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弱磁控制电机交直轴电压与电压合成矢量波形电流 电流电压矢量轨迹图电机加速过程中

  弱磁控制电机交直轴电压与电压合成矢量波形电流 电流电压矢量轨迹图电机加速过程中 电机转速跟踪良好 输出转矩稳定 电机进入弱磁区前后 切换平稳 没有出现电流突变 转矩不稳情况 电机在弱磁区进入匀速运行稳态后 也没有出现电机失控失稳现象 负载转矩突变后 系统能够根据变化迅速做出调节 提高输出转矩 在短时

  弱磁控制电机交直轴电压与电压合成矢量波形电流 电流电压矢量轨迹图电机加速过程中 电机转速跟踪良好 输出转矩稳定 电机进入弱磁区前后 切换平稳 没有出现电流突变 转矩不稳情况 电机在弱磁区进入匀速运行稳态后 也没有出现电机失控失稳现象 负载转矩突变后 系统能够根据变化迅速做出调节 提高输出转矩 在短时间 内重新进入稳定运行状态。在弱磁区 电压合成矢量基本能够保持在幅值最大值 电压利用率达到最优 且动态响应快。仿真表明 负直轴电流补偿法具有良好的弱磁扩速效果 控制相对简单 响应快。 本章小结本章介绍了永磁同步电机的结构 根据不同的转子结构可分为面贴式、插入式和内装式。根据永磁同步电机的物理模型介绍了在三相 静止坐标系、两相 静止坐标系和两相 旋转坐标系下的电机数学模型 并分析了坐标变换原理及介绍了相对应的坐标变换矩阵。通过坐标变换和分析空间矢量分别得到了隐极机和凸极机永磁电机在 旋转坐标系下的数学模型 并简化了电机数学模型以便于进一步分析。在此基础上 本章简单分析了永磁同步电机的电磁关系 并相应地介绍了几种常用的矢量控制方法 控制、控制等。对于永磁同步电机研究热点问题弱磁控制作了原理分析 同时分析了负直轴电流补偿弱磁控制方法 并利用 搭建永磁同步电机仿真模型验证了负直轴电流补偿法的可行性和可靠性 该方法弱磁控制实现简单可靠 且能提高逆变器容量的利用率。 永磁同步电机解耦控制方法研究矢量控制系统采用基于两相 旋转坐标系的 电流调节器 可以将励磁 电流作为两个直流量进行调节但是 按转子磁场定向的矢量控制并未实现磁链和转矩的完全解耦。从电压方程可以发现 随着转速的上升 轴之间的耦合电压在控制电压中所占比重越来越大严重影响电流环的调节性能。本章通过建立永磁同步电机在复矢量平面的数学模型 画出电机矢量控制框图 得到系统开闭环传递函数 中画出系统闭环零极点分布图和频率响应图伯德图 讨论了永磁同步电机的几种解耦控制方法 研究改进型双 解耦控制方法 并对几种解耦控制方法的解耦性能进行了对比分析 。为方便讨论 本文的电机模型以面贴式 隐极机模型 为主 三。。但在分析双解耦原理过程中 为了区分交直轴的情况 引入厶和 进行讨论。理论上 适用于隐极机的原理和控制方法对凸极机也同样有用。 永磁同步电机电流耦合原理在复数坐标系 面贴式永磁同步电机在两相旋转坐标系下的复矢量数学模型可表示为 系统传统控制框图若把反电势当作一个扰动 则由系统控制框图容易得到系统的开环传递函数 丽根据闭环传递函数可以画出零极点分布图 如下。 闭环传递函数零极点分布图上图表示电机从同步频率 增大到 过程中 系统闭环零极点分布变化情况。由闭环传递函数可以知道 系统存在只、只两个极点和一个零点 且从零极点分布图上看同步频率为 极点眉与零点历相互重合抵消此时的只位于实轴上 距虚轴很远 但随着同步频率升高 极点只开始向虚轴移动 不再和 相互抵消 同时只移动 出现虚轴方向上的分量。由自动控制原理可以分析得到 当同步旋转频率较低时 系统的极点只与零点 近似对消 系统动态响应受极点只决定 而极点只远离虚轴 所以此时系统具有较快的速度响应。当同步旋转频率升高时 系统极点露趋近于虚轴 而零点 位置不变 无法与极点露相抵消 此时系统主要受极点眉决定 而极点只存在虚轴方向上的分量 耦合作用增强 响应变慢【 。