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      永磁同步電機電流環(huán)參數(shù)整定

      2023-02-11 07:54:08李悅寧史輝英
      時代汽車 2023年2期
      關鍵詞:調節(jié)器同步電機三相

      李悅寧 史輝英

      濰柴動力股份有限公司 山東省濰坊市 261061

      近年來,資源短缺、環(huán)境污染的問題日益加劇,人們對環(huán)境保護意識日漸增強。在交通出行方面,新能源汽車由于節(jié)能環(huán)保,滿足人們對出行以及環(huán)境保護的需求,我國大力扶持新能源汽車的發(fā)展,純電動汽車逐漸出現(xiàn)在人們的出行方式之中。

      由于永磁同步電機具有動態(tài)響應好、重量輕等優(yōu)點[1-3],使得永磁同步電機在新能源電動汽車動力中占據(jù)主導地位。然而,PMSM 是由多個變量控制,具有較強的非線性,針對其較強的強耦合性能需要采用一定的控制策略對其進行控制。PID 控制目前在工業(yè)中仍然占據(jù)主導地位,因其結構簡單實現(xiàn)便捷、參數(shù)對于控制系統(tǒng)物理意義明確、穩(wěn)定性可靠性強、適用性廣,所以PID 參數(shù)整定較為便捷簡單[4]。

      隨著科技的進步,由于永磁同步電機具有轉矩與電流的比值比較高、低速性能好、控制精度高,控制穩(wěn)定性強等優(yōu)勢但目前永磁同步電機存在的PI 參數(shù)整定困難復雜,為此本文基于PMSM 數(shù)學模型,結合電流控制策略,介紹了傳統(tǒng)的控制算法的PI 參數(shù)整定方法。常規(guī)的PI 調節(jié)器應用在復雜多變的工況中調節(jié)能力比較弱,而且比較依賴于控制對象。PI 調節(jié)器控制性能的好壞取決于調節(jié)器的參數(shù)調整的好壞,人們往往根據(jù)經(jīng)驗對PI 調節(jié)器的參數(shù)進行調整,根據(jù)經(jīng)驗得來的參數(shù)整定有時不會使調節(jié)器達到預期的調節(jié)效果。因此,要想達到預期的控制效果,采用一定的策略對參數(shù)進行整定是十分必要的。

      1 PMSM 的數(shù)學模型

      現(xiàn)階段,三相PMSM 根據(jù)轉子所在的位置可以分為表貼式與內置式兩種結構[5],為求省略不必要的分析,節(jié)省相應的分析時間,以來節(jié)省相對應的人為成本,三相PMSM 必須為理想狀態(tài)下的電機。

      這樣,在自然坐標系即ABC 坐標系下的PMSM 的三相電壓方程為[6-7]:

      磁鏈方程為:

      由以上方程可以看出電磁轉矩的表達式中的變量居多冗雜。因此,三相PMSM 是由多個變量控制,具有較強的非線性的復雜系統(tǒng)。

      本文設計的永磁同步電機控制系統(tǒng)的速度控制采用電流速度雙環(huán)控制。三相電流經(jīng)過一系列的變換再經(jīng)過SVPWM 模塊,控制電機驅動模塊進而控制永磁同步電機。電流控制為電機控制的基礎所在,對電流環(huán)的控制優(yōu)化對電機的優(yōu)化控制起著決定的作用。

      2 PMSM 的PI 電流控制

      表貼式控制與最大轉矩電流比控制是目前三相PMSM 電機最常用的兩種控制方式,這兩種控制方式對三相電機均有良好的控制效果。表貼式三相PMSM 控制方式更適應控制,雖然兩種控制方式各有各的特點,但是相對于電機來說是相同的,是一致的,根據(jù)電機的不同特性會達到相同的控制效果。圖1 給出了采用控制方法的三相PMSM 矢量控制框圖,從圖中可以看出三相PMSM 控制主要分為3 部分:轉速環(huán)PI 控制器、電流環(huán)PI 控制器和SVPWM 算法等[9]。

