一種用于永磁同步電機的高性能調制方式.pdf

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電氣傳動2013年 第43卷 第3期 EI CTRIC DRIVE 2013 Vo1 43 No 3 一種用于永磁同步電機的高性能調制方式 張國榮 漫自強 教育部光伏系統(tǒng)研究中心 合肥工業(yè)大學能源研究所 安徽合肥230009 摘要 目前永磁同步電機驅動主要采用連續(xù)空間矢量脈寬調制方式 這種驅動方式在高調制度時具有較高 的紋波電流及開關損耗 過調制時輸出電壓與給定電壓也不再是線性關系 因此能找到解決以上問題的調制方式 是十分有意義的 提出了一種綜合調制方式 根據(jù)不同調制方式的特點將其結合起來以解決上述問題 在Matlab Simulink中進行仿真并驗證了這種方法的可行性 關鍵詞 連續(xù)空間矢量調制 斷續(xù)空間矢量調制 空間矢量過調制 開關損耗 諧波電流 電壓增益 中圖分類號 TM351 文獻標識碼 A High Performance Modulation for Permanent Magnet Synchronous Motor ZHANG Guo rong MAN Zi qiang The Energy Institute ofH咖 University of Technology Research Centerfor Photovohaic System Engineering n f of Education Hefei 230009 A nhui China Abstract At present it S always using the SVPWM for drive of PMSM which has high ripple current and switching loss in a high modulation and the output vohage with the given voltage is not linear relationship in over modulation SO to find a solution to solve the above problems is of great significance A hybrid modulation was preseuted combining the different modulation according to their characteristics to solve the above problems Finally the feasibility of this method was verified in Madab Simulink Key words continuous space vector modulation discontinuous space vector modulation space vector over modulation switching loss harmonic eun ent voltage gain l 引言 永磁同步電機 PMSM 由于其體積小 重量 輕 功率密度高 動態(tài)性能好 能實現(xiàn)高精度 高 動態(tài)性能 大范圍的位置和速度控制 因此具有 良好的應用前景 已經(jīng)廣泛用于電動汽車 直驅 式風機 數(shù)控機床等場合 目前主要的控制策略 有恒壓頻比開環(huán)控制 矢量控制 直接轉矩控制 滑模變結構控制 自適應控制 模糊控制 神經(jīng)網(wǎng) 絡控制等 其中 矢量控制和直接轉矩控制廣泛 應用于高性能的閉環(huán)調速控制系統(tǒng) 相較于直接 轉矩控制 矢量控制下電流波形平滑 逆變器開 關頻率恒定fl 具有更寬的調速范圍 并且應用也 更加成熟 傳統(tǒng)的電機驅動通常只采用SVPWM調制 在調制系數(shù)較高時不但會有較高的開關損耗和 紋波電流 而且直流電壓利用率也低于方波逆變 器 不能滿足電機的高性能控制要求 故本文提 出一種在全調制范圍內具有較高性能的綜合脈 寬調制方式 2 PMSM建模 永磁同步電機在d q坐標系下的模型 定子 電壓回路方程為 ud R to 乏 P 1 l l R L 厶J l J 電磁轉矩方程為 p 一 p Ld Lq IdIq 2 式中 Ud 分別為d軸和g軸電壓 厶 厶分別為 d軸和q 軸電流 分別為d軸和g軸的同步 電感 R 為每相定子繞組電阻 為轉子磁鏈幅 值 為電磁轉矩 to 為轉子角速度 P為轉子極 作者簡介 張國榮 1963一 男 研究員 碩士生導師 博士 Email zhanggrcao 163 eOITI 18 張國榮 等 一種用于永磁同步電機的高性能調制方式 電氣傳動2013年 第43卷第3期 對數(shù) 從式 2 可以看出 PMSM輸出的電磁轉矩只 取決于定子直 交軸電流厶 厶 特別對于表貼式 永磁同步電動機 采用 O矢量控制方式就可以 實現(xiàn)最大轉矩比電流控制 2 并且電磁轉矩方程 