永磁无刷电机的四大控制策略_0

2019-06-11 14:06

任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差90,因此可以独立调节;交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直,互相影响。因此,长期以来,交流电动机的转矩控制性能较差。经过长期研究,目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等方案。

一、恒压频比控制

恒压频比控制是一种开环控制。它根据系统的给定,利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压uout进行控制,使电动机以一定的转速运转。在一些动态性能要求不高的场所,由于开环变压变频控制方式简单,至今仍普遍用于一般的调速系统中,但因其依据电动机的稳态模型,无法获得理想的动态控制性能,因此必须依据电动机的动态数学模型。永磁无刷电机的动态数学模型为非线性、多变量,它含有与id或iq的乘积项,因此要得到精确的动态控制性能,必须对和id,iq解耦。近年来,研究各种非线性控制器用于解决永磁无刷电机的非线性特性。

二、矢量控制

高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持,对于交流电动机,目前使用最广泛的当属矢量控制方案。自1971年德国西门子公司F.Blaschke提出矢量控制原理,该控制方案就倍受青睐。因此,对其进行深入研究。

矢量控制的基本思想是:在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律,磁场定向坐标通过矢量变换,将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量,并使这两个分量相互垂直,彼此独立,然后分别调节,以获得像直流电动机一样良好的动态特性。因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置(频率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能,最终的实施是对id,iq的控制。由于定子侧的物理量都是交流量,其空间矢量在空间以同步转速旋转,因此调节、控制和计算都不方便。需借助复杂的坐标变换进行矢量控制,而且对电动机参数的依赖性很大,难以保证完全解耦,使控制效果大打折扣。

三、直接转矩控制

矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案。但因其需要复杂的矢量旋转变换,而且电动机的机械常数低于电磁常数,所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。针对矢量控制的这一缺点,德国学者Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案,即直接转矩控制(DTC)。该控制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节,采取定子磁链定向的方法,利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节,具有结构简单,转矩响应快等优点。DTC最早用于感应电动机,1997年L Zhong等人对DTC算法进行改造,将其用于永磁无刷电机控制,目前已有相关的仿真和实验研究。

DTC方法实现磁链和转矩的双闭环控制。在得到电动机的磁链和转矩值后,即可对永磁无刷电机进行DTC。图2给出永磁同步电机的DTC方案结构框图。它由永磁无刷电机、逆变器、转矩估算、磁链估算及电压矢量切换开关表等环节组成,其中ud,uq,id,iq为静止(d,q)坐标系下电压、电流分量。

虽然,对DTC的研究已取得了很大的进展,但在理论和实践上还不够成熟,例如:低速性能、带负载能力等,而且它对实时性要求高,计算量大。

四、解耦控制

永磁无刷电机数学模型经坐标变换后,id,id之间仍存在耦合,不能实现对id和iq的独立调节。若想使永磁无刷电机获得良好的动、静态性能,就必须解决id,iq的解耦问题。若能控制id恒为0,则可简化永磁无刷电机的状态方程式为:

此时,id与iq无耦合关系,Te=npfiq,独立调节iq可实现转矩的线性化。实现id恒为0的解耦控制,可采用电压型解耦和电流型解耦。前者是一种完全解耦控制方案,可用于对id,iq的完全解耦,但实现较为复杂;后者是一种近似解耦控制方案,控制原理是:适当选取id环电流调节器的参数,使其具有相当的增益,并始终使控制器的参考输入指令id*=O,可得到idid*=0,iqiq*o,这样就获得了永磁无刷电机的近似解耦。图3给出基于矢量控制和id*=O解耦控制的永磁无刷电机。

虽然电流型解耦控制方案不能完全解耦,但仍是一种行之有效的控制方法,只要采取较好的处理方式,也能得到高精度的转矩控制。因此,工程上使用电流型解耦控制方案的较多。然而,电流型解耦控制只能实现电动机电流和转速的静态解耦,若实现动态耦合会影响电动机的控制精度。另外,电流型解耦控制通过使耦合项中的一项保持不变,会引入一个滞后的功率因数。

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