从电压方程可以发现 交轴电压、直轴电压中分别具有直轴电流分量、交轴电流分量控制的电压矢量 而且这两个交叉耦合电压矢量是与角速度相关的变量 在转速不断升高过程中 耦合电压矢量不断增大 各自在交轴电压和直轴电压中的比例越来越大 此时电流 调节器的调节作用减小 同时受耦合电压矢量影响 交直轴电流矢量也相互制约作用 使电机控制的动态性能下降。 下的频率特性曲线。理论上理想的系统幅频、相频特性曲线不会因为同步频率变化而变化。但由图 可知 由于交直轴耦合矢量的影响 不同同步旋转频率下的频率特性也有所变化。由幅频特性曲线一 和相频特性曲线 度可以发现 闭环带宽频率明显减小 表明系统响应变差。 解耦控制方法为了解决电机控制中交叉耦合问题 常常考虑加入解耦控制。解耦控制指的是通过一定的计算 消除 轴之间存在的交叉耦合电压将定子交、直轴分量的控制转化成两个独立通道的单回路控制系统 以达到永磁同步电机各轴分量仅受本轴自身分量控制的目的。目前 永磁同步电机的解耦控制方法很多 根据耦合电压产生原理不同 主要有前馈解耦、反馈解耦、双 解耦、内模解耦等几种方法 前馈解耦与反馈解耦根据电压方程可知通过在电机输入电压‰、 上分别加上耦合电压 就能使耦合电压被消除电机实现解耦。永磁同步电机在 轴上等效为两个独立的子系统可以通过 调节器进行控制。因为这种控制方法 计算的电流采用控制的指令值 所以被称为前馈解耦控制。其控制原理图如下图。图 前馈解耦控制系统控制框图 式中三为电机电感参数估计值。从而得到系统闭环传递函数 变化下前馈解耦的零极点分布情况如图。图中极点与传统 控制的极点相同 其中零点 试图抵消变化的极点只 但由于前馈解耦电压项是由定子电流指令值直接给定的 其传递函数中仍存在细项 即耦合未完全消除 极点只向虚轴移动表明了解耦不完全、系统不稳定的趋势。由前馈解耦伯德图的分析得到 同步频率较大时 系统带宽也有一定程度的减小。 一与前置解耦控制方法相似反馈解耦利用电机输出的屯作为控制变量 产生耦合电压矢量进行解耦控制。因为‰是电机的实际电流 所以得到的用于补偿的解耦耦合电压要相对更接近实际值 更有助于定子电流的解耦。但是因为电流滞后的影响 尤其在开关频率较低时 反馈解耦效果会降低。反馈解耦控制原理图如下。图 反馈解耦系统控制框图 其闭环传递函数可表示为 在系统参数准确的情况下其表达式可简化为 反馈解耦系统零极点分布图和伯德图由零极点分布图和闭环伯德图看出 不加解耦控制时那个随同步频率变化而变化的极点被一个不变的极点墨代替 与零点 。相抵消 消去了 项的影响 从而实现解耦。从图中也可看到 在不同角速度 条件下 系统零极点分布和闭环频率特性的响应图形都是一样的 说明电机控制不再受角速度 影响 解耦效果良好。 改进型双 解耦传统的前馈解耦和反馈解耦控制都对电机的参数变化比较敏感 当存在电机参数误差时解耦环节输出的解耦补偿电压也会出现误差 不能实时反映实际需要的补偿电压 从而影响解耦效果。本文研究一种基于双 解耦控制的改进型解耦控制方法。双 解耦控制策略 是通过增加额外的 控制器 根据电流实际值与指令值之间的误差 实时调节 轴控制环路反馈电压的大小以获得更准确的电流响应。因为 轴电流或 轴电流控制环路的耦合电压来自于另外一个环路的实时电流 因此在矢量控制系统中 根据电流与指令值之间的偏差 增加两个新的 调节器来计算所需的补偿电压大小。图 给出了双 解耦控制策略的原理框图 图中心和羁即为新增加的 控制器 将它们计算得到的结果作为补偿电压加到电机 轴控制电压之上可以对电流控制的耦合做出比较理想的补偿。由图 可得 从上式中可以发现这种解耦补偿计算方法中不再含有电机电感参数 因而对电机参数的变化不敏感。图 解耦控制原理图整理式 可以得到屯一十 由上式发现轴电流对 轴电流的影响以及 轴电流对 轴电流的影响分别由系数 耐决定。显然为了使影响最小 可以令‰ 则得到四个控制器的关系如下心 的调节作用可以由控制器 复矢量坐标系下双解耦控制框图 则其开环传递函数为 学叶面

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