詪詪
D驱动控制摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇
摇摇2018年第46卷第8期摇摇
riveandcontrol詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪
摇52
詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪童摇怀等摇负载周期波动永磁同步电动机前馈补偿控制
负载周期波动永磁同步电动机前馈补偿控制
(1.广东工业大学,广州510640;2.海信空调有限公司,青岛266071)
摘摇要:研究了负载转矩周期波动工况永磁同步电机前馈补偿控制策略,给出了前馈补偿控制的系统结构和系统控制流程图,并提出了正弦波前馈补偿电流的获取方案。在系统仿真模型的基础上,研究了转矩前馈补偿角度、补偿量的取值规律问题。对控制策略进行了仿真分析和实验验证,结果表明前馈补偿控制可有效抑制负载转矩波动引起的转速波动。
关键词:永磁同步电机;负载周期波动;前馈补偿控制
中图分类号:TM341;TM351摇摇文献标志码:A摇摇文章编号:1004-7018(2018)08-0052-05
童摇怀1,陈坚波2,朱摇骁2,徐摇鹏2,赖志勇2
TorquePre-CompensationStrategyofPMSMwithPeriodicFluctuationofLoadTorque
TONGHuai1,CHENJian鄄bo2,ZHUXiao2,XUPeng2,LAIZhi鄄yong2(1.GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;2.HisenseAirConditionerCo.,Ltd.,Qingdao266071,China)
tionofloadtorquewaspresented.Blockdiagramandcontrolflowchartofthetorquepre-compensationcontrolsystemwerethebasisofMATLABsimulationmodelofthesystem,thedeterminationregulationoftheangleandthecurrentamplitudeofcontrolstrategy.control
Abstract:Atorquepre-compensationcontrolstrategyofpermanentmagnetsynchronousmotor,withperiodicfluctua鄄
given,andthecalculatedequationofcompensationcurrentwasproposedwiththesinewaveformcompensationscheme.Onthetorqueprecompensationwasanalyzed.Thesimulatedandexperimentalresultsvalidatethecorrectnessoftheproposed
Keywords:permanentmagnetsynchronousmotor(PMSM);periodicfluctuationofloadtorque;pre-compensation
0摇引摇言
近年来随着永磁材料性能大幅提升而成本降低,永磁同步电机(以下简称PMSM)已经被广泛应用于机器人、数控机床、电动汽车及家用电器等领域。然而,PMSM存在最大转矩受永磁体去磁约束、转矩波动、高转速受限制等缺点,其中转矩波动会引起转速波动及噪声,这将限制它的应用范围。
PMSM转矩波动一方面是由齿槽效应、磁链谐
杂。文献[3]用前馈控制方法将电流谐波分量提取出来并进行了相应的补偿,抑制了电流谐波和转矩波动,但和文献[2]类似,需要采用高次谐波电流PI控制器,程序运算工作量依然很大。文献[4]提出了通过迭代学习在线补偿电机控制电压来抑制周期性转矩波动的方法,但这种方案更适应于电机的恒压频比控制模式。文献[5]将模糊控制作为速度扰动以及负载扰动的前馈补偿控制器,设计了基于负载扰动的滑模控制系统,有效地削弱了滑模的抖动。文献[6]通过对负载转矩扰动进行实时观测,提出了基于负载转矩反馈补偿的PMSM变增益PI控制方案,可有效削弱负载转矩扰动带来的速度波动,但是文献[5,6]控制程序运算工作量大,适用于机器人等规律复杂的负载转矩扰动工况。
