《電子技術(shù)應(yīng)用》
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永磁同步電機(jī)-虛擬電流環(huán)控制技術(shù)的研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
申 娟1,周 實(shí)2
1.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院,上海200051;2.上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院,上海200070
摘要: 首先從永磁同步電動機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)無電流傳感器的角度出發(fā),提出了虛擬電流環(huán)控制方案。在分析了永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,得出采用電流估算方式來重構(gòu)反饋電流,以此來實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)控制。搭建了系統(tǒng)仿真模型和硬件實(shí)驗(yàn)平臺,仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明控制系統(tǒng)采用該方案后有效地實(shí)現(xiàn)了電機(jī)響應(yīng)速度快、控制精度高的良好控制性能,從而驗(yàn)證了該方案的可行性和合理性。
中圖分類號: TM351
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.041
中文引用格式: 申娟,周實(shí). 永磁同步電機(jī)—虛擬電流環(huán)控制技術(shù)的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(1):156-160.
英文引用格式: Shen Juan,Zhou Shi. Study on virtual current loop control technology for PMSM[J].Application of Electronic Technique,2017,43(1):156-160.
Study on virtual current loop control technology for PMSM
Shen Juan1,Zhou Shi2
1.State Grid.Shanghai Electric Power Company.Electric Power Research Institute,Shanghai 200051,China; 2.Shanghai Electric Group Co.,Ltd.Central Academe,Shanghai 200070,China
Abstract: Firstly,from the angle of permanent magnet synchronous motor(PMSM) with no current sensor, the scheme of virtual current loop control was proposed. Based on analyzing the PMSM mathematical model, current estimates mode was established to reconstruct the feedback current, and so as to achieve the purpose of dual closed-loop control of speed and current of PMSM. Secondly, system simulation model and hardware test platform was built, and the simulation and experimental results verify the virtual current loop control scheme,which can effectively realize the good motor control capability of fast response and high precision ,and also proves the feasibility and rationality of the scheme in the paper.
Key words : PMSM;no current sensors;virtual current loop control

0 引言

    永磁同步電機(jī)由于其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、慣性小和效率高等優(yōu)點(diǎn),得到廣泛關(guān)注,成為當(dāng)今電機(jī)控制領(lǐng)域的一個研究重點(diǎn),同時人們對其控制要求也越來越高,提出了少傳感器甚至無傳感器的研究思想。近年來,較為普遍的是電機(jī)無位置傳感器的控制方式,但是在電機(jī)定位精度要求較高的場合,位置傳感器則必不可少。因此,從動態(tài)性能、開發(fā)成本等角度來考慮,無電流傳感器的控制方式[1-2]也逐漸成為研究熱點(diǎn)。

    電機(jī)的無電流傳感器控制方式意味著無電流環(huán)控制,也就放棄了控制器快速響應(yīng)的特性,在此,我們提出一種虛擬電流環(huán)控制的概念,以滿足對控制器電流的反饋控制。

    本文以永磁同步電機(jī)-虛擬電流環(huán)控制方案為研究對象,并基于該方案進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該方案可行,實(shí)用價值較高。 

1 PMSM在d-q坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型及常規(guī)矢量控制分析

1.1 PMSM在d-q坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型

    在PMSM轉(zhuǎn)子無阻尼繞組的情況下,忽略溫度、磁滯損耗及渦流對電機(jī)的影響,在d-q坐標(biāo)系中,永磁同步電機(jī)電壓、磁鏈及轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型[3]如下。

    電壓方程:

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    式中,ud、uq為電機(jī)定子分別在d、q兩軸的電壓分量;R為電機(jī)定子電阻; id、iq為電機(jī)定子分別在d、q兩軸的電流分量;Ψd、Ψq為電機(jī)定子分別在d、q兩軸的磁鏈分量;ω為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;Ld、Lq為電機(jī)分別在d、q兩軸的電感分量;ΨM為電機(jī)永磁體磁鏈;Te為電機(jī)轉(zhuǎn)矩;Pm為電機(jī)極對數(shù)。

1.2 常規(guī)矢量閉環(huán)控制系統(tǒng)

    對于非隱極式PMSM,電機(jī)在d、q兩軸的電感分量不相等,即Ld≠Lq;對于隱極式PMSM,電機(jī)在d、q兩軸的電感分量相等,即Ld=Lq,從式(3)中可以看出,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te只與交軸電流iq相關(guān),因此在設(shè)計控制參數(shù)時,一般取id=0。

