一种能量双向流动的PMSM控制策略研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（上）-11-高 新 技 术随着遥感技术、信息化技术、物联网技术的不断发展，可以在列车完整性检查中融入更多技术、开辟更多优化方向，进一步提高列车完整性检查的精准性，保障列车行驶的安全与稳定，推动铁路行业发展。参考文献1 范楷，张淼，滕达，等.基于北斗卫星的列车完整性检查技术方案 J.铁路通信信号工程技术，2022，19（6）：23-27.2 郭军强.列车完整性检查技术综述与应用展望 J.铁路通信信号工程技术，2020，17（7）：84-87.3 蔡伯根，郭子明，杨翼，等.面向列车完整性监测的惯性传感器校准方法研究 J.仪器仪表学报，2020，41（3）：1-9.4 开祥宝，张淼，高媛，等.基于北斗导航的列车运行控制系统架构设计 J.铁道运输与经济，2018，40（10）：66-70.5 牛宏侠，张肇鑫，宁正，等.铁路轨道异物完整性检测与跟踪算法研究 J.交通运输系统工程与信息，2019，19（1）：45-54.6 王宏健，王晶，刘振业.基于迭代扩展 Kalman 滤波建议分布和线性优化重采样的快速同步定位与构图 J.电子与信息学报，2014（2）：318-324.随着全球能源的枯竭，国家进一步加强关于节能减排、能源再利用方面的工作，发布了一系列政策和措施。电机作为能源消耗的重要部分，有效利用电机的能量对节能减排有很重大的意义1。传统的电机驱动系统，网侧使用的是不可控整流装置，该控制方式虽然稳定可靠，但是会产生大量谐波污染电网且能量只能从电网流向电机，只能实现能量的单向流动，当电机处于制动或发电状态时，能量不能回馈给电网，造成浪费2。而双 PWM 变换器将网侧的不可控整流装置替换为与机侧控制系统相同的 PWM 变换器，如此一来，就可以实现能量从电网流向电机以及由电机流向电网的双向流动，且可以实现直流母线电压的可调节，具有电压波动小、能够减少网侧谐波和功率因数高的优点3。本文针对双PWM 变换器的网侧和机侧分别采用了电压定向的矢量控制策略和 id=0 的矢量控制策略，并对系统进行了仿真验证。1 双 PWM 变化器数学模型双 PWM 变换器拓扑结构的中前端是三相电网，然后经过 PWM 整流器和母线电容，最终连接到 PWM 逆变器和永磁同步电机。如图 1 所示。1.1 整流器的数学模型为了便于 PWM 整流器数学模型的建立，通常需要进行如下假设：1）电网电压为三相对称的纯正弦波电压。2）网侧滤波电感为线性电感，不会饱和。3）在某些简化分析中，可以忽略功率器件的开关损耗。笔者先建立了三相PWM整流器在ABC坐标系下的数学模型，如公式（1）所示。uiiiR CSCSCSCLSSSDCabcDCabcgabc?1132?RLLSSSRLLSSSRLgggabcgggabcgg001320013200?uiiiLeeeDCabcgabc10?（1）式中：uDC为母线电压；Lg、Rg分别为网侧滤波电感、电阻；ix=（a，b，c）、ex=（a，b，c）、Sx=（a，b，c）分别为网侧三相电流、电压、开关函数；RDC为母线上的电阻负载；C为母线电容。将其经过 Clarke 变换到 坐标系下，再经过 Park 变换到 dq 坐标系下的数学模型，如公式（2）所示。uiiR CSCSCSLRLSLRLdqdqdqDCDCgggggg?1?uiiLeedqdqDCg10（2）式中：ed、eq为网侧电压的 dq 分量；id、iq为网侧电流的 dq一种能量双向流动的PMSM控制策略研究熊博张东青孙成国（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）摘 要：本文提出了一种基于双 PWM 变换器的控制策略，以解决传统永磁同步电机网侧采用不可控整流带来的能量利用率低、对电网存在谐波污染以及能量只能单向流动等问题。