      圖1 三相PMSM 矢量控制框圖[9]

      2.1 電流環(huán)PI 的參數(shù)整定

      為了便于控制器的設計,更好的整定控制器的參數(shù),從而使控制器對控制對象的優(yōu)化效果達到最優(yōu),采用坐標系下的電流方程為

      為了去除d、q 軸電流的耦合效果,式2-1 可以變?yōu)槿缦?/p>

      即可以得到d-q 軸的電壓為

      正如式2-4 所示,當采用前饋解耦控制策略時,雖然可以實現(xiàn)對PI 調節(jié)器的參數(shù)整定,但該方法卻僅當電機的實際參數(shù)與模型參數(shù)匹配時,交叉耦合電動勢才會得到完全解耦,對模型的精度要求較高,對參數(shù)的變化較為敏感。而內膜控制器具有結構簡單、參數(shù)單一以及在線計算方便等優(yōu)點[10],對模型的精度要求低,且對參數(shù)的變化較不敏感,因此可以采用圖2 所示的內膜控制策略進行PI 調節(jié)器的參數(shù)設計。

      圖2 內膜控制系統(tǒng)框架圖

      其中:I 為單位矩陣。

      將式2-7 代入到式2-5 中,可得到內膜控制器為

      將式2-8 代入式2-6 中,可得

      將式2-9 和式2-4 進行比較得知,兩式滿足如下的關系:

      綜上所述,以內置式三相PMSM 為例,內??刂撇呗杂捎趯δP偷木纫蟮颓覍?shù)的變化不敏感適用于內置式電機的PI 調節(jié)器的參數(shù)整定,同理,表貼式電機的調節(jié)器參數(shù)整定也同樣適用,可以實現(xiàn)對參數(shù)的較優(yōu)整定,且實現(xiàn)對電機的最優(yōu)控制。

      2.2 基于PI 調節(jié)器的PMSM 矢量控制

      根據(jù)圖1 所示的三相PMSM 矢量控制框圖,在Simulink 環(huán)境下搭建仿真模型,采用仿真模型模仿真實電機進行工作,模型參數(shù)與電機參數(shù)盡可能的保持一致,這樣才能保證仿真模型無限的貼近真實的電機模型。其中,仿真中電機參數(shù)、條件為下表1:

      表1 電機參數(shù)

      續(xù)表1-1 仿真條件

      本小節(jié)以內置式PMSM 矢量控制系統(tǒng)仿真模型的搭建為例,給出系統(tǒng)仿真模型以及參數(shù)設置等模塊,表貼式PMSM 矢量控制系統(tǒng)的仿真模型可以參考此方法進行。

      2.2.1 仿真結果分析

      為了驗證計算出的PI 調節(jié)器參數(shù)的有效性,驗證PI 調節(jié)器的魯棒性能與調節(jié)性能,設置轉速為80r/min,初始時刻無負載轉矩,在t=0.2 時加入負載扭矩的相關擾動,仿真結果如圖3 所示。

      圖3

      由以上仿真結果可以看出,當電機由0上升到80 轉速時,并且在t=0.2 時突然增加負載扭矩雖然一開始也有超調現(xiàn)象的出現(xiàn),但是在優(yōu)化后的PI 調節(jié)器的調節(jié)之下在超調之后能夠較快的恢復到預期值,從而說明基于內膜控制策略的PI調節(jié)參數(shù)值具有良好的魯棒性能,能夠滿足電機的運行需要。

      3 結論

      電流控制為電機控制的基礎所在,對電流環(huán)的控制優(yōu)化對電機的優(yōu)化控制起著決定性的作用。本文采用內膜控制策略對電流環(huán)PI 調節(jié)器參數(shù)進行優(yōu)化,根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)設置對電機相關性能進行仿真,電機能夠采用較少時間迅速的恢復到預期值,即基于內膜控制策略的PI 調節(jié)器具有良好的魯棒性能與抗干擾能力,增強了對控制對象的控制效果,從而達到對電機性能優(yōu)化的目的。

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