低速大扭矩永磁无刷直流电机矢量控制技术研究_国海.pdf

第 卷 第期佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）文章编号：（）低速大扭矩永磁无刷直流电机矢量控制技术研究国海，陈展（安徽科技学院电气工程学院，安徽 蚌埠 ）摘要：面对传统农机动力源向电力转变的趋势，结合传统高速永磁无刷直流电机的控制策略，针对低速大扭矩永磁无刷直流电机的特点，本文在转速、电流双闭环的基础上采用矢量控制技术，通过仿真实验，与直接转矩控制在低速大扭矩永磁无刷直流电机的控制方面的性能进行对比，证明该策略对于低速大扭矩永磁无刷直流电机的控制能起到较好的效果，对于低速大扭矩永磁无刷直流电机的控制研究有一定的参考价值。关键词：农机；永磁无刷直流电机；矢量；低速大扭矩中图分类号：文献标识码：引言随着我国农机装备制造能力的提升和能源形势的日趋紧张，传统农机电气化逐渐成为趋势。和传统的高速电机不同，农机装备配装的电机主要应用场合要求其具有低速度、大扭矩，因此，永磁无刷直流电机成为最佳选择。低速大扭矩永磁无刷直流电机在工作过程中，因其速度低、扭矩大的特点，当发生干扰因素时，直接转矩控制策略不能对干 扰 量 进 行 有 效 控 制，导 致 系 统 产 生 较 大 波动。采用矢量控制工具，设计了一种电流、转速双闭环控制方案，当系统受到干扰时，可以快速消除干扰因素对整个系统产生的影响，使得系统快速恢复正常。永磁无刷直流电机数学模型因有刷直流电机换相磨损、电火花等问题，永磁无刷直流电机应运而生。用永磁体取代有刷直流电机的励磁绕组，转子在永磁体形成的磁场中旋转形成旋转磁场。通过由功率开关管等电子元器件组成的电子换向器的作用，定子磁动势与转子磁动势做通向旋转，从而使得转子受力始终保持相同的方向和大小。为简化永磁无刷直流电机数学模型的建立和分析，做出如下假设：（）忽略电机的磁饱和效应、铁耗及磁滞影响；（）电枢三相绕组为理想对称状态，空间上互差 机械角度，参数相同；（）感应电动势为理想正弦波；（）不考虑定子铁芯的齿槽效应；（）各功率开关管均为理想元器件，功率开关管导通电压降为固定值，功率开关管断开时电阻阻值无穷大；图定子电流矢量图（）不考虑定子绕组电枢反应对整个系统的影响。选用的模型为三相表贴式 型连接的永磁无刷直流电机，因此可认为永磁体本身的磁导率与气隙磁导率几乎相同，继而三相绕组的自感、互感均与转子位置无关。另外，因为在任意时刻，三相绕组的电流矢量之和均为零，永磁无刷直流电机在三相静止坐标系下的电磁转矩方程可表示为式（）：（）（）（）（）式（）中，为电磁转矩，为电机极对数，收稿日期：作者简介：国海（），男，教授，博士，研究方向：航空电源、矩阵变换器技术。佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年为永磁磁链，为转子电角位置，为相定子绕组电流。运动方程的表达式为式（）：（）式（）中，为转动惯量，为负载转矩，为电机摩擦因数，为转子机械角速度。将三相静止坐标系下的电机模型通过 变换至两相静止坐标系。两相静止坐标系下的电磁转矩方程如式（）：（）（）式（）中，为永磁磁链。两相静止坐标系下的电压方程为式（）：（）（）（）式（）中，（），。再通过 变换将两相静止坐标系变换至，轴两相旋转坐标系。旋转坐标系下的电磁转矩方程为式（）：（）（）（）选取的是表贴式永磁无刷直流电机，所以，所以：，为电机的转矩系数。旋转坐标系下的电压方程为式（）：（）式（）中，为轴等效电感，为轴等效电感。通过上述推导可知，在旋转坐标系下，电磁转矩与轴电流的关系为线性关系，因此可以通过控制轴电流对永磁无刷直流电机进行控制，电流矢量如图所示。又因为旋转坐标系中，与永磁无刷直流电机定子电流满足式（）：（）因此，对轴电流的控制即为对定子电流的控制。矢量控制原理框图如图所示。图矢量控制原理图图电流环传递函数框图永磁无刷直流电机控制策略分析采用转速、电流双闭环矢量控制策略，令直轴分量，这样，在分析时只有交轴分量。系统主要有以下几个模块：电机模块、转速调节器、速度调节器、坐标变换模块、模块、测量模块。内环 控制器的作用是实时控制交轴电流第期国海，等：低速大扭矩永磁无刷直流电机矢量控制技术研究，外环速度调节器的作用是实时控制电机速度，在内、外环的工作作用下实现对电机电流、速度的双闭环控制。图转速环传递函数框图图直接转矩控制下电机三相电流波形图图矢量控制下电机三相电流波形图图直接转矩控制下的电机转速波形图电流环 调节器设计电流环的结构框图如图所示。电流调节器传递函数为式（）：（）据图知，电流环的开环传递函数为式（）：（）（）令，则（）（）（）式（）中，。令，.，则得电流调节器参数为式（）：.（）图矢量控制下的电机转速波形图图直接转矩控制下的电磁转矩波形图图 矢量控制下的电磁转矩波形图速度环 调节器设计转速环的结构框图如图所示。转速调节器传递函数为式（）：（）据图，转速环的开环传递函数为式（）：（）（）（）式（）中，令佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 ，则转速调节器参数为式（）：（）仿真分析进行仿真实验，电机的部分参数如表。表实验电机部分参数参数取值定子相电阻额定功率 额定电压 极对数如图所示，在直接转矩控制策略下，电机的三相电流全程都伴随有脉动产生，即使在 的启动阶段结束以后，三相电流相对平稳的水平下，依然有脉动持续产生。图为采用双闭环矢量控制策略后，三相电流的波形图，可以看出，当采用双闭环矢量控制策略以后，三相电流的波形脉动明显减弱。图，图分别是直接转矩控制和矢量控制下的电机转速波形图。图和图 分别是直接转矩控制和矢量控制下的电机电磁转矩波形图。从以上对比中可知，对于低速大扭矩永磁无刷直流电机而言，当采用直接转矩控制时，调节器容易达到饱和，产生振荡。当改用矢量控制策略时，对于三相电流会产生更好的调节，降低系统的振荡程度，产生较好的控制效果。结语低速大扭矩永磁无刷直流电机正成为农业机械的应用趋势，针对低速大扭矩永磁无刷直流电机进行了模型构建，借鉴高速永磁无刷直流电机的控制策略，搭建仿真模型，对比直接转矩控制和矢量控制两种策略在低速大扭矩永磁无刷直流电机控制中的效果，通过仿真结果，应证了矢量控制策略在低速大扭矩同步电机的控制中同样可以取得较好的控制效果。参考文献：周学剑 电动农业机械研究现状与前景 农业工程技术综合版，（）：刘亚兵，李译，等低速大扭矩永磁无刷直流电机矢量控制技术 微特电机，（）：，（），：刘铮基于 的电动自行车控制器天津：天津大学，纪秉男低速大转矩永磁无刷直流电机速度控制策略研究 天津：天津大学，（，）：，：；