永磁同步电机磁场定向控制中的转矩脉动最小化

Thanu詹姆斯¹, B.Adhavan²， C.S.Ravichandran博士^3.

印度泰米尔纳德邦哥印拜陀罗摩克里希纳工程学院EEE系PG学生[PED]
印度泰米尔纳德邦哥印拜陀罗摩克里希纳工程学院EEE系副教授
印度泰米尔纳德邦哥印拜陀市室利罗摩克里希纳工程学院EEE系教授兼院长

摘要

永磁同步电动机是一种特殊的电机，在不久的将来会成为感应电动机的最佳替代品。该电机的结构类似于感应电机，其中定子与这些电机相似，转子由永磁体组成。在转子中使用永磁体产生和产生大量的气隙，用于制造高性能和高效的自动化电机驱动。在这些类型的电机中看到的主要缺点是产生脉动转矩，这增加了电机驱动器的噪声和振动，从而降低了驱动器的效率。本文讨论了利用传统的PI控制器和模糊控制器来减小电机转矩脉动的各种控制技术。在MATLAB 2010b中对各个系统进行了设计和分析，并进行了比较，分析了永磁同步电机驱动磁场定向控制中转矩脉动最小化的最佳技术。

关键字

永磁同步电机，比例积分控制器，模糊逻辑控制器，空间矢量脉宽调制

介绍

永磁同步电机(PMSM)与无刷直流电动机(BLDC)密切相关，其励磁由永磁体提供，但具有正弦反电动势。因此，它们被认为是感应电机和无刷直流电机的组合，因为定子结构类似于感应电机。这些驱动器主要用于空调和交流冰箱压缩机，洗衣机，自动电力转向，机床和牵引力控制应用。这些电机广泛应用于低功率和中功率应用，如计算机外围设备，机器人，可调速驱动器和电动汽车，由于高效率，高功率因数，高功率密度，紧凑和免维护运行等优点。此外，由于没有换向器，这些电机优于传统的电刷型直流电动机，从而最大限度地减少了电刷的机械磨损，并增加了电机的寿命。然而，永磁同步电动机的主要缺点是寄生转矩脉动。这些转矩脉动的存在导致瞬时转矩随转子位置周期性地脉动。对于低速应用的操作，这些脉动在电机转速中反映为周期性脉动。在永磁同步电机中有各种各样的转矩脉动来源，如齿槽、磁通谐波、电流测量误差和相位不平衡。鉴于永磁同步电动机在工业应用中的日益普及，脉动力矩的抑制近年来受到了广泛的关注。

文献中提出了许多基于电机设计和控制技术的技术来减小PMSM[8]中的转矩波动。为了减小磁链谐波的影响，引入了以磁链/转矩估计为核心的非线性转矩控制器。利用内模原理和自适应前馈补偿技术，在电机转速较低时将齿槽转矩的影响降到最低。缺点是模型的实际实现需要额外的工作[7]。转矩波动是寄生的，可导致转矩脉动、振动和噪声。利用复状态变量法对这些影响进行了分析和建模。研制了一种快速电流控制系统，用于产生高频电磁转矩元件进行补偿[6]。

采用嵌入式相位域模型来减小系统的数值不稳定性。常规相域模型和嵌入式相域模型在稳态和瞬态情况下都提供了相同的结果;然而，当时间步长增大[5]时，传统模型很快变得不稳定。在永磁同步电动机[9]直接转矩控制中，采用模糊逻辑等智能策略来减小转矩波动。

场向控制

磁场定向控制是一种有效的方法来控制永磁同步电机在可调速驱动应用快速变化的负载在一个广泛的速度范围内，包括需要磁场削弱的高速。它演示了通过定子mmf或电流矢量相对于转子磁链的方向，可以像单独激励的直流电动机一样控制同步电机。

磁场定向控制由控制定子电流的矢量组成。这种控制是基于投影，它将三相时间和速度相关的系统转换为两个坐标(d和q坐标)时不变系统。这些投影导致了一种类似于直流电机控制的结构。磁场定向控制机器需要两个常数作为输入参考:扭矩分量(与q坐标对齐)和通量分量(与d坐标对齐)。这标志着控制在每一个工作操作(稳态和瞬态)和独立于有限带宽的数学模型。从而解决了经典方案问题，方法如下:

1.容易达到恒定参考(定子电流的转矩分量和磁通分量)。

2.易于应用直接转矩控制，因为在(d,q)参考系中转矩的表达式为:

