五相容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)SVPWM控制

唐紅雨,趙文祥,姜慶旺

(1.鎮(zhèn)江市高等?？茖W(xué)校,鎮(zhèn)江212003;2.江蘇大學(xué),鎮(zhèn)江212013)

0 引 言

永磁同步電機(jī)由于其性能優(yōu)越,已引起人們的重視,隨著稀土永磁材料加工技術(shù)和電機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用也越來(lái)越廣泛于各行各業(yè)[1-2]。但三相電機(jī)自身容錯(cuò)性能不佳,而多相永磁電機(jī)兼具高效率、高功率密度、強(qiáng)容錯(cuò)等優(yōu)點(diǎn),可用于艦船推進(jìn)、風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、航空航天、軍事設(shè)備等場(chǎng)合。相數(shù)的增加使多相電機(jī)可以提供比三相電機(jī)更多的控制自由度,采用全橋驅(qū)動(dòng),可以提高控制性能,減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值,實(shí)現(xiàn)低壓大功率[3]。同時(shí),逆變技術(shù)的發(fā)展也使多相逆變系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的磁通切換永磁(以下簡(jiǎn)稱FSPM)電機(jī),由于其永磁體安裝于定子上,易于冷卻,降低永磁體過熱所引起的退磁風(fēng)險(xiǎn)[4],使電機(jī)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、制造成本更低,適合高速運(yùn)行,而五相容錯(cuò)式磁通切換永磁(以下簡(jiǎn)稱FT-FSPM)電機(jī)具有高容錯(cuò)性和高可靠性等優(yōu)點(diǎn),使其成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)[5]。

目前對(duì)電機(jī)控制的方法主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制法,其中有空間矢量脈寬調(diào)制(以下簡(jiǎn)稱SVPWM)算法[6];或者采用改進(jìn)的相鄰最近四矢量SVPWM算法來(lái)合成參考電壓矢量[7],抑制三次諧波[8];采用基于調(diào)制函數(shù)的五相SVPWM等效算法實(shí)現(xiàn)五相電壓源型逆變器控制[9];以轉(zhuǎn)差角頻率調(diào)控定子電壓矢量,實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制[10];通過跟蹤最小占空比,得到最終的五相橋臂占空比[11];也有采用改進(jìn)型的SVPWM算法,將輸入的兩路正交正弦電壓進(jìn)行矢量合成,得到開關(guān)作用時(shí)間[12];但這些SVPWM方法在五相容錯(cuò)電機(jī)的應(yīng)用還不多見。本文分析了FT-FSPM電機(jī)的空間電壓矢量構(gòu)成,采用相鄰最近四矢量算法設(shè)計(jì)了基于SVPWM的電機(jī)系統(tǒng)的控制策略,可以有效實(shí)現(xiàn)6FT-FSPM電機(jī)的控制,使系統(tǒng)具有較好動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。

1 五相FT-FSPM電機(jī)

本研究對(duì)象為10/19極的FT-FSPM電機(jī),其繞組結(jié)構(gòu)如圖1所示,該電機(jī)的定子齒為10槽,轉(zhuǎn)子極數(shù)為19極。以A相繞組為例,繞組A1穿過兩個(gè)定子齒,與繞組A2相串聯(lián)組成A相繞組,容錯(cuò)齒使電機(jī)在故障狀態(tài)下具有容錯(cuò)功能[13]。其中永磁體切向交替插入定子齒中,即繞組A1中永磁體充磁方向與C2,D2相反,從而產(chǎn)生聚磁效應(yīng)。

FT-FSPM電機(jī)作為定子永磁型電機(jī)的一種,盡管相對(duì)于傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),其永磁體安放位置不同。但其空載永磁鏈和空載反電勢(shì)均呈雙極性正弦分布,具有高度的正弦性,坐標(biāo)系如圖2所示。容錯(cuò)性磁通切換永磁電機(jī)與轉(zhuǎn)子型永磁電機(jī)坐標(biāo)系分析方法一樣,所以定子坐標(biāo)系下的方程:

五相電流如下:

