永磁同步电机控制技术研究

点击量：2537   日期：2019-05-27

      本文基于SVM的直接转矩控制理论，以永磁同步电机数学模型为参考模型，以电机转速为可调参数建立参考模型，满足波波夫超稳定性定理构建合适的自适应率，实现了采用模型参考自适应法来进行永磁同步电机无速度传感器调速控制的方案。在Matlab-Simulink软件环境下搭建系统的仿真图并进行仿真和分析，结果验证了该方案的可行性。

      永磁同步电机（PMSM）的体积小、噪声低、效率高、功率密度较大，在电力电子技术与现代控制理论迅速发展的大环境下，这些优点使PMSM渐渐得到了广泛的应用。永磁同步电机的直接转矩控制（DTC）是在矢量控制发展日渐成熟之后兴起的另一种高性能交流调速技术。由于拥有控制结构简洁、动态响应较快、对电机参数依赖较少等特点，直接转矩控制已成为学术界研究的热点。
      在现代交流调速系统领域中，速度传感器由于存在降低系统可靠性，增加系统成本等问题，已经大大制约了交流传动系统的发展，所以采用无速度传感器的调速方案是当今国内外研究的趋势。
      永磁同步电机无速度传感器的研究方法主要有基于磁链位置的估算法、基于反电动势法、滑膜观测器法、扩展卡尔曼滤波法、高频注入法、人工智能估算法、模型参考自适应法（MRAS）。因为模型参考自适应法具有控制相对简单而且精度高的优点，所以本文将模型参考自适应法应用到永磁同步电机调速系统当中。将永磁同步电机本身作为参考模型，将含有转子转速的模型作为可调模型，采用并联型结构进行速度辨识，两个模型的输出量物理意义相同。利用可调和参考模型输出量所构成的误差，计算出合适的比例积分自适应率，并以此来调整可调模型的参数，满足Popov超稳定性定理，使系统逐渐稳定，最终使可调模型的状态能稳定、快速地逼近参考模型，即让误差值趋近于零，进而使转速估计值逐渐逼近实际值，实现转速的识别。
      1 永磁同步电机数学模型
      建立dq坐标系下的数学模型，可以得到定子电压、电流均为直流的永磁同步电动机的电压方程式，利于分析永磁同步电动机控制系统的瞬态性能和稳态性能。d轴作为基波磁场方向，q轴的位置则是在d轴方向上顺时针超前90°。
      其中，R为定子电阻；ud、uq为电机的定子电压在d、q轴上的分量；id、iq为定子电流在d、q轴上的分量；ψd、ψq为定子磁链在d、q轴上的分量；Ld、Lq分别为直轴和交轴同步电感；ωr为转子旋转角速度；ψf为转子永磁体磁链；Pn为电机极对数；p为微分算子。
      2 SVM-DTC
      永磁同步电机直接转矩控制的基本思想是在电机运行时，转子磁链的数值基本恒定，保持定子磁链幅值稳定在额定值上，通过改变转子和定子磁链夹角的大小来改变电机转矩的大小，进而进行达到调速的目的。
      永磁同步电机调速系统中，传统的直接转矩控制系统使用的是滞环控制器和开关表，在一个周期内选择和发出单一的空间电压矢量来同时控制定子磁链和转矩的误差方向，这样很难完全补偿当前定子磁链和转矩的误差，会使定子磁链和转矩的脉动过大。同时，在系统运行过程中，如果两个置换控制器的输出信号和定子磁链位置信号在多个采样周期内保持不变，则逆变器的开关状态会在多个采样周期内保持同一个值，使得系统的开关频率不恒定。空间电压矢量调制（SVM）系统采用SVM单元来取代传统DTC系统的开关表，并用PI调节器来代替传统DTC系统的滞环环节。在每个控制周期内该系统都能计算出磁链和转矩的误差，然后选择相邻的非零矢量和零矢量，计算出各矢量的作用时间，最后利用线性组合的方式合成任意方向的空间电压矢量，这样就大大增加了对电压矢量的选择机会，更精确的补偿了磁链和转矩的误差，降低了电机磁链和转矩的脉动，输出的PWM波形会保证逆变器开关频率恒定。
      3 模型参考自适应系统
      4 仿真与试验结果
      用Matlab-Simulink软件构建总体系统的仿真图。
      本系统仿真采用的参数设置为：定子电阻为0.81Ω；绕组电感为2.59mH；极对数为4；给定定子磁链为0.1827Wb。
      接下来设置参数为给定转矩2N?m，给定初始速度为800r/min，在0.06s时将转速提高到1000r/min，在0.13s时将转速变为-200r/min。
      定子磁链轨迹近似为圆且扰动很小，运行良好；当速度在0.06s和0.13s突变时，转矩的波动比较大，但是在很短的时间里就能够平稳达到稳态，说明系统对外界的干扰有较好的鲁棒性；图5为电机转速图，估计转速在速度突变时有很小的波动，在很短的时间内又会平滑的跟踪到参考转速，达到新的稳态，表明系统的动态响应较快，调速性能良好。
      5 结语
      本文采用SVM-DTC对永磁同步电动机进行调速，对传统的直接转矩控制进行了改进，同时采用了基于模型参考自适应法对电机转速进行辨识，并通过理论分析和仿真验证得出，该系统鲁棒性强，动态响应较快，具有良好的调速性能。该方案结构比较简洁，可行性较强，可为永磁同步电机的无速度调速控制提供参考。