杭州正東電子有限公司
杭州正東電子有限公司
暫無信息 |
閱讀：281發(fā)布時間：2024-7-19
寫在前面的話：
永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor——PMSM)是用稀土永磁體取代勵磁繞組所構(gòu)成的一種新型同步電機。其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、運行可靠，相對于感應電機，PMSM 效率高、功率密度大、調(diào)速范圍寬、力矩波動小、能夠運用在高壓大容量伺服驅(qū)動的場合。
固緯PEK-190模塊是適配額定功率400W、額定轉(zhuǎn)速3000rpm的PMSM，可滿足教學需求。本期基于PEK-190模塊的無位置傳感器之速度控制教學為老師提供PMSM相關控制策略資料以及教學資源。PEK-190模塊及電機模組如圖1所示。
PEK-190模組介紹
PEK-190 為PMSM驅(qū)動模組(Motor Drive)，模組實物照片如圖1 所示，主要為三相全橋逆變器(Single Phase Inverter)與PMSM組成，同時還具有主要變量的檢測和DSP控制功能部分。該模組實驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學習平臺，即借助 PSIM 軟件完成仿真和實驗。學習者可以在PSIM上建立模擬(連續(xù))仿真電路，以學習電力變換器的原理、分析和功能設計;第二將電力變換器的控制器(如PI 控制器)離散化，即轉(zhuǎn)化去數(shù)字(離散)仿真部分，進行仿真研學;第三借助DSP芯片內(nèi)部所具有的A/D轉(zhuǎn)化器、數(shù)據(jù)處理和PWM信號生成功能，再次進行數(shù)字(離散)仿真;第四通過PSIM 之 C代碼生成功能，將控制部分生成C代碼;最后將生成的C代碼下載于PEK-190的DSP之中，以備實物實驗。這樣設計的方便實驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。
進行實驗除需要PEK-190 模組外，仍需配置PEK-005A(輔助電源)和 PEK-006 (JTAG 下載器)等，并在 PTS-3000的實驗平臺上完成，PTS-3000的實驗平臺如圖2所示。
圖2 PTS-3000的實驗平臺圖
Motor Drive組成
PMSM驅(qū)動實驗系統(tǒng)組成如圖3所示，即主要由DC電源、三相逆變電路、Motor模組、檢測單元模塊和DSP數(shù)據(jù)采集、處理及PWM信號模塊組成。
圖3 PMSM驅(qū)動實驗系統(tǒng)
PMSM矢量控制及實驗平臺
對PMSM的學習，可以從以下幾個方面展開：即
(1)電機數(shù)學物理模型分析與建立;
(2)傳統(tǒng)滑模觀測器法;
(3)仿真與實驗驗證。
下面圍繞以上三個方面進行討論。
1. 電機數(shù)學物理模型分析與建立
PMSM結(jié)構(gòu)模型和等效坐標如圖3和圖4所示。
圖3 PMSM 結(jié)構(gòu)模型
圖4 PMSM 的等效結(jié)構(gòu)坐標圖
電機定子一般由三相繞組和鐵心組成，其中三相繞組往往以星型的方式連接，其物理方程如下：
ua、ub 、uc 為三相定子繞組電壓;
Ra 、Rb 、Rc 為三相定子繞組電阻，大小均為R ;
ia 、ib 、ic 為三相定子繞組電流;
ψa ，ψb，ψc 為三相定子繞組的磁鏈;
L為三相定子繞組的自感，包括漏電感分量和主電感分量;
ψf為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈;
θe為轉(zhuǎn)子軸線與A 相繞組軸線夾角的電氣角度。
在永磁同步電機數(shù)學模型研究中，經(jīng)常用到如圖5-7所示三個坐標系，它們分別是靜止abc 坐標系、靜止αβ 坐標系和旋轉(zhuǎn)dq 坐標系。坐標系之間可以進行相互變換，如abc坐標系到αβ 坐標系的坐標系變換稱之為Clark 變換，αβ 坐標系到dq 坐標系的變化則是Park 變換。
圖5 abc坐標系
圖6 αβ坐標系
圖7 dq坐標系
