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当无刷直流电动机直接自控制低速性能的改进

发布时间:2021-09-11 21:40:56 阅读: 来源:冷拔扁钢厂家

无刷直流电动机直接自控制低速性能的改进

摘要 无刷直流电动机直接自控制技术中,受定子电阻压降影响,低速运行时定子磁链轨迹发生畸变,引起电机运行性能下降。针对这一问题,提出了一种改进低速性能的方案,在定子磁链六边形轨迹的每个区段上使用三个电压运动矢量对定子磁链进行补偿,实验结果证明,该方法有效改善了低速性能。

关键字 直接自控制;无刷直流电动机;畸变;磁链补偿

0 引言

直接转矩控制和直接自控制最初都是针对异步电机提出来的,直接转矩控制的定子磁链轨迹为圆形,直接自控制的定子磁链轨迹为六边形,两种控制方法的原理都是通过查表的方法来选择最优电压空间矢量,从而实现转矩和定子磁链的直接控制。目前,两种方案均得到了一定的发展与应用,在中小功率场合圆形方案应用较多,而六边形方案目前主要应用于电力机车驱动。

1997年,直接转矩控制首次应用于正弦交流永磁同步电动机PMSM[1],直接转矩控制在无刷直流电机上的应用研究出现于2005年[2],在此基础上,文献[3]提出了无刷直流电动机直接自控制,使无刷直流电动机工作在三三导通模式,在任一时刻三相同时导通,避免了关断相对定子磁链的影响,在六边形每个区段上只使用两种电压状态:运动矢量和零矢量。

运动矢量使定子磁链运动,零矢量使定子磁链停止,通过定子磁链的走走停停,达到了调速和转矩调节的目的。在转速较高的情况下,定子电阻压降对定子磁链的影响较小,所以在每个区段上使用一个运动电压矢量可以完成无刷直流电动机的直接自控制。

但在低速时,定子电阻压降的影响不能被简单地忽略,受其影响,定子磁链波形发生畸变,转速越低,畸变越严重,电机运行性能下降得越显著,甚至不能正常运行。

针对这一问题,本文提出一种低速时对定子磁链补偿的方法,在六边形轨迹每个区段上使用三个运动矢量和零矢量进行磁链和转矩的协调控制,以此来提高无刷直流电动机直接自控制的低速性能,从而扩大调速范围。实验结果证明本文方法是有效的。

1 无刷直流电动机直接自控制原理

直接自控制基本结构如图1所示,其中AMM为电机数学模型,UCT为坐标变换单元,DMC为磁链自控制单元,ASS为开关信号选择单元,AZS为零状态选择单元,ATR为转矩调节器。理想情况下定子磁链的轨迹为正六边形,如图2所示,鬃茁a、鬃茁b、鬃茁c分别为定子磁链在茁a、茁b、茁c轴上的投影,定子磁链的幅值是变化的,但在六边形的每一个区段上,定子磁链向该区段轨迹垂直平分线上的投影是一个恒定不变量。在直接自控制中,将六边形轨迹的内切圆半径定转动惯量是刚体绕轴转动时惯性(回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性)的量度义为给定磁链鬃*s,即六边形中心到六个区段轨迹中点的垂线长。将鬃茁a、鬃茁b、鬃茁c分别与鬃*s比较,这一过程由DMC完成,比较的结果用来决定逆变器六个功率管的开关状态。

ATR输入为实际转矩T(t)与转矩给定T*之差驻T,输出ST。Sz有0或1两个取值,其作用是使得逆变器开关次数最少。当ST为0时,三个开关变量Sa、Sb、Sc的值都是Sz,此时使用的是电压零矢量,定子磁链静止,转矩随之下降。当ST为1时,选择电压运动矢量,DMC的输出决定在六个运动矢量中使用哪一个。以上调节过程与转速、逆变器直流环节电压无关。

总之,ATR的作用是决定系统使用零矢量还是运动矢量,DMC的作用是决定系统使用哪一个运动矢量,AZS的作用是减少逆变器开关次数以降低开关损耗。

无刷直流电动机最常见的导通方式是根据转子位置触发导通两相,但由于关断相电压是浮动变化的,会为电压空间矢量计算和磁链计算带来困难,所以,文献[3]选择了无刷直流电动机另一种常见的三相导通方式。理论上任一时刻三相同时导通,就不存在关断相,每隔60毅电角度换相一次,恰好对应直接自控制六边形轨迹的一个区段。据此构建的无刷直流电动机直接自控制系统组成见图3,其中AIM为逆变器模型,用来计算相电压,UCM为相电压原线电压转换模型,ICM为相电流原线电流转换模型。

