浅析永磁同步电机控制策略
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永磁同步电机单闭环直接转矩控制策略研究
永磁同步电机在汽车,空调,风机,激光切割机等工业应用领域被普遍应用。
它具有
较高的效率,可重复精确的位移控制,动态响应能力强,消耗能量少等优点。
为了提高转
矩和提高动态响应能力,直接转矩控制是永磁同步电机的有效控制方法。
直接转矩控制是通过给定的转矩常量和比率来实现48环的控制,转矩常量由电机控
制板计算出来,控制比率由电机的转矩常数决定。
在这种控制策略中,直接计算出的转矩
值代替了电流和速度的控制参数。
直接转矩控制不仅可以减少电机控制器的负荷,还可以
提高控制精度。
在单闭环直接转矩控制策略中,转矩值也由反馈控制器产生,控制器永久检测系统中
转矩值是否与系统设定的转矩值一致。
不一致时,只需要调整电源输出功率即可,这样就
可以满足用户设定的转矩值,有效改善永磁同步电机的动态性能。
针对不同的应用,可以根据用户的要求,采用不同的传感器和算法来实现直接转矩控制。
例如,采用编码器实现速度控制,采用绝对值编码器实现位置控制,采用相对值编码
器实现加速度控制等。
最后,在控制系统中采用PID算法来精确控制转矩值,实现更好的
动态性能和低功耗。
总的来说,单闭环直接转矩控制策略在永磁同步电机应用领域具有很大的潜力。
此外,它也可以作为替代传感器的解决方案,从而降低系统的成本。
永磁同步电机模型预测控制及容错控制策略的研究永磁同步电机模型预测控制及容错控制策略的研究摘要:随着工业自动化技术的不断进步,永磁同步电机作为一种高效能、高动态响应、高功率因数的主动传动设备,得到了广泛的应用。
然而,永磁同步电机在实际运行中也面临着各种问题和异常情况的挑战。
本文以永磁同步电机的模型预测控制和容错控制策略为研究对象,对其进行分析和探讨,并提出相关解决方案。
一、引言永磁同步电机是一种高性能的电力驱动器,广泛应用于工业自动化领域。
其具有响应速度快、高效能、高功率因数等特点,但在实际运行中也会遇到一些异常情况,如电网故障、扰动等,需要进行相关的控制和管理。
二、永磁同步电机的模型预测控制研究永磁同步电机的模型预测控制是一种先进的控制策略,可以有效地解决电机模型不精确、外部扰动等问题。
该方法通过建立电机的数学模型,并根据该模型进行状态和输出的预测,从而实现更精确的控制。
在永磁同步电机的模型预测控制中,首先需要建立电机的数学模型。
该模型需要考虑电机的动态响应特性、电机转子位置、转子磁场等因素。
然后,通过模型预测,确定电机的最优控制量,并对其进行相应调节。
最后,将调节后的控制量输入到电机的控制器中,以实现对电机的精确控制。
三、永磁同步电机的容错控制策略研究在实际运行中,永磁同步电机可能会遇到电网故障、电机故障等异常情况。
为了保证电机的稳定运行,需要针对这些异常情况制定相应的容错控制策略。
容错控制策略通常包括故障检测、故障诊断和故障恢复三个阶段。
首先,需要对电机进行故障检测,通过监测电机的输入输出信号,判断电机是否出现异常。
然后,针对电机故障进行诊断,确定故障类型和位置。
最后,根据故障诊断结果,采取相应的故障恢复措施,保证电机的稳定运行。
四、相关解决方案的提出针对永磁同步电机的模型预测控制和容错控制策略,本文提出了一些相关解决方案。
在模型预测控制方面,可以采用基于最优化算法的模型预测控制方法,以提高控制精度和响应速度。
永磁同步电机矢量控制策略研究与控制器实现一、本文概述随着科技的不断进步和工业领域的快速发展,永磁同步电机(PMSM)作为一种高性能的驱动设备,在电动汽车、风力发电、机器人等领域得到了广泛应用。
矢量控制作为永磁同步电机控制中的核心技术,对于提高电机的动态性能、稳定性和效率具有重要意义。
本文旨在对永磁同步电机的矢量控制策略进行深入研究,并探讨其实际控制器实现的方法。
本文将首先介绍永磁同步电机的基本原理和矢量控制的基本原理,为后续研究提供理论基础。
接着,将重点分析几种常用的矢量控制策略,包括iₑ=0控制、最大转矩/电流比控制、弱磁控制等,比较它们的优缺点,并根据不同应用场景选择合适的控制策略。
