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一種新型的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法

2019-06-11 03:39崔兆蕾牽長(zhǎng)云徐曦錢(qián)烈江
關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī)

崔兆蕾 牽長(zhǎng)云 徐曦 錢(qián)烈江

摘要:針對(duì)永磁同步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中氣隙磁場(chǎng)畸變和逆變器非線性因素導(dǎo)致的永磁電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題,提出了一種基于諧振調(diào)節(jié)器和諧波注入抑制永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法。分析了永磁電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的諧波數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了基于諧振調(diào)節(jié)器的前饋控制環(huán)節(jié)、諧波提取算法和諧波電壓注入算法。最后在Simulink仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了仿真分析,成功的抑制了電機(jī)中的電流諧波含量,減小了電流的失真度,改善了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平滑性,驗(yàn)證了諧振調(diào)節(jié)器前饋控制和諧波注入抑制算法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī);轉(zhuǎn)矩脈動(dòng);電流諧波抑制;諧振調(diào)節(jié)器;諧波注入

中圖分類(lèi)號(hào):TM351

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

永磁同步電機(jī)由于擁有體積小、噪聲小、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[1,2]。但是因?yàn)殡姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)矩性能的限制,導(dǎo)致很多高精度產(chǎn)業(yè)對(duì)電機(jī)的需求不能夠被滿足。

經(jīng)過(guò)分析知道影響電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平滑性的主要原因是電機(jī)內(nèi)部存在的高次諧波,而造成電機(jī)內(nèi)部存在高次諧波的原因主要有兩方面:(1)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的氣隙磁場(chǎng)畸變引起的諧波;(2)構(gòu)成逆變器的電力電子器件不是理想器件,存在導(dǎo)通壓降。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家針對(duì)電機(jī)本身引起的諧波問(wèn)題提出的解決方案主要包括改變轉(zhuǎn)子永磁體參數(shù)[3,4]、改變定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[5]和改變極槽配合[6]等方法對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行削弱。對(duì)于逆變器在電流逆變過(guò)程中存在的諧波問(wèn)題主要的解決方案有無(wú)死區(qū)開(kāi)關(guān)控制法[刀、電壓補(bǔ)償法[8]、時(shí)間補(bǔ)償法[9]。但是傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法都存在電流過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題[10],導(dǎo)致對(duì)逆變器工作過(guò)程中存在的導(dǎo)通壓降和續(xù)流壓降的補(bǔ)償效果并不好。并且以上方法過(guò)于復(fù)雜,不易于被廣泛應(yīng)用。

針對(duì)以上方案存在的問(wèn)題,提出了一種新的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法,在電流環(huán)并聯(lián)諧振調(diào)節(jié)器構(gòu)成前饋調(diào)節(jié),再通過(guò)注入諧波電壓的方法消除諧波電流,從而達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果。諧振調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流諧波的前饋調(diào)節(jié),它被廣泛應(yīng)用于PWM整流器[11]和逆變器[12]中。文中設(shè)計(jì)了諧波電流提取模塊,通過(guò)諧波電流提取算法來(lái)得到諧波電流,然后經(jīng)諧波電壓算法運(yùn)算得到注入電壓,最后通過(guò)諧波補(bǔ)償算法來(lái)抵消電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在的5次和7次諧波電流,從而消除了電機(jī)中含有的6次諧波轉(zhuǎn)矩。另外通過(guò)諧振調(diào)節(jié)器消除12次諧波轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。該算法已經(jīng)在仿真平臺(tái)上證明了它的可行性。

2 永磁同步電機(jī)諧波模型

永磁同步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)軸系下的電壓方程為:

從(4)式中可以看出,電機(jī)在理想狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),只含有直流分量不含高次諧波分量,但由于到PMSM在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,電機(jī)本身原因會(huì)引起氣隙畸變,從而導(dǎo)致電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)存在高次諧波,致使電機(jī)運(yùn)行性能下降。另外,由電機(jī)的本身結(jié)構(gòu)分析可知,電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不存在偶次諧波分量和3次及3的整數(shù)倍次諧波分量,由于運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的5次諧波電壓矢量的方向與基波電壓矢量的方向相反,可以寫(xiě)出電機(jī)三相電壓的表達(dá)式,如式(5)所示。

