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磁场定向控制的永磁同步电动机使用DSP

Yadu Kiran1, Dr.P.S.Puttaswamy2
  1. B。E学者、电气与电子工程系、体育工程学院,Mandya,印度
  2. 电气与电子工程系教授,体育工程学院,Mandya,印度
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文摘

摘要永磁同步电动机矢量控制的永磁同步电动机采用正弦脉冲宽度调制。这些汽车变得越来越流行在工业应用由于其高效、快速的动态响应和紧凑的尺寸。直到最近,编程和实现成本的高性能控制算法对这些汽车已经被禁止。然而,已经取得了巨大的成就,硬件制造商如芯片、飞思卡尔、IRetc促进这些算法架构的处理器。这已经大大降低了开发成本,为永磁同步电动机开启了全新的途径。本文详细的驱动系统利用DSP实现电机的磁场定向控制(FOC)。讨论了永磁同步电动机的数学模型和仿真软件模型的整个驱动系统。进行模拟运行不同的工作条件并与实际的结果。

关键字
永磁同步电动机、永磁Synnhronous电机脉冲宽度调制(PWM),磁场定向控制(FoC), PI控制器,仿真软件,数字信号处理器(DSP)

介绍
电动驱动器在每个行业中发挥关键作用的。每个行业都有自己的特定需求和操作条件。驱动系统的设计者必须适当地选择电动机和控制策略,满足所有的需求,同时保持支出尽可能低。驱动系统可以分为恒速或变速驱动器。传统上,A。C机器操作在一个固定的频率正弦供应用于恒速驱动,而D。variablespeed驱动器C机器是首选。然而,来自D和刷子的存在。C汽车导致维护问题,增加损失引发更高的运动惯性,通常更高的成本。永磁Synchnronous电机(永磁同步电动机)可以用来克服传统D的许多弊端。C汽车由于先天自然的建设。
图像
在最简单的形式中,永磁同步电动机由永久磁铁作为转子,而不是传统的转子绕组。转子周围环绕着三个等距的固定定子绕组如图1所示。每个绕组的电流产生的磁场矢量总结形成合成磁场。在电机产生转矩之间吸引或排斥这净定子磁场和永久磁铁产生的磁场,即转子。通过控制电流的三个绕组,任意方向和大小的磁场可以由定子,从而,可以控制产生的扭矩。
传统刷电动机转换机械通过刷接触时的换向器开关当前电机动作。雷竞技网页版然而,无刷马达缺乏任何形式的刷子和换向器。而是利用电力电子开关电路整流。因此,这些类型的电机能够提供大量优势传统刷马达[2]。它们是:
•无刷结构不会产生任何火花和不需要刷的维护。
•因为没有磁场绕组,没有铜的损失导致提高效率。
•他们能够维持一个恒定的速度在整个操作。
•一个永磁电机大小是小于一个感应电动机相同的能力。
•有较低的惯性转子感应电动机相比,因为缺乏转子笼。这允许更快的响应。
这些永磁电机的唯一的缺点是所需的算法和电子控制当前电动机是有些复杂的。

永磁同步电动机的比较和刷电机
主要有两种主要类型的无刷电机,即,无刷直流电机(刷),和永磁同步电机(永磁同步电动机)。他们都共享相同的基本结构,包括永磁体转子和定子绕组。然而,一个主要的区别是,在定子线圈均匀绕在无刷直流电机和永磁同步电动机的伤口以对称的方式。结果,在无刷直流电机在本质上是梯形反电动势产生如图2所示,在自然和正弦永磁同步电动机马达。因此,永磁同步电动机汽车更有效和产生更少的噪音和转矩脉动。然而,永磁同步电动机马达的固有优势并需要更复杂的控制算法。
图像

