无速度传感器永磁同步电机直接转矩控制系统仿真研究

第25卷第4期2010年12月安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报Journal o f Anhui U niver sity o f T echno log y and Science V o l.25.N o.4Dec.,2010文章编号:1672 2477(2010)04 0043 04收稿日期:2010 06 09作者简介:强珊珊(1985 ),女,安徽蚌埠人,硕士研究生.通讯作者:江 明(1965 ),男,安徽芜湖人,教授,硕导.无速度传感器永磁同步电机直接转矩控制系统仿真研究强珊珊1,颜文婧2,江 明1*,(1.安徽工程大学安徽检测技术与节能装置省级实验室,安徽芜湖 241000;2.约翰芬雷华能设计有限公司,北京 100004)摘要:主要分析了无速度传感器的直接转矩控制,采用了基于定子磁链的矢量角和转子磁链的矢量角的两种速度估计方法.仿真结果表明,当电机稳步运行时,两种估算方法都能准确的估算转速.然而,基于转子磁链矢量角的速度估计算法较能使电机的在动态过程中稳定运行,并具有良好的精度.仿真结果也验证了文中采用的转速观测算法的正确性和可行性.关 键 词:永磁同步电机;无速度传感器控制;直接转矩控制中图分类号:T M 351 文献标识码:A永磁同步电动机(PMSM )系统具有效率高、控制精度高、转矩密度高、可靠性高、寿命长和良好的转矩平稳性及低振动噪声等特点,并广泛用于快速、准确、精密位置控制等领域.直接转矩控制(DTC)具有许多潜在的优点[1].例如,它不同于传统的矢量控制方法,其中的转矩控制在转子参照系通过控制电流来实现,其结构简单,它具有很高的动态性能和较强鲁棒性来适应电机的各种参数变化,又由于DTC 不需要精确的转子位置信息,定子磁链可以直接控制使得弱磁控制变得比较容易.因此,选用直接转矩控制方式来控制永磁同步电动机非常合适.本文采用无速度传感器DT C 方法来控制永磁同步电机,从而克服使用速度传感器给系统带来缺陷,如使系统的成本大大提高、测速精度不高、电机体积增大给维护带来一定的困难及使系统的稳定性变差等.本文所研究的对象是永磁同步电动机,无速度传感器直接转矩控制的一般实现方法较复杂和困难.本文采用了两种速度估计:一种是基于定子磁链的矢量角,另一种是基于转子磁链的矢量角.本论文设计了永磁同步电动机无速度传感器DTC 的系统,完成了仿真实验.仿真结果证明了方案的可行性和有效性.1 永磁同步电机的数学模型从文献[2]中得出永磁同步电机的数学模型如图1.d 轴与A 相绕组的夹角为 ,定义 为转矩角.在转子图1 永磁同步电机的定、转子参考坐标d q 坐标系下,永磁同步电机的磁链、电压、转矩的表达式为:u d =R s i d +d d d t -!r q (1)u q =R s i q +d d d t +!r d (2)d =L d i d + PM (3)q =L q i q(4)T e =32P ( d i q - q i d )(5)式中: d 、 q 、u d 、u q 、i d 、i q 、L d 、L q 分别是定子绕组折算到d 、q 轴的磁链、电压、电流和电感;u s 、 s 、R s 为定子端电压、定子端磁链和定子绕组电阻; PM 为转子磁钢在定子侧的耦合磁链;p 、T 、!r 为电机极对数、电磁转矩和角频率.2 永磁同步电动机无速度传感器DT C系统图2 无速度传感器直接转矩控制系统框图永磁同步电机的无速度传感器DT C 系统的框图如图2所示[3],为了验证速度观察器的作用,该系统可以选择带反馈信号的速度观察器或速度传感器.通过坐标变换,三相定子绕组电流转化为∀ #坐标系,定子绕组电压可以通过直流电压和逆变器的前一状态开关状态得到.磁链、转矩、定转子磁链矢量角和速度的估计值都可以按照下面的方法获得.3 无速度传感器控制的速度估算策略为了获得一个低成本,高性能的DTC 驱动系统,对于速度估算的方法前人做了很多研究.基于对DT C 系统的可靠性的考虑,尽量采用通过简单计算来控制永磁同步电机的策略.定子磁链向量是DTC 系统中的一个在控制变量,因此定子磁链矢量角 s 很容易获得.转矩角 是永磁同步电动机定子磁链角和转子磁通矢量角之间的角度.转子磁链矢量角度 r 可由 s - 间接得到,不需要做其他任何计算.