司開波 張善文 楊亞東
(西京學(xué)院,西安 710123)
多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真研究
司開波 張善文 楊亞東
(西京學(xué)院,西安 710123)
以雙Y移30°六相永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象,首先通過坐標(biāo)變換得到了其用于矢量控制的數(shù)學(xué)模型,并且分析了以直軸id=0為控制方案的電流控制策略在多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用,同時(shí)給出了矢量控制框圖。其次在MATLAB仿真環(huán)境下搭建其電機(jī)本體、控制等各個(gè)模塊的仿真模型。最后通過給定基本的電機(jī)參數(shù)以及理論計(jì)算出仿真中用到的參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明提出的控制策略是有效的,并且驗(yàn)證了所建立的數(shù)學(xué)模型和搭建的仿真模型的合理性與正確性,對(duì)以后多相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)研究具有很大的幫助。
雙Y移30°六相永磁同步電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 多相電機(jī) 矢量控制 數(shù)學(xué)模型 MATLAB
AbstractThe thesis mainly aims at studying double-Y shift 30 six-phase permanent magnet synchronous motor,which gets the mathematical model that is used for vector control by coordinate change,this thesis also analyses the application in multi-phase motor drive system of which current control strategy which takes straight axisid=0 as control scheme meanwhile the thesis shows the vector control frame diagram.Secondly,it also analyses that under the MATLAB simulation circumstance,it set up the simulation model of its motor body control and all modules.Finally,by providing basic motor parameter and theory,calculate the parameter used in simulation and take it into simulation verification.The research shows that the control strategy which has been put forward is effective and also verifies the rationality and accuracy of the mathematical model set up and the simulation model set up,which is very helpful for drive study of multi-phase motor in the future.
Key wordsDouble Y shift 30 six-phase permanent magnet synchronous motor Motor drive Multi-phase motor Vector controlMathematical modelMATLAB
當(dāng)前三相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)很成熟,并且在電氣驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場合得到了廣泛的應(yīng)用。然而隨著科技的發(fā)展,在有電力電子變換器供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中其相數(shù)不再受供電相數(shù)的限制,特別在大功率、高可靠性和低直流電壓供電應(yīng)用場合,多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì),因此多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特別適合應(yīng)用于艦船全電力推進(jìn)、電動(dòng)車輛、航空航天和軍事等場合因此多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)開始被國內(nèi)外學(xué)者重視并且得到了廣泛的研究[1,2],但是國內(nèi)多相永磁同步電機(jī)的研究主要在樣機(jī)驗(yàn)證階段,實(shí)際應(yīng)用情況落后于國外,但最近幾年多相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)受到重視,許多科研院所對(duì)其進(jìn)行了研究[3,4]。
相比三相永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),多相永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)低壓大功率外還具有高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn),并且具有廣泛的應(yīng)用前景[5-6]。本文以雙Y移30°六相永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象,首先研究了六相永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算出了其狀態(tài)方程和輸出方程。其次是介紹了用于多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的特殊的矢量控制方式。最后通過仿真結(jié)果分析,驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確和控制策略的有效性以及所建立仿真模型是合理的,這對(duì)以后研究多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)有很大的幫助。
在本文中為了分析方便,假設(shè)多相永磁同步電機(jī)為理想電機(jī)。在磁動(dòng)勢(shì)和功率不變的情況下,六相永磁同步電機(jī)在d/q軸坐標(biāo)系下,其定子側(cè)的磁鏈方程、電壓方程和電磁力矩方程分別如式(1)至式(3):
式中:Ld6,Lq6——d,q軸電感分量。
電機(jī)的機(jī)械方程為:
在上述前提下,可得兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中雙Y移30Lq5六相PMSM電機(jī)的狀態(tài)方程和輸出方程如式(5)和式(6):
式中:ω——ω=ωs/p;J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;TL——外加負(fù)載力矩;θ——電角度;B——阻尼系數(shù)。
本文采用基于id=0的磁場定向控制策略。根據(jù)前面章節(jié)分析可知,如果控制定子電流直軸分量id=0則磁鏈方程如式(7):
電磁轉(zhuǎn)矩方程變?yōu)槿缡剑?):
