橫向磁通永磁電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究

袁小慶, 蘇士斌, 史儀凱

(西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院, 陜西 西安 710072)

橫向磁通永磁電機(transverse flux permanent-magnet motor,TFPM)的電路與磁路不在同一平面上,消除了傳統(tǒng)電機槽寬和齒寬相互制約的矛盾,從根本上提高了轉(zhuǎn)矩密度[1]。橫向磁通永磁電機具有轉(zhuǎn)矩密度高的優(yōu)點,在低速直接驅(qū)動的場合具有良好的應(yīng)用前景[2-3]。直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control,DTC)變頻調(diào)速是繼矢量控制技術(shù)之后又一新型的高效變頻調(diào)速技術(shù),把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制,其實質(zhì)是對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的。定子磁鏈估計精確度直接影響直接轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞,基于定子磁鏈的電壓模型估算定子磁鏈?zhǔn)瞧毡閼?yīng)用的一種方法。文獻(xiàn)[4]給出了一種利用轉(zhuǎn)子位置和定子電流估計磁鏈方法,但是由于引入了編碼器裝置,會產(chǎn)生增大系統(tǒng)體積、增加成本等不利影響。

但傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制采用滯環(huán)比較器來控制,存在明顯缺陷,開關(guān)頻率變化可能導(dǎo)致2個橋臂的開關(guān)狀態(tài)同時切換,扇區(qū)切換處產(chǎn)生電流和轉(zhuǎn)矩畸變,起動和低速性能差,以及需要很高的采樣頻率來實現(xiàn)數(shù)字滯環(huán)比較器[5]。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制弱磁方法是在弱磁區(qū)將定子磁鏈參考值跟隨轉(zhuǎn)速成反比變化。定子磁鏈參考值的高或低都不能使電機產(chǎn)生最大的輸出轉(zhuǎn)矩[6]。為此,本文采用一種新穎的空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制(Space Vector Modulation DTC,SVM-DTC)的控制方式,將磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差信息分別通過PI控制器解耦出電機空間電壓矢量中控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈的2個分量,進(jìn)行SVM-DTC控制;同時,采用基于轉(zhuǎn)子位置和定子電流的估算磁鏈方法。通過構(gòu)建改進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)模型,與直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行對比研究,結(jié)果表明改進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制比傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制減小了轉(zhuǎn)矩脈動,提高了輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,使橫向磁通永磁電機更加滿足高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

1 TFPM數(shù)學(xué)模型

橫向磁通永磁電機各相之間獨立,無互感作用,實現(xiàn)了磁路結(jié)構(gòu)上的解耦。m相TFPM電機電樞磁場在空間上是由m個獨立的單相正弦脈振磁場構(gòu)成。單相的脈振磁場與轉(zhuǎn)子永磁體磁場作用形成單相電磁轉(zhuǎn)矩,在輸入電流后在每相所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過轉(zhuǎn)子作用于同一個軸上,產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩是各相所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩相加。對電機的a相進(jìn)行分析,建立TFPM的數(shù)學(xué)模型,忽略電機的鐵心飽和、渦流和磁滯損耗,a相定子繞組瞬時電壓方程為

(1)

式中：u為端電壓;ia為a相電流;Ra為繞組電阻;La為繞組自感;ea為反電動勢。

取轉(zhuǎn)子縱軸d與磁極中心線一致,橫軸q沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向領(lǐng)先縱軸90°電角度。可以得到TFPM 的電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程[6-7]:

(2)

(3)

(4)

式中：Ψs為定子磁鏈;Ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈;R為定子相繞組電阻;pn為極對數(shù);Ld與Lq為定子繞組的d、q軸電感;γ為轉(zhuǎn)子位置角。

可以看出,電磁轉(zhuǎn)矩包括永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分,因此只要按一定的規(guī)律調(diào)整定子磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)矩角,就能夠得到要求的轉(zhuǎn)矩。

2 TFPM直接轉(zhuǎn)矩控制建模

2.1 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制模型

電機本體模塊是所有電機控制系統(tǒng)模型中不可或缺的一部分,它的正確搭建是整個系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)。對a相和b相進(jìn)行分析,根據(jù)上述電機數(shù)學(xué)模型搭建了橫向磁通永磁電機本體模塊,如圖1所示。

圖1 TFPM電機的本體模塊

為了使搭建的模型更加系統(tǒng)化、模塊化,將新型橫向磁通永磁電機各相分別集成為一個子模塊,此模塊中包含了每一相產(chǎn)生的反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,電機產(chǎn)生的總電磁轉(zhuǎn)矩即為各相轉(zhuǎn)矩之和。

將TFPM電機本體模型封裝為TFPM model模塊,其輸入分別是電機的相電壓以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL,輸出主要為電機的兩相電流ia、ib以及電磁轉(zhuǎn)矩Te和機械角速度Ω。

基于TFPM本體模塊建立傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)模型,如圖2所示。控制系統(tǒng)模型主要包括TFPM本體模塊、逆變模塊和控制模塊。直接轉(zhuǎn)矩的控制模塊由轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、滯環(huán)比較器、轉(zhuǎn)矩和磁鏈估測模塊、驅(qū)動模塊及位置檢測模塊構(gòu)成。