本文还将探讨矢量控制策略在实际控制器中的实现方法。
这包括硬件平台的选择、控制算法的编程实现、以及实验验证等步骤。
通过实际控制器实验,验证所提控制策略的有效性,并分析实验结果,为进一步优化控制策略提供指导。
本文将对永磁同步电机矢量控制策略的研究进行总结,并展望未来的研究方向和应用前景。
通过本文的研究,旨在为永磁同步电机的矢量控制提供理论支持和实践指导,推动永磁同步电机控制技术的发展和应用。
二、永磁同步电机理论基础永磁同步电机(PMSM)是一种高性能的电机类型,其工作原理基于电磁感应和磁场定向控制。
与传统的感应电机相比,PMSM具有更高的功率密度和效率,因此在许多领域,如电动汽车、风力发电和精密工业设备等,得到了广泛应用。
PMSM的核心部件是永磁体,它们产生恒定的磁场,与电机中的电流相互作用,产生转矩并驱动电机旋转。
电机的旋转速度与施加到电机上的电压和电流的频率成正比,这是电机控制的基础。
在PMSM的控制中,矢量控制策略是一种重要的方法。
矢量控制,也被称为场向量控制,是一种通过独立控制电机的磁通和转矩来实现高性能运行的控制策略。
它允许电机在宽速度范围内保持高效的能量转换和稳定的运行。
为了实现矢量控制,需要对PMSM的数学模型有深入的理解。
永磁同步电机控制策略及其应用永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,简称PMSM)是新一代高效、节能、环保的电机。
因其高效能、高功率密度、小体积、小惯量等特点,它近年来在各个领域得到了广泛的应用。
为了实现高效、稳定、快速响应的控制,PMSM需要不断的探索与优化其控制算法。
本文将探讨永磁同步电机控制策略以及其在工业生产和汽车制造等领域的应用。
一、永磁同步电机控制策略1. 矢量控制矢量控制是目前应用最广泛的永磁同步电机控制策略。
它是一种既能够控制电机的电磁转矩,又能够控制电机的磁通的控制方法。
矢量控制可以使永磁同步电机在不同负载和转速下保持稳定的工作。
2. 直接转矩控制直接转矩控制是一种以控制电机转矩为基础的控制方法。
直接转矩控制的优点是反应快、精度高,但是其要求系统的传感器精度和响应速度都很高,成本较高。
3. 基于通量观测的控制基于通量观测的控制是一种通用的控制方法。
它通过对电机的磁通进行观测,从而实现了对电机的控制。
它通过传感器、观测器和闭环控制器三个部分构成。
二、永磁同步电机在工业生产中的应用随着工业化的迅速发展,各种机器设备都在不断地改进升级,工业生产中的永磁同步电机也得到了广泛的应用。
以下是几个典型的应用场景。
1. 机床加工永磁同步电机在机床加工中的应用已经成为一个趋势。
它可以实现高精度加工、高速切削、扭矩大输出平稳等特点,能够满足机床高质量高效率的加工需求。
2. 电动汽车永磁同步电机电动汽车是未来汽车行业的重要发展方向。
它可以实现高效、低能耗、低碳排放等优点。
相较于传统的内燃机汽车,永磁同步电机电动汽车具有更高的能量利用率。
3. 风力发电永磁同步电机风力发电技术已经成为风能转化的主流技术之一。
在风力发电场中,永磁同步电机可以实现对风轮的控制,将风能转化为电能。
它可以实现高效稳定的风力发电,具有很高的经济效益。
三、永磁同步电机在汽车制造等领域的应用1. 汽车底盘系统永磁同步电机在汽车底盘系统中的应用也越来越广泛。
永磁同步直线电机伺服系统的控制策略和实验研究一、本文概述本文旨在探讨永磁同步直线电机伺服系统的控制策略及其实验研究。
永磁同步直线电机作为一种高精度、高效率的驱动设备,在工业自动化、精密制造等领域具有广泛的应用前景。
然而,其控制策略的选择和实现对于电机性能的提升至关重要。
因此,本文将从理论分析和实验研究两个方面,深入研究永磁同步直线电机伺服系统的控制策略,以期达到提高电机性能、优化控制效果的目的。
在理论分析方面,本文将首先介绍永磁同步直线电机的基本原理和结构特点,然后详细阐述其数学模型和控制策略。
重点分析了几种常见的控制策略,包括矢量控制、直接推力控制等,并对比了它们的优缺点。
