100 W無鐵心永磁同步電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

童雅靜，王曉光，呂雪剛，王宇非

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

隨著高性能永磁材料的發(fā)展，永磁同步電機(jī)逐漸成為電機(jī)市場的重要組成部分[1]。在此基礎(chǔ)上，無鐵心永磁同步電機(jī)具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩脈動小、電磁轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)點(diǎn)[2]，可以有效提高電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的過載能力和瞬態(tài)響應(yīng)能力，在高性能伺服驅(qū)動領(lǐng)域、小功率無人機(jī)、高性能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景，所以無鐵心永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)成為必須解決的主要問題[3]。基于電力電子技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，矢量控制算法使電機(jī)具有出色的靜態(tài)及動態(tài)性能，擴(kuò)大了交流電機(jī)的使用范圍和應(yīng)用市場。筆者基于無鐵心電機(jī)的參數(shù)特點(diǎn)，采用矢量控制算法實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)驅(qū)動控制，為該電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展提供一定的理論參考和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

1 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

由于電機(jī)實(shí)際運(yùn)行和理想狀態(tài)不同，存在一些耦合以及高磁諧波的影響，使得電機(jī)的電磁關(guān)系變得極為困難，因此將進(jìn)行以下假設(shè)：

1)電機(jī)定子繞組是星型接法，三相繞組在空間上是對稱分布，兩者差值為120°。

2)電機(jī)的氣隙磁場按正弦分布，忽略高磁諧波帶來的影響。

3)電機(jī)的反電動勢是按正弦分布。

4)忽略電機(jī)的阻尼作用；

5)電機(jī)的磁路是線性的，可以使用疊加原理，忽略渦流效應(yīng)和磁滯。

滿足以上假設(shè)的永磁同步電機(jī)可以被視為理想電機(jī)，忽略實(shí)際運(yùn)行帶來的影響，這樣有利于建立基本的數(shù)學(xué)模型[4]。根據(jù)電機(jī)的雙反應(yīng)理論，可得到基本的電壓方程及磁鏈方程：

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程:

因?yàn)楸P式無鐵心永磁電機(jī)交直軸電感一樣，即Ld=Lq，所以采用id=0的矢量控制算法，上式可寫為

運(yùn)動方程

2 矢量控制算法設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)呛愣ǖ模虼诉x擇使用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，這樣控制電機(jī)的定子電流的幅值即可控制電磁轉(zhuǎn)矩。無鐵心永磁同步電機(jī)的d軸、q軸電感相同，因此采用id=0的電流控制方式，轉(zhuǎn)矩與電流幅值成正比，獲得最大轉(zhuǎn)矩電流控制。整個(gè)系統(tǒng)選用矢量控制原理，配合SVPWM調(diào)制，可得到矢量控制的基本框圖(圖1)。

圖1 矢量控制基本框圖

控制系統(tǒng)的電流環(huán)參數(shù)以及速度環(huán)參數(shù)均參照Ι型系統(tǒng)整定，并且采用內(nèi)模控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，減小參數(shù)調(diào)節(jié)的難度。最后得到電流環(huán)的調(diào)節(jié)參數(shù)為：

其中，α是設(shè)計(jì)參數(shù)，與電機(jī)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。電機(jī)的時(shí)間常數(shù)

(1)

3 仿真結(jié)果分析

參照實(shí)驗(yàn)電機(jī)的基本參數(shù)，確定電機(jī)仿真所使用的電機(jī)參數(shù)，并且根據(jù)前面系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置來進(jìn)行仿真的參數(shù)調(diào)節(jié)。電流環(huán)與速度環(huán)均采用內(nèi)模控制器的方法正定成為Ι型系統(tǒng)。剩下部分，按照電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及矢量控制原理計(jì)算公式來建立仿真模型。電機(jī)的參數(shù)見表1。基于Simulink的仿真結(jié)果見圖2、圖3所示。當(dāng)電機(jī)啟動時(shí)，定子電流和電機(jī)轉(zhuǎn)矩都會突然增加，電動機(jī)轉(zhuǎn)速將超過預(yù)定量，但是很快就會回落并穩(wěn)定下來，此時(shí)轉(zhuǎn)矩約為0.17 N·m，并且電機(jī)最大轉(zhuǎn)速大概是3400 r/min，穩(wěn)定在3000 r/min，電磁轉(zhuǎn)矩存在一些高頻轉(zhuǎn)矩脈動，但轉(zhuǎn)矩整體效果比較穩(wěn)定。電機(jī)的電流在0.01 s之后恢復(fù)到穩(wěn)定的正弦波，電流峰值大概是4 A，正弦度較好。電機(jī)空載啟動時(shí)，容易發(fā)生電流過大的情況，因此需要在控制算法中對最大電流進(jìn)行限幅控制。由于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩非常小，受到小電感的影響，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動較大，仿真結(jié)果見圖2。

