双凸极永磁电机矢量控制的建模与仿真

1、第9卷第6期潍坊学院学报Vol.9No.62009年11月JournalofWeifangUniversityNov.2009双凸极永磁电机矢量控制的建模与仿真韩星海(潍坊学院,山东潍坊261061)3摘要:对8/6极转子斜槽DSPM,提出了,和方波电流控制相比,电机运行更平稳,调速范围更宽,;DSPM电机矢量控制的有效性和正确性。关键词:双凸极永磁电机;中图分类号:TM351:1671-4288(2009)06-0018-041引言(DSPM)是由美国电机专家LipoTA教授于1990年代初提出的一种新型高效节能电机,基本结构与开关磁阻电机相同,为双凸极结构,转子上无绕组、永磁体,定子齿上装

2、有集中式绕组,但在双凸极永磁电机的定子轭部放了两块永磁体。双凸极永磁电机弥补了开关磁阻电机的不足,具有功率密度高、效率高、结构简单、控制灵活等一系列优点1。与SR一样,DSPM电机也存在转矩脉动问题和弱磁困难。转矩脉动是电动机振动、噪声、速度波动的根源,限制了DSPM电机的应用范围。在文献2中提到通过改变电动机极对数比可以降低转矩图18/6极DSPM电机剖面图均为凸极,转子上既无绕组也无永磁体,定子齿上安放集中式绕组,定子轭部放置了永磁体。图2表明A相绕组中的永磁磁链与位置角的关系。A,B,C,(机械D相的磁链依次相差90°电角度,转子转过60°角)磁链变化一个周期。由图2

3、知A相的永磁磁链为:A=c-mcos(6)式中:A为A相交链的永磁磁链;c为永磁磁链的直流分量;m为磁链的交流分量的幅值。C相的永磁磁链与A相差180°,表达式为:(1)脉动率,文献3通过改变电动机的开关角来降低DSPM电动机转矩脉动率等。这些方法虽然可以降低电机的转矩脉动,但同时会使电机的有效力矩受到不同程度的影响。根据DSPM电机的静态特性和结构,与永磁同步电机相比较,把永磁体假想到转子,得到与永磁同步电机相似的静态特性,建立DSPM电机矢量控制模型,在电机高速运行时,针对反电势升高的特点,提出了弱磁控制的方法,拓宽了电机的调速范围,建立Matlab模型,进行DSPM电机矢量控制

4、系统的仿真和分析,论证了方法的可行性。28/6极斜槽DSPM电机两相运行原理C=c+mcos(6)A相反电势为:eA=dtd(2)磁链的变化率为正弦,即反电势波形也为正弦,(3)其中为机械角速度,把公式(1)代入(3)得:)eA=6msin(6同理可得C相反电势:(4)图1为8/6极DSPM电机的剖面图,定、转子3收稿日期:2009-09-28作者简介:韩星海(1972-),男,山东安丘人,潍坊学院信息与控制工程学院讲师。18第6期韩星海:双凸极永磁电机矢量控制的建模与仿真)eC=-6msin(6(5)则两相反电势分别为:eV=eW=()=12msin6dtd)=-12mcos(6dt转子斜槽

5、后的电感随位置角的变化关系也接近正弦规律,四相的电感波形相同,相位角依次相差90°。假定A相电感为:(10)(11)LA=Lc-Lmcos(6同理可得:)LC=Lc+Lmcos(6程,B、D相分别落后A、C相90°。(6)(7),由式(7)和式(8)得V:=LA+LCc(12)(13)以上只列出了A、C相磁链、反电势和电感的方Lc电机转子永磁体的假想根据DSPM电机两相运行的数学模型,电机的各物理量以空间60°为一个变化周期。为了和永磁同步(PMSM)电机相比较,现把定子上的永磁体假想到转子的齿和槽上,假想后满足电机静态特性、绕组空载反电势与转子位置关系保持不变。

6、由公式(9)知当位置角为零,即转子槽中心与V相定子齿中心重合时,与定子绕组交链的永磁磁链为负的最图28/6极DSPM电机磁链大值,磁链的方向为从定子到转子,如果与永磁同步电机一样定义磁场正方向为从转子到定子,则当为零时,定子绕组交链的永磁磁链为正的最大,则转子槽中心位置相当于PMSM的N极中心位置;根据磁链正方向的定义,当为30°,即转子齿中心与V相定子齿中心重合时,定子绕组交链的永磁磁链为负的最大值,转子齿中心位置相当于PMSM的S极中心位置;其它位置定子绕组交链的磁链随按正弦规律变化。由于电感恒定,可认为空气隙均匀,图3DSPM电机四相变两相这样可等效为表面贴装式PMSM。永磁体

7、假想到转子上所得的DSPM电机的结构与永磁体表面贴装式、两相定子绕组、转子极对数为6的PMSM结构相似,图4为假想为永磁同步电机的结构图,与图1相对应,图中V相、W相就是图相超前V相45°机械角(270°电角度),等同于V相超前W相90°电角度,定义N极中心为d轴,q轴超前d轴,V相定子齿中心定义为V相轴线,逆时针(8)电机工作时,A相和C相通的电流方向始终相反,B相和D相的电流也始终反相3。因此,可以把A相和C相反向连接,B相和D相反向连接,从而实现了两相运行。如图3把A相和C相反向串接相。两相运行时V相磁链等于A相磁链减去C相磁链,由式(1)和式(2)得:V=

