基于改進積分器SVPWM-DTC永磁同步電機系統仿真研究

張 正,郭興眾(安徽工程大學安徽省檢測技術與節能裝置重點實驗室,安徽蕪湖 241000)

基于改進積分器SVPWM-DTC永磁同步電機系統仿真研究

張 正,郭興眾?
(安徽工程大學安徽省檢測技術與節能裝置重點實驗室,安徽蕪湖 241000)

結合空間矢量脈寬調制技術和一種改進的幅值限定補償積分器,實現永磁同步電機直接轉矩控制,通過改進的幅值限定補償器調整幅值,保證磁鏈相位恒定,消除定子磁鏈穩態誤差.該方法實現了轉矩和磁鏈的無差控制,提高了磁鏈觀測器精確度和直流電壓利用率,使系統性能更加優越.仿真實驗證明了控制系統的響應速度更快、轉矩脈動更小,性能明顯得到改善,同時證明了該模型的有效性.

空間矢量脈寬調制;改進積分器;磁鏈觀測

直接轉矩控制(DTC)是近年來一種高性能電機調速方法,具有控制過程直接、計算簡單、轉矩響應迅速等優點,是交流電機在矢量控制之后的重大理論突破.為了解決在傳統的直接轉矩控制系統中磁鏈估算偏差大和轉矩脈動明顯的缺點,在基于改進積分器SVPWM-DTC方法中,采用空間矢量脈寬調制技術(SVPWM)[1]和改進的幅值限定積分器[2],提高了直接轉矩控制方法的控制性能,有效地限制磁鏈估算中幅頻和相頻產生的偏差,較好地消除轉矩脈動的影響[3].針對基于改進積分器的SVPWM-DTC永磁同步電機系統[4]進行仿真研究,與傳統的SVPWM直接轉矩控制仿真對比,從而實現仿真驗證.

1 空間矢量脈寬調制技術的基本原理

SVPWM以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機產生的理想圓形磁鏈軌跡為基準,用逆變器不同的開關模式產生的實際磁通去逼近基準磁鏈圓,從而達到較高的控制性能[5].SVPWM控制技術是將逆變器與交流電機作為一個統一整體,控制逆變器的工作需要通過跟隨圓形基準旋轉磁場.

根據三相逆變器的不同開關狀態得出8種電壓空間矢量,6個非零電壓矢量U1(100)、U2(110)、U3(010)、U4(011)、U5(001)、U6(101)和2個零電壓矢量U7(000)、U8(111).SVPWM利用6個非零電壓矢量把磁鏈軌跡分為6個扇區,如圖1所示.

空間電壓矢量合成圖如圖2所示.以第2扇區為例,按伏秒平衡原則合成等效矢量,則有:

式中,T為脈寬調制周期;T1為U2作用時間;T2為U3作用時間;T0為U7或U8的作用時間.

2 改進的幅值限定補償積分器的原理和構造

改進的幅值限定積分器的結構如圖3所示.反電勢為輸入變量信號,定子磁鏈為輸出變量信號.

永磁同步電機直接轉矩控制的磁鏈觀測值是在兩相靜止坐標系下計算出的.從圖3中可知,該磁鏈觀測器由前向通道和反饋通道組成.這種改進積分器可以通過式(3)表示:

式中,esα、esβ為積分器輸入信號;ωc為輸入信號截止頻率;ψsα1、ψsβ1為輸出反饋磁鏈信號;ψsα、ψsβ為輸出磁鏈信號.

改進積分器獲得了一階慣性濾波器和純積分器的優點,提高了磁鏈估算的精度.當電機高速運行時,反饋信號近似為0,則反饋通道的補償量為0,反饋通道失效,磁鏈觀測只由一階慣性濾波器決定.一階慣性濾波器能防止直流偏移,得到較好的觀測結果.因此,在電機高速運行時,此改進積分器起到一階慣性濾波器的效果.

當電機低速運行時,改進積分器通過反饋通道采取補償和降低輸出磁鏈的直流分量.若反饋磁鏈的幅值沒有到達磁鏈限定值,那么補償磁鏈與實際磁鏈相等,即ψsα1＝ψsα1,ψsβ＝ψsβ1,則可將式(1)簡化得:

式中,esα、esβ為積分器輸入信號;ψsα、ψsβ為輸出磁鏈信號.