该控制策略在电网侧采用了电网电压定向的矢量控制并网，实现了单位功率运行，直流母线电压可调；电机侧采用了常用的 id=0矢量控制，以实现对电机转速和转矩的控制。在 MATLAB/SIMULINK 中对该控制模型进行了搭建仿真，分析了直流侧母线电压以及电机转速、转矩和功率流动的情况。仿真结果表明，即使在负载突变的情况下，系统也可以做到快速恢复，可以实现网侧单位功率运行，电网和电机能量的双向流动验证了该控制策略的有效性。关键词：永磁同步电机；双 PWM 变换器：电网电压定向的矢量控制；id=0矢量控制 中图分类号：TM46文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.1（上）-12-高 新 技 术分量；Sd、Sq为开关函数的 dq 分量；为电压旋转角频率。1.2 永磁同步电机的数学模型永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的数学模型与网侧数学模型类似，都是根据基尔霍夫定律在三相静止坐标系下建立的，并利用 Clarke-Park 变换转换到两相静止坐标系与两相同步旋转坐标系下。笔者建立了 ABC 三相静止坐标系下的数学模型。其中，定子电压方程如公式（3）所示。uuuRRRiiipABCsssABC?000000?A ABC?p（3）式中：A、B、C为 A、B、C 三相绕组的全磁链；uA、uB、uC为 A、B、C 三相绕组的相电压；iA、iB、iC为 A、B、C 三相绕组的相电流；RS为定子相电阻；p 为微分算子。磁链方程，如公式（4）所示。?ABCAABACBABBCCACBCABC?LLLLLLLLLiii?pfff?ABC（4）式中：f A、f B、f C分别为永磁励磁磁场交链A、B、C三相绕组产生的磁链；Lx=（A，B，C）为三相绕组自感；Lxy=（xy，x，y=A，B，C）为三相绕组互感。将其经过 Clarke 变换到 坐标系下，再经过 Park 变换到 dq 坐标系下的数学模型（电压方程、磁链方程以及电磁转矩方程），如公式（5）公式（7）所示。uuRiipdqdqdqqd?sr?（5）式中：ud、uq为 dq 两相旋转坐标系下定子电压分量；id、iq为 dq 两相旋转坐标系下定子电流分量；d、q为 dq 两相旋转坐标系下定子磁链分量；r为转子电角速度。磁链方程如公式（6）所示。?dqdqdqfLLii?000（6）dq 的轴电感，如公式（7）所示。LLLLLLddqq?smsmss（7）式中：Ld、Lq分别为 d 轴和 q 轴电感；Ls为相绕组漏电感；Lmd、Lmd分别为直轴和交轴等效励磁电感。电磁转矩方程如公式（8）所示。TpiLLi ienf qdqd q?32?（8）由公式（3）公式（8）可以看出，PMSM 在 ABC 轴系下的数学模型具有非线性、时变性以及耦合性的特点。在经过 dq 轴分解后，坐标系由三相静止坐标系变为两相正交旋转坐标系，消除了数学模型的耦合性和时变性，并消弱了非线性。通过解耦励磁分量和转矩分量，实现类似于他励直流电机的独立控制，对电流的控制实际上就是对 dq 电流矢量的控制。2 双 PWM 变换器的控制策略2.1 网侧控制策略PWM 整流器的控制如下：1）控制直流母线电压并降低注：ea，eb，ec为网侧三相电压；ia，ib，ic为网侧三相电流；e，e以及i，i分别为经过Clarke变换后的网侧电压和电流；UDC和U*DC分别为直流输出电压和给定直流电压；id和iq为经过Park变换后的网侧电流；id*和iq*分别为给定dq轴电流；Ud*和Uq*为输入SVPWM电压。图 2 电压定向的矢量控制策略ea，eb，ece，ei，iia，ib，icPICLARKE变换驱动信号Uq*UDCU*DCiqidUd*id*iq*=0SVPWMPARK 变换相角 检测PIPI注：Lg、Rg分别为网侧滤波电感、电阻；ua、ub、uc为电网端三相电压；uA、uB、uC为电机侧三相电压；UDC为母线上的电阻负载。