直接转矩控制在开关磁阻电机中的应用与研究

1、2008, 35(2控制与应用技术EM CA 直接转矩控制在开关磁阻电机中的应用与研究王勉华, 梁媛媛, 宋景哲, 李利(西安科技大学电气与控制工程学院, 陕西西安710054摘要:阐述了开关磁阻电机(SR M 直接转矩控制(DT C 策略的原理, 指出直接转矩控制的核心在于电压矢量的选择及开关表的建立, 给出了DTC 在SR M 中应用的具体实现方法。对基于直接转矩控制策略的SR M 电机转矩控制进行了仿真及试验研究。仿真结果表明, 这种策略能够较好的抑制转矩脉动, 系统动静态特性良好, 实现方法简单。关键词:开关磁阻电机; 转矩脉动; 直接转矩控制中图分类号:T M301. 2T M352

2、文献标识码:A 文章编号:167326540(2008 0220025204Research of D i rect Torque trol to Sw itched WAN G I AN G J ing 2zhe, L I L iof Xi an University of Science andTechnol ogy, Xi an 710054, China Abstract:It is p resented a strategy of direct t orque contr ol which is app lied t o s witched reluctance mot ors .

3、Thecore of this strategy is the op ti on of voltage vect or and how t o establish the s witch list . The s pecific sche me of this strategy is p r oposed and then si m ulati on experi m ent is carried out . The si m ulati on results verify that this strategy can restrain t orque ri pp le well and th

4、e syste m has all right dyna m ic state and static state .Key words:sw itched reluct ance m otor; torque r i pple; d i rect torque con trol0引言开关磁阻电机(SRM 结构简单、坚固, 制造成本低, 调速范围宽, 有较高的系统效率, 是可变速驱动系统中极具潜力的新成员1。但是SR M 的双凸极结构和开关形式的供电电源, 导致了转矩脉动的产生。转矩脉动对电动机运行过程中的振动和噪声有着很大的影响, 对SR M 应用领域的进一步扩大产生了阻碍作用。因此, SRM

5、 转矩脉动抑制的研究一直受到人们的重视。本文提出了一种控制策略, 把交流电机中成熟的直接转矩控制策略用于SRM 中, 对SR M 的输出转矩进行直接控制, 把转矩控制在一个滞环带内。1直接转矩控制直接转矩控制(DT C 的基本思想就是要保持定子磁链幅值基本恒定, 通过调整定子磁链与转子磁链的相角来控制转矩的增加与减少, 从而把转矩控制在一个给定大小的滞环宽度内5。用此方法来对SRM 的转矩进行直接控制, 可以有效减少转矩脉动6。1. 1控制定子磁链的幅值SR M 每相的电压方程式:U =R i +d t(1式中:U, R, i 依次是电机定子相电压、相电阻和相电流;电机转子转过的角度; (,

6、i 电机定子的相磁链。整理式(1 可得(d t=U -R i(2SR M 同普通交流电机一样, 定子电阻很小,可忽略不计。由=u t , 可以看出, 定子磁链变化幅值与定子电压和定子所加电压的时间有52 控制与应用技术EMCA2008, 35(2 关, 定子磁链增加的方向与所加电压方向一致。所以, 如果能对这个电压进行合理控制, 定子磁链就可以控制在一个给定的滞环带宽度内, 保证定子磁链幅值的基本恒定。 SRM 运行遵循磁阻最小原理(磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合 。当定子某相通电时, 转子就要向磁阻最小位置移动。即:让转子的主轴线与定子磁场的轴线重合, 当转子磁极与定子激磁相重合时, 电磁转

7、矩便会消失。SR M 是通过功率变换器按照一定的规律依次给定子绕组各相通电, 来使转子转动的, 所以加在定子每相上的电压, 是通过功率变换器开关管的导通与关断来控制的。而控制开关管的导通与关断是很方便的。以三相6/4SRM为例, 其功变换器结构如图1所示。 图1SR M 的变换器结构图1中, 每相由两个主开关管和两个续流二极管组成。以A 相为例:T1、T2两管均导通时, A 相通电, 通电电压为正, 定义为开关状态“1”; T1管关断, T2管导通时, A 相通过T2、D2构成闭合回路短路, 电压为零, 定义为开关状态“0”; T1、T2两管均截止时, A 相通过通过二极管D1、D2构成闭合回

