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基于电励磁同步电动机无传感器矢量控制系统

来源:UC论文网2015-10-31 10:57

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摘要:根据电励磁同步电机基本结构,分析其气隙定向控制的稳态方程,通过MATLAB建立同步电机气隙磁链定向的矢量

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基于电励磁同步电动机无传感器矢量控制系统

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  摘 要:根据电励磁同步电机基本结构,分析其气隙定向控制的稳态方程,通过MATLAB 建立同步电机气隙磁链定向的矢量控制系统模型,为了提高系统的可靠性,降低成本,利用向电励磁同步电机的转子注入高频电压信号,测试定子侧感应电压的方法,提取转子位置角,实现同步电机的无位置传感器矢量控制,达到了有传感器的效果。对整个系统进行仿真,并进行分析和总结。
  关键词: 同步电机;气隙磁链定向;无传感器;矢量控制
  
  0 引言
  同步电机的磁场定向控制方式主要有:定子磁场定向控制、转子磁场定向控制、气隙磁场定向控制方式、阻尼磁链定向控制。为了便于解耦和用在大功率的同步电机上,电励磁同步电机一般都采用气隙磁链定向控制方式。转子磁链定向控制方式一般用在永磁同步电机上,阻尼磁链定向控制方式和定子磁链定向控制方式较少采用。交直交变频器一般可以分为电压型和电流型变频器,它们是根据中间储存能量的直流环节的不同而划分,电压型变频器的中间直流环节采用大电容储能,阻抗较小,类似于电压源,输出电压平直,为矩形波,电流的幅值随负载大小的改变而自动改变;控制简单;通用性强,适合拖动多台电机运行。电流型变频器中间的直流环节采用的是大电感储能,其特点是电源阻抗大,和电流源类似,输出电流波形平直,为矩形波;输出电压波形近似正弦波;具有电流保护功能;可靠性好。其缺点就是运行特性依赖于负载,比较适合拖动单台电机。在实现电励磁同步电机高性能矢量控制的系统中,需要精确的转子位置角和速度信号来实现磁场定向。但是,在传统调速控制系统中,一般采用光电编码器或旋转变压器来检测转子的位置角和转子速度。机械式传感器不仅增加了系统的成本,而且同时降低了系统的可靠性。因此,研究如何取消这些装置,以提高系统的可靠性,并降低整个系统成本的逐渐热门。本文采用交直交电压型逆变器控制系统,在MATLAB 中对整个无传感器矢量系统建模和仿真,最后分析其运行效果。
  1 气隙磁场定向
控制同步电机数学模型图1 同步电机气隙磁链定向控制稳态矢量图同步电动机采用气隙磁链定向控制[5]时,定子M-T 坐标系M 轴的方向与气隙磁链的方向一致。定子磁链中除了一部分漏磁链,其余都要穿过气隙,形成所谓的气隙磁链与其他定子绕组和转子绕组交链。根据上述定义,首先得到转子磁(2)利用坐标变换e? j?L,将转子d-q 坐标系下的气隙磁链转换到定子M-T 坐标系。可以得到气隙磁链定向控制时的气隙磁链方程:
  将转子d-q坐标系下的定子电压转换到气隙磁链定向的M-T 坐标系。同时,在气隙磁链定向控制时,维持气隙磁链幅值恒定。
  可以得到气隙磁链定向控制时的定子电压方程:
  气隙磁链定向控制下的转矩方程为:
  2 交直交电压型同步电机气隙磁链
  定向控制方式的结构为同步电机交-直-交电压型变频调速控制系统框图[5],图中由主回路和控制回路两部分组成,主回路由交-直-交变频器、同步电机、位置传感器、速度传感器、电流电压检测单元及转子励磁装置组成,控制回路由转速调节器、磁链调节器、定子电流调节器、励磁电流调节器、电压前馈单元、电流模型、电压模型组成。
  整个系统为转速电流的双闭环调速系统,既可以得到同步电机很好的动态性能,又可以得到电机的稳态性能。磁链的闭环的电流模型和电压模型的混合系统,当电动机转速较低(<15%)时,组织机构电压模型的误差比较大,可以采用电流模型计算气隙磁链,当电动机转速较高( ≥15%)时,采用电压模型计算气隙磁链,进行磁链的闭环,这样才能实现磁链的恒定,提高控制系统的精度。为了使磁链在两种模型切换时过渡平滑,需要设计一个过渡区,可以采用滤波器的办法实现磁链估测的过渡,即在低速时用低通滤波器,只采用电流模型,随着速度的提高,磁链估测通过高通滤波器。在本文中,采用权值过渡的方式.
  3 同步电机转子位置角的估测
  在同步电机气隙磁链定向控制中,需要同步电机的转子位置角,在电励磁同步电机的无位置传感器矢量控制中,为了检测转子位置,本文中,采用在电机转子绕组施加直流励磁电压之外,施加一个高频电压,注入高频信号的频率 ,电压信号的幅值为50V. 在同步电机的的转子侧注入高频信号:
  当定子绕组采用星型连接时,V相和W相输出的高频线电势EVWH的大小为:本文中采用相干检波的方法得到解调的信号,图5 即为解调输出的定子电压信号,得到了定子电压的包络信号后,实际上就是同步电机的位置和速度的信息,只是为模拟量,对其进行模数转换之后,即可得到位置的估测,又考虑在一个周期内存在信号的奇异性,通过反正切逻辑[7,8]即可完成信号的转化,查表可以得到转子位置角。
  4 仿真结果和波形分析
  为同步电机无位置传感器矢量控制系统在空载和带负载运行时的转速和转子位置角的波形图,在转子位置角的图中,红色为位置传感器测得的转子位置角,蓝色为转子位置闭环时利用高频注入估测出的转子位置角,由图中可以看出,估测值和实际值基本重合,完全达到了有传感器的效果。
  5 结论
  通过以上介绍和分析,同步电机电机的结构复杂,控制难度大,电励磁同步电机的高频注入更加复杂,本文中的向同步电机的转子侧注入电压信号的方法,通过测量定子侧电压信号,通过解调和相干检波法,巧妙地取得转子位置的信息,实现了位置传感器的闭环,取得了很好的效果。另外,本文中所采用的受控源代替逆变器的方法也是验证快速其它思想的有效途径。
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  [参考文献]
  [1] 尉冰娟.同步电机气隙磁链定向控制系统的仿真与分析。变频器世界,2005,10,50-54
  [2] 李志民,张遇杰. 同步电动机调速系统. 北京:机械工业出版社,1998
  [3] 李崇坚.交流同步电机调速系统.科学出版社.2006.3
  [4] 马小亮.大功率交-交变频交流调速及矢量控制技术.北京:机械工业出版社,2003.
  [5] 伍小杰.大功率交-交变频双电枢绕组同步电动机调速系统的研究及应用.中国矿业大学博士论文.中国矿业大学 2001
  [6] 周晓峰. 交-直-交同步电动机矢量控制系统研究[D].徐州:中国矿业大学信息与电气工程学院,2007.

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