同理,將三相靜止坐標(biāo)系下的三相電流進(jìn)行功率不變?cè)瓌t變換到兩向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,可以得到坐標(biāo)系下的電流表達(dá)式,如式(7)所示。

由永磁電機(jī)的諧波數(shù)學(xué)模型可以知道永磁電機(jī)內(nèi)部存在的諧波主要包括逆變器產(chǎn)生的高次諧波分量和永磁體氣隙磁場(chǎng)畸變?cè)斐傻闹C波分量?jī)刹糠帧?/p>

3 諧波抑制算法

通過(guò)以上分析,知道影響電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平滑性的主要是電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在的6次和12次諧波轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。諧波抑制算法包括諧波注入抑制算法和基于諧振調(diào)節(jié)的前饋控制環(huán)節(jié)。諧波抑制原理是經(jīng)諧波提取算法提取。然后通過(guò)低通濾波器消除基波外的其他高次諧波后獲得5次諧波和7次諧波電流分量,然后再經(jīng)過(guò)諧波電壓計(jì)算算法獲得諧波電壓,最后經(jīng)諧波補(bǔ)償算法轉(zhuǎn)換得到補(bǔ)償電壓‰om、u βcom后,注入SVPWM三相調(diào)制電壓中抵消經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)變后輸出電流中的高次諧波,達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果。

2.1 諧波注入抑制算法

諧波電流的提取算法主要包括空間坐標(biāo)變換模塊和低通濾波模塊,三相電流通過(guò)坐標(biāo)變換得到5次和7次dq坐標(biāo)系下的電流,然后通過(guò)低通濾波模塊得到5次和7次諧波電流。它的模塊框圖如圖1所示。

從式(9)中看出5次諧波電壓的數(shù)學(xué)模型中含有交流分量,去掉其中的交流成分可以得到5次諧波的穩(wěn)態(tài)電壓方程,如式(10)所示。

同理,通過(guò)將式(8)的諧波數(shù)學(xué)模型進(jìn)行坐標(biāo)變換得到7次d-q坐標(biāo)軸系下的7次諧波數(shù)學(xué)模型,求出不含交流成分的7次諧波的穩(wěn)態(tài)電壓方程,如式(II)所示。

針對(duì)以上分析,可以求出5次諧波和7次諧波注入電壓,由于電機(jī)的5次、7次諧波穩(wěn)態(tài)電壓與定子繞組、直軸電感和交軸電感有關(guān),所以根據(jù)穩(wěn)態(tài)電壓方程可以得到它的控制模型,如圖2所示。

在實(shí)現(xiàn)PMSM的5次諧波和7次諧波穩(wěn)態(tài)電壓計(jì)算中,諧波電壓計(jì)算算法在交叉計(jì)算環(huán)節(jié)加入了PI控制器,使計(jì)算變的更加精確。然后經(jīng)過(guò)諧波電壓計(jì)算算法運(yùn)算得到相應(yīng)的諧波電壓分量,最后經(jīng)過(guò)諧波電壓補(bǔ)償算法轉(zhuǎn)換得到M эcom和uβcom然后補(bǔ)償?shù)絊VPWM環(huán)節(jié)上,諧波電壓補(bǔ)償算法如圖3所示。

2.2 基于諧振調(diào)節(jié)器的前饋控制

通過(guò)注入諧波電流抑制電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的同時(shí)也在電流環(huán)并聯(lián)諧振調(diào)節(jié)器改善電流中存在的諧波分量,諧振調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如式(12)所示。

式中:為諧振頻率,為比例系數(shù)。

從式(6)中可以知道影響電機(jī)運(yùn)行中諧波的主要是dq軸中含有的6次和12次電流諧波,諧波調(diào)節(jié)器主要以抑制12次諧波為主,基于諧振調(diào)節(jié)器的電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2.3 PMSM控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)的前饋控制采用諧振調(diào)節(jié)器并聯(lián)PI控制器,在保證更好的調(diào)節(jié)電流環(huán)的同時(shí)還可以擁有更大的增益,提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的跟蹤性,并且還可以消除電機(jī)中電流的諧波含量,改善電機(jī)的輸出性能。永磁同步電機(jī)整體的系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

