异步电机高性能弱磁控制的研究

兵 工 自动化 2008年第 27卷第 6期 目动舅量与控翩 Automatic Measurement and Control 0．I．Automation 2008，Vo1．27，No．6 文章编号：1006—1576(2008)06—0064—03 异步电机高性能弱磁控制的研究 徐鹏飞 ，孙建军 。， (1．武汉军械士官学校，湖北 武汉 430075；2． 刘俊邦 ，张建国 海军 92830部队 计量站，海南 海 口 570203) 摘要：一种基于 DSP的全数字异步电机弱磁控制的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ，系统采用改进的空间矢量脉宽调制策略以实现全数字 化系统，以及提高母线电压的利用率。通过电压最大化利用的优化弱磁控制策略以提高异步电机在弱磁区的带载能 力，以及延长异步电机恒功率运转的区间。试验结果证明该 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 可行，系统性能达到预期目标。 关键词：异步电机；SVPWM；弱磁；高速 中图分类号 ：TM301．4 文献标识码：A Research On High Performance Flux．W eakening Control Of Asynchronous M otor XU Peng．fei ．SUN Jian-jun ．LIU Jun．bang ．ZHANG Jian．guo (1．W uhan Ordnance Petty Officer Institute of PLA，W uhan 430075。China； 2．Navy Measurement Station，NO．92830 Unit of PLA，Haikou 570203，China) Abstract：A design for digital asvnchronous motor based on DSP is presented．The system adopts modified space vector pulse width modulating strategy to realize digital system and improve the using rate of generatrix voltage．Then，based on maximize voltage optimal flux·weakening control strategy to improve the carrying ability of asynchronous motor in flux-weakening area and prolong constant power rotating area of asvnchronous motor．Test results show the scheme is feasible and the performance requirements can be achieved． Keywords'．Asynchronous motor；SVPW M ：Flux．weakening；High speed 0 引言 高性能异步 电机驱动系统具有宽调速范围、快 速响应、精确的准停功能、高速和超高速运行等特 点【1j。为满足要求，矢量控制技术是最好的控制方 法，而间接矢量控制则是其中最利于实时实现的控 制方案 j。故利用 DSP，实现全数字的间接矢量控 制，并优化 SVPWM 的过调制策略，提高母线电压 利用率，同时对弱磁区控制方法进行了改进，提高 弱磁区的输出转矩，扩大恒功率工作范围。 1 全数字间接矢量控制系统简介 图 1 全数字双环间接矢量控制结构框 图 双闭环间接矢量控制系统结构如图 1。将图 1 所示速度环、电流解耦 、磁场定向、电流环 以及 SVPWM 都由 DSP通过软件来实现 (即图中方框部 分)，称为全数字设计。与以往出现的模拟控制方式 或者模数混合控制方式相 比，全数字化的控制系统 能有效地降低硬件成本，提高系统的可靠性，并且 可以在不改变硬件的情况下，实现各种算法的重构 和控制，使系统具有良好的开放性。 2 空间矢量脉宽调制策略的优化 空间矢量脉宽调制 (SVPWM)策略是 目前应用 较 广泛 的脉 宽调制策 略 ，相 比于正弦 脉宽调制 (SPWM)策略而言具有以下优点：具备更高的电 压利用率，理论上最高调制比可达到 1；容易数字 化实现。 在 电机过载要求比较高或者在弱磁过程 中，电压利用率的大小对性能的影响非常大，基于 普通的过调制策略的 SVPWM 】电压利用率并不能 达到最大【4】。J．Holtz在文献【5】中提出了新的过调制 策略，该策略可以实现过调制区域电压利用率连续 增大，并且最大值可以达到 l。Dong—ChoonLee等 人对这种方法做了进一步完善【6j，但这些方法都是 在开环控制的基础上推导出来的，故结合闭环磁场 收稿日期：2008—03—06；修回日期：2008—04—25 作者简介：徐鹏飞 (1976一)，男，湖北人，2001年毕业于南京炮兵学院，从事自动控制研究。 ·64 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 兵工 自动 化 2008年第 27卷第 6期 目动囊■与控制 Automatic M easurement and Control 0．I．Automation 2008，Vo1．27，No．6 定向控制的电压输出特点，对上述方法进行了改进 ， 使得闭环控制下电压利用率达到最大。 三相电压型逆变器如图 2。由 6个开关元件组 成，以 “1”表示任意桥臂的上桥臂开通，下桥臂关 断，则逆变器状态 (T1，T2，T3)共有 8种：(000)， (111)，(001)，(010)，(O11)，(100)，(101)，(110)。 