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永磁同步電動機移相弱磁控制的仿真分析

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4678


   摘要:給出了具有正弦波磁場的永磁同步電動機的數學模型。通過對繞組電流的續流情況分析,推導出了在移相弱磁控制方式下相繞組的端電壓波形,然后對電機相電流和輸出轉矩進行了仿真計算。仿真結果與實測結果接近,證明所給出的分析方法是正確的。

1引  言

   目前,隨著電力電子技術的發展,電子元器件集中度、可靠性大大提高而價格下降,永磁同步電動機系統在家電行業也得到了越來越廣泛的應用。如何提高電機在高速區的轉矩輸出特性是永磁同步電動機在應用中常常遇到的一個難題,解決這一問題最常用的方法就是弱磁控制。永磁同步電動機弱磁控制有多種方案,其中一種為移相弱磁控制方案,其思路類似于開關磁阻電機高速運行模式下的超前移相控制。這種方案不需要增加過多的驅動器硬件成本,有著廣泛的應用前景,例如:在洗衣機用永磁同步電動機驅動系統中,就有采用這種方案來滿足脫水工況要求的。

   對永磁同步電動機實施移相弱磁控制,如何才能達到最佳的效果,即移相角度與弱磁效果之間的定量關系分析;適應于移相弱磁控制的電機與普通無刷電機在設計原則上有何區別等等,是應用這種控制方案時值得深入分析的問題。本文對永磁同步電動機移相弱磁控制的系統進行仿真分析。

2仿真分析的數學模型

   永磁同步電動機系統一般由永磁同步電動機、逆變器及位置傳感器等組成。永磁同步電動機的轉子為高電阻率、低磁阻率的稀土永磁材料及不銹鋼軸套,磁鋼安置于轉子表面。電動機的等效氣隙很大,所以電機的交軸、直軸電感近似相等,相當于一臺隱極同步電機,且電樞反應氣隙磁密的影響較小。其等效電路圖如圖l所示。

       

(a)自感和互感分開考慮    (b)自感和互感臺并

   圖1永磁同步電動機的等效電路圖

   圖la為自感和互感分開考慮的電路圖,La、Lb、Lc為各相繞組的自感;Ra、Rb、Rc為各相繞組的電阻;Mab、Mbc、Mca為各相繞組間的互感。根據電機結構的對稱性有:   (1)

圖1中eoa、eob、eoc為旋轉電勢,代表轉子永磁體在各相繞組中產生的磁鏈因轉子的旋轉而變化,從而在繞組中感生出的反電勢。本文研究的永磁同步電動機,為了適應正弦波驅動的要求,對轉子永磁體的形狀作了優化設計,使其產生的反電勢也基本上為正弦波??紤]到三相繞組的空間分布有:   (2)

在圖1中按電動機慣例規定各量的參考方向,可以列出三相繞組的電壓方程:  (3) 式中:uas、ubs、ucs為各相繞組端電壓,ia、ib、ic為各相繞組電流,因電機三相電流滿足關系:ia + ib + ic = 0  (4) 綜合式(1)~(4),有: (5)這樣可以得到自感和互感合并的更為簡化的電路圖,如圖1b所示。

   電機系統的電磁轉矩方程為: (6)

電機系統的機械方程為: (7)式中:Te為電磁力矩,ωm為機械角速度,,為電機的轉動慣量,B為阻尼系數,T為負載力矩。

   對永磁同步電動機的外加電壓大小及其與轉子反電勢的相位關系進行分析,從而求解上式(5)~(7),就可以對電機的運行特性進行仿真分析了。

3電機繞組的相電壓分析

 圖2永磁同步電動機的驅動電路圖

本文研究的永磁同步電動機的驅動電路如圖2所示,為某家用洗衣機上的永磁同步電動機驅動系統。根據Hall位置反饋信號,電機正常運行時(不妨設為正向)繞組的通電邏輯設定為:式。在低速運行模式下(洗滌工況),通電邏輯不移相。為了節約成本,系統沒有采用電流傳感器,對于不同的負載情況,低速時系統通過改變加在上橋功率管上PWM信號的占空比,來達到調壓調速的目的。在高速運行模式下(脫水工況),上橋功率管上PWM信號的占空比已達到100%,為了進一步提高轉速,系統需通過超前移相控制來達到弱磁提速的目的。在高速運行時,繞組續流的時間常常比通電邏輯中一拍的時間還要長,即當某一相繞組關斷時,這相繞組開始續流,未等續流結束,下一相已經開通。因此高速運行模式下,繞組的通電邏輯實際為三相同時通電的情況為: (9)

 本文研究的移相弱磁控制方案,就是針對這種三相同時通電的情況來進行的。實驗研究表明,式

(9)的通電邏輯符合實際的情況。

 當三相繞組按式(9)的邏輯同時通電時,按文獻[3]“端電壓約束條件的確定”方法,利用磁鏈和電流滿足的約束關系,可以確定繞組的各相電壓。

對于式(9)的通電邏輯,相電壓的波形如圖3所示。

   圖3高速情況下永磁同步電動機的相電壓波形圖

   圖3中給出了六種通電邏輯所對應的相電壓的情況,upN為圖2主功放電路上的端電壓。

通過位置閉環,永磁同步電動機各相繞組的通電時序與轉子位置之間有固定的對應關系。移相控制(超前或滯后)實際上就是改變這種對應關系,即改變式(5)中θ角的大小。因此分析永磁同步電動機的移相控制,實際上就是在各種θ角的情況下,對電機的運行特性進行分析。

4仿真計算結果及結論

在所建立的數學模型的基礎上,利用所述方法,對一臺永磁同步電動機樣機進行了仿真,計算了相電流波形和輸出轉矩。樣機的參數如表1所示,表中的相電感就是式(5)中的(L—M)項。

           表1樣機的參數

如圖3所示,電機在每一個電周期中變化6次通電狀態,因此每一個通電狀態對應60°電角度。圖4為相繞組提前10°(電角度)開通情況下電機相電流仿真波形圖和實拍波形。仿真波形圖和實拍波形的形狀很接近,電流峰值大小都接近3.6 A。圖5為相繞組提前25°(電角度)情況下相電流仿真波形圖和實拍波形。仿真波形圖和實拍波形的形狀也很接近,電流峰值大小約為5.5 A。

  

(a 仿真波形(2A/div)  (b)實驗波形(2A/div)

圖4前移10°(電角度)情況下電機的相電流波形圖

    

     (a)仿真波形        (b)實驗波形(2A/div)

 圖5前移25°(電角度)情況下電機的相電流波形圖

前移25°(電角度)情況下電機對應不同轉速時輸出轉矩的仿真值和實測值如表2所示。

表2樣機前移25°(電角度)時轉速轉矩特性的仿真值和實測值

由于電機參數測量上存在誤差,繞組反電勢中除了基波分量外還存在諧波成份,同時分析中忽略了電機磁路的飽和情況,因此表2中仿真轉矩值比實測值略大是正常的。

從圖4和圖5可以發現,雖然這里式(9)的邏輯沒有采用正弦波驅動方式,但通過移相控制,可以使相電流波形接近正弦波形。這一特性在電機設計和制定控制方案時,值得很好地利用。

在兩種不同移相角下,相電流的仿真波形和實拍波形相近,同時樣機對應不同轉速時輸出轉矩的仿真值和實測值也很接近,證明本文提出的仿真方法是正確的。為今后深入地研究電機的優化設計及系統的最佳控制策略打下基礎。

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