目前,PMSM驱动的单转子压缩机变频空调因成本优势而被广泛采用,在单转子压缩机中,PMSM通过偏心曲轴驱动滚子压缩冷媒时负载转矩波动很大,文献[7]通过能量函数法估算负载状况,然后进行补偿控制;文献[8]给出了压缩机PMSM转子位置的一种估算方法,并研究了负载转矩的自动计算方法,但是文献[7,8]并没有详细研究对于这种特
波、定子电流分布不对称等电机本体因素引起的;另一方面与电机的负载特性紧密相关。除优化电机本体设计外,近年来很多学者对抑制PMSM转矩波动的控制策略进行了深入研究。文献[1]基于重复控制原理的动态前馈补偿方法,提出了在PMSM速度控制环上采用一种重复控制和PI控制相结合的控制方案,以抑制周期性负载转矩扰动引起的转速波动。文献[2]应用旋转坐标系与多个PI控制器配合对电机转矩波动进行抑制,其效果好,但算法复
收稿日期:2016-11-08
基金项目:广东省科技计划项目(2017A050501056);广东省教育厅产学研基地滚动项目(5011030146)
摇摇
詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪摇摇2018年第46卷第8期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇
摇摇摇摇摇
D驱动控制摇摇riveandcontrol詪詪
殊工况的补偿控制规律。
单转子压缩机负载转矩波动具有周期性重复的特点,前馈补偿电流不需要在每次PWM中断通过转矩观测进行实时计算。本文在文献[6]控制思路的基础上提出了一种工程化控制策略,根据电机转速和q轴电流大小通过查表获得前馈补偿电流的幅值和角度的基值,可大大减少控制程序的运算量。
1摇转矩前馈补偿控制系统构成
1.1摇PMSM数学模型
稳态情况下,PMSM电压方程[9]u:
d=Rsid+d鬃d-棕鬃qü
ï
ïu(1)
q=Rsiq+dd鬃t
ý
q+棕鬃dï
式(1)中磁链:
dt
ï
þ鬃d=Ldid+鬃}
摇摇电机电磁转矩鬃=Lf
qqiq
(2)
T:
em=3
p(鬃diq-鬃qi式(1)~式(3)中:p为电机极对数2
d)(3)
;RL轴电感;us为电枢电阻;d,Lq分别为d,qd,uq分别为d,q轴电压;id,iq分别为d,q轴电流;鬃d,q轴磁链;棕为电角速度f为永磁体磁链;鬃d;T,鬃q分别为电机运动方程em为电磁转矩。Jd棕:
r=Tem-B棕r-T式中:棕r为机械角速度dt
L(4);J为转子转动惯量;B为粘滞阻尼系数;TL为负载转矩。本文的研究正是针对一种特殊负载转矩来展开的。1.2摇单转子压缩机负载转矩
单转子压缩机变频空调中,PMSM通过偏心曲轴驱动滚子压缩冷媒时负载转矩波动很大,图1为不同工况下的负载转矩波形。电机每转一圈负载转矩波动一次,转矩波动具有周期重复的特点。转矩波动幅值与负载大小紧密关联,当负载比较轻时,转矩在0~4N·m范围内波动;当负载加重时,转矩波动范围为0~7N·m。
图1摇不同工况PMSM负载转矩波形
1.3摇转矩前馈补偿控制系统构成
转矩前馈补偿控制系统如图2所示,主要包括
速度PI调节器,d,q轴电流PI调节器,转子位置估算和转矩前馈补偿等模块。电机实时转速棕速度PI调节器跟踪转速给定值棕r通过
iset,s。电流调节器的输入给定值i*d,i*
用定子电流输出定子电流
qi茁计算:i*s和转矩角d时,就是常用的“i=issin茁,i*q=iscos茁,当转矩角茁=0
d计算出前馈补偿电流修正=0冶控制模式[9],q轴电流调节器输入。转矩补偿模块i*q
得到i*q*电流i。相电流通过Clarke,Park变换转换成d轴
d和q轴电流iq;id,iq分别作为d轴和q轴电流PI调节器的反馈分量。
图2摇PMSM转矩前馈补偿控制系统框图
d,q轴电流调节器的输出为d,q轴电压uud,uq;
d,uq通过Park逆变换得到三相定子输出电压,然后通过SVPWM计算得到6路功率管PWM驱动信号,最后通过功率模块驱动PMSM旋转工作。
家用变频空调作为一种低成本控制系统,通过电阻采样电路获取实时相电流值,通过转子位置估算模块获取电机转子位置角和转速。
2摇转矩前馈补偿控制策略
针对电机每转一圈负载转矩波动一次的特点,本文简化文献[6]的控制思路,提出了一种工程化詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪控制策略。即在q轴电流i*q中加入一个可以通过公式直接计算的前馈补偿电流i童
q_comp摇形的电磁转矩去抑制转速波动,前馈补偿控制的寻,以产生预期波詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪怀优目标是获得最小的转速波动。