表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)

(a)電機(jī)轉(zhuǎn)速

電機(jī)在過載運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果如圖3所示，由于電機(jī)過載運(yùn)行，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會迅速下降，穩(wěn)定運(yùn)行后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速還會有震蕩，波峰和波谷之間相差大約200 r/min。在過載運(yùn)行工況下，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩有大量的高頻脈動，這樣的現(xiàn)象也發(fā)生在定子電流中，電流最大值接近23 A，此時(shí)已經(jīng)接近電機(jī)可承受的最大電流，長時(shí)間的過載運(yùn)行有燒毀電機(jī)定子繞組的風(fēng)險(xiǎn)。

從圖3可以看出，當(dāng)電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)速下降，電流和轉(zhuǎn)矩幾乎是突變的，電機(jī)在過載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的負(fù)載能力到達(dá)頂峰，電機(jī)無法再提供更大的穩(wěn)定的電流，由于電源電壓的限制，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會有較大的下降。相較于輕度過載時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重過載時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大約下降了一半，并且電流增大了一倍，電磁轉(zhuǎn)矩也增加了1倍，這幾乎是電機(jī)的極端運(yùn)行情況，系統(tǒng)能在0.01 s內(nèi)將轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定下來，雖然不是一條平滑的曲線，但是穩(wěn)定在了一個(gè)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的范圍之內(nèi)。

(a)電機(jī)轉(zhuǎn)速

由以上的仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的運(yùn)行良好，PI控制的參數(shù)設(shè)置比較適宜，和電機(jī)的固定參數(shù)比較符合，但是受限于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡單，用MATLAB仿真結(jié)果比較理想。通過改變電機(jī)運(yùn)行工況，可以獲得系統(tǒng)不同狀態(tài)下的參數(shù)，從而增強(qiáng)對參數(shù)的認(rèn)識和分析，極大地提高了設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的效率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文采用的樣機(jī)為盤式無鐵心永磁同步電機(jī)，電機(jī)參數(shù)見表1，所使用的控制器以TMS320F28027F為核心，以DRV8301DCA為驅(qū)動，配合電源等器材搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(圖4)。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺及樣機(jī)

實(shí)驗(yàn)過程中，以仿真出的參數(shù)為依據(jù)，對實(shí)際的電流環(huán)及速度環(huán)進(jìn)行調(diào)整，并測量電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。可以測得電機(jī)的實(shí)際相電流見圖5。

圖5 繞組相電流

從圖5中可以看出，電機(jī)繞組相電流基本上是一個(gè)正弦波，但是電機(jī)的電流波形存在大量的高次諧波，導(dǎo)致電機(jī)在運(yùn)行中存在高頻的轉(zhuǎn)矩脈動和噪音。主要是因?yàn)闊o鐵心電機(jī)的定子繞組電感很小，導(dǎo)致電流變化很快。本實(shí)驗(yàn)中逆變橋的開關(guān)頻率為5 kHz，開關(guān)頻率較低，不足以使得繞組中的電流連續(xù)，所以會產(chǎn)生高頻的電流脈動。但是基本吻合電機(jī)的運(yùn)行條件，實(shí)現(xiàn)以低電壓控制器來驅(qū)動高速無鐵心永磁同步電機(jī)的效果。

5 結(jié)論

從無鐵心永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，建立PMSM電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合SVPWM搭建無鐵心永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，運(yùn)用傳統(tǒng)的調(diào)速方法，結(jié)合無鐵心電機(jī)的結(jié)構(gòu)，采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制法，實(shí)施對于無鐵心永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，之后建立MATLAB仿真并搭建相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該電機(jī)由于電感小導(dǎo)致高頻轉(zhuǎn)矩脈動的結(jié)論。同時(shí)也可以預(yù)見，提高逆變器的開關(guān)頻率可以有效減小轉(zhuǎn)矩脈動。而隨著寬禁帶功率開關(guān)器件技術(shù)的成熟及開關(guān)頻率的提高，勢必會為該電機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展提供有利條件，使得無鐵芯電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。