关键词:准Z源逆变器;永磁同步电机;直流环节电压;最大转矩电流比
Abstract: The variable dc-link voltage control method can effectively improve the operation efficiency of motor drive system. At present, the dc-link reference voltage of the Z-source inverter motor control system is generally calculated from the current and speed of the motor. However, the changes in motor current, will lead dc-link reference voltage produce unnecessary fluctuations. In order to reduce the impacts of the dc-link reference voltage fluctuation on the system, this paper proposes a method for calculating the dc-link reference voltage. This article introduces the basic principles of dc-link voltage control and explains the derivation method. In comparison with the general method, the proposed method gets rid of the influence of current fluctuations on the dc-link voltage. Finally, the feasibility and effectiveness of the method are verified by simulation.
Key words: Quasi-Z-source inverter; Permanent magnet synchronous motor; DC-link voltage; Maximum torque per ampere
1 引言
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)以体积小、功率密度高、噪声小、系统传输效率高等特点,而被广泛应用于工业伺服,铁路运输和电动汽车等领域[1-2]。然而,当电机高速运行时,它的转速和电压变化范围都很大,因此对供电装置有很高要求。逆变器需要在大电压和高频率条件下,高效、稳定地向电机供电[3-4]。Quasi-Z源逆变器(Quasi Z-source Inverter, qZSI)作为一种近些年被提出的新型逆变器,通过在直流电源和逆变器之间插入一个阻抗网络,可以实现更宽范围的电压输出。由于将Z源逆变器引入到交流电机调速系统中可以使电机更灵活和高效地运行的特点,因此在电气传动系统中应用这种新型逆变器逐渐成为一个研究热点[5-7]。
对于Quasi-Z源逆变器PMSM驱动系统,如果将直流环节电压始终控制在能够完全满足PMSM的运行需求的最小值,并且随其运行状况而变化,则驱动系统的整体运行效率将得到明显改善[8-9]。为了实现最小直流环节电压控制,文献[10]提出了一种整合直通占空比和调制比的控制方法。然而,这种方法只考虑了电机稳态运行时的情况,没有考虑电机在较宽电压和速度范围内加速和减速运行的动态情况。文献[11]提出了一种增强型Z源逆变器的直流链电压直接控制策略,通过直接测量直流链峰值电压来提高系统的控制精度。但直流环节峰值电压直接测量的简便性与准确性不及通过电容电压间接控制的方法。文献[12]提出了一种基于调制模型预测控制的控制方法,该方案可提供快速且稳定的响应,但其控制器基于PMSM数学模型建立,因此依赖电机参数的稳定。文献[13]提出了一种电磁功率前馈生成参考值策略,通过前馈控制缓解系统波动导致的电压超调,但仍无法有效避免电压超调问题。文献[14]提出了一种Z源逆变器直流链电压的滑模控制方法,通过将电流、电压误差以及电压误差的积分为状态变量,设计了滑模控制器,实现了更快的动态相应。但没有考虑负载扰动带来的影响。
为了降低电机电流波动对直流环节电压的影响,提高电压利用率与系统稳定性,本文提出了一种新的Z源逆变器直流环节电压线性控制策略。该策略依靠电机数学模型与实时转速,计算最优电压给定值,实现宽范围内电压线性控制。通过计算最优直流环节电压,可以降低电压波动,提高电压利用率。基于以上分析,搭建了基于Z源逆变器的PMSM控制系统仿真模型,仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。
2 qZSI驱动PMSM的数学模型
图1是Quasi-Z源逆变器驱动的PMSM系统拓扑图。该系统由直流电源、Quasi-Z源网络、三相逆变桥和PMSM组成。其中,Quasi-Z源网络由二极管D、电感L1、L2及电容C1、C2构成。
图1 基于ZSI的PMSM系统结构
2.1 qZSI数学模型
qZSI存在三种工作状态,分别是有效电压状态、零电压状态和直通状态,如图2所示。图2中:Vin表示输入直流电压;L1、L2、C1、C2表示Z源阻抗网络的电感和电容值;iL1、iL2、vC1、vC2表示相应的电感电流和电容电压;Vdc表示Z源阻抗网络的输出电压,即逆变器的直流输入电压。
有效电压状态:如图2(a)所示,三相逆变器工作在有效矢量状态。此时电压源逆变器等效成一个电流源,二极管导通,Quasi-Z源网络电感为电机供电,同时为电容充电。因为Quasi-Z源网络存在不完全对称性,导致两个电感瞬时电流不完全相等,但其平均电流相等。此时电路各部分电压关系为
图3 系统控制流程图
综上所述,qZSI驱动PMSM的可调直流环节电压系统的控制结构如图3所示。由于直流环节存在直通,所以一般对qZSI电容C1的电压进行采样,通过式(5)计算出直流环节电压实际值,结合式(16)中的给定值进行直流环节电压闭环控制。此外,通过对电机电流、转速采样,结合式(14)完成基于MTPA控制的转速闭环系统。
4 仿真与分析
为验证所提出直流环节电压线性控制方法的有效性,在MATLAB /Simulink中搭建系统仿真模型。电机参数如附表所示,Quasi-Z源阻抗网络参数为L1=L2=2mH,C1=C2=800μF,直流电源电压为200V。
在0s时电机带载启动TL=8N•m,给定转速为800r/min。电机转速给定值在0.2s、0.4s时分别改变为1200r/min,1600r/min。仿真结果如下所示,其中图4~图6和图9为PMSM侧,图7~8为qZSI侧。
图6 电机转矩
由图4可以看出,电机0s时从静止开始,在负载转矩8N•m的情况下,分别在0.04s、0.23s和0.43s达到给定转速进入稳态。由图5和图6可以看出当给定转速突然改变时,d、q轴电流会产生较大变化,其中id变化范围为-4.5~-7A,iq变化范围为8~10A。
由图7和图8可以看出,在0.2s前电机转速在800r/min以内时,直流环节参考电压小于200V,此时qZSI不升压,直流环节电压维持在电源电压200V。0.2s后,随着转速的提升,电机运行时所需的电压随之升高并超过200V,此时常规控制方法通过d、q轴电流与电机转速计算得到所需的直流环节电压随之升高。图5的结论指出,电机转速或转矩改变时伴随着电流的改变,因此常规控制方法中,如图7(a)所示的参考电压产生了较大的超调,导致图8(a)中直流环节电压随之产生较大超调与波动。而本文所提出的线性控制方法中,如图7(b)所示的直流环节参考电压由转速直接决定,避免了电流波动对参考电压的影响。因此如图8(b)中所示的直流环节电压仅由较小波动。
图9 转速局部放大图
通过上述结论,结合图9中的电机转速波形可以发现,因线性控制方法直流环节电压超调小稳定快,电机转速控制也较常规控制方法具有更快的响应速度。
5 结论
本文分析了qZSI的升压原理与可调直流环节电压控制方法,提出了一种基于电机数学模型的直流环节电压线性控制策略。该方法避免了常规控制方法中电流波动对直流环节电压产生的影响,以及转速响应速度慢的问题。通过MATLAB/Simulink仿真对两种控制方法分别建模仿真,验证了直流环节电压线性控制方法较常规控制方法能有效减小直流环节的电压超调,降低电压波动,提高电压和转速的响应与稳定速度。另外,该控制方法仅依靠电机转速即可实现直流环节电压线性控制,简化控制器设计过程并降低了系统运算量。
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作者简介:
常旭晨(1993-),男,江苏省徐州市,大连交通大学,硕士研究生在读,研究方向:电力电子与电力传动。
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