等摇在图2的矢量控制d,q坐标系中,前馈补偿采
负*载用“id=0冶控制模式,电流环d轴输入id为0,电流
周期环q轴输入i*q*在i*q波了一个分量i(i*q=iscos茁=is)的基础上增加
动q_comp永i*:
磁d=0
同i*步q*
=i*q+iq_comp=is+iq电式中:is为定子电流;茁为转矩角;i_comp
}
(5)
动q_comp为转矩电流机前馈补偿量。速度环根据给定转速棕前馈计算出电机所需的定子电流iset和速度反馈棕r补)代入式(3s。),得到电磁转矩
偿控Tem制
T:
将式(2)、式(5em=
32p鬃fiq+32p(Ld-Lq)idiq=3
2
p鬃f(is+iq_comp(6)詪詪)摇53
摇摇
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摇摇2018年第46卷第8期摇摇
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詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪摇将它表示为傅里叶级数形式摇图1的负载转矩不能简单地用解析式表达:
,可T移¥
L=TL0+
n=1
TLnsin(n棕t)摇摇n=1,2,3,…
式中:TL0为负载转矩恒定分量;TTL1为负载转矩基波(7)
分量幅值;量幅值。
Ln(n=2,3,…)为负载转矩高次谐波分
式(6)在q轴电流中加入了一个前馈补偿量,也可以表示为傅里叶级数形式:
i¥
q=iq0+
移n=1
iqnsin(n棕t)摇摇n=1,2,3,…(8)
式中:iq0为转矩电流的直流分量;iq1为转矩电流的基波幅值;iqn幅值。从式(n(6)=2,3,…)和式(8)为转矩电流的高次谐波分量可得到对应关系:
is=iq0i¥
q_comp=
摇摇式(9)表明移n=1
iqn,定子电流sin(n棕t)摇i摇n=1,2,3,…
}
(9)
量相等,而前馈补偿电流is与转矩电流的直流分q_comp总可以用一组基波和高次谐波电流来构成,使合成q轴电流产生的电磁转矩可以带动负载,并抵消负载转矩的波动。
但是在变频空调转矩补偿的工程实践中发现,iq_comp按式(9)包含基波和高次谐波电流的补偿效果,并不比iq_comp仅仅包含基波的效果好。分析其中的原因有詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪型,当1)i式:
(6)电磁转矩表达式基于电机的线性模q_comp按式(9)取基波和高次谐波时,实际产童
生的电磁转矩和预期的图摇怀2)谐波补偿的取值规律复杂1形状有偏差,运算量大。
等超出了系统微处理器的运算能力,在低成本的家电,几乎
摇负产品中难以实现,而iq_comp取基波的运算量将大大减
载小。
周期波动实时转矩值转换成对应的电流量3)文献[6]通过负载转矩观测器,对速度环输出的,将观测出的
永磁电流指令信号进行前馈补偿,这种方案更适用于负同载转矩扰动规律难以预测的情况。然而单转子压缩步电机负载转矩波动具有周期重复的规律性,前馈补偿动机电流不需要在每次PWM中断进行实时推算,补偿前馈电流的幅值和角度的初值,可根据电机的转速和q补轴电流大小通过查表和估算获得,适合工程化应用。
偿控目前家用变频空调常用的补偿方案是iq_comp按制
式(9)取基波,即正弦波补偿方案:
iq_comp=iq_Amp为补偿幅度;sin(兹棕rt+兹q_comp式中:i)
(10)
詪詪54
q_Ampq_comp为补偿角度;棕械角速度。补偿幅度ir为机q_Amp与负载大小,即与q轴电
流i*q之间存在合理的比例关系。图1负载转矩波动幅值与电机转子位置角密切相关,因此,式(10)中正弦波按转子位置角(兹mec=棕rt)来计算。压缩机内部机械结构决定补偿角度兹q_comp的压缩机,兹,对于同一型号q_comp可取一个固定值。在实际控制中,当电机转速发生变化时,还需要对兹q_comp进行修正。图3为本文所采用的转矩前馈补偿控制流程图。
图3摇转矩前馈补偿的控制流程图
变频空调在中高速(2500~10000r/min)区域,电机转子转动惯量对速度波动的抑制性强,负载转矩周期变动带来的转速波动相对较小,不需要转矩前馈补偿。在低速运行(2500r/min以下)区域,负载转矩周期变动带来的转速波动大,需采用转矩前馈补偿控制策略。因此,图3中的控制程序是根据压缩机的设定速度来决定系统是否进入转矩前馈补偿模式,只有当压缩机的转速小于一定的值才进行转矩前馈补偿。棕度的下限和上限值,当压缩机给定速度小于判定速Down_limit,棕Upper_limit分别是判定速度下限值棕Down_limit时,控制模式进入转矩前馈补偿;而当压缩机给定速度大于判定速度上限值棕时,控制模式退出转矩前馈补偿。
