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      雙級矩陣變換器驅(qū)動IPMSM控制策略的研究

      2013-07-02 06:44:48郭旭東黃崗粟梅孫堯
      電氣傳動 2013年2期
      關(guān)鍵詞:階躍定子波形

      郭旭東,黃崗,粟梅,孫堯

      (1.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙410083;2.華自科技股份有限公司,湖南 長沙410013)

      1 引言

      雙級矩陣變換器是一種直接交交電力變換裝置,具有能量可以雙向流通、正弦輸入與輸出電流、 輸入功率因數(shù)可控等諸多優(yōu)良的特性;同時相對于單級矩陣變換器而言,其鉗位電路、控制算法簡單,易于實現(xiàn)整流級的零電流換流。 但雙級矩陣變換器存在最大線性電壓傳輸比相對較低的缺點[1]。

      PMSM 的矢量控制系統(tǒng)以其優(yōu)良的動、 靜態(tài)性能,逐漸成為高性能交流伺服系統(tǒng)的首選方案[2]。雙級矩陣變換器驅(qū)動IPMSM 的弱磁控制充分發(fā)揮了雙級矩陣變換器正弦的輸入輸出電流、輸入功率因數(shù)可控等優(yōu)良特性,并克服了雙級矩陣變換器線性電壓傳輸比較低的缺點,拓展了系統(tǒng)的調(diào)速范圍。 設(shè)計了一套基于TMS320F28335 的雙級矩陣變換器驅(qū)動IPMSM 的矢量控制系統(tǒng),實現(xiàn)了雙級矩陣變換器驅(qū)動IPMSM 的高性能交流調(diào)速。

      2 系統(tǒng)的基本原理與設(shè)計

      2.1 雙級矩陣變換器的調(diào)制策略

      雙級矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。 整流端S1~S6為雙向開關(guān)管。 雙級矩陣變換器的調(diào)制策略類似于普通的雙PWM 型變頻器,也分為兩級控制:其整流端采用PWM 調(diào)制,逆變端采用SVPWM 調(diào)制。整流端的PWM 調(diào)制可以實現(xiàn)雙級矩陣變換器輸入端的單位功率因數(shù),且輸入端的功率因數(shù)在一定范圍內(nèi)可調(diào)。 文獻(xiàn)[3]分析了雙級矩陣變換器的調(diào)制策略,本文不再贅述。

      圖1 雙級矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of two-stage matrix converter

      2.2 IPMSM 的控制策略

      2.2.1 IPMSM 的數(shù)學(xué)模型

      規(guī)定各相繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機慣例和右手螺旋定則,并將IPMSM 的轉(zhuǎn)子磁場方向定向于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d 軸,q軸超前d 軸90°,Clarke 變換的系數(shù)取2/3,得到IPMSM 的數(shù)學(xué)模型[4]如下:

      式中:ud,uq,id,iq,Ψd,Ψq分別為d,q 軸的電壓、電流、 磁鏈;rs為定子電阻; Ld,Lq分別為d,q 軸等效電感;ωe,ω 分別為轉(zhuǎn)子電氣角速度和轉(zhuǎn)子機械角速度;Ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈;np為磁極對數(shù);J為電機的轉(zhuǎn)動慣量;Te,TL分別為電機的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

      2.2.2 IPMSM 的控制策略

      IPMSM 矢量控制的方法主要有:id=0 控制,cos θ=1 控制,恒磁鏈控制,最大轉(zhuǎn)矩/電流控制,弱磁控制,最大輸出功率控制等。

      當(dāng)轉(zhuǎn)速較高、負(fù)載較重時,采用id=0 控制將使得雙級矩陣變換器逆變端過調(diào)制,輸出電壓畸變,影響系統(tǒng)的調(diào)速性能。 所以,當(dāng)雙級矩陣變換器逆變端將要出現(xiàn)過調(diào)制時采用弱磁控制,以拓寬系統(tǒng)的調(diào)速范圍。

      由式(2)可知:調(diào)節(jié)id和iq可以改變定子磁鏈。減小d 軸電流分量id與減小q 軸電流分量iq,都可以達(dá)到減弱磁通的目的。 由式(3)可知:id=0,減小iq,Te將減小,降低了電機在弱磁區(qū)的帶載能力。 對于IPMSM 有Ld<Lq。 由式(3)可知:當(dāng)iq不變,減小id時,Te將會增大,提高了系統(tǒng)在弱磁區(qū)的帶載能力。 因此,采用減少d 軸勵磁電流分量的方法來實現(xiàn)系統(tǒng)的弱磁控制。