同时,针对永磁同步直线电机的特性,提出了一种基于模型预测控制的优化策略,并对其进行了详细的理论分析和推导。
在实验研究方面,本文设计并搭建了一套永磁同步直线电机伺服系统实验平台,对提出的控制策略进行了实验验证。
通过实验数据的采集和分析,验证了理论分析的正确性,同时也展示了优化控制策略在实际应用中的优越性能。
本文还对实验结果进行了深入的分析和讨论,为进一步改进和优化永磁同步直线电机伺服系统的控制策略提供了有益的参考。
本文的研究内容不仅有助于提升永磁同步直线电机伺服系统的性能和控制效果,而且为相关领域的理论研究和实际应用提供了有益的借鉴和参考。
二、PMLSM的基本原理和结构永磁同步直线电机(PMLSM)是一种将旋转电机沿其径向剖开并展直的特殊电机,它直接实现了电能到直线运动机械能的转换,无需任何中间转换机构。
因此,PMLSM具有结构简单、效率高、响应速度快、精度高等优点,特别适用于需要高速、高精度直线运动的伺服系统。
PMLSM的基本原理基于电磁感应定律和电磁力定律。
当在PMLSM 的初级绕组中通入三相交流电时,会在电机气隙中产生行波磁场。
与此同时,次级永磁体产生的磁场与行波磁场相互作用,产生电磁推力,推动电机动子做直线运动。
通过控制三相交流电的频率、相位和幅值,可以实现对PMLSM运动速度、加速度和位置等参数的精确控制。
永磁同步电机的参数辨识及控制策略研究永磁同步电机的参数辨识及控制策略研究摘要:本文主要研究了永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)的参数辨识和控制策略。
首先,介绍了PMSM的基本原理和特点,包括结构、工作原理以及在工业应用中的优势。
然后,详细讨论了PMSM的参数辨识方法,包括利用电流响应模型和转矩-电流模型进行参数辨识的理论和实践,并对辨识结果进行分析和评价。
接下来,针对辨识得到的参数,提出了一种基于磁链反馈的控制策略,包括速度闭环控制和电流控制,通过实验验证了该控制策略的有效性和可行性。
最后,总结了本文的研究内容,指出了进一步研究的方向和重要性。
关键词:永磁同步电机,参数辨识,控制策略,磁链反馈 1. 引言永磁同步电机是一种采用永磁体作为励磁源的同步电动机,由于其高效率、高功率密度、高转矩性能以及无需外界励磁等优点,在工业应用中得到越来越广泛的应用。
然而,PMSM的性能和效果很大程度上依赖于其控制策略和参数辨识的准确性。
因此,如何准确辨识PMSM的参数,并设计出有效的控制策略成为了研究的重点。
2. PMSM的参数辨识方法2.1 电流响应模型辨识方法电流响应模型辨识方法是一种常用的PMSM参数辨识方法,其基本思想是利用系统的电流响应特性来辨识其参数。
具体而言,通过施加阶跃电压,测量电路中的电流响应曲线,并利用曲线拟合算法得到PMSM的相关参数。
该方法具有辨识过程简单、实验装置简便的优点,但在实际应用中受到噪音、谐波干扰等因素的影响,辨识结果不够精确。
2.2 转矩-电流模型辨识方法转矩-电流模型辨识方法是另一种常用的PMSM参数辨识方法,其基本思想是通过测量PMSM在不同电磁转矩下的电流来辨识其参数。
具体而言,通过施加不同转矩和电压,测量电流曲线,并利用曲线拟合算法来计算得到PMSM的相关参数。
该方法相对于电流响应模型辨识方法具有更高的精确性和准确性,但其实验过程较为复杂,需要较高的实验设备和技术要求。
永磁同步电机工作原理及控制策略永磁同步电机的工作原理是基于电磁感应定律和磁场力的作用。
其核心部分是由定子和转子组成的。
定子包含绕组,带有若干个相位的线圈,而转子则是由永磁体组成。
当定子绕组通过电流时,产生的磁场会与转子的永磁体产生相互作用,从而产生力矩。
通过极性的切换和稳定的控制,可以实现转矩和速度的调节。
永磁同步电机的控制策略主要包括转矩控制和速度控制两种。
转矩控制是通过改变定子电流的大小和相位来控制电机输出的转矩。
一种常见的转矩控制方法是矢量控制,即将电机的电流矢量旋转到与转子磁场矢量相对齐,从而实现最大转矩输出。