8、路续流, 电压为负, 定义为开关状态“-1”。在每一个确定的时刻, 每相绕组都因开关状态的确定而有一个确定的电压状态, 三相绕组公共作用就形成了一个空间电压矢量。在不同的时刻, 每相选择不同的开关组合, 就会确定出不同的空间电压矢量。所以通过对每相开关状态的控制, 就可以控制加在定子相绕组上的空间电压。由前所述, 通过控制这个电压, 就可以控制磁链。选用6个有效的开关状态, 每个开关状态对应的空间电压矢量如图2所示。根据DTC 的原理磁链增加的方向跟所加电压矢量的方向相同(即定子空间磁链矢量的矢头沿着所加空间电压矢量的方向运动 , 如果定子空间磁链矢量处在区间N =1内(如图2所示 , 那么选

9、择开关S 2、S 6均可使磁链增加; 当磁链幅值增加到滞环上限值时, 选择开关S 3、S 5均可使磁链减少(图中虚线所示为定子磁链空间矢量的运动轨迹 。依此方法类推, 在区间N =k 内(k =1, 2, , 6 , 选择开关S (k +1 、S (k -1 , 可以使磁链增加; 选择开关S (k +2 、S (k -2 , 可以使磁链减少。图2开关矢量及磁链滞环控制1. 2调整定子磁链相位SR M 的转矩方程与交流电机的转矩方程有所不同, 推导过程如下:从电源传到磁场的有功功率为P eff =U e i =(U -R i i 。把式(1 代入, 可得P eff =d t =i d t +id

10、 t (3 这些有功功率的一部分要输出到负载转矩,转成机械能W m 做功; 还有一部分做为磁场储能W f 。在某一微分时间d t 内,W e =P eff d f =i d i +d =W m +Wf(4在某一个时刻, 电流视为定值, 则电机的瞬时转矩T 为:T =d W m d =d (W e -W f d =d W e d -d W fd =-d W f d(5 由于SR M 的高度磁饱和性, 转矩公式中的第二项一般非常小, 即62 2008, 35(2控制与应用技术EM CA T (6SRM 每相绕组都是单极性驱动, 所以SR M的每相电流都是正的6。从式(6 可以看出, 转矩符号完全由

11、磁链的偏微项的符号决定。如果定子磁链对转子角度的变化率为正, 则转矩符号为正, 转矩增加; 反之, 如果定子磁链对转子角度的变化率为负, 则转矩符号为负, 转矩减少。由于SR M 是同步电机, 所以定子磁链与转子磁链是同步的, 当定子磁链矢量相对于转子角度变化率为正时, 表明定子磁链有超前于转子磁链的趋势; 当定子磁链矢量相对于转子角度变化率为负时, 表明定子磁链有滞后于转子磁链的趋势。即:定子磁链矢量有超前于转子磁链趋势时, 转矩增加; 定子磁链矢量有滞后于转子磁链趋势时, 转矩减少。所以, 可以通过控制定子磁链来有效的控制转矩根据上节所述, 由, 如果定子磁链在区间N =, 选择开关S 2

12、、S 3(如图2中虚线所示 , 定子磁链都将会有超前于转子磁链的趋势, 使转矩增加; 而选择开关S 6、S 5, 定子磁链将会有滞后于转子磁链的趋势, 使转矩减少。依此方法类推, 在区间N =k 内(k =1, 2, , 6 , 选择开关S (k +1 、S (k +2 , 可以使转矩增加; 选择开关S (k -1 、S (k -2 , 可以使转矩减少。综上所述, 本系统的开关表如表1所示。用“0”表示转矩或磁链的减少, “1”表示其增加。表1开关磁阻电机直接转矩控制开关表状态N 1N 2N 3N 4N 5N 600S 5S 6S 1S 2S 3S 401S 6S 1S 2S 3S 4S 51

13、0S 3S 4S 5S 6S 1S 211S 2S 3S 4S 5S 6S 12直接转矩控制的MAT LAB 仿真使用MAT LAB 软件对60k W 三相6/4结构SRM 直接转矩控制系统进行仿真(如图3所示 。12N m 、0. 36, 与给定值进, , 得到转矩和磁链值; 根据开关表选择相应的开关矢量去驱动变换器的主开关管, 导通电机相应的相, 使得电机旋转。3仿真结果及分析通过对DTC 和电流斩波控制方法的仿真结果进行比较, 可以看出, DT C 达到了“保持定子磁链幅值基本恒定”的目标, 磁链轨迹是一个圆形, 图3开关磁阻电机直接转矩控制仿真图72 控制与应用技术EMCA2008,