4 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該算法的準(zhǔn)確性和有效性,在Simulink仿真平臺(tái)上進(jìn)行了加入諧波抑制算法和未加入諧波抑制算法的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的仿真對(duì)比分析。

4.1 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析

在給定轉(zhuǎn)速n= 300 r/min時(shí),在t=0.03 s時(shí)加入轉(zhuǎn)矩5 N.m,分別對(duì)加入算法前后電機(jī)中的三相電流和輸出轉(zhuǎn)矩做了仿真分析,具體的效果對(duì)比圖如圖6所示。

從圖6的(a)和(b)比較中可以看出算法加入前三相電流的脈動(dòng)非常大,三相電流失真度比較高,振蕩嚴(yán)重,加入諧波抑制算法后,波形獲得了明顯的改善,說(shuō)明該算法對(duì)電流的改善效果比較好,可以顯著提高電機(jī)中電流的正弦效果,使電機(jī)擁有更好的性能。從(c)和(d)的對(duì)比中可以看出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到了明顯的抑制,圖(c)中電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩震蕩幅度比較大;圖(d)中的輸出轉(zhuǎn)矩的震蕩幅度明顯降低,輸出轉(zhuǎn)矩的平滑性得到了明顯的提高。在圖(c)和圖(d)的比較中可以看出后者的轉(zhuǎn)矩波形比前者在震蕩幅度上大大減小。在經(jīng)過(guò)該算法調(diào)節(jié)后電機(jī)中電流和輸出轉(zhuǎn)矩的畸變率都獲得了很好的抑制,電機(jī)的整體性能得到很好的提高,并且輸出轉(zhuǎn)矩?fù)碛泻芎玫母櫺浴?/p>

4.2 諧波含量分析

除了對(duì)電機(jī)的基本運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比分析外,還將電機(jī)輸出的相電流進(jìn)行快速傅里葉變換,檢測(cè)了電流中的諧波含量。沒(méi)有加入算法前電流的諧波含量較高,在電流波形的波峰和波谷處失真嚴(yán)重,波形的平滑度較低。在加入諧波抑制算法后電流波峰和波谷處的失真度有了明顯的降低,并且電流的圓滑度有了顯著提高,波形得到了明顯的改善,電流中的諧波含量有了明顯的減少。

從圖7 (a)和(b)的FFT對(duì)比分析中看出,5次和7次諧波的抑制效果非常明顯,電流的5次和7次諧波含量分別從8.33%降到0.72%和5.78%降到了0.33%,并且加入諧波抑制算法后電機(jī)的THD總量有了大幅度的減少。

電機(jī)調(diào)速狀態(tài)如圖8所示,電機(jī)0轉(zhuǎn)矩啟動(dòng),大約在0.02秒系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定,在0.03秒加入轉(zhuǎn)矩后很快就調(diào)整到了給定轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)效果良好,且跟蹤性強(qiáng),最后穩(wěn)定在300 r/min,電機(jī)的運(yùn)行性能良好。

4 結(jié)論

針對(duì)永磁電機(jī)控制系統(tǒng)中存在的諧波轉(zhuǎn)矩問(wèn)題,提出了一種基于諧振調(diào)節(jié)器前饋調(diào)節(jié)和注入諧波電流相結(jié)合的方法抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),得出了以下結(jié)論。

1)通過(guò)分析永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行狀態(tài),推到出了永磁電機(jī)的諧波數(shù)學(xué)模型和5次、7次諧波穩(wěn)態(tài)電壓。

2)根據(jù)推導(dǎo)出的永磁電機(jī)諧波數(shù)學(xué)模型和5次、7次諧波穩(wěn)態(tài)電壓數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了諧波電流提取算法、諧波電壓注入算法、諧波電壓補(bǔ)償算法和諧振調(diào)節(jié)器前饋控制環(huán)節(jié),達(dá)到了電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

3)該算法經(jīng)仿真驗(yàn)證,成功抑制了諧波電流,改善了輸出轉(zhuǎn)矩的平滑性,避免了傳統(tǒng)電壓補(bǔ)償方法電流過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)不準(zhǔn)確等問(wèn)題,證明了它的可行性和有效性。

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