《基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统 1 引言永磁同步电动机由于自身结构的优点，再加上近年来永磁材料的发展，以及电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的应用越来越广泛。而对于凸极式永磁同步电动机，由于具有更高的功率密度和更好的动态性能，在实际应用中越来越受到人们的重视1。高性能的永磁同步电动机控制系统主要采用的矢量控制。交流电机的矢量控制由德国学者blaschke在1971年提出，从而在理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，但很快被移植到同步电机。事实上，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。因为该类电机在矢量控制过程中不存在感应电机中的转差频率
2、电流而且控制受参数(主要是转子参数)的影响也小。永磁同步电动机的矢量控制从本质上讲，就是对定子电流在转子旋转坐标系(dq0坐标系)中的两个分量的控制。因为电机电磁转矩的大小取决于上述的两个定子电流分量。对于给定的输出转矩，可以有多个不同的d、q轴电流的控制组合。不同的组合将影响系统的效率、功率因数、电机端电压以及转矩输出能力，由此形成了各种永磁同步电动机的电流控制方法。2针对凸极式永磁同步电动机的特点，本文采用最优转矩控制(mtpa)，并用一种更符合实际应用的方法进行实现，并进行了仿真验证。图1 电流id、iq和转矩te关系曲线2 永磁同步电动机的数学模型首先，需要建立永磁同步电动机在转子旋转
3、dq0坐标系下的数学模型，这种模型不仅可用于分析电机的稳态运行性能，还可以用于分析电机的暂态性能。为建立永磁同步电机的dq0轴系数学模型，首先假设：(1)忽略电动机铁芯的饱和；(2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗；(3)转子上没有阻尼绕组；(4)电动机的反电动势是正弦的。这样，就得到永磁同步电动机dq0轴系下数学模型的电压、磁链和电磁转矩方程，分别如下所示：(1)(2)(3)式中：ud和uq是dq轴上的电压分量；id和iq是dq轴上电流分量；如rs为定子绕组电阻；ld和lq是dq轴上的电感；d和q是dq轴上的磁链分量；e是转子电角速度；f是永磁体磁链；pn为极对数。图2 mtpa矢量控制系统仿真
4、图3 最优转矩(mtpa)控制原理与实现3-9最优转矩控制，也称最大转矩电流比控制(mtpa)，是指在转矩给定的情况下，最优配置d轴和q轴电流分量，使定子电流最小。mtpa控制可以减小电机铜耗，提高运行效率，从而使整个系统的性能得到优化，同时还能减小逆变器的工作负担。将式(2)代入式(3)，可得：(4)最优转矩控制问题可以等效为定子电流满足式(4)的条件极值问题。作拉格朗日函数：(5)其中，为拉格朗日乘子。将式(5)分别对id、iq和求偏导数，并令各式为0，得到：(6)由式(6)的前两项可以得到iq与id之间的关系：(7)将式(7)代入式(4)，便可以得te和id的关系：(8)式(7)和式(8
5、)就是mtpa控制方法在运行时，te、id和iq这三者之间应该满足的关系式。我们在实际控制时，需要知道任意时刻的te参考值所对应的id和iq参考值，这就需要得到像这样的关系式。从式(7)和(8)可以知道，要反解出id=f(te)和iq=f(te)这两个关系式是很困难的，而且即便能解出来，也需要大量的运算。这难以满足实际运用的需求，所以，需要一种简洁的适合实际应用的方法。利用matlab这个工具可以来实现这种方法。首先，根据式(7)和(8)我们可以画出id=f(te)和iq=f(te)的函数曲线，如图1所示，电机参数与后续仿真所用参数一致。然后通过曲线拟合的方式得到近似的多项式函数。针对所用的仿
6、真电机参数，用三阶多项式函数就能达到几乎重合的拟合效果，如图1所示，具体的表达式如下：(9)于是，当参考转矩指令t*e给定后，就能根据上式得到对应的参考电流i*d和i*q。进而得到定子电压的参考值u*d和u*q，之后便可利用svpwm调制出逆变器的开关信号，完成对电机的矢量控制。图3 转速波形4 仿真实验及结果分析针对上述方法，利用matlab/simulink建立系统的仿真模型进行仿真研究。电机参数如下：rs=2.875，ld= 4.5mh，lq=13.5mh，f=0.179wb，pn=4，j=0.000815kgm2。整个控制系统仿真图如图2所示，部分模块进行了封装处理。其中，直流母线电压
7、为300v，逆变器开关频率为10khz，svpwm采用两电平结构。图4 转矩波形图5 三相定子电流波形 仿真设置如下：电机空载启动，初始给定转速为3000r/min，0.1s时加入额定负载3n.m，0.2s时转速增加到4000r/min，0.4s时转速再降回3000r/min。转速环和电流环都采用pi调节器进行调节。其中速度pi调节器参数为kp=0.06，ki=0.75；d轴电流调节器参数为kp=4.5，ki =1.8；q轴电流调节器参数为kp=6.5，ki =1.8。图6 d-q轴电流波形图3图6分别为仿真实验得到的转速、转矩、三相定子电流和dq轴电流波形图。当不采用mtpa电流控制策略而采
8、用传统的id=0电流控制策略时，当仿真转速给定条件一致时，三相定子电流波形和转速波形分别如图7和图8所示。图7 id=0控制时三相定子电流图8 id=0控制时转速波形从仿真结果可知，采用mtpa控制时，在启动、突加负载、增大给定转速和减小给定转速时，电机实际转速都能快速的跟踪转速指令，这说明控制系统的动态性能很好。在相同的运行条件下，与id=0控制相比，mtpa控制时的定子电流明显要小得多，转速响应几乎没有超调。这说明采用曲线拟合来实现的mtpa控制能优化配置d轴和q轴电流分量，保持系统正常运转所需的电流最小值。同时也可以看出，在减小转速给定值时，转矩和电流波动较大，这在实际运用中有可能会影响
9、整个系统的稳定性，所以还可以进行一些优化控制。本文提出了一种凸极式永磁同步电动机最优转矩矢量控制策略，并用更符合实际应用的方法进行实现。该策略使电机转矩在满足要求的条件下电流最小，提高了系统的效率。从仿真结果可以看出这种方法让控制系统具有良好的动态性能。说明这种方法是有效可行的。接下来可以结合这种方法和凸极式永磁同步电动机的结构优点，进行无位置传感器控制方法的研究。作者简介刘国林(1986-) 男 硕士研究生, 研究方向为电力传动及其控制系统。参考文献1 唐任远.现代永磁电机理论与设计m. 北京：机械工业出版社，1997.2 李崇坚.交流同步电机调速系统m. 北京：科学出版社，2006.3 李耀华，刘卫国.永磁同步电动机直接转矩控制系统的最大转矩电流比控制j.微特电机，2007(1)：3-26.作 者：西南交通大学电气工程学院 / 刘国林 / 刘培刚