      雙級矩陣變換器的最大線性輸出電壓為umax。 通過計算得到輸出的定子電壓為uref。 如果umax≥uref,說明系統(tǒng)還工作在線性調(diào)制區(qū),系統(tǒng)采用id=0 控制。 如果umax<uref,說明系統(tǒng)將工作在過調(diào)制區(qū),系統(tǒng)需采用弱磁控制。 此時,umax與uref的誤差信號經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)d 軸勵磁電流分量的給定idref。 idref可表示為

      式中:kp,ki為PI 調(diào)節(jié)器的系數(shù);uα,uβ為兩相靜止坐標(biāo)系下的定子側(cè)給定電壓。

      式(5)可知:當(dāng)umax<uref時,會調(diào)節(jié)出一個負(fù)的idref去減弱Ψd。 由式(1)可知:在相同負(fù)載和轉(zhuǎn)速條件下減少Ψd,就會減少uq,最終減小uref,使得umax≥uref,保證系統(tǒng)工作在線性調(diào)制區(qū),保證系統(tǒng)擁有良好的調(diào)速性能。

      2.2.3 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

      雙級矩陣變換器驅(qū)動IPMSM 弱磁控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 由圖2可知:矢量控制不是電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制,而是通過控制定子電流間接的控制電磁轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而控制電機的運動規(guī)律。

      圖2 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure block diagram of the control system

      2.2.4 系統(tǒng)控制策略的改進(jìn)

      一套PI 參數(shù)難以滿足電機在全速范圍內(nèi)靜態(tài)性能的要求。 為了解決這一問題,先通過實驗調(diào)試,得到電機在不同轉(zhuǎn)速區(qū)較優(yōu)的PI 參數(shù),然后控制程序根據(jù)給定轉(zhuǎn)速的不同而改變PI 參數(shù),以滿足電機在全速范圍內(nèi)穩(wěn)態(tài)性能的要求。

      在階躍給定轉(zhuǎn)速的情況下,PI 控制器易出現(xiàn)積分飽和,導(dǎo)致轉(zhuǎn)速超調(diào)。 文獻(xiàn)[5]提出使用非線性PI 來改善調(diào)速性能。然而,復(fù)雜的非線性PI 控制律難以應(yīng)用于工程實踐,簡單的非線性PI 控制律的控制效果又不理想。 在仿真和實驗調(diào)試過程中,將轉(zhuǎn)速給定改為斜坡給定,并結(jié)合分段PI 參數(shù)法后,系統(tǒng)的調(diào)速性能得到了極大的改善。

      3 仿真研究

      利用Matlab 仿真工具搭建了系統(tǒng)的仿真模型,以驗證本文所提方案的可行性與有效性。 仿真參數(shù)為:三相輸入LC 濾波器的濾波電感Lf=0.6 mH,濾波電容Cf=30 μF;PMSM 參數(shù)為:rs=2.5 Ω,Ld=8.6 mH,Lq=10.4 mH,極對數(shù)為2;開關(guān)頻率10 kHz。 仿真波形如圖3、圖4所示。

      圖3 雙級矩陣變換器直流電壓的仿真波形Fig.3 DC voltage simulation waveform of two-stage matrix converter

      圖4 n=1 750 r/min 時定子側(cè)Uuv和Iu仿真波形Fig.4 Simulation result of Uuvand Iuwhen speed is 1 750 r/min

      圖5為轉(zhuǎn)速階躍給定時的電機轉(zhuǎn)速波形。圖6為轉(zhuǎn)速斜坡給定加分段PI 參數(shù)法時的轉(zhuǎn)速波形。

      圖5 階躍給定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速仿真波形Fig.5 Simulation result of speed when speed is step-input

      圖6 轉(zhuǎn)速斜坡給定+分段PI 時的速度仿真波形Fig.6 Simulation result of speed when speed is slope given and PI parameters are sectioned

      對比圖5和圖6可知,采用轉(zhuǎn)速斜坡給定和分段PI 參數(shù)法后,IPMSM 轉(zhuǎn)速的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差明顯減少;驗證了本系統(tǒng)的可行性以及改進(jìn)方法的有效性。

