電流的給定值，即為式（4）： （4）轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時同理。2基于H橋永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型2.1永磁同步電動機(jī)仿真模型的建立在流經(jīng)永磁同步電動機(jī)三相繞組的三相電流、已知時，可由Clarke變換和Park變換得到、，如式（5）、式（6）所示： （5） （6） 將所得的、代入到電磁轉(zhuǎn)矩方程可得式（7）： （7） 最終可得系統(tǒng)的運(yùn)動方程： （8） （9） 根據(jù)以上各個參數(shù)的表達(dá)式可以建立永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。在MATLAB/SIMULINK中，由于現(xiàn)有的電動機(jī)模型輸入端為三線輸入，而基于H橋的控制系統(tǒng)需要對電機(jī)的輸入端改造成為六線

14、輸入，所以需要對永磁同步電動機(jī)模型進(jìn)行搭建。通過對三相電流與、關(guān)系的模型搭建（見圖3），以及電流、與轉(zhuǎn)矩、角速度的關(guān)系的模型搭建（見圖4），便搭建出一個滿足要求的永磁同步電動機(jī)模型7。圖3三相電流與、關(guān)系的模型圖Fig. 3 Model of the relationship between three-phase the current and 圖4 電流、與轉(zhuǎn)矩、角速度的關(guān)系的模型圖Fig. 4 Model of the relationship between and torque2.2控制系統(tǒng)仿真模型的建立在所搭建的永磁同步電動機(jī)模型基礎(chǔ)上，根據(jù)H橋控制系統(tǒng)的原理建立系統(tǒng)的控制仿真模型

15、如圖5所示，由直流電壓源經(jīng)IGBT組成的逆變電路向同步電動機(jī)提供三相正弦交流電，控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，其中轉(zhuǎn)速環(huán)作為系統(tǒng)的外環(huán),它所采用的是經(jīng)典的PI控制，這樣便能消除系統(tǒng)的誤差，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠跟隨給定變化；電流環(huán)作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán),它所采用的是滯環(huán)控制，滯環(huán)控制可以有效提高系統(tǒng)的動態(tài)特性8。圖5 基于H橋控制系統(tǒng)仿真模型圖Fig. 5 the model of control system simulation based on H-bridge3基于H橋永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的仿真根據(jù)建立的仿真模型，對該系統(tǒng)的PMSM參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，電機(jī)定子電阻，勵磁磁通，轉(zhuǎn)動慣量，電機(jī)定子交直軸電感，極

16、對數(shù)。為了觀察基于H橋PMSM系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速改變和負(fù)載轉(zhuǎn)矩改變的響應(yīng)特性，在本設(shè)計(jì)中電機(jī)以空載啟動，轉(zhuǎn)速為1000r/min。在0.05s時負(fù)載轉(zhuǎn)矩從0變到5N·m，0.1s時給定轉(zhuǎn)速從1000r/min變到750r/min，三相電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、濾波后的A相電壓和電流波形以及氣隙磁場軌跡如下圖所示，（a） 定子電流隨時間變化的曲線圖（b） 轉(zhuǎn)速隨時間變化的曲線圖（c） 轉(zhuǎn)矩隨時間變化的曲線圖（d） 濾波后A相電壓電流隨時間變化的曲線圖（e） 氣隙磁場變化軌跡圖6 系統(tǒng)仿真曲線Fig. 6 The system simulation curve從圖6（a）可以看出，三相繞組電流波形趨近正

17、弦并且時序?qū)ΨQ，由圖6（b）轉(zhuǎn)速響應(yīng)和圖6（c）得出在給定變化時系統(tǒng)的動態(tài)性能較好，能夠良好地跟隨給定轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由0升至1000r/min用時5ms，此時電機(jī)為空載啟動，在此過程中，電流和轉(zhuǎn)矩都有所波動，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1000r/min 時，電流和轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定。0.05s時負(fù)載轉(zhuǎn)矩從0N·m給定為5N·m，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩瞬間加大并迅速達(dá)到平衡，用時0.2ms，三相繞組電流幅值加大到13.8A，頻率不變?nèi)詾?3.3Hz，轉(zhuǎn)速僅有微小波動，基本不受影響。0.1s時給定轉(zhuǎn)速由1000r/min減至750r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速較好的跟隨給定值，減速時間為2ms，電流的頻

18、率減小到25Hz，由于給定負(fù)載不變，所以電機(jī)的電流幅值和輸出轉(zhuǎn)矩幾乎不受影響。從圖6（d）中可以看出，A相電壓電流相位基本重合，說明通過對三相電流的控制，能夠達(dá)到氣隙合成磁場與轉(zhuǎn)子磁場正交的目的，永磁同步電動機(jī)的輸入功率近似為有功功率。通過圖6（e）可以看出，基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場控制器能夠形成精度較高的氣隙磁場。4結(jié) 論本文在分析現(xiàn)有電機(jī)控制原理的基礎(chǔ)上，提出了基于H橋的新型控制策略，它摒棄了復(fù)雜的計(jì)算，同時忽略了功率開關(guān)的死區(qū)問題。為了驗(yàn)證基于H橋?qū)崿F(xiàn)定轉(zhuǎn)子磁場正交控制方法的可行性，本文結(jié)合MATLAB/SIMULINK軟件，對基于H橋的永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真與分析。分

19、析結(jié)果表明:（1）基于H橋的控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r的對三相電流的幅值、相位和頻率進(jìn)行控制。（2）通過對三相電流的控制，能夠得到精度比較高的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，在轉(zhuǎn)子磁場位置確定條件下，可以實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子磁場正交控制。（3）以電流為控制對象實(shí)現(xiàn)氣隙磁場的方向和幅值控制時，可以大大降低電機(jī)參數(shù)變化對系統(tǒng)控制性能的影響。（4）基于H橋的永磁同步電動機(jī)控制策略能夠很好地對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行控制，使系統(tǒng)能夠很快且平穩(wěn)的達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)?；贖橋的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與算法都相對簡單，控制性能也相對較高，它為永磁同步電動機(jī)的控制提出了一種新的思路，同時為進(jìn)一步的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1陳容，嚴(yán)仰光交流永磁伺服系統(tǒng)控制策略的研究J電機(jī)與控制學(xué)報，2004，8(3)：205-2082黃立培，孫凱關(guān)于矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制比較的一些思考J電力電子，2001，2(2)：12-153CHRIC FPaul Acarnley，Dire