虽然采用了三相导通的方式,但由于无刷直流电动机的反电势为梯形,三个在时间相位上互差120毅的梯形反电势之代数和不恒为零,所以,并不能根据逆变器开关状态得到三个相电压,文献[3]采用形状函数法,以梯形反电势幅值正比于转速为假设前提,建立起三个互差120毅的形状函数,在电机运行过程中,实时检测转子的几个关键位置,反电势实时值就正比于该形状函数与转速的乘积。

2 低速性能的改进

理想情况下定子磁链的轨迹为正六边形,但在实际直接自控制中,被积分的是定子反电势uemf而不是定子电压us,受定子电阻压降影响,定子磁链六边形轨迹将顺着旋转方向有所偏移。图4表明了磁链畸变的原理,当电压矢量为V3(011)时,由于电阻压降的存在,uemf将超过其他类型的塑机产品总是超前于us一个角度,受此影响,磁链轨迹从图4中的区段S1偏移为S2。电阻压降相对于定子电压越小,磁链畸变越小。低速时,定子电压随转速降低而减小,电阻压降与定子电压相比越来越大,磁链畸变越严重。

低速时定子磁链畸变表现为六边形轨迹沿着磁链运动方向偏转,以及磁链幅值减小。前者是因为定子反电势比电压运动矢量更偏向于六边形轨迹的中心(图4),而磁链幅值的减小主要是零矢量使用频率上升所导致。定子磁链畸变使得低速性能变差,所以在低速时要引入磁链调节闭环,以补偿定子电阻压降的影响。在本文中,补偿是单方向的,即只补偿磁链幅值减小的部分,以维持原六边形轨迹。

在文献[3]中,六边形每个区段只用到一个运动矢量,低速补偿时可用的运动矢量最少为2个,最多为6个[图5(a)]。具体补偿的实现方法是在图3基础上增加一个三点式磁链调节器[图5(b)],将实际磁链幅值与给定磁链比较,设置了一个容差限,实电气安装用导管的技术要求通用要求GB/T13381.1- 92际磁链偏离给定不能越过该容差,磁链调节器向ASS发出一个三值信号(鬃Q=-1、0、1),要求减小、维持、增大定子磁链幅值。在六边形某一个区段上使用多个运动矢量,通过它们的不同组合实现磁链的调节与补偿。由于不存在只改变转矩或只改变磁链的运动矢量,在调节定子磁链的同时也会影响转矩,所以两者如何协调是必须考虑的问题。在低速补偿中,由ATR决定使用运动矢量还是零矢量,使用运动矢量时,根据定子磁链情况决定使用哪个运动矢量。

本文的低速补偿共使用了3个运动矢量,即图5(a)中矢量淤、于、盂)。矢量淤的作用是增加转矩、减小定子磁链,矢量于只增加转矩,矢量盂既增加转

矩也增加磁链,这三个运动矢量的共同特点是增大转矩,使磁链逆时针旋转,若要实现定子磁链反方向旋转,就要用图5(a)中的运动矢量榆、虞、愚。运动矢

量淤、于、盂的组合在增加转矩的同时调节了定子磁链幅值,其中矢量盂比矢量淤使用的频率更高,这是补偿低速时定子磁链幅值减小的必然结果。

3 实验结果

实验结果如图6,图7所示。在25豫额定转速(100r/min)时,定子磁链的畸变已经非常明显,体现为六边形偏转和幅值减小。补偿后的定子磁链恢复为正六边形。补偿前定子磁链幅值变化的峰峰值为0.02wb,占给定磁链的28.6豫,补偿后的峰峰值仅为0.005wb,是补偿前的1/4,效果显著。对比补偿前后的转矩可以发现,磁链补偿有效地降低了转矩脉动,这是因为无刷直流电动机稳定运行时要求相电流与反电势的相位对应,定子磁链畸变会导致电流相位的超前,换相时刻提前对于小电感的无刷直流电动机来说将导致转矩脉动变大,后果往往是致命的。对定子磁链进行补偿可以确保正确的换相时刻,从而减小了转矩脉动。所以,低速时对定子磁链的补偿是必要的,从实验结果看,补偿效果是显著的,提高了无刷直流电动机直接自控制的低速性能。

4 结语

无刷直流电动机直接自控制在中高速时,可以不考虑定子电阻压降的影响,所以在定子磁链六边形轨迹的每个区段上只使用一个运动矢量就能得到满意的控制效果。每个区段上使用一个运动矢量还能实现功率管的最少切换。但在低速时,定子电阻压降不能忽略,因为会造成定子磁链运动轨迹的畸变。本文针对这一情况,在原有的控制框图内增加了一个磁链调节单元,在转矩调节的过程中,使定子磁链的运动轨迹也控制在滞环内,实现转矩和磁链的协调控制。低速时无刷直流电动机直接自控制方案需要在每个定子磁链的区段上使用三个运动矢量和零矢量进行磁链和转矩的协调控制,实以最大程度地满足用户的节能需求验结果表明该方法有效改善了低速性能,扩大了调速范围,达到了预期目的。

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