式中:定子電壓矩陣Us=[uaubucudue]T;電阻矩陣Rs=rs×E5×5;電流矩陣 Is=[iaibicidie]T;總磁鏈矩陣ψs=[ψaψbψcψdψe]T;Ls為電感矩陣;ψm為永磁鏈;Im為電流幅值;pr為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù),pr=19。

圖2 五相TF-FSPM基波坐標(biāo)系

在分析轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系時(shí),我們需要考慮基波空間d1-q1坐標(biāo)系和三次諧波空間d3-q3坐標(biāo)系,因此選取d1-q1-d3-q3-z0作為參考坐標(biāo)系,z0是零序分量,把d3-q3-z0作為廣義零序分量,基波空間和三次諧波空間相互正交。d1-q1-d3-q3-z0滿足以下關(guān)系:

d-q坐標(biāo)系的電流方程:

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程:

式中:對(duì)于隱極式FT-FSPM電機(jī),p是電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù);θ為轉(zhuǎn)子位置電角度;ud,uq,id1,iq1分別為d1-q1軸的電壓、電流;id3,iq3分別為d3-q3軸的電流;ω為轉(zhuǎn)子角速度;r為定子電阻;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Lmd1,Lmq1分別為d,q軸基次繞組互感;ψm為永磁鏈。

2 五相SVPWM設(shè)計(jì)

五相FT-FSPM電機(jī)逆變系統(tǒng)中有32個(gè)空間電壓矢量,其中U0,U31為零矢量,其他30個(gè)非零電壓矢量分為3組,每組10個(gè)電壓矢量,分大、中、小電壓矢量,幅值比為1.6182∶1.618∶1,將360°空間平均分為10扇區(qū)。由五相逆變系統(tǒng)的Park變換可知,存在基波d1-q1坐標(biāo)系和三次諧波d3-q3坐標(biāo)系,分別以ω,3ω旋轉(zhuǎn),存在3個(gè)子空間,分別為α1-β1子空間,α3-β3子空間和零序空間,零序空間恒為零,采用幅值不變?cè)瓌t,進(jìn)行Clarke變換,再將各電壓矢量幅值大小進(jìn)行分類,如表1和圖3所示。

表1 五相系統(tǒng)空間電壓矢量表

圖3 α-β空間電壓矢量分布

五相逆變系統(tǒng)進(jìn)行扇區(qū)判斷時(shí),需引入5個(gè)電壓量,建立扇區(qū)判斷函數(shù),查扇區(qū)表進(jìn)行扇區(qū)選擇。以第二扇區(qū)為例,采用相鄰最近四矢量算法(NFV),在一個(gè)周期內(nèi),電壓矢量作用順序?yàn)閁0→U29→U28→U24→U8→U31→U31→U8→U24→U28→U29→U0。

在進(jìn)行分析時(shí),把α3-β3-0子空間電壓矢量為零作為約束條件,大小電壓矢量對(duì)應(yīng),設(shè)第二扇區(qū)電壓矢量U8,U24,U28,U29,一個(gè)周期內(nèi)作用時(shí)間分別為T1,T2,T3,T4。從圖4中看出,要滿足使三次諧波在α3-β3-0空間為零的目的,α1-β1-0空間的大小矢量時(shí)間與幅值之比相等,即T3/T1=T2/T4=1.618。

圖4 兩相α-β坐標(biāo)系中的電壓矢量合成

根據(jù)平行四邊形法則,第二扇區(qū)各個(gè)電壓矢量作用時(shí)間如下:

五相逆變系統(tǒng)的最近四矢量SVPWM算法是通過調(diào)節(jié)各作用時(shí)間使三次諧波成分減少,因而母線電壓調(diào)制比會(huì)有所降低,但逆變器輸出電壓的諧波成分也有所減少。U8,U24,U28,U29四個(gè)矢量的開關(guān)狀態(tài)序列為01000,11000,11100,11101,11111。在扇區(qū)過渡時(shí),必須保證只有一組開關(guān)切換,可以降低切換開關(guān)的損耗。圖5為第二扇區(qū)開關(guān)切換順序圖。但對(duì)不同扇區(qū),矢量的作用時(shí)間順序需作相應(yīng)變化。