图 1 双 PWM 变换器拓扑结构图uaubucuAuBuDCuCPMSMLgORgPWM逆变器PWM整流器中国新技术新产品2024 NO.1（上）-13-高 新 技 术电压纹波。2）实现单位功率因数运行，以降低损耗。3）降低电流谐波含量，提高电能质量。4）对有功功率与无功功率进行控制。控制策略包括电流控制策略、并网控制策略以及其他控制策略4。本文采用的是并网控制策略中常用的电压定向的矢量控制策略5，其控制框图如图 2 所示。电压定向的矢量控制策略，根据 Clarke 变换与 Park变换，将三相静止坐标系下的物理量转换为两相旋转坐标系中，使直轴或交轴与电网合成电压矢量对齐，内环采用电流 PI 控制器，外环采用电压 PI 控制器实现无静差跟踪，利用 SVPWM 或 SPWM 调制方式驱动功率器件，参数设计与整定相对简单，因此可实现对有功和无功的独立控制6。2.2 机侧控制策略逆变器侧的控制对象是永磁同步电机，其控制策略是控制器的核心，对电机运行性能和效率有很大影响。电机的控制目标通常为实现位置、转速、力矩控制。当前常见的控制策略主要包括恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制7。本文采用常用的矢量控制，其控制框图如图 3 所示。注：n*和n为给定转速和电机实际转速；id和iq为经过Park变换后的机侧电流；id*和iq*为给定dq轴电流；Vd*和Vq*为输入SVPWM电压；V*dff和V*qff为给定dq轴电压；为电机实际转速。图 3 矢量控制n*iq*id*=0iqidV*dffV*qffV*dV*qnPARK变换CLARKE变换PMSM编码器转速计算PIPIPISVPWM+变换矢量控制（Vector Control，VC）于 20 世纪 70 年代提出，其目的是使交流电机获得与直流电机类似的控制特性。矢量控制基于检测到的交流电机的相电流与角位置，通过坐标变换将三相静止坐标系的物理量转换到两相旋转坐标系下，实现电机励磁与转矩之间的解耦，可分为转子磁场定向控制和定子磁场定向控制 2 种。一般为转速电流双闭环的结构结合 SVPWM 等调制技术实现电机调速。当前矢量控制主要研究结合模糊控制、自抗扰控制、滑模控制等非线性控制策略提升调速性能，针对减少成本与体积问题的无位置控制策略，解决高速情况下交直轴电流交叉耦合等问题。3 仿真3.1 仿真条件根据上述理论，网侧采用电网电压定向的矢量控制，机侧采用矢量控制，实现机侧和网侧的独立控制和能量的双向流动。仿真条件如图 4 所示，包括空载启动、正转电动、反转电动、正转制动和反转制动5个部分。转矩在在-10 Nm+10 Nm进行阶跃变化，转速为-1 000 r/min1 000 r/min，并采用斜坡过渡。图 4 电机四象限运行条件时间/s0.200.60.40.81.01.21.61.41 000 rmin-1-1 000 rmin-110 Nm-10 Nm空载启动正转电动反转电动正转制动反转制动转速/转矩O转矩转速网侧与机侧仿真参数见表 1 和表 2。表 1 网侧仿真参数参数数值网侧电压幅值/V311 网侧滤波电阻/0.5 网侧滤波电感/mH2母线电容/F200表 2 机侧仿真参数参数数值定子电阻/0.958定子电感/mH0.835永磁磁链/Wb0.182 7电机极对数/对4直流母线电压/V560转动惯量J/（kgm2）0.0033.2 机侧仿真结果电机在空载状态下启动，其转速能够良好地跟随设定值，当 0.2 s 时，电机进入正转电动制动状态，由于负载突变较大，因此转速出现短暂提高的情况，但随后迅速稳定至设定值。电机之后的反转电动和反转制动过程与正转情况相似，均能够良好地跟随设定值。如图 5 所示。