此時,改進的幅值限定補償的積分器和純積分器獨立作用的效果相同,可以限制由純積分初值導致輸出直流偏移.如果反饋磁鏈幅值超過了飽和限幅L,則ψsα1＝L cosθs,ψsβ1＝L sinθs.在永磁同步電機直接轉矩控制中,通過使飽和限幅值L等于給定定子磁鏈幅值,從而防止了補償不夠或過度補償情況的出現.

改進的幅值限定補償積分器具有一階慣性濾波器的優點,并且電機的高低速運轉時都可以實現定子磁鏈觀測,是一種可靠的改進磁鏈觀測器.

3 基于改進積分器的SVPWM-DTC系統仿真

綜上所述,在Matlab7.0/Simulink軟件環境下,建立基于改進積分器的SVPWM-DTC系統的仿真模型如圖4所示,并與傳統的永磁同步電機空間矢量脈寬調制技術直接轉矩控制系統進行比較分析[6],仿真系統中永磁同步電機參數如表1所示.

表1 正弦波永磁同步電機參數(PMSM)

由兩種不同直接轉矩控制系統產生的磁鏈軌跡圖如圖5、圖6所示.由圖5、圖6可以看出,采用基于改進積分器的SVPWM-DTC得到的磁鏈軌跡更加圓滑,能較好地抑制磁鏈偏移.由兩種不同直接轉矩控制系統產生的轉速響應波形如圖7、圖8所示.由圖7、圖8可以看出,采用基于改進積分器的SVPWMDTC得到的轉速響應波形響應速度更快、更加平穩.由兩種不同直接轉矩控制系統產生的轉矩波形圖如圖9、圖10所示.由圖9、圖10可以看出,采用改進積分器的SVPWM-DTC得到的轉矩波形更加平穩,且脈動變小近一半.

4 結語

對改進積分器的SVPWM-DTC系統模型進行仿真分析,并與傳統的空間矢量脈寬調制技術直接轉矩控制系統進行比較.改進的積分器能有效解決磁鏈波形畸變的問題,對磁鏈相位沒有影響,提高了磁鏈觀測器輸出信號的質量.基于改進積分器的SVPWM直接轉矩控制系統,明顯改變了傳統直接轉矩控制中圓形磁鏈軌跡波動的問題,磁鏈軌跡更加光滑,轉矩脈動小.通過仿真發現,基于改進積分器的SVPWM直接轉矩控制系統取得了很好的效果.

[1] 楊貴杰,孫力,崔乃政,等.空間矢量脈寬調制方法的研究[J].中國電機工程學報,2001,21(5):79-83.

[2] J Hu,B Wu.New integration algorithms for estimating motor flux over a wide speed range[J].IEEE Trans.Power E-lectronics,1998,13(5):969-977.

[3] 郭興眾.采用滯環調節的直接轉矩控制系統新型建模研究[J].電子測量與儀器學報,2008,22(3):16-20.

[4] 李春生,孟昭軍.永磁同步電動機直接轉矩控制[J].自動化應用,2015,5:76-77.

[5] 張雪英,李文斌.基于SPWM的永磁交流調速系統仿真研究[J].中國農機化學報,2015,36(3):225-228.

[6] 謝運祥,盧柱強.基于Matlab/Simulink的永磁同步電機直接轉矩控制仿真建模[J].華南理工大學學報,2004,32(1): 19-23.

Simulation of SVPWM-DTC of permanent magnet synchronous motor based on modified integrator

ZHANG Zheng,GUO Xing-zhong?
(Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices, Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

The method of direct torque control of permanent magnet synchronous motor can be achieved by using space vector pulse width modulation and a modified integrator with an amplitude.The integrator can adjust amplitude,keep the angle unchanged and avoid other mistakes to the steady state flux.The method realizes no difference control on torque and flux,improves the precision of flux observer and utilization percent of direct voltage,and makes system performance superior.Simulation and experiments show that the performance of control system is greatly improved,it gets faster response speed and smaller torque pulsation.The significance of the model is proved.

SVPWM;modified integrator;flux estimator

TM301.2

A

1672-2477(2015)05-0041-05

2015-07-08

安徽省自然科學基金資助項目(1408085ME105);蕪湖市科技計劃基金資助項目(2014cxy06)

張 正(1990-),男,江蘇連云港人,碩士研究生.

郭興眾(1962-),男,安徽阜陽人,教授,碩導.