圖5 第二扇區(qū)開關(guān)切換順序圖

其它扇區(qū)開關(guān)順序計(jì)算方法類似,這里不再敘述,對(duì)于不同扇區(qū),T1始終表示先作用的矢量在每一個(gè)扇區(qū)載波周期的作用時(shí)間。在計(jì)算時(shí),在開辟的內(nèi)存空間中第一字節(jié)存入一個(gè)36°的正弦表,然后通過調(diào)用計(jì)算各基本矢量的作用時(shí)間。在進(jìn)行扇區(qū)判斷時(shí),只需將步長(zhǎng) Δωt積分,當(dāng)達(dá)到36°時(shí),便使扇區(qū)數(shù)加1(反轉(zhuǎn)則減1)。在程序設(shè)計(jì)中要設(shè)置頻率變化步長(zhǎng),對(duì)頻率的變化量采取限幅處理,保證每個(gè)載波周期只執(zhí)行一次采樣,使頻率采樣值平穩(wěn)過渡,可以避免來(lái)自于頻率指令或負(fù)載突變?cè)斐傻臎_擊電流,同時(shí)也濾除了各種外界的擾動(dòng)。扇區(qū)判斷仿真如圖6所示,T2,T3為基礎(chǔ)矢量作用時(shí)間,仿真波形與理論值一樣。

圖6 基礎(chǔ)矢量作用時(shí)間和扇區(qū)判斷波形

從圖6中看出,電機(jī)運(yùn)行時(shí)輸出的扇區(qū)號(hào)值,按1～10的順序運(yùn)行,與實(shí)際相符。將Ta,Tb,Tc,Td和Te輸入到調(diào)制模塊中,與給定的載波相比較得到五相電壓SVPWM脈沖波。其中Ta,Tb如圖7所示,圖8為五相相電壓波形。

圖7 五相比較時(shí)間Ta,Tb仿真波形圖

圖8 五相相電壓仿真圖

由圖7可以看出,采用NFV方式的調(diào)制的Ta和Tb波形是馬鞍波,以及五相相電壓波形與理論波形相同。

從式(5)可以看出,對(duì)于五相FT-FSPM電機(jī),Te只與基波空間d1-q1軸電流iq1有關(guān),可通過調(diào)節(jié)iq1控制Te,對(duì)d1-q1-d3-q3空間中的電流實(shí)行閉環(huán)控制,采用id1=0控制策略,對(duì)q軸電流iq1進(jìn)行控制,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證算法的可行性,在MATLAB仿真的基礎(chǔ)上,在實(shí)驗(yàn)室搭建了電路,如圖9所示。五相FT-FSPM樣機(jī)參數(shù)如下:額定功率P=3.5 kW,相電壓200 V,額定轉(zhuǎn)速n=600 r/min,額定轉(zhuǎn)矩Te=22.8 N·m,定子電阻rs=2.56 Ω,繞組電感Lmd1=Lmq1=36 mH,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.000 62 kg·m2,摩擦系數(shù)B=0.000 31 N·m·s,永磁磁通ψm=0.183 Wb。主要器件包括核心芯片DSP2812、三菱IPM、2048線的光電編碼器、磁粉制動(dòng)器、扭矩傳感器、LEM型電流傳感器,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置

圖10 五相比較時(shí)間Ta,Tb實(shí)測(cè)波形

圖11 調(diào)制模塊輸出的PWM波形

圖12 PWM經(jīng)濾波后的波形

圖10為五相比較時(shí)間Ta,Tb實(shí)測(cè)波形,可以看出實(shí)測(cè)波形與理論波形相同。圖11為A相,B相調(diào)制模塊輸出實(shí)測(cè)PWM波。圖12為AB相PWM經(jīng)濾波后的波形,說明所設(shè)計(jì)的SVPWM方法符合要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)五相FT-FSPM電機(jī)特點(diǎn)和數(shù)學(xué)模型,通過對(duì)五相系統(tǒng)的SVPWM調(diào)制方法的研究,結(jié)合五相電機(jī)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系空間理論,提出一種基于相鄰最近四矢量SVPWM的五相FT-FSPM電機(jī)控制方法,通過仿真和實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證本方法的可行性,能夠滿足五相電機(jī)系統(tǒng)控制要求。

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