開關(guān)磁通電機(jī)矢量控制技術(shù)研究

撰文/田國(guó)華

開關(guān)磁通電機(jī)矢量控制技術(shù)研究

撰文/田國(guó)華

本文通過(guò)對(duì)新型的12/10極開關(guān)磁通電機(jī)的控制方法進(jìn)行了研究，通過(guò)將技術(shù)相對(duì)成熟的矢量控制方法應(yīng)用到開關(guān)磁通電機(jī)，使得電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速、降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及增加調(diào)速范圍。本文首先介紹了12/10極開關(guān)磁通電機(jī)的發(fā)展背景；進(jìn)而通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)開關(guān)磁通電機(jī)的工作原理進(jìn)行了描述，從而為后文將矢量控制技術(shù)應(yīng)用到開關(guān)磁通電機(jī)奠定了理論基礎(chǔ)；最后，提出了基于矢量控制技術(shù)的開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)控制技術(shù)，并且提出了系統(tǒng)的方案，并提出了本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)。開關(guān)磁通；矢量控制；永磁電機(jī)

■130013 一汽模具制造有限公司 吉林 長(zhǎng)春

目前永磁電機(jī)主要采用永磁體安裝在轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，隨著控制理論、永磁材料和電力電子技術(shù)的發(fā)展，基于磁場(chǎng)定向控制( fluxorientation control FOC)、直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control DTC)等先進(jìn)控制算法的轉(zhuǎn)子表面貼裝式永磁( surface mounted permanent magnet SPM)電機(jī)以其優(yōu)良的控制性能、高功率密度和高效率，越來(lái)越多地用于各種高性能伺服系統(tǒng)及其他領(lǐng)域。FSPM電機(jī)每相永磁磁鏈和反電勢(shì)波形都接近正弦波，更適宜于BLAC(brushlessAC)運(yùn)行方式。目前，國(guó)際上對(duì)于FSPM電機(jī)的研究成果均集中在電磁計(jì)算、靜態(tài)特性分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性分析等對(duì)電機(jī)本體的研究，而對(duì)于FSPM電機(jī)在實(shí)際驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用效果的研究涉及很少。2009年，東南大學(xué)對(duì)FSPM電機(jī)的高性能控制策略展開研究。在分析FSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，提出利用FSPM電機(jī)的靜態(tài)特性(永磁磁鏈、空載反電動(dòng)勢(shì)、電樞電感等)把定子永磁型結(jié)構(gòu)的FSPM電機(jī)模型等效為轉(zhuǎn)子永磁型的FSPM電機(jī)模型。根據(jù)FSPM電機(jī)自身特性，分別建模仿真并分析定子磁場(chǎng)定向控制(stator flux-orientation control FSOC)、DTC及基于空間矢量調(diào)制(space vectormodulation，SVM)DTC對(duì)FSPM電機(jī)運(yùn)行特性的影響，得出恒定開關(guān)頻率下穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)及低速時(shí)的電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及磁鏈波形。并在此基礎(chǔ)上對(duì)所述控制策略的仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較。通過(guò)dspic實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)FSPM電機(jī)FSOC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1.1　12/10極FSPM電機(jī)截面圖

FSPM電機(jī)雖然本身具有優(yōu)良的性能，但如何對(duì)電機(jī)電樞電流進(jìn)行有效的控制，以實(shí)現(xiàn)高效和寬調(diào)速運(yùn)行，則是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，F(xiàn)SPM電機(jī)結(jié)構(gòu)獨(dú)特，磁路存在著明顯的局部飽和，齒槽效應(yīng)和邊緣效應(yīng)，使傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的弱磁控制方法不再適應(yīng)。在這樣一個(gè)復(fù)雜對(duì)象的控制問(wèn)題面前，本文擬將空間矢量控制理論引入FSPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，產(chǎn)生一種符合FSPM電機(jī)特點(diǎn)和要求的有效控制方法，并以DSP為核心構(gòu)建新型FSPM電機(jī)全數(shù)字化控制系統(tǒng)，有效提高FSPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制特性和運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)高性能永磁同步電機(jī)控制，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值，為以后FSPM電機(jī)的智能控制奠定基礎(chǔ)。