因此,本文提出了以下2种方法来对无速度传感器进行速度估计:一种是基于定子磁链矢量角;另一种是基于转子的磁链矢量角.3.1 基于定子磁链矢量角磁链的DT C 系统中的矢量框图如图2所示.定子磁链s 可以通过下列式子计算得出: s ∀=[u s ∀-i s ∀r s ]d t (6) s #= [u s #-i s #r s ]d t (7)式中:u s ∀、u s #分别为定子电压在∀#坐标系下∀轴和#轴的分量; s ∀、 s #分别为定子磁链在∀#坐标系下∀轴和#轴的分量;i s ∀、i s #分别为定子电流在∀#坐标系下∀轴和#轴的分量.因此,定子磁链角度为:s =arctan s # s ∀ ,(8)在实际系统中,当电机稳定运行时,电机转子转速的估算可以通过定子磁链矢量角估算的离散化来实现.!r (k)=s (k)- s (k -1)T s ,(9)式中T s 是采样周期.3.2 基于转子磁链矢量角为了提高在静态和动态过程的DT C 系统的估计速度的真实性,提出了根据转子的磁链矢量角的速度观察器.转子的磁链矢量角等于定子磁链矢量角减去转矩角.永磁同步电机的转矩角 (k)[4]可以表示为: (k)=arcsin2L s T e (k)3P | s (k)|| PM (k)| ,(10)因此,r (k)= s (k)- (k) ,(11)通过对(11)式进行离散化,估算的速度可以从下式中得到:!r (k)= s (k)- s (k -1)T s - (k)- (k -1)T s .(12)4 仿真结果及分析为了验证提出的速度估算方法的可行性,做了大量的仿真实验.选择的电机主要参数:极对数p =2, 44 安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报第25卷额定电压U =220V ,频率f =50H z ,直轴电感=0.0085H ,交轴电感L q =0.0065H ,等效励磁磁链f =0.175Wb ,定子电阻R s =2.875∃,转动惯量为0.001kg m 2.系统给定定子磁链幅值 *=0.6Wb ,给定直流电压U d =380V .永磁同步电动机的无传感器DT C 系统仿真图如图3所示.图3 永磁同步电机无传感器DT C 系统的仿真结构图4.1 无速度传感器的仿真结果为验证上面介绍的两种速度估算方法的可行性与准确性,做了关于在直接转矩系统中带速度传感器和基于定子、转子磁链矢量角速度估计的仿真,速度估算信号只作为速度观察器,不作为反馈信号用来控制系统.当电机给定转速为20r/s,带5Nm 负载情况下的仿真结果如图4所示.根据上面的仿真结果可以发现,当电机稳定运行时,两种速度估计算法方法都可以较准确的估计永磁同步电机的速度,尽管在启动时有较大的误差而且观测速度稍微滞后于实际速度.这主要是因为在DT C 系统中转矩角是时刻变化的,并且转矩角在开始时脉动很大造成的.不过此系统在启动时的速度估计滞后时间相对缩短了.而基于转子磁链矢量角的速度估计虽在时间在上稍微滞后于基于子磁链矢量角的速度估计,但是稳定波形较平滑.图4 带速度传感器的实际速度与基于定、转子磁链矢量角的速度估计波形4.2 带速度反馈的速度观察器的仿真结果为了验证上述两种速度估计方法的可行性.在同样的参数条件下,用速度估计值做闭环的直接转矩系统的仿真结果如图5和图6所示.图5是基于定子磁链矢量角速度估计反馈的仿真结果.图6是基于转子磁链矢量角速度估计反馈的仿真结果.根据上面的仿真结果得知:基于定子磁链矢量角的速度反馈的直接转矩控制系统,由于在电机启动时用定子磁链的速度来代替转子的速度,此时永磁同步电机的转矩角和定子磁链矢量角脉动较大,反馈信号出现误差,转矩滞回比较器和磁链滞回比较器的输出也产生误差,这些使得给定的电压矢量不恰当,导致电机在启动时波动较大.也即是图5仿真波形出现振荡的原因.然而使用基于转子磁链矢量角的速度估计方法,电机转矩角的变化是被考虑在动态过程中的,其反馈信号的误差及转矩滞回比较器和磁链滞回比较器的输出的相对误差都减小很多,所以基于转子磁链矢量角的速度反馈可以使电机启动较平稳而且精度较高.45 第4期强珊珊,等:无速度传感器永磁同步电机直接转矩控制系统仿真研究图5 基于定子磁链矢量角速度估计反馈的速度估计及三相定子电流和转矩仿真波形图6 基于转子磁链矢量角速度估计反馈的速度估计及三相定子电流和转矩仿真波形5 结论本系统采用了基于定子磁链矢量角和基于转子磁链矢量角的两种速度估计方法为永磁同步电动机无速度传感器DT C 系统.