簡化為 L p 3 可見電磁轉矩與q軸電流為線性關系 實現(xiàn)了轉 矩的精度控制 3綜合脈寬調制方式 3 1空間矢量脈寬調制方式分析 首先定義調制系數(shù)m為 4 式中 為逆變器直流側電壓 為逆變器輸出 相電壓基波幅值 空間矢量調制廣義上可分為連續(xù)空間矢量 調制 SVPWM 和斷續(xù)空間矢量調制 DPWM 由 文獻 3 可知開關損耗因數(shù) SLF 諧波畸變因數(shù) HDF 電壓增益 G 是評價驅動性能的主要參 數(shù) 目前應用較多的是SVPWM方式 其相對于 SPWM方式具有較高的直流電壓利用率和較低 的輸出諧波電流 DPWM方式每個基波周期有 1 3周期時間開關狀態(tài)不變 故其相較SVPWM 具有更小的開關損耗特性 并且由文獻 4 可知 當 調制系數(shù)m較小時 SVPWM相較DPWM具有更 好的波形特性 當調制系數(shù)較大時 DPWM具有更 高的電壓增益 并且通過載波頻率的調整能具有優(yōu) 于SVPWM的波形特性 因此驅動器為了獲得較高 的性能必須采用以上兩種調制方式的組合 3 2調制模式第1切換點 從調制波角度看 不同DPWM方式的區(qū)分是 由于調制波所加入零序分量的不同聞 DPWM方 式的選擇和負載的功率因數(shù)有關 永磁同步電機 在全速范圍內具有較高的功率因數(shù) 故采用DP WM 時具有最低的開關損耗 文獻 5 提出了一 種DPWM 的快速算法 調制波形如圖1所示 珧 圖1 DPWM 調制波形 Fig 1 DPWMl modulation waveform SVPWM和DPWM切換點的確定應該有2 個依據(jù) 1 充分利用SVPWM低調制度諧波電流小 的優(yōu)勢 2 在不增加諧波電流的情況下充分利用 DPWM的低開關損耗特性 圖2為DPWM載波 頻率為SVPWM載波頻率1 5倍時的HDF曲線 特性 圈2 DPWM 和SVPWM的HDF曲線 Fig 2 HDF eu les of DPWMl and SVPWM SVPWM和DPWM1的HDF公式分別為 肋 嗍 m 手 肌 z m 一 64 rr 5 16 1T 肋 硎 m 手 2 6 笪 m 4 6 由式 5 式 6 計算可得SVPWM和DPWM切換 點為m O 69相較SVPWM的開關損耗最多可減 少25 E引 并且具有更小的諧波電流 3 3調制模式第2切換點 電壓增益定義如下 G V IV2 mlm 7 式中 為給定輸出電壓基波幅值 m 為給定調 制系數(shù) DPWM 過調制區(qū)域的給定調制系數(shù)m 與實 際調制系數(shù)m之間的關系如下式 一 V 盯 T 一爭州 m 一in 赤 志 8 二者關系曲線如圖3所示 圖3 DPWM 過調制區(qū)給定調制系數(shù)m 與實際調制系數(shù)m關系 Fig 3 Relationship of siren modulation factor m and the actual modulation factor m in over modulation of DPWM1 19 電氣傳動2013年 第43卷 第3期 張國榮 等 一種用于永磁同步電機的高性能調制方式 由圖3可知 當調制系數(shù)m 0 907時 m m 即電壓增益G I 此時如果再使用DPWM 調制 給 定電壓和輸出電壓就不再是線性關系 過調制算法 能夠有效提高逆變器的輸出基波電壓幅值 對縮短 電動機的動態(tài)響應時間 擴大穩(wěn)態(tài)運行區(qū)域嘲是十 分有意義的 故m 0 907應作為第2切換點 本文采取文獻 7 中的SVPWM過調制算法 這種算法不但可以在整個過調制區(qū)域內達到給定 電壓的線性輸出 調制系數(shù)可達到1 而且相較于 文獻C8 91 在實現(xiàn)中不需要DSP離線儲存大量數(shù) 據(jù) 避免了由于存儲表格所造成的非線性誤差因 素 SVPWM從線性調制區(qū)域到過調制區(qū)域的調制 波形及逆變器輸出 相電壓波形如圖4所示 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 gs a PwM調制波 眺 b 相電壓波形 圖4 SVPWM全范圍調制波形 Fig 4 The full range of modulation wavefoFnls of SVPWM 綜上可得綜合脈寬調制方式的轉換條件如 圖5所示 圖5綜合脈寬調制方式選擇圖 Fig 5 Hyhird pulse width modulation mode selection 4綜合脈寬調制方式仿真 如圖6所示 通過Matlab Simulink進行雙閉 環(huán)調速控制系統(tǒng)的仿真 實時計算調制系數(shù)選擇 不同的調制方式 文獻 10 提供了4種不同的 PMSM建模方法 本文選用電機參數(shù)為 R 2 875 Q Ld 15 35 e H O 281 Wb I 0 74e一3 kg m2 p 2 SVPWM調制頻率f lO kHz DPWM 調制頻率 15 kHz 