目标的控制策略
对于任何转子的位置,有一个最优的净定子磁场方向最大化[1]产生的扭矩。如果净定子磁场和转子磁场方向相同则不会产生转矩。这是因为字段的力量产生的交互行为符合转子的转动轴,只会导致电机轴承的压缩,而不是旋转。如果定子磁场垂直于转子字段,然后产生最大扭矩。
任何定子磁场可以表示成两个矢量的合成组件,正交(正交)组件负责产生转矩,以及平行(直接)组件产生不希望的热量和压缩力量。因此,一个理想的驱动应该致力于减少平行分量,同时最大化正交分量。
定子磁场是由电流在三个等距的绕组,相隔120度的机械。因此,他们每个人都产生一个磁场矢量面向组件的120度。永磁电机的数学模型是在定子磁场绕组电流,而不是因为他们更容易测量。当前空间向量用于模型定子绕组电流的字段。给定的绕组的电流空间矢量大小正比于电流流过线圈和绕组产生的磁场的方向。这允许我们代表总定子磁场作为电流空间矢量的矢量和三个绕组的电流空间矢量组件。为了让这一切变得简单,合成电流空间矢量电流需要流在一个虚构的绕组,以产生相同的定子磁场方向和大小的组合三个实际电流通过实际定子绕组。
就像定子磁场,电流空间矢量也可以被分解成正交和直轴组件。正交(正交)当前组件生成一个字段在直角转子磁铁,因此导致转矩,而平行(直接)当前组件生成一个字段与转子磁铁产生扭矩。因此,控制算法的目的是减少直流分量,以减少损失。电流空间矢量如图3所示,三个绕组命名,b C。
生产顺利转矩不变,定子电流空间矢量理想情况下应该常数大小,应与转子转,总是在正交方向上,不论转子角和速度。为了达到这个目标,各种控制算法实验和开发了不同程度的成功。
图像

磁场定向控制
最普遍的无刷电机控制策略是梯形控制、正弦磁场定向控制和控制,每个国家都有自己的优点和缺点。梯形控制相对简单,并提供高速运行平稳低速转矩脉动,但原因。正弦控制消除低速转矩脉动,并提供有效的操作,但PI控制器的局限性使其不适合高速应用。磁场定向控制(FOC)结合了前两种方法的最好的方面,提供平稳、有效的操作和快速动态响应在低和高速度。由于这个原因,我们选择来实现船在我们的驱动系统。
面向领域的控制算法与正弦控制共享很多共同点。然而,一些根本性的差异使其达到更好的效率在高速度。正弦控制出现的主要缺点是因为这种控制方案试图控制电动机电流的大小和方向随时间。随着速度和频率的增加,PI控制器不能处理操作由于其有限的带宽。这个问题是可以克服的,代表和控制电流空间矢量在两轴dq的参照系。
这种控制方案围绕着克拉克和公园转换,和他们的逆。通过应用这些转换,我们可以变换3Φ定子电流到转子的旋转坐标系。
通过使用克拉克变换,三相数量从三相坐标系转换到双轴正交静止参考。然而,数量仍在静止的参考系转子参考系时不断地旋转。公园的变换可以将这些物理量转换成一个正交坐标系直接和交轴组成。三个坐标系如图4所示。
图像
克拉克和公园转换可以写成矩阵形式为:
图像
图像
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正如前面所提到的第三节,直轴组件产生无用的扭矩而交轴分量产生旋转力矩负责。在理想的情况下,电流空间矢量在dq坐标系是固定大小和方向(正交)对转子,无论旋转。由于电流空间矢量dq的参照系是静态的,PI控制器现在必须操作直流数量而非正弦信号,从而极大地简化了控制结构。这种隔离控制器从变异绕组电流和电压,因此消除限制控制器频率响应和相移电动机转矩和速度。标准FOC驱动器的框图如图5所示。
通过孤立的PI控制器时变电流和电压,FOC算法能够提供许多优势,如:
•效率高
•运行平稳速度低和高导致大范围的速度
•一个复杂和交流耦合模型转换为一个简单的线性系统
•快速动态响应和良好的瞬态和稳态性能
唯一的限制,阻碍采用船的转换需要处理需要大量的计算能力和实现是很困难的。这些天,微处理器和dsp与矢量控制功能实现到架构本身在市场上现成的。这导致激增利用无刷电机由于有效控制策略传递效率高,满足大量的需求。
有几种技术,可用于生成(我选通脉冲。e脉冲宽度调制脉冲)的逆变电路FOC,最引人注目的是正弦脉宽调制、空间矢量PWM和三次谐波注入PWM。软计算技术,如模糊逻辑、遗传算法、神经网络等也可用于在应用程序中实现,需要最大的准确性[8]。

