Çift rotorlu Daimi Mıknatıslı Senkron Motor Kontrolünün Modellenmesi ve Simülasyonu
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TP273 Belge tanımlama kodu: Bir DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.172725
Zhou Wangping, Rui Zhenlei, Tian Yan.Çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motor kontrolünün modellenmesi ve simülasyonu.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (4): 134-137.
Zhou Wangping, Rui Zhenlei, Tian Yan.Çift rotorlu pemanent mıknatıslı senkron motor kontrolünün modellenmesi ve simülasyonu.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2018, 44 (4): 134-137.
Sualtı taşıtının seyri sırasında, duruşunu sabit tutmak için, çift pervaneyi döndürmek için genellikle iki geleneksel motor veya tek bir geleneksel motor ve karmaşık bir planet redüktör transmisyon sistemi kullanılır. İlki yüksek maliyetli iletim sistemine sahipken, ikincisi karmaşık bir yapıya sahiptir, arızaya meyillidir ve düşük mekanik iletim verimine sahiptir.
Rüzgar enerjisi üretiminde kalıcı mıknatıs motorları kullanılır, ancak rüzgar enerjisi üretimi büyük ölçüde hava koşullarından etkilenir ve rüzgar hızının voltaj kullanılmadan önce belirli bir aralığa ulaşması gerekir.Rüzgâr hızının elde ettiği voltaj, elektrik şebekesine entegre edilemeyecek kadar küçük veya çok yüksektir. Tasarlanan rüzgar türbini tarafından üretilen mevcut voltaj aralığı nispeten dardır.
Çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motor, yüksek güvenilirlik, yüksek stator çekirdeği kullanım oranı ve yüksek sistem çalışma verimliliğine sahip iç ve dış rotor ve orta stator yapısını benimser. Motorun kesit görünümü Şekil 1'de gösterilmektedir. Cayro etkisi, navigasyon sırasında kendiliğinden önlenebilir ve ters yönde dönen vidalı tahrik sistemini doğrudan çalıştırabilir. Rüzgar enerjisi üretimi alanında, kullanılabilir voltaj aralığı genişletilebilir. Çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motorun (DRPMSM) yukarıda belirtilen avantajları nedeniyle, uzmanlar ve akademisyenler tarafından giderek daha fazla ilgi görmüştür.
Çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motor, tipik bir doğrusal olmayan güçlü bağlantı sistemidir.Gerçek çalışma sırasında, girişim veya karmaşık değişiklikler nedeniyle kontrol doğruluğunu ve sistem kararlılığını etkileyecektir. Literatür, çift rotorlu motoru kontrol etmek için bulanık kontrol kullanır, ancak bulanık kontrol, bulanık kural seçimine duyarlıdır ve gerçek zamanlı performans garanti edilemez; literatürde tek nöron PID kontrol yöntemi kullanılmaktadır.Motor çalıştırma performansı optimize edilebilmesine rağmen, kontrolör kazancı kendini gerçekleştiremez. Ayarlama: Literatürde, kayan mod değişken yapısı, kalıcı mıknatıslı senkron motoru kontrol etmek için kullanılır, ancak kayma modu yörüngesi ters anahtarlama sırasında sürekli olamaz ve kontrol süreci karmaşıktır.
Yukarıdaki problemlere dayanarak, bu makale tek bir nöron bulanık PID kontrol yöntemi önerir, MATLAB ortamında bir sistem simülasyon modeli oluşturur ve geleneksel PID kontrolü ile tek nöron bulanık PID kontrolünün simülasyon sonuçlarını karşılaştırır.
1 Çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motorun matematiksel modeli
Çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motor yeni bir motor türüdür. Sıradan PMSM ile arasındaki fark, orijinal sabit statorun da dönebilmesidir, bu nedenle ikisi aynı elektromanyetik ilişkiye sahiptir.Motorun matematiksel modelini oluşturmadan önce, aşağıdaki idealleştirilmiş varsayımları yapın:
(1) Motorun her fazının sarım yapısı simetriktir;
(2) Motorun sinüzoidal bir geri EMF dalga biçimi vardır;
(3) Manyetik devre doygunluğunu göz ardı edin;
(4) Histerezis kaybını göz ardı edin.
Sıradan sabit mıknatıslı motora bakın, çift rotorlu motorun matematiksel modeli aşağıda gösterildiği gibi elde edilebilir:
2 Kontrolör prensibi ve sistem tasarımı
2.1 Tek nöron PID kontrolörünün prensibi
Tek nöron denetleyicisi, insan beyin nöronlarının yapısına ve özelliklerine dayanmaktadır ve modeli Şekil 2'de gösterilmektedir.