      4 實驗研究

      本文設(shè)計了如圖7所示的實驗系統(tǒng)。 雙級矩陣變換器的整流端由12 個分立式IGBT 每2 個共發(fā)射極組成的6 個雙向開關(guān)管搭接而成;逆變端由PM75RLA120 構(gòu)成。 IPMSM 參數(shù)為:額定功率1.5 kW、額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min,其余參數(shù)與仿真參數(shù)一致。 三相輸入LC 濾波器的參數(shù)與仿真參數(shù)一致。 TMS320F28335 和EP2C8T144C8N 完成系統(tǒng)控制算法的計算。

      圖7 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Hardware structure diagram of the system

      圖8為雙級矩陣變換器中間直流電壓實驗波形。 圖9為轉(zhuǎn)速階躍給定加id=0 控制時的轉(zhuǎn)速波形。圖10為轉(zhuǎn)速斜坡給定、分段PI 參數(shù)與弱磁控制相結(jié)合時的轉(zhuǎn)速波形。 對比圖9和圖10可知,采用分段PI 參數(shù)法加轉(zhuǎn)速斜坡給定加弱磁控制后,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程平滑、無超調(diào)、穩(wěn)態(tài)誤差??;而采用id=0 控制加轉(zhuǎn)速階躍給定時,電機的轉(zhuǎn)速超調(diào)大、易失控,當(dāng)轉(zhuǎn)速控制到1 750 r/min 時,轉(zhuǎn)速震蕩嚴(yán)重。 圖11為id=0 控制且轉(zhuǎn)速為1 750 r/min時Uuv和Iu的波形。 圖12為弱磁控制且轉(zhuǎn)速為1 750 r/min 時Uuv和Iu的波形。 對比圖11和圖12可知,采用id=0 控制將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到1 750 r/min時,系統(tǒng)出現(xiàn)過調(diào)制,輸出電壓畸變,轉(zhuǎn)速震蕩嚴(yán)重;采用弱磁控制后,速度控制到1 750 r/min 時的轉(zhuǎn)速很平穩(wěn)且輸出電壓沒有畸變。 實驗結(jié)果充分驗證了本文所提控制方案的有效性。

      圖8 雙級矩陣變換器中間直流電壓Udc的實驗波形Fig.8 DC voltage Udcexperiment waveform of two-stage matrix converter

      圖9 轉(zhuǎn)速階躍給定+id=0 控制時的轉(zhuǎn)速實驗波形Fig.9 Experimental result of speed when speed is step-input and idis equal to zero

      圖10 轉(zhuǎn)速斜坡給定+分段PI+弱磁控制時的轉(zhuǎn)速實驗波形Fig.10 Experimental result of speed when speed is slope given,PI parameters are sectionedandfield-weakeningcontrolisused

      圖11 id=0 控制且n=1 750 r/min 時定子側(cè)的Uuv和Iu實驗波形Fig.11 Experimental result of Uuvand Iuwhen speed is 1 750 r/min and idis equal to zero

      圖12 弱磁控制且n=1 750 r/min 時的Uuv和Iu實驗波形Fig.12 Experimental result of Uuvand Iuwhen speed is 1 750 r/min and field-weakening control is used

      5 結(jié)論

      雙級矩陣變換器驅(qū)動IPMSM 的自動弱磁控制不僅充分利用了雙級矩陣變換器的優(yōu)良性能,而且很好地彌補了雙級矩陣變換器線性電壓傳輸比較低的不足,拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍。 針對IPMSM 階躍給定轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)速超調(diào)大、震蕩厲害、易失控的問題,采用轉(zhuǎn)速斜坡給定和分段PI 參數(shù)法后系統(tǒng)的調(diào)速性能得到了極大的改善。 仿真和實驗結(jié)果充分驗證了本文所提方案的可行性與有效性。

      [1] 粟梅,李丹云,孫堯,等.雙級矩陣變換器的過調(diào)制策略[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(3):47-52.

      [2] 吳茂剛.矢量控制永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

      [3] 粟梅,許新東,李丹云,等.雙級矩陣變換器驅(qū)動異步電機的特性分析[J].中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005,36(4):658-663.

      [4] 劉軍.永磁電動機控制系統(tǒng)若干問題的研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2010.

      [5] 劉見,粟梅,孫堯,等.基于雙級矩陣變換器的永磁同步電機矢量控制[J].電力電子技術(shù),2010,44 (11):65-68.

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