幽 2 三 相 电压 型逆 变 器 图 3为逆变器开关状态对应的 6种开关电压矢 量 ，(000)和 (111)分别对应的是零矢量，在图中 并没有标出。这 6个开关电压矢量将平面划分为 6 个扇区，任意扇区的参考 电压矢量都是由该扇区对 应的开关电压矢量合成得到，如参考电压矢量处于 扇区 10中，则 由开关 电压矢量 和 ，合成。 W3(0111 v~(0O1) + d Vaf1oo) 图 3 开关电压矢量六边形和扇 区划分 SVPWM 数字化实现的原理如图 4，将处于某 一 扇区的电压矢量所对应的时间量分解为开关时间 值 t1和 t2，如果 t1+t2大于脉宽调制周期则进入 过调制区域，此时，t1和 t2通常按下式进行计算： t1： PWMPRD (1) tl+t2 t2： 2_ PwMPRD (2) Lm ／ tl R e 图 4 SVPWM 分解图 采用这种方法能够获得的最大调制比 (mi)为 0．9517，文献[6]给出的线性化过调制方法是开环情 况下提出的。故针对闭环控制的特点，对线性化公 式进行修改得到： if(mi>1&mi<1．0283) cth=6．40*mi一6．40 if(mi>=1．0283&mi<1．0458) Ⅱh=11．75*mi—l1．91 if(mi>=1．0458&mi<=1．0483) cth=48．96"mi．50．79 Ⅱh为文献【6】中给 出的保持角。 虽然这种过调制方案增加 了算法的运算量，但 对电压的提高是明显的，这对于需要弱磁控制的主 轴驱动系统而言是重要的。 3 弱磁控制的优化 电机在额定转速以上运行时，由于电压不能再 升高，只能通过减小磁通而达到提高转速的目的， 即弱磁升速。在间接矢量控制中，将磁场电流与速 度成反比是最普通的弱磁策略 ，但这种方法并没 有考虑磁场 电流和转矩电流的最优分配，即电流利 用率的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ， ，因此不能获得最大的输出转矩，使 得电机的恒功率区缩短，升速时间加长。故根据主 轴 电机运行的电流、电压限制条件，利用电机在间 接矢量控制系统中的数学模型，导出一种磁场电流 的优化方案，并将其应用到系统之中。 间接矢量控制系统中，感应 电机稳态情况下的 电压等式为： Vd id。R iq oL ∞。 (3) Vqs iqsR。+id L ∞。 (4) 其中：Rs为定子相电阻；Ls为定子电感；o为 总漏感系数。 在高速区域，电阻压降通常都忽略不计，因此 · 65· 维普资讯 http://www.cqvip.com 兵工 自动 化 2008年第 27卷第 6期 自动■■与控嗣 Automatic Measurement and Control 0．I．Automation 2008，Vo1．27，No．6 等式 (3)、式 (4)简化为： Vds 一iqsoLs∞e (5) Vqs=iasLs∞e (6) 受母线电压和 PWM 调制策略的限制，施加在 定子上的最大相 电压为有限值 (Vmax)，因此 d／q 旋转坐标系下的电压 Vds、Vqs必须满足 以下关系： V岳+V vl (7) 结合等式 (5)和式 (6)，可知： 当ids V ma x 时 ，输 出转矩是最大的 ，此 时 ． √V 一a i qs — — 一 。 其中：a=Lso)e，b=oLscoe。 通过这种方法来给定磁场 电流，可以充分利用 电压，从而提高了电机的带载能力，延长了恒功率 运行的区间。 4 物理试验 试 验 用 电机 为 7．5kW ，2 对极 ，额 定转 速 1500r／min，最高转速为 8000r／min的异步电机。 为说明弱磁控制优化的效果，对通常采用的弱 磁控制策略 (d轴电流与速度成反比)和弱磁控制 策略进行对 比试验。图 5是 O～8000r／min速度阶 跃对 比试验，图 6是带载对比试验。 8000 7000 60OO 墨 。。。 。。。 捌 3000 2000 1000 O 0 200 400 600 UU 1000 时问 (3．8ms／~字 ) 图 5 0~8000ffmin速度阶跃对 比试验曲线 (a)采用弱磁控制策略的速度阶跃曲线；(b)采 用 d轴电流与速度成反比的方法。 (_)恒功率运行时理论输出转矩；(△)采用 弱磁控制策略的输出转矩；(。)采用 d轴电流与速 度成反比时的输出转矩。 由图 6可看出，不管是升速的快速性还是带载 ·66· 能力，弱磁控制策略都优于通常的弱磁方法。 一 宕 杰 一 球 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 靠 1000 150o 20oo 250o 3000 3500 40O0 450o 50(】o 5500 速度 (r／min) 图 6 2种弱磁控制策略的带载对比试验曲线 5 结论 该 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 对多个环节进行了优化，进一步提 高了性能。通过物理试验说明该方案可行，性能改 善明显。 参考文献： [1]杨文强，贾正春．面向 2l世 纪的数控机床 交流主轴驱 动 系统[J]．船电技术，2001．(1)：6一l0． [2】博斯(Bose，B．K．)．现代电力电子学与交流传动[M】．北 京：机械工业出版社，2003．1． [3】 Teax Instrument， Implementation of a Speed Field Orientated Control of Three Phase AC Induction Motor Using TMS320F240[Z】．BPRA076． [4】李永东．交流电机数字控制系统[M]．北京：机械工业 出版 社 。2002．4． [5】 J．Holtz，W Lotzkat，A．Khambadkone．On 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