Upper_limit本文在对不同转速以及负载大小进行调节时,先将不同转速对应的补偿角度兹q_comp建表,初次进入前馈补偿模式或当工况发生改变,根据转速查表获得兹q_comp的初值,因q轴电流iq反映当前负载大小,补偿幅值iq_Amp按(iq_Amp馈补偿按式(5)计算i*=0.8iq)取初值d,i*q*
。图3中兹。转矩前
q_comp,iq_Amp取
摇摇摇
詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪当前最佳值的依据是判定电机转速波动驻棕是否为最小,控制程序中当电机转速达到某一给定的速度节点值,兹q_comp依据转速波动驻棕最小的原则确定为最佳值之后就不再改变,而iq_Amp需要根据变频空调整机负载的变化而实时调节,当整机负载变大或变小时,iq_Amp需要随着i*q变化而变化。
摇摇2018年第46卷第8期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇
摇摇摇摇摇
D驱动控制摇摇
riveandcontrol詪詪
大。因此对应1800r/min时,当前最佳的补偿角度兹q_comp取117毅。进一步的研究表明,当PMSM的转速变化时,最佳补偿角度兹q_comp还需要进行修正。因控制程序中通过对每个节点的兹q_comp进行修正,可解决转子位置估算偏差对前馈补偿的影响。
表1摇不同补偿方案对应的电机速度波动值
补偿幅度iq_Amp/A
4436
补偿角度兹q_comp/(毅)
99117117117
速度波动驻棕/(r·min-1)
98608575
系统采用转子位置估算,这对前馈补偿有较大影响,
詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪3摇前馈补偿角度、补偿量的取值研究
为了研究转矩前馈补偿角度、补偿量的取值规律,通过MATLAB/Simulink仿真软件对图2的三相PMSM负载转矩前馈补偿控制系统进行了仿真分析。
变频空调压缩机PMSM极对数p=3;电枢电阻
图4图5图6图7
Rs=1.7赘;d轴电感Ld=8.9mH;q轴电感Lq=
12.7mH;反电动势系数ke=46.8V/(kr·min-1);转子转动惯量J=7.6伊10-4kg·m2;系统设定转速棕r=1800r/min。仿真计算采用“id=0冶控制模式,且忽略了电机的磁路饱和效应。仿真时按压缩机厂家提供的负载转矩曲线,通过查表获取每个时刻的负载转矩值。
在仿真程序中补偿幅度iq_Amp、补偿角度兹q_comp
摇摇2)在补偿角取值合理的情况下,随着补偿量的增大,PMSM的速度波动驻棕会下降。如图5、图6的补偿角度兹q_comp都取117毅,图5的补偿幅值iq_Amp取值较大(4A),转速波动驻棕为60r/min;而图6动驻棕较大为85r/min。
的补偿幅值iq_Amp的取值偏小(3A),这时的转速波
3)补偿幅度iq_Amp与负载大小,即与q轴电流之
间存在合理的比例关系。本文控制系统中存在规PMSM的速度波动驻棕不再下降,反而会上升。图7
分别取不同的值,电机从静止加速到1800r/min,1.1s时间区域内,几种不同情况所对应的负载转矩、补偿电流以及电机转速的仿真波形图。约0.6s后电机进入稳态运行,如图4~图7为1~
律:iq_Amp=0.8iq,当补偿量超过这个取值范围时,为在图5的基础上继续增大补偿幅值iq_Amp到6A,这时转速波动驻棕没有在60r/min的基础上继续降低,反而上升到了75r/min。
在按图3进行PMSM低频转矩补偿控制时,最重要的工作就是根据负载工况,在每一个速度节点图4摇补偿角度滞后的
图5摇补偿角度和补偿幅度
仿真波形
适当的仿真波形
图6摇补偿幅度偏小时的
图7摇补偿幅度偏大时的
仿真波形
仿真波形
摇如下规律摇从图4~图7的波形图和表1的数据可以得出如图1)4、图对应某一个速度补偿角有一个最佳的角度:
5的补偿幅值iA,图4的补偿。
q_Amp都为4角度兹q_comp取99毅,转速波动为98r/min;图5补偿角度兹q_comp前移取117毅时,转速波动降到60r/min。如果继续前移补偿角度兹q_comp,转速波动驻棕又逐渐增