注：N为电机实际转速；N*为电机的给定转速。图 5 电机转速1 0005000-500-1 0000.200.40.60.81.01.21.41.6转速/（rmin-1）时间/sNN*中国新技术新产品2024 NO.1（上）-14-高 新 技 术电机在空载状态下启动，随着转速提高，电磁转矩也逐渐变大，当 0.2 s 时，电机进入正转电动状态，其电磁转矩跟随设定值并基本稳定在约 10 Nm。当 0.4 s 时，电机进入正转制动状态，电磁转矩迅速下降至峰值约-12 Nm，然后迅速恢复至设定值约-10 Nm。电机之后的反转状态与正转状态相同，电磁转矩的变化情况也相同。如图 6 所示。注：Te为电机的电磁转矩；TL为电机的负载转矩。图 6 电机转矩15 10 5 0-5-10-15TeTL0.20.40.60.81.01.21.41.6转矩/（Nm）时间/sq 轴的电流变化曲线和电磁转矩一致，实现了对转矩的控制，d 轴电流基本稳定在 0，实现了 id=0 矢量控制。如图7 所示。注：id为电机d轴电流，iq为电机q轴电流。图 7 dq 轴电流1050-5-100iqid0.20.40.60.81.01.21.41.6时间/sdq轴电流/A随着电机转速的提高，有功功率也相应提高。当电磁转矩发生突变时，有功功率迅速提高并保持稳定。可以观察到，当电机处于电动状态时，有功功率为正，能量由电网流向电机。而当电机处于制动状态时，有功功率为负，能量由电机流向电网，体现了能量的双向流动特点。如图 8 所示。图 8 电机有功功率变化曲线1.5 1.0 0.5 0-0.5-1.0-1.5有功功率/kW00.20.40.60.81.01.21.41.6时间/s3.3 网侧仿真结果当电机处于空载启动状态时，直流母线电压会迅速升高并且其响应速度很快，但也会存在超调的情况。随后，在 0.2 s内，电机将进入正转电动状态，导致负载突然增加，进而使母线电压下降。但是，电压会迅速恢复并稳定在给定的水平。0.4 s电机进入正转制动，由于电机存在能量回馈，这部分能量缓冲在母线电容上，造成母线电压上升，之后又迅速恢复为给定。电机进入反转情况与正转类似。如图 9 所示。注：U*DC为给定直流母线电压，UDC为实际母线电压。图 9 直流母线电压800 700 600 500 400 300 200 10000.20.40.60.81.01.21.41.6UDCU*DC时间/s母线电压/V4 结语本文针对传统永磁同步电机控制策略能量利用率低的问题，采用了双 PWM 变换器的控制策略，其中，对网侧采用了电网电压定向的矢量控制，而在机侧，则选用了常用的id=0 矢量控制。通过 SVPWM 调制技术，提高了电压的利用率，并在 MATLAB/SIMULINK 软件中对其进行了仿真验证。仿真结果表明，本文提出的控制策略能够实现网侧和机侧能量的双向流动，从而有效地减少了能量的损耗。此外，该策略还使网侧能够以单位功率运行且机侧控制性能良好，使其能够达到理论预期的运行状态。参考文献1 崔弘,李艳东.永磁同步电机控制策略综述 J.防爆电机，2021，56（3）：3-7.2 仲杰.无刷双馈电机双 PWM 变频调速器的设计与实现D.重庆：重庆大学，2021.3 李昆鹏.双 PWM 变换器协调控制策略及工作性能研究D.天津：天津大学，2014.4 张崇巍，张兴.PWM 整流器及其控制 M.北京：机械工业出版社，2012.5 李思毅.永磁同步电机四象限运行控制策略研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2022.6 刘博,贲洪奇,白银龙.一种抑制 PWM 整流器起动冲击电流的缓给定方法 J.电工技术学报，2018，33（12）：2758-2766.7 程诗卿，黄海波，卢军，等.永磁同步电机矢量控制技术的研究与仿真 J.现代制造技术与装备，2023，59（4）：1-3.