根據(jù)式(7)和式(8)可以得出,在永磁體磁鏈ψf恒定和極對(duì)數(shù)np為定值的情況下,六相PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流交軸分量iq成正比,所以說控制交軸電流iq的瞬時(shí)值就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值的控制。因此在控制六相PMSM定子電流直軸分量id=0的情況下,六相PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩只和定子電流的交軸分量有關(guān)。通過改變交軸電流分量的值可以獨(dú)立控制電磁轉(zhuǎn)矩從而實(shí)現(xiàn)電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制[7,8]。
在永磁磁鏈和直、交軸的電感確定后,通過控制id和iq便可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩,從而可以控制其轉(zhuǎn)速。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于一定的直交軸電流給定值id'和iq',通過適當(dāng)?shù)目刂?,讓?shí)際的直交軸電流id和iq去跟蹤id'和iq',便可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。具體的實(shí)施方案如圖1所示。
圖1中,基于id=0的PMSM磁場定向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)的工作過程如下,給定轉(zhuǎn)速ω*和實(shí)際轉(zhuǎn)速ω通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的值作為轉(zhuǎn)矩電流的給定值iq*,同時(shí)給定直軸分量id=0,通過控制iq*實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速控制。
4.1 MATLAB/Simulink模型建立
本文所用到的電機(jī)參數(shù)見表1。
表1 電機(jī)參數(shù)
根據(jù)表1的電機(jī)參數(shù)我們可以計(jì)算出以下關(guān)于電機(jī)以及控制方面的參數(shù)如下:
由式(2)至(6)有:iq=iq,id=id,θc=P×θ,
基于id=0的PMSM磁場定向控制系統(tǒng)的總體仿真模型如圖2所示,由于篇幅的問題,各個(gè)子模塊的仿真模型在本文中略去。
4.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果及說明
按給定電機(jī)參數(shù),額定轉(zhuǎn)速為13 000rpm,即rad/s,也即電機(jī)給定轉(zhuǎn)速;同時(shí)為觀察電機(jī)帶載運(yùn)行情況,設(shè)置在0.1s時(shí)電機(jī)突加額定負(fù)載11.75Nm,在此條件下,按照上述建立的模型觀察電機(jī)運(yùn)行情況。仿真結(jié)果如圖3至圖5所示。
從圖3可以看出電機(jī)能夠在仿真啟動(dòng)后的較短時(shí)間內(nèi)(仿真結(jié)果顯示0.012s)上升到給定轉(zhuǎn)速,且上升時(shí)間與iq的限幅值有關(guān),到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后電機(jī)保持恒速運(yùn)行,雖有轉(zhuǎn)速微振,但振動(dòng)幅度不超過0.1rad。
由圖4可以看出,在0.1s即電機(jī)突加額定負(fù)載后電機(jī)交軸電流迅速增加,且根據(jù)前面分析有下面方程所列的關(guān)系:
通過對(duì)比可以看到加額定負(fù)載后電機(jī)交軸電流穩(wěn)定在34A,與理論計(jì)算是符合的。同時(shí)從圖5可以看出,直軸電流id在0A上下波動(dòng),平均值保持為零,這與前面章節(jié)分析的矢量控制理論是一致的。
由圖6可以看出在電機(jī)啟動(dòng)階段電磁轉(zhuǎn)矩能夠保持較大值以迅速拖動(dòng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,穩(wěn)速后在不加負(fù)載的情況下電磁轉(zhuǎn)矩在0上下波動(dòng);突加負(fù)載后電磁轉(zhuǎn)矩迅速跟隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩并達(dá)到相等。
對(duì)比圖4和圖6可以看到交軸電流iq和電磁轉(zhuǎn)矩Te的波形輪廓相同,只是二者相差一個(gè)常數(shù)0.343,這與電機(jī)解耦而實(shí)現(xiàn)矢量控制的原理是吻合的。
由圖7可以看出,電機(jī)定子六相電流在電機(jī)啟動(dòng)、0負(fù)載運(yùn)行和帶額定負(fù)載運(yùn)行階段分別對(duì)應(yīng)不同的幅值,并在各穩(wěn)態(tài)其幅值是保持穩(wěn)定的,且在啟動(dòng)階段電流頻率是增加的,到達(dá)穩(wěn)態(tài)后無論帶載與否其頻率是相等的,這與電機(jī)轉(zhuǎn)速的運(yùn)行規(guī)律是吻合的。
以上仿真結(jié)果說明所建立的六相永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是正確的、仿真模型是合理的,同時(shí)建立的矢量控制系統(tǒng)能夠滿足對(duì)六相永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效的控制。本文所做的工作對(duì)研究多相永磁同步電機(jī)的本體以及其控制都有很好的理論指導(dǎo)。對(duì)多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究有很大的幫助。
[1]于飛,張曉鋒,李槐樹.一種多相永磁同步電動(dòng)機(jī)的最佳轉(zhuǎn)矩控制[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備,2003,07:19~22.
[2]薛山.多相永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究[D].中國科學(xué)院研究生院(電工研究所),2006.
[3]孟超,歐陽紅林,劉鼎等.基于模糊邏輯和重構(gòu)電壓矢量的雙Y移30°PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011(24):59~67.
[4]王永興.多相永磁同步電機(jī)控制技術(shù)研究[D].中國科學(xué)院電工研究所,2013.
[5]HU Tao,WANG Jing-cheng,ZHANG Lang-wen.Regional Coupling based Synchronization Control of Multi-motor Driving TBM Cutterhead System[J].Control Engineering Practice,2015(7).
[6]XIAO Zhicai,WANG Jing,LIU Hua-song,et al.Active disturbance rejection control strategy for symmetrical six-phase and three-phase PMSM two-motor series-connected system[J].Control Engineering Practice,2015(7).
[7]梁波.雙Y移30度永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究[D].湖南大學(xué),2009.
[8]王穎光.六相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué),2009.
Modeling and Simulation Research of Multi-phase Motor Drive System
SI Kai-bo ZHANG Shan-wen YANG Ya-dong
(Xijing University,Xi'an,Shanxi 710123,China)
TM351
A
10.12060/j.issn.1000-7202.2017.03.08
2017-06-08,
2017-10-22
司開波(1983.12-),男,講師,碩士,主要研究方向:嵌入式及信號(hào)處理技術(shù)。
1000-7202(2017)03-0036-05