永磁直线同步电动机直接推力控制系统研究_赵丽君

收稿日期:2003-07-08基金项目:辽宁省教育厅科技攻关项目(2004D049)作者简介:赵丽君(1980-),女,辽宁盘锦人,硕士生.文章编号:1000-1646(2005)03-0284-04永磁直线同步电动机直接推力控制系统研究赵丽君,崔皆凡,王成元(沈阳工业大学电气工程学院,沈阳110023)摘 要:分析了永磁同步电动机直接转矩控制原理,在此基础上建立永磁直线同步电动机的直接推力控制系统的数学模型,对系统的推力控制和磁链控制进行了理论研究.根据电磁推力及初级绕组磁链的实际值与各自参考值之差,选择合适的电压矢量,实现直线电机直接推力控制.针对整个控制系统中的一些关键环节的实现方法进行了详细介绍,从理论上对直线电机直接推力控制系统的可行性进行了研究.用MA T LAB/SIM U L IN K对整个直接推力控制系统进行仿真,验证所设计的控制系统的正确可行.关 键 词:永磁直线同步电动机;直接转距控制;直接推力控制;磁链;仿真中图分类号:T M359.4 文献标识码:AStudies on direct-thrust-control ofpermanent magnetic linear synchronous motorZHAO L-i jun,CU I Jie-fan,WANG Cheng-yuan(School of Electrical Engineer ing,Shenyang University of T echnology,Shenyang110023,China)Abstract:This paper presented a direct torque control principle for the permanent magnetic synchronous motor.M athematical model of the permanent magnetic linear synchronous motor was further described on the basis of the principle proposed here.The thrust control and flux linkage control were studied.In order to implement direct trust control,voltag e vectors were selected in the system according to the error betw een the true values and their reference of the trust and primary flux linkage.Moreover this paper introduced the realization of some key parts for the control system and analyses the feasibility of direct thrust control of the linear motor.Simulations w ith SIMULINK of MATLAB have been given to demonstrate validity of the control system.Key words:permanent magnetic linear synchronous motor;direct torque control;direct thrust control;flux linkage;simulation异步电动机直接转矩控制的基本思想是在维持定子磁链幅值恒定的前提下,通过调解定子磁链的旋转速度,进而调整滑差频率以控制转矩及转速.这种方法的特点是控制结构简单,动态响应好.它应用空间矢量分析,采用定子磁场定向,借助于离散的两点式调节(Bang-Bang控制)产生PWM信号,直接对逆变器开关状态进行控制.不需要将交流电机与直流电机作比较,等效及转化,省掉了坐标变换和复杂的计算[1].基于直接转矩控制的优点,建立直线电机直接推力控制的数学模型,直接控制电机的推力,并且对初级绕组磁链的估计仅涉及到初级绕组,减弱了对电机参数的依赖性,这种方法控制简单,推力响应快,动态性能好.现在,对直线电机的直接推力控制领域研究比较少.本文在旋转电动机直接转矩控制理论基第27卷第3期2005年6月沈 阳 工 业 大 学 学 报Journal of Shenyang University of TechnologyVol 27No 3Jun.2005础上对永磁直线同步电动机(PMSLM)直接推力控制系统进行了理论研究与探讨,详细阐述了其数学模型及关键环节的实现方法,从理论上分析了其可行性.并对整个直接推力控制系统进行仿真,验证所设计的控制系统的可行性.1 系统数学模型1 1 机械运动方程F e=m d vd t+Bv+F f(1)式中:F e 电磁推力;F f 负载阻力;m 电机初级质量;B 粘滞摩擦系数.1 2 d-q轴电压-电流方程u d=r d i d+p d- r q(2)u q=r d i d+p d+ r q(3)q=L q i q(4)d=L d i d+ f(5)f=L m d i f(6)r= v/ (7)式中:u d、u q 初级绕组d轴、q轴电压;i d、i q 初级绕组d轴、q轴电流;d、 q 由初级绕组d轴、q轴电流产生的d轴、q轴磁链;r d、r q 初级绕组d轴、q轴电阻;L d、L q 初级绕组d轴、q轴电感;f 永磁体有效磁链;极距;v 初级线速度.1 3 电磁推力表达式由推力方程F e=32 pf i q+(L d-L q)i d iq(8)在 - 坐标系上的表达式为F e=34 p1L d L q| s|[2 f L q sin +(L d-L q)sin2 ]其中当L d=L q时,表达式变为F e=32 L qp| s| f sin (9)式中: s 初级绕组磁链;初级绕组磁链与次级绕组磁链之间的夹角.2 直接推力控制的基本原理2 1 逆变器的电压状态用于直线电动机直接推力控制的逆变器如图1所示,由三组、六个开关(S a、 S a、S b、 S b、 S b、S c、 S c)组成,实现了八种电压矢量状态:U0(000)、U1(100)、U2(110)、U3(010)、U4(011)、U5(001)、U6(101)、U7(111),其中六种为非零矢量(U1、U2、 U6),两种为零矢量(U0、U7).逆变器的开关状态如表1所示[2].