在转矩控制中,还可以采用感应电压控制、直接扭矩控制等方法,具体选择哪种方法取决于应用的具体要求。
速度控制是通过调节输入电压的大小和频率来控制电机的转速。
可以采用开环控制和闭环控制两种方法。
开环控制是根据速度需求提供恰当的电压和频率给电机,但不能调节电机的转矩。
闭环控制则通过添加速度反馈,将实际速度与设定速度进行比较,再调整电压和频率输出,实现电机转速的精确控制。
在永磁同步电机的控制中,还常常使用了空间矢量调制(Space Vector Modulation,SVM)技术。
SVM是通过将三相AC电压转换成恰当的电压矢量,控制定子电流的大小和相位。
这种技术可以提高电机的效率、减少电流谐波和噪音,并改善电机的动态性能。
总结起来,永磁同步电机的工作原理是利用磁场力的作用实现高效的电动机转矩和速度调节。
其控制策略包括转矩控制和速度控制,通过改变电机的电流、电压和频率来实现精确的控制。
在控制过程中,SVM技术可以提高电机的效率和动态性能。
随着科技的进步和电机控制技术的发展,永磁同步电机在各个领域的应用将会越来越广泛。
永磁同步电动机及控制策略综述永磁同步电动机及控制策略综述0引言近年来随着新材料技术的发展,特别是稀土永磁材料,磁性复合材料的出现,加之我国拥有世界上最大的高能量密度永磁材料(钕—铁—硼)的储量,使得永磁电机活跃在各个工业生产中。
永磁同步电机(PMSM)是近几年发展起来的一种新型的电机,具有转子转动惯量小、效率高、功率密度大、可靠性高的优点,因此十分适合应用于高性能伺服系统中,例如在数控机床等场合,永磁同步电动机正在逐步取代直流电机和感应电机。
同时由于永磁同步电机无需激磁绕组,明显地减小了体积,减轻了重量,降低了损耗,避免了电机发热,从而提高了效率和功率因数,具有明显的节能效果。
尤其在现代的PMSM运动控制系统中,它比异步电动机更便于实现磁场定向控制,可以获得与直流电动机一样优良的转矩控制特性,使控制系统具有十分优良的动、静态特性。
1永磁同步电机的种类和基本结构就转子结构看,永磁同步电机分凸装式、嵌入式和内埋式三种基本形式,,前两种又统称为外装式结构。
凸装式直轴磁阻与交轴磁阻相等,因此交、直轴电感相等,即Ld=Lq,表现为隐极性质;另外两种结构,直轴磁阻大于交轴磁阻,因此Ld凸装式结构简单便宜,应用较多。
这种结构中电机转子直径变得较小,从而导致电机的小惯量,故适用于伺服系统。
然而在PMSM 中小电感不总是有利,因为小电感将导致弱磁控制。
在弱磁控制期间虽然电压已经达到逆变器所能提供的最大值,但速度依然需要不断上升。
弱磁控制是通过增加反相直轴定子电流分量实现的,若电感很小,就只能通过很大的去磁电流和低负载实现弱磁。
嵌入式结构可增大漏磁链,因增大的交轴电感使电枢的反应增大,致使极角增大和转矩降低。
内埋式电机虽然结构复杂、昂贵,但它具有高气隙磁通密度,因此它产生的转矩比凸装式电机产生的转矩大,且气隙磁通易于正弦分布,从而降低齿槽转矩效应。
2永磁同步电动机的特点与传统异步电机相比,永磁同步电机具有以下特点。
永磁同步电机的参数辨识及控制策略研究一、本文概述随着能源危机和环境污染问题的日益严重,高效、环保的永磁同步电机(PMSM)在工业生产、交通运输、航空航天等领域的应用越来越广泛。
然而,永磁同步电机的控制精度和稳定性受到参数摄动、非线性特性和外部扰动等多重因素的影响,使得电机控制成为一个具有挑战性的问题。
因此,研究永磁同步电机的参数辨识和控制策略具有重要的理论和现实意义。
本文旨在探讨永磁同步电机的参数辨识方法以及控制策略的研究。
我们将对永磁同步电机的基本结构和运行原理进行介绍,阐述电机参数对电机性能的影响。
然后,我们将重点研究永磁同步电机的参数辨识方法,包括离线辨识和在线辨识技术,以及参数辨识的准确性和鲁棒性等问题。
接着,我们将深入探讨永磁同步电机的控制策略,包括传统的控制策略和现代控制策略,以及这些策略在电机控制中的应用和效果。
我们将通过仿真和实验验证所研究的参数辨识方法和控制策略的有效性和可行性,为永磁同步电机的实际应用提供理论支持和技术指导。
希望通过本文的研究,能够为永磁同步电机的参数辨识和控制策略的发展提供一些新的思路和方法。