驱动系统的概述
目的是提供良好的动态响应范围广泛的速度、驱动系统的开发,利用16位数字信号处理器(DSP)和一个IGBT模块来实现磁场定向控制使用正弦脉宽调制(sPWM) [5]。系统的原理图如图6所示。
系统的各种功能单元如下:
•永磁同步电机(永磁同步电动机):电机驱动系统的选择是一个800 w, 2.55纳米永磁同步电机(永磁同步电动机)公司生产的电机功率。
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•IGBT功率模块:IGBT模块控制电动机的功率流。3Φ首先输入模块整流成直流环节电压通过一个桥式整流电路,这是反过来转换为一个变量AC供应的桥IGBT作为逆变器的行为。igbt是由PWM触发脉冲生成的DSP处理后从速度传感器接收到的信号。因此,电压供应机可以由不同的责任周期控制触发脉冲。这个监管AC供应作为电动机的输入功率。采用IGBT电路如图7所示。
图像
•16位数字信号处理器(DSP):一个数字信号处理器(DSP)是一家专业的微处理器体系结构是专门为数字信号处理设计。虽然大部分的通用微处理器可以执行DSP算法,它们不适合大多数应用程序由于电力和空间约束。专门的DSP可以提供一个低成本的解决方案,更好的性能和更低的延迟。
•在我们的例子中,我们已经选择了TMS320LF2407A DSP从德州仪器。DSP核心系统与外部设备和内存。然而,DSP核心本身能够产生12 PWM脉冲没有任何外部的援助外围设备由于集成事件管理器模块(EV)。
DSP在这个系统的作用是充当PI控制器和产生IGBT的选通脉冲电路,以确保电动机运行。电动机的速度和当前值反馈到DSP为闭环控制的目的。DSP是编程,使其执行克拉克和公园变换3Φ量并确定所需的占空比的PWM信号,以使电流向量正交的方向。控制算法的流程图如图8所示。
•传感器:正交编码器脉冲(QEP)传感器反馈是用来推断从电机速度和位置信息。永磁同步电动机马达编码器部分生成2000脉冲/革命。通过监测这些脉冲,可以计算的速度和位置。两个电机使用电流传感器相位测量电流。第三个阶段是负面的和前两个。此信息由DSP用于信号变换到d,问旋转参考系生成适当的控制信号。
图像
•个人电脑:电脑的功能是提供一个简单的用户和系统之间的接口。它形成的基础系统的不同组件之间的交互。(我的参考输入。e所需速度)是通过电脑输入,然后传播到DSP。它还可以用于监测电机的速度通过绘制实际的速度和参考速度在电动机操作。接口和PC和DSP之间的交互设计使用Visual basic。
•3Φ汽车变压器:汽车变压器用于调节3ΦAC供应IGBT模块的输入。

永磁同步电动机的数学模型
电气和机械方程永磁同步电动机的转子(dq)参考系如下:
图像
通过重新安排在方程(1)和(2),然后将它们,我们可以获得方程为直轴和交轴电流。
图像
机械方程可以写成
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仿真软件的实现
描述的传动系统在仿真软件模拟,如图9所示。
图像
每个标签的功能模块如下:
1)参考速度:所需的速度设置在rpm中使用一个常数。
2)永磁同步电动机的电气和机械方程需要速度的弧度/秒表示。在rpm用户设定的速度,可以转换为弧度/秒通过乘以2×π/ 16(我。e获得块)
3)PI控制块:误差信号是通过减去参考速度与实际速度。PI控制,使用Matlab的默认控制。得到我和P参数的值如下:
图像
4)需要Ia, b, c子系统:这个子系统的输入所需的直轴的值(Id),交轴电流(智商),和真正的时间价值θ(θ)反馈。如第三章所述,定子电流的直轴分量产生无用的压缩力。理想情况下,我们希望如果直轴组件是0。因此,我们所需的Id值设置为一个常量0。
这个子系统是三相的电流计算所需的值,通过执行逆克拉克和公园转换(如第四节所述)直轴和交轴电流。在面具下面,是一块如下所示:
图像
5)正弦PWM布洛克:这个子系统生成六桥IGBT电路PWM波形。面具下面的块如下所示:
图像
载波信号基本上是一个三角波形产生的重复序列,配置如下:
时间值:[0 1 / (4 * fs) 3 / (4 * fs) 1 / fs)
输出值(0 - V + V 0):
在fs =逆变器的开关频率;
V =直流环节电压IGBT桥
图像
6)桥IGBT电路:三个手臂,6-IGBT逆变电路实现通过使用通用桥由SimPowerSystems提供。选通脉冲正弦脉宽调制(PWM)提供的控制子系统。
图像
7)负载:在这个模型中,负载模拟信号的值作为一个步骤是在扭矩(Nm)。主电机子系统中使用这个负载转矩来计算数量。
8)永磁同步电动机子系统:该子系统实现了永磁同步电动机的数学模型,详细的第六节。除了Va, Vband Vc从逆变器模型和负载转矩波形,其他几个参数中定义的面具子系统。这些参数是常数与电动机的规范。以这种方式定义的参数是:
R =定子电阻,欧姆(Ω)
Ld =直轴电感亨利(H)
Lh =交轴电感亨利(H)
Yaf =转子磁通恒定(V / rad / s)
J =惯性矩(Kgm2)
B =摩擦恶性增益(Nm / rad /秒)
P =极数
图像
块进一步分为不同的子系统如下详细:
8.)Vabc VdqSubsytem:这个子系统将3Φ电压量转换从一个三轴静止帧direct-quadrature轴旋转坐标系转换利用克拉克和公园。
8. b)永磁同步电动机参数计算:这个子系统进行所有的计算得到电机的实时参数,如:直轴电流、交轴电流、电磁转矩、速度和转子位置(θ)。这是进一步分为三个子系统,如图15所示。
图像
每个子系统基本上实现了第六章机电方程详细使用标准模型块。
8. c)容器IabcSubsytem:当前值从永磁同步电动机获得子系统direct-quadrature轴参考系。为了反馈的这些值,我们需要将其转换回3Φ参考系。这个子系统是一样的一个详细的所需的Ia, b, c子系统在第4部分)。
9)永磁同步电动机的速度计算模型块弧度/秒。但是,为了方便用户,它被转换为每分钟旋转(rpm)。执行的转换是通过设置获得60 *π/ 2块
10)范围块用于观察各种实时波形。