    本文以隱極式PMSM為例,即id=0來分析控制方案,如圖1所示。

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    該控制系統(tǒng)由雙閉環(huán)控制構(gòu)成。外環(huán)是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制,內(nèi)環(huán)為定子在d、q軸電流分量 id和iq的閉環(huán)控制。外環(huán)中,轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速n由位置傳感器實(shí)時檢測并計算得到,與給定轉(zhuǎn)速nref進(jìn)行比較后,通過速度控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié),其輸出值iq_ref作為內(nèi)環(huán)中iq的參考值;內(nèi)環(huán)中,定子在d、q軸實(shí)際電流分量為 id和 iq,由電流傳感器測取后經(jīng)Clarke-Park變換得到,繼而分別與兩者的參考值id_ref(為零)和iq_ref相比較,并通過電流控制器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電流的控制,最后兩者的調(diào)節(jié)結(jié)果經(jīng)過Park-1變換后輸入至SVPWM模塊進(jìn)行調(diào)制,輸出6路PWM驅(qū)動信號,用于控制PMSM的驅(qū)動電壓的大小,由此實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)控制[4-6]。

2 虛擬電流環(huán)控制策略分析

    無電流傳感器,則PMSM控制系統(tǒng)無法對電流進(jìn)行檢測反饋。因此,虛擬電流環(huán)控制策略的關(guān)鍵是如何構(gòu)造電流反饋[7-8]

    由PMSM的磁鏈方程帶入到電壓方程,即式(2)帶入式(1),可得:

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    由式(4)明顯可知,PMSM定子d、q軸電流id、iq可由電機(jī)轉(zhuǎn)子速度ω和定子d、q軸電壓ud、uq來估算。PMSM驅(qū)動電壓是由直流電壓逆變后提供的,為PWM脈沖波,直接測取難度較大,因此一般不直接對電機(jī)的線電壓進(jìn)行測取,而是根據(jù)直流母線電壓和SVPWM調(diào)制模塊的輸入d、q軸電壓給定值來推算出電機(jī)實(shí)際的電壓。

    對式(4)進(jìn)行拉普拉斯變換得到id、iq的估算方程,如下所示:

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    由于式(5)涉及一階微分方程,計算難度較大。為了便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化并對系統(tǒng)進(jìn)行仿真,對id、iq的估算方程進(jìn)行離散化處理,如下所示:    

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    由離散化的電流估算公式(6)可以看出,電機(jī)參數(shù)對其控制性能的影響較大。因此需要提高電機(jī)的穩(wěn)定性能;同時,由電機(jī)的電壓方程式(1)可知,電流PI調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果只考慮到d、q軸電流分別對d、q軸電壓的影響,而忽略了它們之間的耦合。綜合以上兩個方面,為提高系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性能以及補(bǔ)償d、q軸電流對電壓的影響,本文對電動勢進(jìn)行了補(bǔ)償,即:

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    將離散化電流估算公式(6)和電動勢補(bǔ)償公式(7)融入到常規(guī)矢量控制方案中,可構(gòu)建虛擬電流環(huán)控制結(jié)構(gòu),如圖2所示。

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3 系統(tǒng)仿真模型的建立

    在分析PMSM虛擬電流環(huán)控制的基礎(chǔ)上,本文采用MATLAB/Simulink搭建了虛擬電流環(huán)控制仿真模塊,如圖3所示。

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    其中,電流估算仿真模塊如圖4所示。

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    在以上分析的基礎(chǔ)上,文章搭建了永磁同步電機(jī)—虛擬電流環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型,如圖5所示。

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4 仿真結(jié)果分析

    為了驗(yàn)證上述提出的虛擬電流環(huán)對系統(tǒng)控制的可靠性,現(xiàn)對搭建的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真分析,參數(shù)設(shè)置如下:R=2.08 Ω;ΨM=0.107 Wb;Ld=Lq=8.2×10-3 H;J=0.32×10-3 kg·m2;極對數(shù)Pn=4;摩擦系數(shù)為B=3×10-4 N·m·s;額定轉(zhuǎn)速為nref=3 000 r/min,逆變器開關(guān)頻率為10 kHz,單相電源供電。

    圖6~圖8為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1 N·m、給定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時各變量的仿真波形。其中,電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩相應(yīng)波形如圖6 所示,可以看出電機(jī)啟動時間約為7 ms,轉(zhuǎn)速響應(yīng)快,跟隨性好,轉(zhuǎn)矩波形基本穩(wěn)定。繞組三相電流響應(yīng)波形如圖7所示,波形平滑穩(wěn)定。d、q軸電流響應(yīng)波形如圖8所示,電機(jī)啟動穩(wěn)定后,d軸估算電流id-sim大小基本穩(wěn)定在0值,實(shí)際電流id波形在0值上下小幅脈動,q軸估算電流iq-sim與實(shí)際電流iq兩者波形基本相同。 