二、永磁同步电机的基本原理和特性永磁同步电机(PMSM)是一种高性能的电机,其运行原理基于电磁感应和磁场相互作用。
PMSM的主要组成部分包括定子、转子和永磁体。
定子通常由三相绕组构成,负责产生旋转磁场;转子则装有永磁体,产生恒定的磁场。
当定子绕组通电后,产生的旋转磁场与转子永磁体磁场相互作用,使转子产生转矩并旋转。
PMSM的主要特性包括高效率、高功率密度、良好的动态性能和调速范围宽等。
由于永磁体的存在,电机在无需励磁电流的情况下即可产生磁场,从而降低了铜耗和铁耗,提高了电机的效率。
PMSM的转矩-惯量比高,动态响应速度快,使其适用于需要快速响应和精确控制的应用场合。
PMSM的调速范围宽,可以在宽广的转速范围内实现恒转矩和恒功率运行。
然而,PMSM也存在一些挑战,如参数辨识和控制策略设计。
永磁同步电机控制策略综述和展望摘要:随着近年来科技的飞速发展,各领域对电机的控制性能要求也越来越高,其中永磁同步电机因其构造简单、质量体积较小、效率高和较好的鲁棒性能而快速发展,同时由于近年来稀土材料大量运用于永磁体的研究,永磁同步电机的永磁体效能也明显提高。
永磁体在经过充磁后可以形成恒定的磁场,具有良好的励磁特性,并且永磁体比电励磁质量更轻、稳定性更强、损耗更低。
尤其是近年来电力电子技术的发展,更是让永磁同步电机的控制得到飞速发展。
永磁同步电机的控制已成为近年来电机领域的研究重点。
下面,文章就永磁同步电机控制策略综述和展望进行论述。
关键词:永磁同步电机;控制策略;未来展望引言永磁同步电机作为交流伺服系统的重要组成部分,由于其具有体积小、重量轻、效率高等一系列优点,在农业机械、航空航天等领域应用广泛。
随着新型高效永磁材料的不断发现,电励磁装置逐渐被永磁体励磁所取代,节约了成本,使永磁同步电机获得了快速的发展。
永磁同步电机作为一种强耦合、多变量的复杂系统,在控制过程中需要先进的控制算法进行简化处理,现阶段随着永磁同步电机的快速发展,已建立出一套适用性较高的数学模型,因此研究先进的控制算法显得尤为重要。
1永磁同步电机工作原理电动机的工作原理是基于定子绕组中的电流和转子磁场之间的相互作用。
如图1 所示,当电机转子产生的永磁体直流磁场为d轴静磁场时,空间中没有旋转磁场。
当三相定子绕组通直流电时,会产生相应的直流磁场。
在合理控制各相绕组电流强度的前提下,两个直流磁场就像磁铁一样,产生相互作用力。
由于定子绕组不能移动,转子磁场受到旋转力的影响。
图1 定子磁场与转子磁场作用示意图磁场相对位置的变化会导致两者间的作用力变化并且不会保持恒定,通常在定子绕组中放置正弦点,形成等效的旋转磁铁。
2永磁同步电机控制策略综述以及展望2.1矢量控制矢量控制也称为磁场定向控制。
由于在永磁同步电机输入交流电时会在电机内部产生电磁转矩和耦合磁场,这会影响电机的运行并给永磁同步电机的控制带来新的问题。
直接转矩控制是近年来应用比较广泛的一种控制策略。
它的优点包括控制原理直观明了,操作简单快捷,具有良好的转矩响应性。
而另一方面,永磁同步机电因为其运行的可靠性高,结构简单,所以在交流伺服机电中所处的地位越来越高。
基于这一发展趋势,本文重点研究了把直接转矩控制应用在永磁同步机电上的控制效果。
为了更好地分析永磁同步机电直接转矩控制,本文介绍了直接转矩控制的原理和它的优缺点,还有永磁同步机电的分类、结构及其在不同坐标系下的数学模型。
然后借助 MATLAB 中的 Simulink 功能,搭建永磁同步机电直接转矩控制系统的模型,对仿真结果进行分析归纳,最后得出结论。
结论表明,永磁同步机电直接转矩控制具有较好的转矩响应,基本能实现对永磁同步机电的快速可靠的控制,但是低速性能不佳,得不到快速的转矩响应。
这就确定了改善永磁同步机电直接转矩控制在低速时候的转矩响应将成为今后的发展趋势。
