四開關(guān)三相永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)
王曉丹1， 李端1， 郭希錚2
(1河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作454001
2北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044)
摘要：以四開關(guān)三相永磁同步電機(jī)(PMSM)磁場(chǎng)定向控制(FOC)系統(tǒng)為對(duì)象，研究丁四開關(guān)三相逆變器(FSTPI)空間矢量調(diào)制方法，并以此為基礎(chǔ)建立系統(tǒng)的控制模弛。仿真結(jié)果表明：四開關(guān)三相PMSM的FOC系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，并且具有較好的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；四開關(guān)三相逆變器；轉(zhuǎn)矩控制；磁場(chǎng)定向控制
中圖分類號(hào)：TM 301 2：TM 35t文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673—6540(2010)06-0184-05
0 引言
20世紀(jì)70年代初，文獻(xiàn)[1]提出異步電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理，該方法以其控制簡(jiǎn)單、魯棒性好，以及快速的動(dòng)態(tài)性能被廣泛研究。永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synonous Motor．PMSM)具有功率密度高、效率高、低速大轉(zhuǎn)矩及調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、艦船驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。磁場(chǎng)定向控制(Field O—ented Control，F(xiàn)OC)方法以其優(yōu)良的性能也得到了廣泛應(yīng)用。
傳統(tǒng)PMSM的FOC系統(tǒng)巾，采用三相六開關(guān)逆變器(Six—Switch Three—Phase Inverter．SSTPI)供電。但是，由于電力電子器件是系統(tǒng)最為脆弱的一部分，因此當(dāng)其出現(xiàn)故障時(shí)，如何采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施是學(xué)者研究的熱點(diǎn)[3]。通常的解決方法有兩種：第一種是采用開關(guān)器件冗余方法；第二種是實(shí)施四開關(guān)三相運(yùn)行[4-6]。第一種方法會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而第二種方法是低成本的選擇，且當(dāng)其單獨(dú)應(yīng)用于PMSM的FOC系統(tǒng)時(shí)，可以降低系統(tǒng)成本，并簡(jiǎn)化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
四開關(guān)三相逆變器(Four Switch Three PhaseInverter，F(xiàn)STPI)只有4個(gè)開關(guān)器件，與SSTPI相比，只有4個(gè)開關(guān)矢量，并且沒有零矢量，其空間矢量脈寬調(diào)制方法(Space Vector Pulse肼dthModulation，SVPWM)是應(yīng)重點(diǎn)研究的問(wèn)題。本文以四開關(guān)三相PMSM的FOC系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先分析了FSTPI空間矢量調(diào)制方法，其次分析了PMSM的FOC原理，并以此為基礎(chǔ)建立了系統(tǒng)的控制模型。分析結(jié)果表明：四開關(guān)三相PMSM的FOC系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，并且具有較好的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
l FSTPI空間矢量調(diào)制
四開關(guān)三相PMsM系統(tǒng)拓?fù)淙鐖Dl所示。與采用傳統(tǒng)SSTPI系統(tǒng)不同，F(xiàn)sTPI節(jié)省了1個(gè)橋臂，即節(jié)省了2只大功率全控開關(guān)器件，直流側(cè)增加了1只電容，但是電容耐壓值為SSTPI的l／2。
1．1電壓矢量表
定義Sa、Sb為開關(guān)變量，其中：Sa=1時(shí)表示A相上橋臂T1導(dǎo)通；Sa=0時(shí)表示A相下橋臂T3導(dǎo)通。因此，F(xiàn)sTPI共有22=4種開關(guān)狀態(tài)，每種開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一定的三相電壓瞬時(shí)值。相對(duì)于SSTPI具有8個(gè)電壓矢量(6個(gè)有效電壓矢量，2個(gè)零矢量)，F(xiàn)趼PI開關(guān)矢量的分布還與負(fù)載連接方式有關(guān)，對(duì)于PMSM的FOc系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于星型負(fù)載連接。FsTPI—PMsM電壓開關(guān)矢量表如表l所示，圖2是其空間分布。
(1)開關(guān)矢量幅值不同，
(2)不存在零矢量；
(3)只有4個(gè)開關(guān)矢量可以利用，控制自由度降低。
1．2 FSTPI空間矢量調(diào)制算法
設(shè)u為合成的電壓矢量，根據(jù)脈沖等量原則：合成矢量與時(shí)間的乘積等于四個(gè)基本矢量與相應(yīng)時(shí)間乘積之和，存在如下關(guān)系：
由上文分析可知，結(jié)合式(2)、(5)無(wú)法求解FsTPI不存在零矢量，根據(jù)式(3)推得零矢量的作用時(shí)間為
由圖2可以看到，u1=-u3，u2=-u4，那么零矢量可以等效為以下3種方式：
(1)u1，u3同時(shí)作用，如圖3(a)所示；
|