表1 逆变器的开关状态Table1 Inverter on/off state状态工作状态123456零状态78开关组S a00111001S b10001101S c11100001图1 逆变器系统F ig.1 Inverter system2 2 永磁直线同步电动机直接推力控制原理在 - 坐标系上初级绕组磁链的空间矢量如下所示s(t)= (u1(t)-i1(t)R1)d t(10)忽略初级绕组电阻压降的影响,则有式s(t)= u1(t)d t(11)从式(11)中可知,只要对初级绕组电压矢量进行适当的切换,就可以控制磁链 s的大小,使之保持一定,如图2所示.图2 初级绕组磁链向量控制F ig.2 V ector Contro l of primary winding flux linkage285第3期赵丽君等:永磁直线同步电动机直接推力控制系统研究图中初级绕组磁链被分成了六个区,即 = 1, =2, =3, =4, =5, =6.当初级绕组磁链走到某一区时(以 =2为例,如图2所示),初级绕组电压(对应U3(010))状态)的积分使得初级绕组磁链沿着初级绕组电压方向不断增加,则当初级绕组磁链幅值增加到| s|+ | s|/2时对初级绕组电压进行切换(如切换到U4(011)状态),则使得初级绕组电压的方向改变,即磁链方向改变,初级绕组磁链的幅值开始减小,当初级绕组磁链减小到| s|- | s|/2时,则再次对初级绕组电压进行切换,并切换到U3(010),初级绕组磁链又开始沿着初级绕组电压U3(010)的方向增加.这样通过改变初级绕组电压来实现对初级绕组磁链的控制[3].由于这种方法可将初级绕组磁链控制在某一固定值范围内,因此在这种条件下,就可以得到快速的推力响应.由于在实际运行中,要保持次级绕组磁链的幅值为额定值,而初级绕组磁链幅值由负载决定.因此,要改变电机的推力,可以通过改变磁链角来实现.在直接推力控制技术中,其基本控制方法就是通过电压空间矢量U来控制初级绕组磁链的旋转速度,从而改变磁链角的大小,以达到控制电机推力的目的.在一定条件下,保持初级绕组磁链为一恒定值,电机的电磁推力随着初级绕组磁链和次级绕组磁链夹角的变化而变化[4,5].因此改变这个夹角就可以得到快速的推力响应.3 直接推力控制系统及仿真3 1 直接推力控制系统框图及控制过程图3是直接推力控制系统框图,输入是电磁推力的参考值F*e和初级绕组磁链的参考值 *s,通过参考值与实际值相比较,将比较的结果送给推力滞环控制器和磁链滞环控制器,推力滞环控制器的输出 及磁链滞环控制器的输出 送给开关表,其中:当 =1时,控制初级绕组磁链正转;当 =-1时,控制初级绕组磁链反转.当 达到-| s|/2时, =0;当 达到| s|/2时, =1.将磁链控制和推力控制相结合,可以控制开关表.如表2所示.两个滞环控制器的输出值及初级绕组磁链的位置 决定开关表中的最优电压矢量.通过永磁直线同步电动机的模型及坐标变换关系得到电机推力反馈值及磁链实际值.直接推力控制的基本原理是根据电磁推力及初级绕组磁链实际值分别与其参考值相比较,选择电压矢量,通过控制初级绕组磁链直接控制电机推力[6].图3 直接推力控制系统框图F ig.3 T hrust control system表2 初级绕组电压向量开关表Table2 Primary winding voltage vector switche123456 01(110)(010)(011)(001)(101)(100) 00(111)(000)(111)(000)(111)(000) 0-1(101)(100)(110)(010)(011)(001) 11(010)(011)(001)(101)(100)(110) 10(000)(111)(000)(111)(000)(111) 1-1(001)(101)(100)(110)(010)(011) 3 2 系统仿真为了验证图3所示的直接推力控制系统的性能,采用了MAT LAB作为仿真环境,对系统进行仿真研究.在本仿真中采用的永磁直线同步电动机参数为:初级绕组质量标称值m n=25kg,粘滞摩擦系数标称值B n=8N s/m,推力系数K f=25N/A,永磁体磁链标称值 f=0 286Wb,极距 =36 mm,初级绕组电枢电阻R=1 2 ,初级绕组电枢d、q轴电感L d=L q=18 74mH.其仿真结果见图4,仿真中推力滞环为[-5,5],磁链滞环为[-0.01,0.01].其中图4a为系统在突加推力给定80N时的电机推力响应曲线,图4b为初级绕组磁链响应曲线,图4c为推力给定在t=0 316s 时由80N突变至40N,然后t=0 346s时又由40N突变至80N的电机推力响应曲线,图4d为初级绕组磁链运动轨迹.286 沈 阳 工 业 大 学 学 报第27卷图4 直接推力控制仿真结果F ig.4 T he simulatio n of dir ect trust controla 系统推力响应b 系统磁链响应c 系统给定突变时推力响应d 系统磁链轨迹4 结束语本文对永磁同步电动机的直接转距控制进行了分析,建立永磁直线同步电动机直接推力控制系统的数学建模,研究了控制系统中的一些关键环节.利用M ATLAB/SIM ULINK建立了控制系统的仿真,仿真结果表明控制系统具有较好的静、动态性能和实用性.由于直线电机与旋转电机的特点不同,所以将直接转矩控制理论应用于直线电机有待于进一步深入的探讨与研究.参考文献:[1]郭庆鼎,王成元,周美文,等.直线交流伺服系统的精密控制技术[M].北京:机械工业出版社,2000.(Guo Q D,W ang C Y,Zhou M W,et al.Pr ecision-contro-l technoledge of AC servo system[M].Beijing: China M achine Press,2000.)[2]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,2000.(L i S.Asynchr onous motor dir ect tor que contr ol[M].Beijing:China M achine Press,2000.)[3]U we B,M anfr ed D,Georg G.Direct self co ntrol ofinduction machine[J].I EEE T rans.on Power Electronics,1988,3(4):420-429.[4]K azmierkowski M P,Kasprowicz A B.Improved directtor que and flux vector contr ol of PWM inv er ter-fed induction motor drives[J].IEEE T rans on IE,1995,42(4):340-350.