永磁磁阻电机的转矩控制

永磁电机的转矩控制

微电机　2004年　第37卷　第5期(总第140期)

设计与研究 DESIGN”RESEARCH

永磁磁阻电机的转矩控制

徐志捷,赵　峰,温旭辉

(中国科学院电工研究所　北京　100080)

摘　要:分析了永磁磁阻电机的转矩特性,讨论了常用的转矩控制策略对电机参数依赖性较强而难于精确控制的缺点。从合理利用永磁与磁阻转矩为出发点,提出了一种工程化转矩控制策略,可以有效地减小转矩对参数的依赖性。实验结果证明能满足需要的精度,适用于电动汽车等转矩控制场合。关键词:永磁磁阻电机;磁阻转矩;转矩控制;

中图分类号:TM352　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001-6848(2004)05-0018-03

TorqueControlofpermanentMagnetMXUZhi-jie,ZHAOFeng-(TheElectricinstituteofChina,,Abstract:Thepaperanalysesthetorpuemotor,discussthedisadvan2tageofthecommonwaytosoconlthemotorparameterbutnotgainthepreci2.Aeenthepermanentmagnetandreluctance,putforwardasortsioncontrol

oflminishtheclingtomotorparameter.Theexperientationprovedtheresults.canfulfilreprecision,applytotheelectromotionautomobileandotherwiseoccasionsfortorquecontrolKeywords:PMreluctancemotor;reluctancetorque;torquecontrol;

0　引　言

永磁同步电机具有能量密度高、效率高、电磁噪

声小的特点。随着钕铁硼永磁材料的发展,这类电机被越来越广泛地用于伺服驱动和电动汽车驱动等方面。根据磁钢安装的不同,永磁同步电机可以分为磁钢表贴式永磁同步电机(surfacemountedperma2nentmagnetsynchronousmotor,SPM),和磁钢内嵌式永磁同步电机(interiorpermanentmagnetsyn2chronousmotor,IPM,亦称为永磁磁阻同步电机)。

永磁磁阻同步电机转子磁钢内置。图1是一个4对极钕铁硼永磁磁阻电机的转子结构。由于钕硼磁钢的导磁系数与空气的导磁系数十分接近,所以形成d轴空气隙大,电感小,q轴空气隙小,电感大。依据电机在d-q轴下转矩公式:Tem=Pn[7fiq+(Ld+Lq)idiq]可知,由电磁转矩中d-q轴电感的不对称,电磁转矩包含了永磁转矩和磁阻转矩两部分

。

在永磁磁阻同步电机中,合理设计永磁磁动势和d-q轴磁阻可以提高恒转矩区的最大转矩并扩大恒功率区。由于永磁同步电机的d轴位置可以直接由位置传感器给出,因此在该类电机的驱动控制中矢量控制方法的使用较为广泛。文中简述永磁磁阻电机的矢量控制方法,主要讨论电机在额定转速以下的的最大转矩电流比控制和弱磁区内的转矩控制问题。

图1　典型的永磁磁阻同步电机转子结构

1　典型结构与电机方程

收稿日期:2004-08-19

永磁磁阻电机电压与磁链在d-q轴坐标下的方程为:

uq=Rsiq+Lqpiq+ΞrLdid+ef

(1)

ud=Rsid+LdPid-ΞrLqiq式中,ef=Ξ

r7f,ud、uq为d-q轴电压,id、iq为d、q轴

—18—

永磁电机的转矩控制

永磁磁阻电机的转矩控制　徐志捷　赵　峰　温旭辉

电流,Ld,Lq为d-q轴电感,Rs为定子相电阻,7f为磁钢基波励磁磁链,ef为空载反电势基波,P为微分算子,Ξr为电机转速。

在稳态条件下忽略微分算子及定子电阻压降,可以将式(1)简化为:

uq=ΞrLdid+efud=-ΞrLqiq

id+iq=isΦismax

2222

(4)

式中,ismax为电流最大值。

其最大转矩电流比曲线可以表示为[3]:

id=iq=

2

2224(Lq-Ld)

2

(5)

(2)

is-id

因此,电机的电磁转矩方程为:

Tem=Pn[7fiq+(Ld-Lq)idiq]

(3)

2　矢量控制

永磁磁阻同步电机矢量控制框图见图2。其中,电机的d轴位置Η

可由旋转变压器或绝对位置编码器获得,电机相电流ia、ic用电流传感器测量。在知道电机相电流以及磁场位置角Η后通过3 2变换和旋转变换可以得到直轴电流id和交轴电流iq反馈量,给定d-q轴电流比较,经过I要的d-q3。

即图2中电机定子电流给定值(id1、iq1)按照式(5)控制可以充分利用电机的磁阻转矩、提高系统效率。

第 工作区(AB段):当电机工作在额定转速以上,电磁转矩由电流圆(式4)和电压椭圆(式6)的唯一决定。最大转矩将随转速的上升而下降。

ud+uqΦus

2

2

2

(6)

第 工作区(BC)段:上,(iq1),iq,Tem最大:

f=Tem+k(ud+uq-us)

2

2

2

=0,=0,=0可以得到f函数的极值点,5id5id5k

即满足电压椭圆条件下能输出最大转矩的工作点:由

id=iq=

is-id

2

2

2

2224(Lq-Ld)Ld

(7)

图2　永磁磁阻同步电机矢量控制框图

永磁磁阻电机的控制如图3所示。工作区分为:

图2中电机定子电流给定值(id1,iq1)按照式(7)控制

可以在高速弱磁区输出最大的电磁转矩。

(7)可以看出,无论是实现最大转矩电从式(5)、

流比控制还是在弱磁区输出最大转矩,电机控制策略中的d-q轴电流给定值完全依赖于电机参数。电机参数对于转矩控制和策略有着重要的影响。通常情况下,都假设Ld、Lq是恒定不变的,实际上,随着iq、id的变化以及永磁体的磁饱和等因素,Ld、Lq是变化的。图4是一个14kW、4对极的钕铁硼永磁磁阻电机的Ld、Lq随iq、id变化曲线。可以看出它是一个非线性的变化。

图3　永磁磁阻电机工作区

第I工作区(OA段):当电机工作在额定转速以下,电磁转矩输出受电流圆限制:

a)Lq随iq、id的变化

—19—

永磁电机的转矩控制

b)Ld随iq、id的变化

图4　永磁磁阻电机的Ld、Lq参数变化图a)　Ld=1.5mH　Lq=5.5mH

3　转矩控制

为了精确控制转矩,采用闭环。由式(3)可以推导出电机的开环转矩观测器,以此观测器的输出为

反馈,在图2中加入转矩调节环节,即可:

这种方法的应用主要取决于磁场定向和7f、

工作区)或等转矩曲线和最大转矩电流曲线相交决定(电机在低速工作区)。

,可以采用查表的方法实现,即将电机的恒转矩机械特性曲线id、纵坐标绘制成表格,iq为横、

通过给定转矩以及横坐标id,查表得到iq的给定值来实现较准确的转矩开环控制。

图8　转矩控制实测曲线

(其中　直线:给定转矩;曲线:实际转矩;)

b)6=0)

7　查表法转矩控制框图

4　实验结果

上述转矩控制方案已在一台14kW的4对极永

磁磁阻电机上进行了实验。具体电机参数如表1。图8是实验的转矩输出曲线。可以看出转矩的控制精

图5　转矩开环控制原理图

度提高,可以控制在4%以内,较转矩观测器闭环控制提高了2倍。

表1　电机参数

L

df

通过理论计算得出的转矩曲线如图6a)所示。实际上,由于参数的变化,等转矩曲线发生了畸变,图7b)是通过实验绘制的恒转矩曲线。具体控制过程见图7。图中T-cmd为转矩给定值,K为转矩系数,is为电流值,MTPA为最大转矩电流策略,i0、i1、id为电流计算值,通过查表得到q轴的电流给定达到开环转矩的控制策略。—20—

1.5mH(均值)0.1488Wb2

LR

q

5.5mH(均值)

0.0358

7

合理制订表格数据可以达到要求的转矩精度。

实验证明,新的转矩控制策略具有更高的精度,并且实现简单,能满足电动汽车等领域的应用要求。

(下转第38页)

永磁电机的转矩控制

出转矩、输出功率和反电势波形分别如图4、5、6所示。从图中可以看出该电机在0.1s左右可以进入稳定状态。

从输出转矩仿真图4中,可以看出电机在稳态时很少有转矩脉动。其原因是激励源为理想的正弦波,使得在仿真中大幅度地减少了高次谐波的影响。而且在研制中也重视了对谐波的削弱。例如在工艺等方面进行了改进。同时这也满足了控制系统所提出的要求,尽量地减少谐波影响,以减少转矩脉动[5][6]。图中的转矩值为负值与软件定义的方向有关。

图4和图5表明,所设计的电动机符合用户对于自控系统的要求。例如在输出转矩为15N m时,电机输出功率为2.3kW

。

4　结　语

利用Ansoft软件的电磁场计算功能,对所设计的永磁交流伺服电动机的参数进行验证,并且加以调整。例如,磁极的大小,定子冲片尺寸,定子槽形等。设计中还要确保加工后的机械强度,绝缘要求,以使电动机的性能达到最佳。

以永磁交流伺服电动机的样机设计为例,利用Ansoft软件建立电机模型,仿真了该电动机的运行性能,为该类电动机设计和合理优化做出了探索。在Ansoft强大的仿真功能支持下,通过电动机模型的

仿真,使得该电动机的设计周期大为缩短,为该电动[1].tJr.,.DesignofBrush2

-mMotors[J].MagnaPhysics.Oxford,1994,1-ingandClarendonPress2.

[2]　AnsoftCorporationMaxwell2DGettingStarted[M].

AnsoftCorporation,2002.

4　输出转矩仿真图

[3]　罗荣杰.电机电磁场教程[M].杭州:浙江大学出版社,

1993.

[4]　唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工

业出版社,1999.

[5]　王宗培,韩光鲜,程智,程树康.无刷直流电动机的方波

与正弦波驱动[J].微电机,2002(6):3-6.

[6]　胡文静.永磁无刷直流电动机的发展及展望[J].微电

机,2002(4),37-38。

图5　输出功率仿真图

作者简介:郭　恒(1980-),男,硕士研究生,从事电机设计及电机控制的研究。

反电势波形仿真图6

是一相定子绕组中的反电势波形图。其波形基本呈正弦曲线分布。波形中存在尖角的原因是仿真步长选取稍大造成的,所以要根据实际情况合理选取步长是重要的。其一般选取为工作周期的1 10～1 20比较合适,这样就可以得到较为满意的结果。

(上接第20页)

参考文献:

[1]　汤运　.电机学[M].西安:西安交通大学出版社,

1987.

[2]　WL.SoongandProf.T.J.E.Miller.Field-weaking

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[3]　唐任远等.现代永磁电机理论与设计[J].北京:机械业

出版社,1997

.

图6　反电势波形仿真图

作者简介:徐志捷(1973-),男,黑龙江人,工程师,研究方向为电机及其控制。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/k9y1.html