圖2 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制模型

2.2 空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制模型

由于傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法中采用多級滯環(huán)選擇方法,其在低速條件下磁鏈環(huán)的波動比較大,主要是因為在該控制系統(tǒng)中沒有考慮低速時定子電阻對系統(tǒng)的影響。為了解決相應(yīng)問題,提出了TFPM的空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制(SVM-DTC)控制的控制方案。TFPM的SVM-DTC控制采用速度環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)的雙閉環(huán)控制方法。在SVM-DTC控制中采用了參考電壓估算器和SVPWM的生成器取代了常規(guī)DTC的磁鏈轉(zhuǎn)矩滯環(huán)和開關(guān)表。使用SVM-DTC控制可以實現(xiàn)電壓矢量的近似連續(xù)調(diào)節(jié),減小轉(zhuǎn)矩脈動,同時逆變器 的開關(guān)頻 率固定,改善了系統(tǒng)的控制性能。仿真控制系統(tǒng)主要由TFPM電機本體和主電路模塊、磁鏈和轉(zhuǎn)矩估計模塊、參考電壓矢量估計模塊和SVPWM生成模塊組成。

空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型包括轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制模塊、驅(qū)動模塊等,圖3為直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型。隨著轉(zhuǎn)速的提高,磁鏈和轉(zhuǎn)矩在某些區(qū)域控制失敗,不可控的區(qū)域變大,電機輸出轉(zhuǎn)矩脈動較大。通過增加一個電角度周期內(nèi)的電壓矢量個數(shù)即增加系統(tǒng)對電機的控制頻率,削弱電流諧波,可有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動和磁鏈。這也是目前基于電壓矢量開關(guān)表查詢方式的直接轉(zhuǎn)矩控制中來克服轉(zhuǎn)矩脈動的不錯方案。

本文將電壓矢量增加為9個,定子磁鏈區(qū)域細(xì)分成8份,電壓矢量在磁鏈區(qū)域中的位置分布由空間矢量理論確定,括號內(nèi)為電壓矢量所對應(yīng)的驅(qū)動信號。V9為零電壓矢量,其在控制過程中的作用主要是保持當(dāng)前電磁轉(zhuǎn)矩,減小逆變器的開關(guān)次數(shù)和轉(zhuǎn)矩脈動的產(chǎn)生,使電機運行的更加平穩(wěn)。

圖3 空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型

直接轉(zhuǎn)矩控制的好壞直接取決于電壓矢量開關(guān)表的建立,通過光電編碼器獲取連續(xù)轉(zhuǎn)子位置角,由(7)式和(8)式求得定子磁鏈的位置角,根據(jù)其位置角、估測的轉(zhuǎn)矩及磁鏈值,查詢改進(jìn)的電壓矢量開關(guān)表,得到相應(yīng)驅(qū)動信號,使電機各相的磁鏈和轉(zhuǎn)矩完全得到控制。

(5)

θs=δ+θe

(6)

式中:δ為轉(zhuǎn)矩角;θs為定子磁鏈位置角。

橫向磁通永磁電機控制系統(tǒng)采用直接轉(zhuǎn)矩控方式,其核心是將定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制,根據(jù)給定的轉(zhuǎn)矩、磁鏈值與其反饋的計算值作差[6],根據(jù)兩者的誤差并結(jié)合定子磁鏈的位置通過查詢電壓矢量開關(guān)表選擇合適的電壓矢量以此來實現(xiàn)定子磁鏈的軌跡為恒定圓形。

表1為TFPM在H橋臂逆變電路的情況下的電壓矢量開關(guān)表。

表1 電壓矢量開關(guān)表

系統(tǒng)模型仿真后得到定子磁鏈軌跡如圖4所示,磁鏈滯環(huán)控制會使定子磁鏈圓環(huán)產(chǎn)生一定的環(huán)寬。仿真結(jié)果表明,改進(jìn)的電壓矢量開關(guān)表能夠使兩相橫向磁通永磁電機的磁鏈軌跡控制達(dá)到理想效果。

圖4 定子磁鏈軌跡

3 直接轉(zhuǎn)矩控制實驗

為了進(jìn)一步研究上述控制方案的合理性,本文基于課題組研制的1臺四相平板式橫向磁通永磁電機構(gòu)建實驗平臺,進(jìn)行控制方案研究,如圖5所示,該樣機的主要參數(shù)如表2所示。電機控制系統(tǒng)的性能與電機特性、負(fù)載特性及控制方式等因素有關(guān),本文僅在恒定負(fù)載條件下研究2種控制方式對樣機的性能影響。

圖5 新型橫向磁通永磁樣機

表2 新型橫向磁通電機樣機參數(shù)

為了便于兩者進(jìn)行比較,進(jìn)行了對比實驗,傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩實驗如圖6所示,空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩實驗如圖7所示。

圖6 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制

圖7 空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制

從實驗波形看出,實驗的波形符合電機的實際情況,表明了新型TFPM模型的正確性,傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制在電機穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速波動較大,存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動,主要是電流諧波不穩(wěn)定所致。而空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制比傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動較小,轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定,滿足穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩的需求,提升了電機的工作特性。

4 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制在橫向磁通永磁電機應(yīng)用中的不足,本文提出一種改進(jìn)的空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制方法,并在電壓矢量表中增加一個電角度周期內(nèi)的電壓矢量個數(shù)即增加系統(tǒng)對電機的控制頻率,以削弱電流諧波,可有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動和磁鏈,使磁鏈和轉(zhuǎn)矩得到完全控制。在構(gòu)建的橫向磁通永磁電機系統(tǒng)模型和樣機本體的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制與空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩對比研究。實驗結(jié)果表明,采用改進(jìn)的空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制,新型橫向磁通永磁電機可以獲得精確和平滑的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速,減小機械磨損,提高輸出轉(zhuǎn)矩性能,有利于橫向磁通電機的廣泛應(yīng)用。

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