逆變器直流側電壓 dc 540 V 啟動電機時加初始轉速n 2 100 r rain 20 負載轉矩 l 5 0 N in 此時電機A相電壓幅值為 U 147 6 V 調制系數(shù)m 0 43 故由圖5可知選 擇SVPWM調制方式 0 2 S時轉速上升到n 3 300 r min 負載轉矩孔 8 0 N ITI 則U 241 3 V m 0 701 選擇DPWM 調制方式 O 4 S時轉速 上升到n 5 100 r min 負載轉矩下降到 6 0 N ITI 則 342 9 V m O 997 調制方式為 SVPWM過調制 圖7為電機運行0 6 S的逆變器 調制波形 輸出A相電壓 電流和轉矩 轉速波 形 可以看出 不同調制方式之間轉換平滑 圖6 PMSM控制系統(tǒng)仿真圖 Fig 6 Simulation block diagram of PMSM control system 0 0 1 O 2 0 3 0 4 O 5 0 6 as a PWM調制波 s b A相電壓波形 冒 善 一1 t s c A相電流波形 6 s d 電磁轉矩波形 tfs e 轉速波形 圖7不同調制系數(shù)下逆變器的工作波形 Fig 7 Inverter working wavefoITns of different modulation factor 6 4 2 O 吩 張國榮 等 一種用于永磁同步電機的高性能調制方式 電氣傳動2013年 第43卷第3期 對圖7中DPWM 調制的A相電流進行諧波 分析 可得圖8a 若把上述綜合脈寬調制中0 69 m 0 907段的DPWM 調制也換成載波頻率10 kHz的SVPWM調制 經(jīng)仿真并對A相電流進行 諧波分析可得圖8b 對比二者可知 DPWM 調制 方式的諧波電流含量小于SVPWM調制 j駕 馨 Im 鵲 趔 馨 Fundamental 110Hz1 9 488 THD 0 30 Hz b m 0 701時SVPWM調制方式下 相電流諧波分析 圖8諧波電流分析 Fig 8 Analysis of harmonic current 5結論 本文提出了一種綜合脈寬調制模式 深人分 析并確定了不同調制方式的切換點 從而得出了 一種在0 m 0 907范圍內具有較小紋波電流 和開關損耗 在整個調制范圍內可以線性輸出給 定電壓的綜合脈寬調制方式 滿足高性能電機控 制的要求 通過對PMSM雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿 真 驗證了所提出的綜合脈寬調制方式的可行 性 對于降低轉矩脈動和擴展電機運行范圍具有 重要意義 參考文獻 李耀華 劉衛(wèi)國 永磁同步電機矢量控制與直接轉矩控制比 較研究 J 電氣傳動 2010 40 10 9 12 17 2 王成元 夏加寬 孫宜標 現(xiàn)代電機控制技術 M 北京 機械 工業(yè)出版社 2008 3 Ahmet M Hava Russel J Kerkman Thomas A Lipo Simple Analytical and Graphical Methods for Carrier based PWM VSI Drives J IEEE Transactions on Power Electronics 1999 14 1 49 61 4 Ahmet M Hava Russel J Kerkman Thomas A Lipo A Hish performance Generalized Discontinuous PWM Algorithm J J IEEE Transactions on Industry Applications 1998 34 5 1059 1071 5 文小玲 尹項根 張哲 三相逆變器統(tǒng)一空間矢量PWM實 現(xiàn)方法 J 電工技術學報 2009 24 10 87 93 6 李計亮 高琳 劉新正 等 過調制算法在永磁同步電機弱磁 調速系統(tǒng)中的應用 J 微電機 2010 43 12 43 47 7 Nho N V Youn M J Two mode Overmodulation in Two level Voltage Source Inverter Using Principle Control Between Limit Trajeetories C Power Electronics and Drive Systems The Fifth International Conference 2003 1274 1279 8 王旭東 張思艷 余騰偉 SVPWM過調制中控制角算法的 分析與應用 J 電機與控制學報 2010 14 12 63 67 74 9 呂敬 張建 文王晗 等 SVPWM過調制算法的理論分析與 實驗應用 J 電氣傳動 2011 41 8 7 11 1 皇甫宜耿 劉衛(wèi)國 馬瑞卿 非線性永磁同步電機建模方法與仿 真 J 電氣傳動自動化 2008 30 6 30 33 收稿日期 2012 03 08 修改稿日期 2012 09 25