1　FSPM電機(jī)基本原理

圖1.1是本課題實(shí)驗(yàn)所用的三相FSPM 12/10極電機(jī)圖。它的定子采用的是集中繞組方式，因此所用繞組相對(duì)較少，因此降低了損耗，它的轉(zhuǎn)子則與開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組相類似。定子繞組中將四組線圈連接而成為一相繞組，圖1.1中的A1、A2、A3和A4共同組成了A相繞組。FSPM的定子存著U形的鐵心，該鐵芯具有導(dǎo)磁功能，并且定子中預(yù)置了12支可以充消磁的永磁體。定子永磁型電機(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)而言，它有著更好地冷卻性，具有更好地溫度適應(yīng)性。

FSPM電機(jī)的工作原理和開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理很接近，它們的轉(zhuǎn)矩都存在磁阻性的特點(diǎn)，電機(jī)通過(guò)“磁阻最小原理”運(yùn)行起來(lái)，也就是說(shuō)電機(jī)的磁通的閉合方向總是朝著磁通量最小的方向，從而形成磁場(chǎng)扭曲的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子從一個(gè)位置轉(zhuǎn)動(dòng)至臨近的下一個(gè)位置時(shí)，電機(jī)定子繞組產(chǎn)生的磁通大小不變但是方向朝向相反方向，這種變化方式實(shí)現(xiàn)了磁通的切換。因此，我們可以知道開關(guān)磁通電機(jī)磁鏈的極性為雙極性，磁鏈雙極性是開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)的一大特點(diǎn)。由于開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，從而確保了電機(jī)每相的磁鏈和其對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)在每個(gè)極距（也就是360度）內(nèi)為正弦波形式。由于具有良好的正弦波形式，因此可以用三相正弦交流電流驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)，而且FSPM在電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用前景非?？春谩?/p>

2　FSPM電機(jī)矢量控制技術(shù)研究

矢量控制的核心是將電機(jī)定子繞組中的三相正弦定子電流ia、ib 和ic，如圖2.1，假想的變換為d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的兩直流分量電流id和iq，按照作用定義id為勵(lì)磁分量，iq為轉(zhuǎn)矩分量。其目的是將交流電機(jī)的控制方法比作直流電機(jī)的控制方法，進(jìn)而通過(guò)控制直流電機(jī)的方法控制交流電機(jī)。我們知道直流電機(jī)的控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，可以通過(guò)分別控制勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速運(yùn)行，因此這種變換方式的好處就是控制更加簡(jiǎn)便。然而這種等效變換后的直流分量?jī)H僅是假象的分量，實(shí)際并不存在，實(shí)際中電機(jī)定子繞組中的驅(qū)動(dòng)電流仍然是交流電流，因此需要根據(jù)電機(jī)運(yùn)行所需要id和iq以及電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行逆變換從而得到實(shí)際的正弦驅(qū)動(dòng)電流。通過(guò)這種等效變換的方法實(shí)現(xiàn)了開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)的矢量控制。開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)定子上電流、電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)等重要的物理量都是交流形式的物理量，這些交流量的控制以及計(jì)算對(duì)我們?cè)斐闪撕艽蟮牟蛔儭＿@些交流物理量通過(guò)坐標(biāo)變換變?yōu)樾D(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量，從而使得我們?cè)谕叫D(zhuǎn)坐標(biāo)系上進(jìn)行分析時(shí)，開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)的各個(gè)物理量變?yōu)殪o止的直流分量。通過(guò)調(diào)節(jié)變換后的直流分量，就能夠控制FSPM電機(jī)的速度與電磁轉(zhuǎn)矩。除了控制方式的簡(jiǎn)化外，矢量控制還有著提高轉(zhuǎn)矩性能、增加調(diào)速范圍等優(yōu)點(diǎn)。