结果
模拟运行已经进行了各种负载情况。在这里,我们目前的两种情况,一个启动电动机在负载整个操作保持不变,而另一个应用的负载增加运行一段时间后。
案例1:参考速度设置为1500 RPM和一堆3海里从一开始应用。观察到的相电流波形如图16所示。
图像
初始电流过冲由于高起动转矩,但很快落定在0.06秒内均匀正弦波形。我们还可以观察到每个波形互相流离失所的120度。
速度、扭矩、直轴和交轴电流波形如图17所示。
图像
速度超过1610转左右开始,轻微震荡,但很快解决1494 rpm和保持稳定。自然地,起动转矩高但在0.13秒内解决其额定值。
案例2:参考速度设置为1500 rpm和负载转矩的3海里是应用于开始。然后负载增加到5 Nm t = 0.1秒。这个阶段电流,如图18所示。
图像
当负载增加在t = 0.1秒,速度降到了1460 rpm的价值,以及1460年和1510年之间徘徊在rpm(红色圆圈所反映出的图19)和相电流幅值也增加后小的过渡时期。但在t = 0.13秒,控制器动作速度又回到1500 rpm的参考速度。电机产生的转矩也会增加平衡负载转矩应用,导致增加相应的直轴和交轴电流。
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实际的结果
实际的实现进行了测试和各种负载情况下获得的结果提出了几个场景:
图像
一组1500 rpm的速度和负载3海里,电机达到设定的速度只有略微超出如图20所示。
图像
当负载增加到大约5海里,运动经历了一些小的瞬态时间持续一秒钟,也突出了这红色圆圈在图21中,后定居在一个稳定状态。
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系统设计,这样可以改变旋转方向方便的接口。在图22,运动方向相反。由于惯性旋转前进的方向,方向不能改变立即运动首先需要一些时间来休息,然后扭转方向。

结论
永磁同步电动机马达正引起越来越多的关注随着时间的推移和发展新的和有效的控制算法将进一步实施上级和经济上可行的替代传统的感应电动机。永磁同步电动机驱动系统利用磁场定向控制(FOC)取得了令人满意的性能仿真和实际实现中,与小速度和转矩的变化明显的结果。DSP的指令集架构(ISA)及其整合周边设备简化了软件和硬件的开发。DSP的实时处理能力允许一个高度可靠的驱动能有效运作在一个广泛的速度,同时也提供了实现更高级的潜力或复杂的高性能变速驱动控制方案。进一步的改善可以通过合并实现空间矢量PWM (SVPWM)代替传统的正弦脉宽调制(SPWM) [11]。还可以实现软计算技术的控制算法虽然这需要足够的知识开发的硬件。由设计师来选择最优的和可行的控制策略来满足他所有的要求。

引用