仿真实验的结果表明当永磁同步电动机稳步运行时,这两种方法都可以较准确的进行速度估计.然而由于基于转子磁链矢量角的速度估算方法,其电机转矩角的变化是被考虑在动态过程中的,所以基于转子磁链矢量角的速度估算较基于定子磁链矢量角的速度估计可以很好的使电机起动平稳,具有良好的精度.模拟实验证明:基于转子磁链矢量角的速度估计应用在永磁同步电机的无速度传感器的DTC 系统是可行的.它相对简单又较易于实现.参考文献:[1] 李永东,朱昊.永磁同步电机无速度传感器控制综述[J].电气传动,2009,39(9):2 3.[2] 王成元,夏加宽,杨俊友,等.电机现代控制技术[M ].机械工业出版社,2007.[3] 余浩赞,王辉,黄守道.永磁同步电机无速度传感器控制系统研究[J].电力电子技术,2008,42(10):14 15.[4] 舒望.永磁同步电机控制系统及无传感器技术研究[D].杭州:浙江大学,2007.[5] 侯立民,张化光.P M SM 无速度传感器最优转矩控制系统的研究[J].仪器仪表学报,2009,30(4):707 709.[6] C Y Bian,S Y Ren,S J Y an,et al.O pt imal V /f contro l of super high speed PM SM and its applicat ion[C]//Pro ceedingsof SP IE,v 6358II ,Six th internatio nal Symposium on instrument ation and contr ol technolog y,Beijing ,2006:63 83.[7] Jiangang Hu,L o ng ya Xu,Jingbo L iu,M ag netic pole ident ificatio n for P M SM at zero speed based o n space vector P WM[C]//IEEE P ow er Electr onics and M otion Co nt rol Conference,2006:1 5.Simulation of speed sensorless DTC based on PMSMQ IANG Shan shan 1,YAN Wen jing 2,JIANG M ing 1(1.A nhui K ey L abo rato ry of Detectio n T echnolo g y and Energ y Saving Devices,A nhui P olytechnic U niv ersity ,W uhu 241000,China;2.Jo hn F inlay Engn.PT Y.L Y D,Beijing 100004,China)Abstract:The paper m ainly analyzes speed senso rless direct torque contro l,useing tw o kinds of speed es timator:one is v ector angle based on stator and the other based on ro to r flux.Sim ulation results show that w hen the m otor is r unning steadily,the tw o estimation metho ds can accurately estimate the speed.Yet,the speed estimation metho d of rotor flux v ector angle enables the motor runs m ore stably in a dy namic pr ocess and has better accuracy.The simulation results also verified the corr ectness and feasibility of speed observ er algo rithm in the tex t.Key words:PM SM ;speed sensorless contr ol;dir ect torque contr ol 46 安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报第25卷。