14、35(2 并且磁链的幅值变化被限定在滞环宽度内(如图4(a 所示 。这远远好于电流斩波控制方法得到的磁链轨迹(见图4(b 。(a 直接转矩控制 (b 常规控制图4磁链轨迹圆形的磁链能降低电机损耗及转矩脉动, 所 以DTC 的转矩脉动会小于电流斩波控制的转矩波动。当转速从0上升到300r/min 时, 两种控制方法得到的转矩波形分别如图5所示。仿真结果 (a 直接转矩控制 (b 电流斩波控制图5转矩波形表明, DTC 的转矩脉动远远小于电流斩波控制的转矩脉动。DTC 是对转矩的直接控制, 系统对转矩的响应速度也是一个重要的指标。在0. 1s 时给定转矩发生一个突变, 由12N m 突变到4N m

15、 , 并在0. 2s 时恢复, 仿真结果如图6所示。试验结果表明, 当转矩发生变化时, 转矩脉动不受影响。把转矩波形(见图6(a 的时间轴拉开来看, 转矩的响应时间很短, 不到0. 0001s (如图6(b 与图6(c , 满足系统对转矩的快速性要求。(b 0. 1s时的转矩波形(c 0. 2s 时的转矩波形图6给定转矩发生突变时的转矩波形4结语DTC 的实质, 是通过对施加在电机定子上的空间电压矢量的加入时刻和加入时间长短的控制, 来保持定子磁链幅值基本恒定; 通过控制定子磁链相对于转子磁链的变化来控制转矩的增加与减少, 从而把转矩控制在一个给定大小的滞环宽度内, 达到对转矩的直接控制。仿真

16、结果表明, 将DTC 策略用在SR M 上, 有(下转第36页82 变频与调速EMCA2008, 35(2 频器对电机多变量的操作却是由ALTERA 2EP M7128S LC84215芯片集成控制实现的。也就是说, 一、二号电机的变频器控制是各自独立的, 而他们的控制指令是由ALTERAEP M 27128S LC84215芯片统一发布的。系统的硬件结构框图如图6所示。 图6硬件结构框图根据多电机变频调速系统构成图及状态转移和控制指令图可知, 当顾客的需求有所改变时, 企控制程序, , 化方向发展迈出了一大步。4结语系统的软、硬件调试完成后, 连接了两套交流异步电机, 在空载条件下进行了不同

17、转速的调速、换向和自动停机试验。试验结果表明, 该系统完全可以实现设计要求, 运行状态良好。由理论分析和试验分析可得出以下结论:(1 选用CP LD 作为系统的主要控制部分可以为企业在产品研发、性能改进和提高设备智能化程度方面大大节约成本, 缩短研发及改进周期。(2 电机系统中采用变频器方式实现调速、换向和自动停机, 是提高设备生产效率、降低能耗的一种非常有效的途径。(3 系统在对多交流电机进行变频调速时, 可以根据企业生产工况的变化修改控制程序, 可实现多交流电机的同步控制、异步控制和协同控制等控制策略。【参考文献】1彭天好, 徐兵, . J ., (2 :2152221.2, , , .

18、J .热能动力工程, 2003(5 :4392444.3侯伯亨, 顾新. VHDL 硬件描述语言与数字逻辑电路设计M.西安:西安电子科技大学出版社,2004.4廖裕平, 陆瑞强. CP LD 数字电路设计使用MAX +p lusIIM.北京:清华大学出版社, 2002. 5Dueck R K . 数字系统设计2CP LD 应用与VHDL 编程M.张春译. 北京:清华大学出版社, 2005.6W akerly J F . D igital design p rinci p les and p racticesM.北京:机械工业出版社, 2003.收稿日期:2007205210(上接第28页效的控制了转矩和磁链, 使系统的动静态性能良好, 解决了传统控制方法转矩脉动大的问题, 并且实现简单。【参考文献】1王宏华. 开关磁阻电动机调速控制技术M.北京:机械工业出版社, 1998.2Sahoo N C, Xu J X, Panda S K . Low t orque ri pp le con 2tr ol of s witched reluctance mot ors using iterative learn 2ingJ .I EEE Trans on Energy Conversi on, 2001,