下,寻找最佳的补偿角度兹q_comp和补偿幅度iq_Amp仿真程序中图4~图7的补偿角度兹。
117毅,只是一个相对的电角度值,在本文实际调试硬
q_comp取99毅或件电路时(或者相电流波形,主要观察补偿电流波形与负载转矩波形从图4补偿角度滞后可以看出)的相对位置。
,补偿电流波形
的最大值滞后于负载转矩最大值,而图5~图7补偿角度适当时,补偿电流波形的最大值与负载转矩最大值对齐。虽然负载转矩与压缩机转子的机械角度存在如图1所示的严格对应关系,但是当电机从
静止加速到1800r/min并进入稳态运行时,由于补偿规律不同,电机的加速规律不同,负载转矩最大值对应的时刻就可能不相同。因此,如图4~图6负载转矩的最大值发生在1.04s处,而图7负载转矩的最大值发生在1.042s处。
4摇实验结果分析
该转矩前馈补偿策略在海信变频空调产品上进
詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪行了实验验证,控制系统采用XMC4200(Infineon)詪詪童摇怀等摇负载周期波动永磁同步电动机前馈补偿控制
55
摇摇摇
詪詪
D驱动控制摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇
摇摇2018年第46卷第8期摇摇
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詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪芯片,PMSM参数已经在前面给出。变频空调输入市电(220V/50Hz),设定电机转速1800r/min。
先对不采用转矩前馈补偿的系统进行仿真分析,图8为电机转速和相电流的仿真波形。图9为未进行转矩前馈补偿时电机转速、q轴电流和相电流的实拍波形图。实验波形与仿真波形很接近。当电机负载转矩恒定时,电机相电流是均匀对称的;而当负载转矩周期波动时,图9相电流呈现出大小波,且电机转速波动较大,相电流峰峰值最大达8.4A,而最小值为5A,不进行转矩补偿电机的速度波动幅度达150r/min。实验中电机相电流波形通过电流传感器检测获得,电机转速不能直接测量,需要将位置估算模块的实时转速数据通过数据采集板进行D/A转换后用示波器测得。
(a)图8摇转速
未加转矩前馈补偿的仿真波形
(b)U相电流
图9摇未加转矩前馈补偿的实拍波形
按本文前馈补偿策略对系统实施控制,图10为电机转速和相电流的仿真波形,图11为补偿控制实詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪验波形(各通道测试波形与图9相同)。对比图9和图11的电机转速波形,速度波动幅度从150r/min童摇降低到了60r/min,证明前馈补偿控制的确能够抑怀制PMSM的速度波动。
等摇负载周期波(a)动图转速
10摇转矩前馈补偿的仿真波形
(b)U相电流
永磁同步电动机前馈补图11摇转矩前馈补偿的实拍波形
偿控图11中,进行转矩前馈补偿将导致相电流畸变制
非常严重,U相电流最大峰峰值达到13.9A,而最小峰峰值只有1A。在室外温度达60益的情况下进行转矩补偿,相电流峰峰值甚至可达25A。为了詪詪56
保证前馈补偿控制的较果,还需要对压缩机电机磁
路设计参数进行相应调整。
实验平台及电机控制系统如图12所示。
(a)实验平台
图12摇实验平台及电机控制系统
(b)电机控制器及数据采集板
5摇结摇语
针对PMSM负载转矩波动工况,在q轴电流中加入了一个正弦波前馈补偿量,可以抵消负载转矩的周期变动,有效抑制电机的转速波动。
不同型号压缩机在不同转速下补偿角兹q_comp有
一个最佳角度。补偿幅度iq_Amp与负载大小成正比,与q轴电流iq之间存在合理的比例关系。在补偿角取值合理的情况下,随着补偿量增大,PMSM速度波动会下降,但当补偿量过大时速度波动不再下降反而上升。
单转子压缩机负载转矩波动具有规律性,本文的控制策略中前馈补偿电流角度和幅值的初值,可通过查表或估算获得,适合工程化应用。由于电机模型的非线性及受系统微处理器运算能力的限制,家用变频空调转矩补偿往往不采用计算复杂的谐波补偿方案,而仅采用运算量小的基波补偿方案。参考文献
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作者简介:童怀(1967—),男,博士,教授,研究方向为永磁同步电机优化设计及其控制技术。
摇
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