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    為驗(yàn)證該控制系統(tǒng)在負(fù)載或轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時的響應(yīng)性能,作如下處理:電機(jī)在啟動后的0.05 s處電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速由原來的1 000 r/min瞬間增至2 000 r/min,在0.1 s處,電機(jī)負(fù)載由原來的1 N·m瞬間增至4 N·m。

    系統(tǒng)中各變量的仿真波形如圖9所示。在0.05 s處,給定轉(zhuǎn)速突變,轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形如圖9(a)所示,能夠快速跟隨給定值快速變化。轉(zhuǎn)矩如圖 9(b)所示,波形小幅振動后又迅速恢復(fù)原值。三相定子繞組電流如圖9(c)~(e)所示,波形快速調(diào)整后,幅值不變,頻率變大;在0.1 s處,電機(jī)負(fù)載突變,如圖所示,轉(zhuǎn)速幾乎不受影響,轉(zhuǎn)矩快速增大為4 N·m后保持不變,三相繞組電流頻率不變,幅值變大。

    圖9(f)為d、q軸電流仿真波形,可以看出,在電機(jī)啟動并穩(wěn)定后,d軸估算電流id-sim基本上穩(wěn)定在0值不變,而其實(shí)際電流id則在0值上下小幅波動。q軸估算電流iq-sim和實(shí)際電流iq與轉(zhuǎn)矩的仿真波形基本相似。

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    從以上結(jié)果可以看出,電機(jī)能夠快速并穩(wěn)定啟動,在負(fù)載或轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時,轉(zhuǎn)速能較快跟隨,轉(zhuǎn)矩能平穩(wěn)響應(yīng),仿真系統(tǒng)的電流估算模塊也能夠較準(zhǔn)確地估算出電機(jī)實(shí)際電流,且d軸實(shí)際電流基本上保持在0值左右,基本上實(shí)現(xiàn)了id=0的矢量控制。由此驗(yàn)證,在電機(jī)沒有電流傳感器的情況下,虛擬電流環(huán)控制策略可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電流的反饋控制。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    為了更進(jìn)一步驗(yàn)證虛擬電流環(huán)控制策略的可行性,在以上仿真的基礎(chǔ)上搭建了實(shí)驗(yàn)平臺,并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

    如圖10所示為轉(zhuǎn)速為300 r/min和轉(zhuǎn)矩為1 N·m時,定子繞組A相實(shí)際采樣電流波形與其估算電流波形,明顯可以看出估算電流與實(shí)際電流值較接近;圖11為電機(jī)給定轉(zhuǎn)速在400 r/min時定子繞組A、B相的空載估算電流波形,它們由估算的交、直軸電流即id-sim和iq-sim經(jīng)Park-1變換所得,可以看出估算電流正弦度較好,相序?qū)ΨQ;圖12為電機(jī)A相給定電壓和定子繞組A相估算電流波形,可以看出電機(jī)給定相電壓波形近似呈馬鞍波狀;圖13~圖15為電機(jī)空載的情況下,給定轉(zhuǎn)速由200 r/min突增至400 r/min時,電機(jī)轉(zhuǎn)速、A相和B相估算電流以及d、q軸估算電流的響應(yīng)波形??煽闯鲭姍C(jī)轉(zhuǎn)速迅速跟隨給定轉(zhuǎn)速變化,響應(yīng)時間約為55 ms。A相和B相估算電流的正弦波形幅值不變、頻率變大。q軸估算電流在給定轉(zhuǎn)速突增時瞬時加大,當(dāng)轉(zhuǎn)速重新穩(wěn)定后,又恢復(fù)為原值并保持不變。d軸估算電流雖有小幅波動,但又很快又穩(wěn)定在0值不變。

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6 結(jié)論

    本文從永磁同步電動機(jī)在無電流傳感器的情況下出發(fā),提出采用虛擬電流環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)電流反饋。由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,控制系統(tǒng)采用該方案后具有響應(yīng)速度快、控制精度高等良好的控制性能。驗(yàn)證了方案的設(shè)計是可行的,具有一定實(shí)用價值。

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作者信息:

申  娟1,周  實(shí)2

(1.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院,上海200051;2.上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院,上海200070)

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