8、A-C=-2mcos(6)为标准的正弦波,直流分量不再存在。W相磁链落后V相90°电角度,同理得W相磁后定义为V相,B相和D相反向串接后定义为W1中A相和B相。图4中,若转子逆时针旋转,W为旋转90°为W相轴线,V轴与d轴的夹角为。电机定子两相电流合成的空间矢量和永磁励磁磁场轴线(直轴)之间的夹角,又称转矩角。,都为机械角度的六倍,因此得到图5所示的DSPM电机两相静止和旋转坐标系与磁动势空间矢量图由式(8)知,A相和C相反向串接后,V相磁链链:W=-2msin(6)(9)19潍坊学院学报2009年11月式中:p=,R为一相定子绕组电阻。dt(19)在d、q坐标系内,两相总

9、功率表达式为:P=udid+uqiq图4DSPM电机假想转子永磁体根据上面的功率方程,把相应的参数带入可得DSPM=fiq(20)Te=6fisin()Matlab中的SIMULINK工具箱和电力系统模块4,根据8/6极DSPM电机两相运行的数学模型,建立DSPM电机矢量控制仿真模型。模型主要包括DSPM电机本体模块、电流控制模块、功率逆变模块、速度角度转换模块。5.1基速时仿真电机的额定转速1500rpm,额定转矩为4.775Nm,额定功率为750W,在额定正弦电流幅值为3.3A,电源电压为300V的情况下,仿真结果如图6所示。由图6可知,在额定转速、额定转矩的情况下,电流跟随性好,输出脉动

10、转矩小,从而证实了矢量控制中id=0电流控制方式的可行性。图5DSPM电机磁动势空间矢量图4DSPM电机的矢量控制数学模型d、q轴和矢量i(F)都以iqe转速旋转,因此id、的长短不变,相当于直流磁动势。但V、W轴是静止的,随着时间而变化,i在V、W轴上的分量iV、iW长短也随时间而变化,相当于V、W绕组交流磁动势的瞬时值。由图5可知,iV、iW和id、iq之间存在着以下关系:idi=cos -sin-1iVsin coscos siniiV(14)(a)V相电流(b)W相电流-sin cosiW同理可得:d=Ldid+fq=Lqiq式中:d为d轴磁链;q为q轴磁链;f为一相定子绕组交链的最大

11、永磁磁链;Ld、Lq为d轴和q轴电感。(16)(c)V相转矩(d)W相转矩因为在V相和W相的电感为常数2Lc,在d、q坐标内:Ld=Lq=2Lc(17)(e)合成转矩式(16)为DSPM电机在同步旋转d、q坐标系的磁链方程,同理可得d、q坐标系的电压方程为:ud=pd-qp +idR(18)uq=pq+dp +iqR20图68/6极DSPM电机在转速额定条件下的仿真波形5.2给定id=-1.65A,iq=0的电流全弱磁控制这种控制方式主要是在绕组中通的电流矢量全第6期韩星海:双凸极永磁电机矢量控制的建模与仿真部用于弱磁,没有电流交轴分量的情况下,电机的输出转矩的结果如图7。从图7中可以看出,两

12、相的电流接近正弦波形,由于iq=0,按转矩公式Te=6fiq,输出转矩应为0,合成转矩如图7(e)所示,转矩的平均值为0,而且转矩脉动比较小,验证了弱磁控制理论的正确性。(c)V相转矩)相转矩(a)V相电流(b(e)合成转矩图8电机转速1500rpm,电压300V,绕组通方波电流幅值2.33A时的仿真结果为了比较,把工作方式定在额定工作点,即转速为1500rpm、,电压300V,采用矢量控制时的正弦电流幅值为3.3A,有效值为2.33A,也就是方波电流的幅值。图8为绕组通入方波参考电流时的仿真结果,和图6相比,方波控制时合成转矩的脉动相对较大。绕组中通入方波电流,把两相电流变换到d、q同步旋转

13、坐标系中,既有电流直轴分量id,又有电流交轴分量iq,且两分量时刻在变,这样输出转矩也时刻在变,且电流直轴分量id使电机的永磁体增磁或去磁。6结论(c)V相转矩(d)W相转矩(e)合成转矩图7电机转速3000rpm,电压400V,id=-1.65A,iq=0的仿真结果5.3电流方波控制和矢量控制转矩脉动的比较根据8/6极斜槽转子DSPM电机的静态特性和结构,与永磁同步电机相比较,作了把永磁体假想到转子上的假设,得到与永磁同步电机一样的结构和静态特性,建立DSPM电机矢量控制模型;在电机高速运行时,针对反电势升高的特点,提出了弱磁控制的方法,增大输出转矩,拓宽了电机的调速范围;建立了矢量控制仿真模型并通过仿真验证了理论分析的正确性。(a)V相电流(b)W相电流参考文献:1程明.双