基于改进积分器SVPWM-DTC永磁同步电机系统仿真研究

张 正,郭兴众(安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室,安徽芜湖 241000)

基于改进积分器SVPWM-DTC永磁同步电机系统仿真研究

张 正,郭兴众∗
(安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室,安徽芜湖 241000)

结合空间矢量脉宽调制技术和一种改进的幅值限定补偿积分器,实现永磁同步电机直接转矩控制,通过改进的幅值限定补偿器调整幅值,保证磁链相位恒定,消除定子磁链稳态误差.该方法实现了转矩和磁链的无差控制,提高了磁链观测器精确度和直流电压利用率,使系统性能更加优越.仿真实验证明了控制系统的响应速度更快、转矩脉动更小,性能明显得到改善,同时证明了该模型的有效性.

空间矢量脉宽调制;改进积分器;磁链观测

直接转矩控制(DTC)是近年来一种高性能电机调速方法,具有控制过程直接、计算简单、转矩响应迅速等优点,是交流电机在矢量控制之后的重大理论突破.为了解决在传统的直接转矩控制系统中磁链估算偏差大和转矩脉动明显的缺点,在基于改进积分器SVPWM-DTC方法中,采用空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)[1]和改进的幅值限定积分器[2],提高了直接转矩控制方法的控制性能,有效地限制磁链估算中幅频和相频产生的偏差,较好地消除转矩脉动的影响[3].针对基于改进积分器的SVPWM-DTC永磁同步电机系统[4]进行仿真研究,与传统的SVPWM直接转矩控制仿真对比,从而实现仿真验证.

1 空间矢量脉宽调制技术的基本原理

SVPWM以三相对称正弦波电压供电时交流电动机产生的理想圆形磁链轨迹为基准,用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁链圆,从而达到较高的控制性能[5].SVPWM控制技术是将逆变器与交流电机作为一个统一整体,控制逆变器的工作需要通过跟随圆形基准旋转磁场.

根据三相逆变器的不同开关状态得出8种电压空间矢量,6个非零电压矢量U1(100)、U2(110)、U3(010)、U4(011)、U5(001)、U6(101)和2个零电压矢量U7(000)、U8(111).SVPWM利用6个非零电压矢量把磁链轨迹分为6个扇区,如图1所示.

空间电压矢量合成图如图2所示.以第2扇区为例,按伏秒平衡原则合成等效矢量,则有:

式中,T为脉宽调制周期;T1为U2作用时间;T2为U3作用时间;T0为U7或U8的作用时间.

2 改进的幅值限定补偿积分器的原理和构造

改进的幅值限定积分器的结构如图3所示.反电势为输入变量信号,定子磁链为输出变量信号.

永磁同步电机直接转矩控制的磁链观测值是在两相静止坐标系下计算出的.从图3中可知,该磁链观测器由前向通道和反馈通道组成.这种改进积分器可以通过式(3)表示:

式中,esα、esβ为积分器输入信号;ωc为输入信号截止频率;ψsα1、ψsβ1为输出反馈磁链信号;ψsα、ψsβ为输出磁链信号.

改进积分器获得了一阶惯性滤波器和纯积分器的优点,提高了磁链估算的精度.当电机高速运行时,反馈信号近似为0,则反馈通道的补偿量为0,反馈通道失效,磁链观测只由一阶惯性滤波器决定.一阶惯性滤波器能防止直流偏移,得到较好的观测结果.因此,在电机高速运行时,此改进积分器起到一阶惯性滤波器的效果.

当电机低速运行时,改进积分器通过反馈通道采取补偿和降低输出磁链的直流分量.若反馈磁链的幅值没有到达磁链限定值,那么补偿磁链与实际磁链相等,即ψsα1＝ψsα1,ψsβ＝ψsβ1,则可将式(1)简化得:

式中,esα、esβ为积分器输入信号;ψsα、ψsβ为输出磁链信号.