圖2.1 電機(jī)的空間矢量圖

圖2.2　硬件系統(tǒng)圖

開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)主電路主要由開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)和其驅(qū)動(dòng)模塊逆變電路組成，其控制系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制電路、逆變器驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路等構(gòu)成。其硬件系統(tǒng)的組成如圖2.2所示。矢量控制系統(tǒng)主電路由380V交流電源供電，該三相交流電經(jīng)過(guò)整流器件和濾波器件形成平滑的直流供電電壓，通過(guò)控制和驅(qū)動(dòng)電路將該電機(jī)供電電壓變換為頻率可調(diào)的三相交流電壓，從而帶動(dòng)開關(guān)磁通電機(jī)以設(shè)定的速度運(yùn)行。對(duì)于系統(tǒng)中電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速功能，我們通過(guò)設(shè)置于電機(jī)轉(zhuǎn)子上的增量式光電編碼器，同步檢測(cè)并反饋電機(jī)的實(shí)時(shí)速度，并根據(jù)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與設(shè)定速度的偏差調(diào)節(jié)電機(jī)電流頻率及大小。系統(tǒng)的核心芯片采用德州儀器公司的TMS320LF2812，該芯片輸出3.3V高電平的PWM脈沖信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路與驅(qū)動(dòng)電路從而驅(qū)動(dòng)IGBT專用驅(qū)動(dòng)芯片的的開關(guān)動(dòng)作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)IGBT的開關(guān)。該系統(tǒng)通過(guò)TMS320LF2812上的JTAG接口，將在代碼下載至芯片中，并且在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，DSP和上位機(jī)通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信，可以實(shí)時(shí)的采集電機(jī)運(yùn)行的參數(shù)。

為了使本實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)平穩(wěn)的運(yùn)行，除了對(duì)硬件電路系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)外，必須對(duì)系統(tǒng)控制核心軟件部分進(jìn)行研究。在本系統(tǒng)中，TMS320LF2812承的作用相當(dāng)于系統(tǒng)神經(jīng)中樞，管理著系統(tǒng)的運(yùn)行及反饋。由于該系統(tǒng)需要對(duì)設(shè)定速度具有較為快速的反應(yīng)，并且調(diào)速過(guò)程要求穩(wěn)定，因此最基本的需求是系統(tǒng)中斷周期盡可能的短。系統(tǒng)軟件部分主要包括主程序、中斷程序和PID閉環(huán)調(diào)節(jié)。在對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行編寫的過(guò)程中要充分利用TMS320LF2812豐富的資源，系統(tǒng)的編程應(yīng)按照模塊化的思想，以便系統(tǒng)的拓展和修改，并且增加系統(tǒng)的可移植性。

3結(jié)論

本文的創(chuàng)新和特色在于探討一種全新寬調(diào)速電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理、分析理論和控制策略，將非線性控制方法引入FSPM電機(jī)的控制，并以DSP為核心構(gòu)建全數(shù)字化FSPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)FSPM電機(jī)的高效率、寬調(diào)速運(yùn)行，為FSPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。這在國(guó)際同類研究中處于前沿，不僅有重要學(xué)術(shù)意義，而且有很好的應(yīng)用前景。

參考：

[1]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社， 1997.

[2]程明，周鶚.新型分裂繞組雙凸極變速永磁電機(jī)的分析與控制[J].中國(guó)科學(xué)，2001，3(3)229～237.

[3]程明，周鶚，蔣全.雙凸極變速永磁電機(jī)的靜態(tài)特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1999，14(5):10～13.

作者簡(jiǎn)介：

田國(guó)華（1972.9.9-），男 籍貫：吉林省長(zhǎng)春市，職稱：高級(jí)工程師，研究方向：裝備技術(shù)。