直接转矩控制;永磁同步机电;仿真AbstractDirect torque control (DTC) is used widely recently. It is intuitive and clear, simple and swift and has fast torque respond. on the other hand, permanent magnet synchronous machine (PMSM) become more and more important for its high reliability and simple structure. In this paper, we focused on the effect of the application of DTC to PMSM. In order to analyze PMSM DTC better, this paper precented both the advantage and the disavantage of DTC .What ’s more,it also shown PMSM’s classification, structure, mathematical models in different coordinate system . Then I built model of PMSM DTC and smulated in the simulink environment. In the end I drew a conclusion by the result of simulation. The conclusion shown that PMSM DTC has quick torque respond to achieve rapid and reliable control. however, it has poor low-speed performance. Therefore, improving PMSM DTC low-speed performance will be the trend of improvement in the future.PMSM , DTC , SimulationⅠⅡ1.1 研究背景及研究意义 4 1.2 相关技术的发展情况 5 1.3 研究的主要内容 62.1 机电控制策略分类 6 2.2 直接转矩控制原理 7 2.3 直接转矩控制的发展方向 8 2.4 本章小结 93.1 永磁同步机电的分类 9 3.2 永磁同步机电的结构 10 3.3 永磁同步机电的数学模型 12 3.4 本章小结 164.1 永磁同步机电直接转矩控制原理 16 4.2 逆变器与开关表 17 4.3 定子磁链与电磁转矩的测定 19 4.4 本章小结 205.1 仿真软件 21 5.2 仿真模型 21 5.3 仿真结果分析 24 5.4 本章小结 262628自1834 年德国的雅克比发明了第一台机电后,机电在人们日常的生产,生活中发挥着越来越大的作用。
永磁同步电机及控制策略1 引言 (1)2 永磁同步电机的数学模型 (1)2.1永磁同步电机的结构 (1)2.2 永磁同步电机的数学模型 (3)3 交流伺服系统的几种主要控制策略 (5)3.1基于稳态模型的控制策略 (5)3.2基于动态模型的控制策略 (5)(1)矢量控制 (5)(2)直接转矩控制 (6)(3)反馈线性化控制 (6)(4)自适应控制 (6)4 永磁同步电机伺服系统的矢量控制 (6)4.1 永磁同步电机中的坐标变换 (8)① Clarke变换 (8)② park变换 (10)i=0控制原理分析 (12)4.2d4.3控制系统结构及原理 (13)4.4 空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理 (14)1 引言对于一个完整的交流伺服驱动控制系统,是以电动机为控制对象,以控制器为核心,以功率变换装置为执行机构,在自动控制原理的指导下组成的电气传动自动控制系统。
这类系统控制电动机的转矩、转速和转角,将电能转化为机械能,实现运动机械的运动要求。
对交流伺服驱动控制系统进行研究,首要问题是对控制对象进行准确而完备的数学描述。