此时,改进的幅值限定补偿的积分器和纯积分器独立作用的效果相同,可以限制由纯积分初值导致输出直流偏移.如果反馈磁链幅值超过了饱和限幅L,则ψsα1＝L cosθs,ψsβ1＝L sinθs.在永磁同步电机直接转矩控制中,通过使饱和限幅值L等于给定定子磁链幅值,从而防止了补偿不够或过度补偿情况的出现.

改进的幅值限定补偿积分器具有一阶惯性滤波器的优点,并且电机的高低速运转时都可以实现定子磁链观测,是一种可靠的改进磁链观测器.

3 基于改进积分器的SVPWM-DTC系统仿真

综上所述,在Matlab7.0/Simulink软件环境下,建立基于改进积分器的SVPWM-DTC系统的仿真模型如图4所示,并与传统的永磁同步电机空间矢量脉宽调制技术直接转矩控制系统进行比较分析[6],仿真系统中永磁同步电机参数如表1所示.

表1 正弦波永磁同步电机参数(PMSM)

由两种不同直接转矩控制系统产生的磁链轨迹图如图5、图6所示.由图5、图6可以看出,采用基于改进积分器的SVPWM-DTC得到的磁链轨迹更加圆滑,能较好地抑制磁链偏移.由两种不同直接转矩控制系统产生的转速响应波形如图7、图8所示.由图7、图8可以看出,采用基于改进积分器的SVPWMDTC得到的转速响应波形响应速度更快、更加平稳.由两种不同直接转矩控制系统产生的转矩波形图如图9、图10所示.由图9、图10可以看出,采用改进积分器的SVPWM-DTC得到的转矩波形更加平稳,且脉动变小近一半.

4 结语

对改进积分器的SVPWM-DTC系统模型进行仿真分析,并与传统的空间矢量脉宽调制技术直接转矩控制系统进行比较.改进的积分器能有效解决磁链波形畸变的问题,对磁链相位没有影响,提高了磁链观测器输出信号的质量.基于改进积分器的SVPWM直接转矩控制系统,明显改变了传统直接转矩控制中圆形磁链轨迹波动的问题,磁链轨迹更加光滑,转矩脉动小.通过仿真发现,基于改进积分器的SVPWM直接转矩控制系统取得了很好的效果.

[1] 杨贵杰,孙力,崔乃政,等.空间矢量脉宽调制方法的研究[J].中国电机工程学报,2001,21(5):79-83.

[2] J Hu,B Wu.New integration algorithms for estimating motor flux over a wide speed range[J].IEEE Trans.Power E-lectronics,1998,13(5):969-977.

[3] 郭兴众.采用滞环调节的直接转矩控制系统新型建模研究[J].电子测量与仪器学报,2008,22(3):16-20.

[4] 李春生,孟昭军.永磁同步电动机直接转矩控制[J].自动化应用,2015,5:76-77.

[5] 张雪英,李文斌.基于SPWM的永磁交流调速系统仿真研究[J].中国农机化学报,2015,36(3):225-228.

[6] 谢运祥,卢柱强.基于Matlab/Simulink的永磁同步电机直接转矩控制仿真建模[J].华南理工大学学报,2004,32(1): 19-23.

Simulation of SVPWM-DTC of permanent magnet synchronous motor based on modified integrator

ZHANG Zheng,GUO Xing-zhong∗
(Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices, Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

The method of direct torque control of permanent magnet synchronous motor can be achieved by using space vector pulse width modulation and a modified integrator with an amplitude.The integrator can adjust amplitude,keep the angle unchanged and avoid other mistakes to the steady state flux.The method realizes no difference control on torque and flux,improves the precision of flux observer and utilization percent of direct voltage,and makes system performance superior.Simulation and experiments show that the performance of control system is greatly improved,it gets faster response speed and smaller torque pulsation.The significance of the model is proved.

SVPWM;modified integrator;flux estimator

TM301.2

A

1672-2477(2015)05-0041-05

2015-07-08

安徽省自然科学基金资助项目(1408085ME105);芜湖市科技计划基金资助项目(2014cxy06)

张 正(1990-),男,江苏连云港人,硕士研究生.

郭兴众(1962-),男,安徽阜阳人,教授,硕导.