在三相交流繞組電路中，假設繞組A、B、C通以時間上相差120、角速率為ω 的三相對稱正弦電流，那么三相電流將產(chǎn)生合成的磁動勢 F1 ，它在空間成正弦分布，與交流電同頻按A? B ?C相序來旋轉(zhuǎn);在兩相繞組 α 和 β 中 ，它們在空間上相差90°，當通以時間上相差90°、角速率為 ω 的兩相平衡正弦電流時，也能產(chǎn)生角速度為 ω 、磁動勢為 F2 的旋轉(zhuǎn)磁場;在旋轉(zhuǎn)坐標系 dq 中，如果在匝數(shù)相等且互相垂直的繞組 d 和繞組 q 中分別通以直流電流。兩相直流電流能夠產(chǎn)生合成的磁動勢F3 。由于兩個繞組以同步角速度 ω 一起旋轉(zhuǎn)，則磁動勢 F3 也會隨之成為旋轉(zhuǎn)磁動勢。經(jīng)過坐標變換之后，即可獲得 dq 旋轉(zhuǎn)坐標系下微分方程如下所示：
2. 傳統(tǒng)滑模觀測器法
在PMSM傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，通常經(jīng)位置傳感器達到測量轉(zhuǎn)子位置角的目的，為了減少電機的控制費用。引入無傳感器控制方法，通過轉(zhuǎn)子位置和速度的估計值來控制電機。在非線性方法中，滑?？刂?Sliding Mode Control,SMC)由于其非線性的控制結(jié)構(gòu)和魯棒性高的優(yōu)點，而成為的方法。
如圖8所示，電機的三相定子電流isa、isb、isc被傳感器采集后通過Clark變換到了α-β 坐標系，變成了iα、iβ，三相電壓同理。iα、iβ 經(jīng)過坐標變換進一步變?yōu)?id、iq 以便于閉環(huán)控制。考慮到 d-q 變換需要電角度 θeE，故需要位置傳感器獲取電角度或者設計一個滑模觀測器?；Ｓ^測器輸入為三相電壓和電流，輸出為電氣角度 θeE和電氣角速度 ωe。通過雙閉環(huán)控制可使轉(zhuǎn)子速度達到給定速度。由于電流環(huán)頻帶寬度遠大于速度環(huán)，因此電流達到給定的速度比電機運行速度快，故電流跟蹤給定的時間遠小于觀測器預測速度達到參考速度時間。若觀測器正常工作，預測轉(zhuǎn)速即實際轉(zhuǎn)速。
圖8 傳統(tǒng)滑模觀測法
滑模觀測器中未知變量為2階，相對于拓展卡爾曼濾波器等方法其所需計算時間最小。該方法通過電機定子α-β坐標系的電壓電流重構(gòu)反電動勢，然后通過反電動勢求解電角度和電角速度。之所以不選擇d-q坐標系是由于dq變換需要電角度。然而，電角度是被觀測器估測的，采用d-q坐標系會造成誤差累積。故在α-β坐標系下數(shù)學模型為：
其中：
為了獲得反電動勢的估計值，傳統(tǒng)的滑模觀測器設計如下：
令
則可得定子電流誤差方程：
設計滑?？刂坡扇缦拢?/p>
傳統(tǒng)滑模觀測法有兩種常用的轉(zhuǎn)子位置估測法，分別為基于正反切函數(shù)的轉(zhuǎn)子位置估測和基于鎖相環(huán)的轉(zhuǎn)子位置估測。由于滑?？刂圃诨瑒幽Ｊ较掳殡S著高頻抖動，因此估算的反電動勢中存在高頻抖動現(xiàn)象。基于正反切函數(shù)的轉(zhuǎn)子位置估測方法將這種抖動直接引入反正切函數(shù)除法運算中，導致高頻抖動誤差被放大，造成較大的角度估測誤差。因此，本文選擇基于鎖相環(huán)的轉(zhuǎn)子位置估測，其算法實現(xiàn)如圖9所示，等效控制框圖如圖10所示。
圖9 基于PLL滑模觀測器算法實現(xiàn)圖
圖10 基于PLL滑模觀測器等效控制框圖
3. 仿真與實驗驗證
PSIM仿真
在PSIM軟件中結(jié)合以上分析搭建如圖11所示電路，其仿真結(jié)果如圖12所示
圖11 Motor Driver 滑模觀測器仿真原理圖
圖12 Motor Driver 無位置傳感器仿真結(jié)果
實 驗
基于PTS3000實驗平臺的PEK-190及電機模組實驗系統(tǒng)如圖13、14、15和16所示
圖13 實驗設備與教具PEK-190配置圖
圖14 電機、實驗設備實際接線圖
圖15 電機驅(qū)動線與編碼器線接線圖
圖16 電機負載線與負載接線圖
圖17 電機三相定子電流
結(jié) 論
采用滑模觀測器無需位置傳感器即可獲取電機實時位置和轉(zhuǎn)速信息。將估測的電角度和電角速度給到控制環(huán)路實現(xiàn)電機的無位置傳感器控制。
儀表網(wǎng) 設計制作，未經(jīng)允許翻錄必究 .? ? ?
請輸入賬號
請輸入密碼
請輸驗證碼