随着永磁材料的不断开发及成熟,永磁电动机在交流伺服系统中拥有了越来越重要的地位。
永磁电动机一般在转子或定子上装有永磁磁钢,以产生恒定磁场,由于永磁体可以产生很强的磁场,所以其具有较高的功率密度和较小的体积,从而使得永磁电动机伺服系统具有较高的性能指标,因此被广泛地应用在运动伺服系统中。
2 永磁同步电机的数学模型2.1永磁同步电机的结构三相永磁同步电动机 (PMSM)的特点是用永磁体取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组,从而省去了励磁线圈、滑环和电刷,以电子换向实现无刷运行。
PMSM 的定子与绕线式同步电动机基本相同,要求输入定子的电流仍然是三相正弦的,所以称为三相永磁同步电动机。
永磁同步电动机也由定子、转子和端盖等部件构成。
电机的定子指的是电机在运行时不转动的部分。
定子与普通感应电动机基本相同,也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。
浅析永磁同步电机控制策略
【摘要】近年来,永磁同步电机凭借其体积小、损耗低、效率高等优点,被
广泛应用于各种生产实践中。与此同时,对永磁同步电机的控制研究也得到了广
泛的重视。本文就永磁同步电机的控制策略做出简单阐述,对比其优缺点,分析
永磁同步电机控制侧率的发展方向。
【关键词】永磁同步电机;恒压频比开环控制;矢量控制;直接转矩控制
1.引言
近年来,随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展,
永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小,损耗低,效
率高等优点,在节约能源和环境保护日益受到重视的今天,对其研究就显得非常
必要。因此。这里对永磁同步电机的控制策略进行综述,并介绍了永磁同步电动
机控制系统的各种控制策略发展方向。
2.永磁同步电机的数学模型
永磁同步电机(PMSM)的永磁体和绕组,绕组和绕组之间的相互影响,电
磁之间的关系十分复杂,由于磁路饱和等非线性因素,建立精确的数学模型是很
困难的。为了简化PMSM的数学模型,我们通常作如下的假设:
(1)磁路不饱和,电机电感不受电流变化影响,不计涡流和磁滞损耗;
(2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响;
(3)三相绕组对称,永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布;
(4)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布;
(5)驱动二极管和续流二极管为理想元件;
(6)转子磁链在气隙中呈正弦分布。
对于永磁同步电机来说,即用固定转子的参考坐标来描述和分析其稳态和动
态性能是十分方便的。此时,取永磁体基波励磁磁场轴线即永磁体磁极的轴线为
d轴,而q轴逆时针方向朝前90o电角度。d轴与参考轴A之间夹角为。图1为
永磁同步电机(PMSM)矢量图。
图1 PMSM空间向量图
Fig.1 Space vector diagram of PMSM
根据图1所示向量图进行坐标变换,满足功率不变原则,得到在旋转坐标系
下PMSM的数学模型方程如下
(1)电压方程
由三相静止轴系ABC到同步旋转轴系dq的变换得:
(1)
,Rs为定子相电阻,其中:
。
(2)磁链方程
(2)
式中为转子(永磁体)在dq轴的磁链,,ud、uq,id、iq和、分别为dq轴
的电流、电压和磁链。、为dq轴的电感。
(3)转矩方程
电磁转矩的表达式为:
(3)
pn为极对数,定子磁链空间矢量,is为定子电流空间矢量。
3.恒压频比开环控制(VVVF)
恒压频比开环控制(VVVF)是为了得到理想的永磁同步电机转矩-速度特性,
基于在改变电源频率进行调速的同时,又要保证电动机的磁通不变的思想而提出
的。 按照这种控制策略进行控制,使供电电压的基波幅值随着速度指令成比例
