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改進永磁同步電機轉矩控制精度的措施

改進永磁同步電機轉矩控制精度的措施

發布日期:2014-12-10 16:15 來源: 點擊:

  自20世紀60年代末以來,面向磁場的矢量控制一直是交流電機控制的主流。這樣的控制方法的主要特點是對電機氣隙磁場和轉矩進行分開控制。對于永磁同步電機,典型的控制設計就是考慮恒定的磁通會産生一個轉矩常數kt,該常數在大多數電機的技術手冊中都能找到。獲得需要的轉矩m所對應的電流iq也由此計算得到。但是,輸出轉矩和相應的電流iq之間的這種恒定關系的可信度很容易受到各種各樣的實際因素的負面影響,這樣的影響很容易産生轉矩控制中所不能接受的精度偏差。一些容易影響的實際因素如下:

  ●男人的天堂出廠過程與材料的老化;

  ●鐵心材料在過載時飽和;

  ●磁阻轉矩變化;

  ●電樞(磁性材料)的溫度。

  磁材料(磁介質)的分散性導致的實際轉矩常數與數據手冊上的數值偏差可能會超過5%。更嚴重的是通過觀察發現,經過一段較長時間,永磁電機的磁場會下降幾個百分點。由于這樣的變化通常十分緩慢,一種電機離線參數辨識(將在“一種電機模型的預辨識系統”部分中討論)將解決這一問題。

  與此形成鮮明對比的是,在過載時,由于鐵心飽和造成的輸出轉矩降低會在很短時間內發生,而且降低量最多時會達到20%。圖1所示的即爲某額定轉矩mn=23nm,額定轉速nn=2000r/min的永磁同步電機運行在不同轉速條件下所測得的轉矩精度。這台電機未采取任何精度改進措施。這次的測量數據將爲評價後面提到的精度改進策略提供參考。

  實際的兩台電機在設置點mset=0nm處的相對轉矩要從被測試電機上的所測的轉矩曲線中減去。因爲這一轉矩在後來的研究中被當作是對運行中的摩擦轉矩所抵消。而且,除了黏性摩擦之外的其他因素也是存在于這個系統中的,但以上的假設(相對轉矩補償摩擦)是實際自動辨識系統的執行原則,是正確的。

  當出現去磁效應時,磁場産生的電流id將不能被忽略。這時的關鍵是考慮電機磁阻轉矩的影響,從而獲得一個准確的實際轉矩值mact,如公式中所示。但是,通常來說,磁阻轉矩常數kt,rel在電機的數據手冊中不提供,因而必須通過參數辨識的方式獲得。如果電磁轉矩常數爲零,高轉速下轉矩就會出現大的偏差,如圖3所示。

  當遇到電機電樞溫度變化較大時,只有在線自適應策略是有效的。使用钕鐵硼nd2fe14b磁性材料的永磁同步電機每100k的溫度變化會有約4%的磁鏈損失。老式的使用钐钴smco5磁性材料的永磁同步電機每100k溫度變化的磁鏈損失甚至達到10%。

  一種電機模型的預辨識系統

  獲取電機的定子電阻與電感參數是電機模型辨識的第一步,因爲這是進一步識別電機參數的前提條件。這兩個參數可以通過靜態電機測量方法獲得,如例二中使用正弦測試電流。但是,對于轉矩常數kt的測量就只能在電機加速時進行了,因爲這套辨識系統是基于輸送到電機上的實測有功功率和軸輸出功率工作的。所以,要測得轉矩常數kt,需要先測得有功功率。有功功率需要電機以額定轉矩電流從靜止加速到額定轉速,並且在一個産生足夠大電動勢的速度下才可測得。求得電阻損耗以及實際轉速nact和實際轉矩mact才能確定轉矩常數kt。對于在d軸和q軸電感不同的電機,確定磁阻轉矩常數kt,rel就相當重要了。

  當電機d軸轉至電氣位置的0°、120°和240°時,式中的兩個參數u0,i0可以自動確定。這樣,一個時變的電流將加在d軸上。去掉電阻上的壓降後即可最終得到相電壓偏差特性,同時兩個參數也可通過最小二乘法估算得到。電壓偏差對于三相來說幾乎是相同的,所以只需確定一相即可。但是在實際正常的運行中,每相電壓都需要添加公式(7)中所示的誤差電壓來進行補償。

  通過第四部分對在線自適應策略的討論我們知道,這種電壓補償對于控制轉矩精度是不可缺少的,尤其在低速和重載的情況下。對于在第三部分中討論的kt(iq)多項式策略,電壓補償同樣是有益的,但只在辨識過程中需要,在正常運行中並不需要。

  结 语

  介紹了三種不同的提高永磁同步電機靜態轉矩精度的策略。通過比較實際運行電機與數據手冊上的數值對每種策略的優點進行了評估。在電機轉速和轉矩不超過額定值,電機轉子的溫度變化被控制到最小,並有充分的電機模式預辨識的情況下,當達到額定轉矩時,偏差可以控制在2%以內。作者建議在任何情況下都要進行電機參數辨識,不能依賴數據手冊上所提供的數值。

  當出現過載運行時,鐵心飽和可能會導致不可接受的轉矩精度偏差。尤其是專門爲高性能機床主軸設計的轉矩前饋也會因爲鐵心飽和而失效。使用kt(iq)多項式離線自適應策略配合之前確定的電機參數可以彌補這一缺陷,並且將轉矩精度控制在額定轉矩的±3%的範圍內。但是要注意的是,實現這種有效控制的前提是電樞溫度在電機參數辨識後不能有很明顯的變化。

  如果電機溫升不能忽略或者公式(1)中所示的磁阻轉矩常數不准確,則需要使用在線自適應技術。這一策略只能用在有足夠轉速以産生可測相電壓的情況下使用。同時,需要知道相電壓精確值,而這時很有必要采取進一步測量彌補逆變器的電壓偏差。具備這種特征的典型電器有絞車,其需要轉軸持續工作在額定功率附近。除此之外,主軸工作在去磁範圍的永磁同步機床也是在線自適應控制策略的潛在適用對象。

  文中討論的每種策略都有其自身優點和特殊的適用範圍,所以無法推薦一個普適性的方法來提高轉矩精度。


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