盤(pán)式永磁電動(dòng)機(jī)電流優(yōu)化控制
黃聲華 葛永強(qiáng) 萬(wàn)山明 （華中理工大學(xué)武漢430074）
摘 要 盤(pán)式永磁電動(dòng)機(jī)低速力矩大，具有直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，但要滿(mǎn)足高精度伺服系統(tǒng)的要求，必須有效地降低盤(pán)式永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。文中提出一種基于瞬時(shí)功率法的盤(pán)式永磁電動(dòng)機(jī)電流優(yōu)化控制策略，可以顯著減小盤(pán)式永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，而且效率高。計(jì)算機(jī)仿真研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，提出的控制策略是可行的。
敘 詞 永磁電機(jī)電流控制優(yōu)化伺服系統(tǒng)
1引 言
雙轉(zhuǎn)子盤(pán)式永磁電動(dòng)機(jī)除了傳統(tǒng)永磁電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)外，還有低速力矩大、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軸向尺寸短、便于直接與驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝配成整體等優(yōu)點(diǎn)。由于這種電機(jī)直接與負(fù)載連接，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)直接作用在負(fù)載上，對(duì)負(fù)載的平穩(wěn)運(yùn)行影響較大，因此在高性能伺服系統(tǒng)中，必須盡量減小這種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，以求獲得高質(zhì)量的伺服特性。
通常盤(pán)式永磁電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)既非正弦波也非標(biāo)準(zhǔn)梯形波，無(wú)論采用正弦波電流還是方波電流驅(qū)動(dòng)方式均不可避免會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為了解決這一矛盾，近年提出了優(yōu)化電流波形的方法以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[2]。這些方法利用富氏級(jí)數(shù)分解計(jì)算轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量，進(jìn)而采用多重疊代法或最小方差法求出相應(yīng)的優(yōu)化電流波形，映點(diǎn)是計(jì)算量大，在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)很困難，因此有必要探索一種優(yōu)化電流波形的新方法。
“瞬時(shí)無(wú)功理論”在電力系統(tǒng)諧波削除技術(shù)中已得到了充分肯定，本文基于該理論提出了一種優(yōu)化電流波形的新控制策略，采用這種控制策略可以適應(yīng)永磁電動(dòng)機(jī)任意波形的反電勢(shì)，不僅能大大減小永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而且能使電機(jī)繞組的損耗最小。仿真研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了本文提出的控制策略是可行和有效的。
2電流優(yōu)化控制策略
為了便于尋找轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為零的電流優(yōu)化控制策略，首先在坐標(biāo)系中建立電機(jī)的瞬時(shí)功率平衡關(guān)系式：
式中p、q分別是永磁電機(jī)瞬時(shí)輸出有功功率和無(wú)功功率，eα、eβ是電機(jī)反電勢(shì)，iα、iβ是電機(jī)等效繞組電流。若是已知永磁電機(jī)任一時(shí)刻的反電勢(shì)，即可求出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的電機(jī)電流瞬時(shí)值：
盤(pán)式電機(jī)定子三相繞組采用y形無(wú)中線(xiàn)接法，沒(méi)有零序分量電流，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩t。與電機(jī)輸出有功功率的關(guān)系為：
式中叫是盤(pán)式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，該電機(jī)的反電勢(shì)則是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度甜和轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)：
將式(3)與式(4)代人式(2)可求出與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩丁。和轉(zhuǎn)子位置角θ相關(guān)的電流瞬時(shí)值表達(dá)式：
式(5)表明，電機(jī)電流瞬時(shí)值還與電機(jī)瞬時(shí)無(wú)功功率有關(guān)，在非弱磁調(diào)速要求的條件下，可令永磁電機(jī)的瞬時(shí)無(wú)功功率為零，這不僅簡(jiǎn)化了電流表達(dá)式，而且使電機(jī)定子繞組銅耗最小，于是有：
上式表明，在給定電磁轉(zhuǎn)矩前提下，電機(jī)電流僅僅是轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，因此只要測(cè)出永磁電機(jī)任一轉(zhuǎn)速的反電勢(shì)波形e(θ)，由式(4)求出相應(yīng)的反電勢(shì)波形系數(shù)f（θ），就可以很方便地求出任意轉(zhuǎn)速下無(wú)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的電流瞬時(shí)值，再通過(guò)park反變換，即可求出永磁電機(jī)定子三相繞組電流瞬時(shí)值：
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