的线性增长,从而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略简单,易于实现,
转速通过电源频率进行控制。但同时,由于系统中不引入速度、位置等反馈信号,
因此无法实时捕捉电机状态,致使无法精确控制电磁转矩:在突加负载或者速度
指令时,容易发生失步现象;也没有快速的动态响应特性。因此,恒压频比开环
控制电机磁通而没有控制电机的转矩,控制性能差。通常只用于对调速性能要求
一般的通用变频器上。
4.矢量控制(VC)
七十年代中期,德国学者提出“交流电机磁场定向的控制原理”,即用矢量变
换的方法研究交流电机的动态控制规律。矢量控制理论采用矢量分析的方法来分
析交流电机内部的电磁过程,是建立在交流电机的动态数学模型基础上的控制方
法。它模仿对直流电机的控制技术,将交流电机的定子电流解祸成互相独立的产
生磁链的分量和产生转矩的分量。分别控制这两个分量就可以实现对交流电机的
磁链控制和转矩控制的完全解祸,从而达到理想的动态性能。使交流传动的动、
静态特性有了显著的改善,开创了交流传动的新纪元。矢量控制是目前高性能交
流电机调速系统所采用的主要控制方法,具有很好的动态性能。然而这种控制技
术本身还是存在一些缺陷的,受电机参数影响较大,由于电机参数在不同运行情
况与环境的多变性,所以系统鲁棒性不强;矢量控制的根本是实现类似直流电机
的控制,因此需要进行复杂的解耦运算,增加了信号处理工作负荷,要求更高的
硬件处理器配合;
5.直接转矩控制(DTC)
1985年德国学者M.DepenBrock教授首次提出了磁链采用六边形控制方案的
直接转矩控制理论。该方法只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型,强调
对电机的转矩进行直接控制,省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。其磁场
定向所用的是定子磁链,只要知道定子电阻就可以把它观测出来。因此,DTC
大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题,很大程度上克服
了矢量控制的缺点。
转差角频率越大,转矩越大。转差角频率增加,转矩也增加。说明异步电机
的转矩和转矩增长率都可以通过控制定子磁场对转子的角频率来控制。也就是
说,异步电机DTC是建立在电机转差角频率控制的理论基础上的。而同步电机
并不存在这种转差角频率,正是由于这个原因,DTC策略在同步电机上没有能
够快速地得到应用。直到1996年英国的French.C和Acarnley .P发表了关于
PMSM的DTC的论文,1997年由澳大利亚的Zhong L, Rahman.M.T教授和南
航的胡育文教授等合作提出了基于PMSM的DTC方案,初步解决了DTC控制
策略在PMSM上应用的理论基础。有了这个理论基础,PMSM的DTC控制也成
了众多学者研究的一个热点。
就目前而言,永磁同步电机控制的直接转矩控制摒弃了矢量控制解耦的思
想,将转子磁通定向更换为定子磁通定向,通过控制定子磁链的幅值以及磁通角,
达到控制转矩的目的,具有控制手段直接、结构简单高效、控制性能优良、动态
响应迅速的特点。直接转矩控制在克服了矢量控制弊端的同时,这种粗犷式控制
方式也暴露出固有的缺陷。首先控制器采用Bang-Bang控制,实际转矩必然在上
下限内脉动;再者调速范围受限。在低速时,转矩脉动会增加,而且定子磁链观
测值会不准。另外,电机参数的时变对直接转矩控制也有影响。
6.结论
本文所阐述的永磁同步电机的控制方式是最基本的三种控制方式。通过文中
的阐述,可以看出每种控制方式都有其利弊,可以根据设备的应用环境工况来选
择设备的控制方法。
同时随着控制理论的不断发展,学者们采用智能控制策略,如最优控制、遗
传算法、模糊控制等方法,用来克服每种控制方式的弊端,使得永磁同步电机的
应该更加广泛,充分发挥其体积小,损耗低,效率高等优点。
参考文献
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