[5]Zhong L,Rahman M F,Hu W Y,et al.A nalysis ofdirect to rque control in per manent magnet synchronous motor dr ives[J].IEEE T rans.on Pow er Electronics, 1997,12(3):528-536.(下转第316页)287第3期赵丽君等:永磁直线同步电动机直接推力控制系统研究(Y an S.Basic digital electronic technology[M].Beijing:H igher Education Press,1999.)[3]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.(Wu K M.Principle of CAN bus and system design[M].Beijing:Beijing U niversity of A ero nautics andAstronautics Pr ess,1993.)[4]曹素芬.M CS-51系列单片机原理与接口技术教程[M].沈阳:东北大学出版社,1994.(Cao S F.Principle of M CS-51single-chip andinter face technology[M].Shenyang:Nor th-eastern U-niversity Pr ess,1994.)[5]何立民.单片机应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.(He L M.Sing le-chip application technology[M].Beijing:BU AA P ress,1993.)[6]常建生.检测与转换技术[M].北京:机械工业出版社,1990.(Chang J S.T echnolo gy of detection and transition[M].Beijing:China M achine Press,1990.)[7]关新.CAN总线火灾报警控制系统[J].控制工程,2004(增刊):35-37.(Guan X.F ire alar m and control system[J].Control Eng ineering,2004(sup):35-37.)[8]关新.智能声发射系列仪器[J].沈阳工业大学学报,2003(3):231-233.(Guan X.I ntelligent acoustic emission series instru-ment[J].Journal of Shenyang U niver sity of T echnolo-gy,2003(3):231-233.)[9]吴昌平.Visual Basic6.0程序设计[M].北京:人民邮电出版社,2002.(Wu C P.V isual Basic6.0programming[M].Be-ijing:Posts&T elecom Press,2002.)[10]潘琢金,施国君.C8051F高速SOC单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.(Pan Z J,Shi G J.Principle and application of C8051Fseries high speed SOC sing le chip microcomputer[M].Beijing:Beijing U niv ersity of Aeronautics andAstr onautics P ress,2002.)(责任编辑:吉海涛 英文审校:王世杰)(上接第287页)[6]Liu L F,Cui J F,Wang C Y,et al.Restrained t hrustripple based on a novel voltage space vecto rs for permanent magnet linear sy nchro nous motor[A].IECO N 04T rans[C].O n K orea,2004:721-725. [7]窦曰轩,王洪艳.模糊直接转矩控制系统M AT L AB/SIM U LI NK仿真[J].计算机仿真,2001,18(2):70-72.(Dou Y X,W ang H Y.Simulation based on M AT L AB/ SIM U LI NK of fuzzy direect torque controled system [J].T rans on Computer Simulation,2001,18(2):70-72.)[8]陶生桂,袁登科,毛明平.永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真[J].同济大学学报,2002,8:991-995.(T ao S G,Yuan D K,M ao M P.Simulation for dir ect thr ust co ntrol system of the permanent magnet linearsy nchro nous motor[J].Journal of T o ngji U niversit y, 2002,8:991-995.)[9]张晗霞,王成元,崔皆凡.永磁同步直线电机直接推力控制系统研究与仿真[J].沈阳工业大学学报, 2004,6:661-663.(Zhang H X,Wang C Y,Cui J F.Application and study of dir ect force co ntrol of linear motor[J].Journal of Shenyang U niversity of T echnology,2004,6:661-663.)[10]张晗霞.人工智能在直线电机直接推力控制中的应用与研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2004.(Zhang H X.Application and study of artifical intellig ence in direct for ce contro l of linear mo to r[D].Shengyang:Sheny ang U niversity o f T echnolog y, 2004.)(责任编辑:吉海涛 英文审校:沈新普)316 沈 阳 工 业 大 学 学 报第27卷。