通过将转子磁链(ΨR)的振幅保持在恒定值，我们在扭矩和扭矩分量(isq)之间建立了线性联系。我们可以通过控制定子电流矢量的转矩分量来控制转矩。交流电动机的三相电压、电流和磁通可以用空间上的复矢量进行分析。考虑ia、ib、ic为定子相电流，

这个电流空间矢量描述了正弦三相系统。它仍然需要转换成两个时不变坐标系。此转换可分为两步:

1.(a,b,c)到(α，β) (Clarke变换)输出一个两坐标时变系统。

逆Clarke变换将2相(α，β)转化为3相(isa,isb,isc)体系。

控制技术迟滞脉宽调制I - PI控制器

比例积分(PI)控制器的开发是因为具有1型或以上开环传递函数的系统相对于阶跃输入具有零稳态误差的理想性质。这些控制器具有恒定的参数值，其中包括比例常数(Kp)和积分时间常数(Ki)。调优PI控制器的一般方法是获得高积分增益。然后再增大比例常数，得到满意的响应。开始加入积分时间常数，直到稳态误差消除为止。采用PI和磁滞PWM的PMSM驱动的FOC框图如图1所示。控制技术I的输出波形如图2所示，扭矩放大后的输出响应如图3所示。

控制技术二。迟滞脉宽调制模糊逻辑控制器

模糊逻辑(FL)是研究人类智能的软计算技术之一，它被定义为一种多值逻辑，用于处理具有模糊性或模糊数据的困难。模糊逻辑是一种解决问题的技术，适用于简单、大型、网络化、嵌入式、采集和控制系统等各种系统。模糊逻辑方法的主要原理是模仿人类决策的特点来解决复杂问题。控制器的输入为转矩误差和转矩误差变化量，输出为转矩极限(T*)如图4、5、6所示。输入和输出包含5个语言变量的隶属函数;分别为HN-高负、LN-低负、ZE-零、HPHigh正、LP-低正，控制器的生成规则如表1所示。

在永磁同步电机的FOC中，HPWM模糊控制器框图如图7所示。采用模糊逻辑控制器和HPWM的转矩输出响应如图8所示，放大后的转矩输出响应如图9所示，得到推理。

空间矢量脉冲宽度调制的PI控制器控制技术

从文献中发现，空间矢量调制(SVM)是最被接受和应用最广泛的脉宽调制技术，因为它在很大程度上消除了三阶谐波。共有8个开关向量，分别从V0、V1、V2、v3v到V7，分别代表8种电压结构。在这里，为了适当地分配电压，它们提供了两个零向量(V0和V7)，其余6个向量称为有源向量。这种PWM技术通过将开关模式与表2中逆变器的八个矢量相结合来估计参考电压Vref。采用先进控制技术SVPWM的PI控制器在PMSM驱动FOC中的框图如图10所示。转矩的输出响应如图11所示，控制技术III的放大输出响应也由图12中的推理解释。

控制技术iv .空间矢量脉宽调制模糊控制器

人类专家大多依靠常识来解决具有挑战性的问题。模糊逻辑(FL)就是其中一种利用人的智能来解决问题的智能控制技术。模糊系统主要由三个单元组成，即;模糊器，解模糊器和推理引擎。模糊器单元将清晰数据转换为模糊数据。在模糊规则的帮助下，将这些模糊数据输入到模糊推理引擎中。引擎评估输入并产生适当的模糊输出。然后，解模糊器单元将这种模糊输入转换为人类可理解的清晰数据。由于高效的行为，模糊逻辑已经发现了重要性，它们主要用于自动化应用。图13所示为采用SVPWM技术的永磁同步电机FOC模糊控制器框图。 The output Torque response of control technique IV is shown in the Fig. 14 and the zoomed output torque response is shown in Fig. 15 to obtain the inference of the technique.

讨论

很明显，表3中所示的转矩变化在模糊逻辑控制器的情况下较少，它们可以实现比其他控制技术最小的转矩波动。

可以看出，控制策略IV有助于将转矩波动从52.5%降低到1.536%。因此，采用基于FLC的控制器，可以在更大程度上减小波纹。

结论

利用MATLAB 2010b对基于模糊逻辑控制器的永磁同步电动机转矩控制器模型进行了分析和仿真，并给出了各种控制技术之间的可视化比较。控制技术IV的结果表明，在负载扰动下，系统响应迅速，令人满意。在未来的实现中，混合PI- fuzzy控制器可以用来替代PI控制器。

确认

在此，我要向我的项目导师Prof. B. Adhavan表示诚挚的感谢和感谢，感谢他在我的项目过程中一直以来的支持和鼓励。从这个项目的开始到结束，我都被他的指导和启发所感动。

参考文献

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