Şekil 2'de, r (k) verilen hız sinyalidir, n (k) gerçek geri bildirim sinyalidir, u (k) tek nöron PID denetleyicisinin çıkış değeridir, w1 (k), w2 (k), w3 (k) Sırasıyla x1 (k), x2 (k) ve x3 (k) 'ye karşılık gelen ağırlık katsayılarıdır. Verilen hız r (k) ile gerçek çıkış sinyali n (k) arasındaki hatayı kontrol sapması olarak kullanın:
Daha sonra, durum dönüştürücü aracılığıyla nöron öğrenimi ve kontrolü için gerekli olan x1, x2, x3 durum büyüklüklerine dönüştürülür, böylece:
Yukarıdaki öğrenme kuralı sistemini kullanmak, her bir girişin ağırlığını otomatik olarak ayarlayabilir. Bu kontrol stratejisinin bir çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motora uygulanması, kontrol sisteminin anti-parazit yeteneğini geliştirebilir, algoritmanın karmaşıklığını basitleştirebilir ve hız kontrol cihazının sorunsuz doygunluğunu gerçekleştirebilir. Bununla birlikte, nöron orantısal katsayısı K değerinin seçimi yapay olarak ayarlanır ve bir kez seçildikten sonra dinamik olarak ayarlanamaz.Seçmek çok zordur.Çok yüksek bir K değeri, sistemin çok fazla aşmasına ve sistem yanıt süresinin artmasına neden olur; çok düşük Daha sonra sistemin tepki hızı yavaşlar ve gerçek zamanlı performans garanti edilemez.
2.2 Tek nöron bulanık PID denetleyici tasarımı
Tek nöron PID kontrolünde nöron orantısal katsayısını seçmek zor olduğundan, bu makale bu temelde tek bir nöron bulanık PID denetleyicisi tasarlar ve şematik diyagramı Şekil 3'te gösterilir.
Tek nöron PID kontrolünün eksikliklerine dayanan bu makale, kontrolör kazancını ayarlamak için bulanık kontrol stratejisini kullanır Kontrol stratejisi Şekil 4'te gösterilmektedir.
Bulanık PID kontrol sisteminin performansı, bulanık kontrol kurallarının formülasyonuna bağlıdır.Vektör kontrol hız yanıt eğrisinin analizine dayalı olarak, bu makale bulanık kontrol kurallarını formüle etmektedir.
Bu makale, giriş ve çıkış değişkenlerini, yani {NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB} 'yi tanımlamak için 7 kelime seçer ve Şekil 5'te gösterildiği gibi, giriş / çıkış değişkenlerinin üyelik fonksiyonu olarak üçgen üyelik fonksiyonu eğrisini kullanır. Daha az hesaplama iş yükü ve yüksek hassasiyete sahiptir. Bulanık muhakeme Mamdani yöntemini kullanır ve bulanıklaştırma ağırlıklı ortalama yöntemini kullanır. Kontrol kuralı tablosu Tablo 1'de gösterilmektedir.
3 Simülasyon sonuçları ve analizi
Motor vektör kontrolü ve tek nöron bulanık PID kontrolünün iki simülasyon kontrol modeli MATLAB temel alınarak oluşturulmuştur.Motorun parametreleri aşağıdaki gibidir: motorun kutup çifti sayısı 4, nominal voltaj 220 V ve iç ve dış armatür direnci 1.4375 Kalıcı mıknatıs akı bağlantısı 0.175 Wb, viskoz sürtünme katsayısı 0 ve motor rotorunun dq ekseni eşdeğer endüktansı 4.25 × 10-3mH'dir. MATLAB / Simulink ayar arayüzünde, simülasyon modelinin başlangıç zamanını 0 sn, durma süresini 0,5 sn ve verilen ilk hız değerini 100 rad / sn olarak ayarlayın; 0,15 sn'de, iç ve dış rotorların verilen hızı ilk 100 rad / sn'dir. Atlama 150 rad / s olur; 0,25 s'de, dahili ve harici motor rotor torku 1 N · m'den 1,5 N · m'ye değişir. Bu simülasyona dayanarak, motorun çıkış özellikleri ve tepki hızı analiz edilir. Ve deneysel sonuçlar, bu sefer tasarlanan çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motorun matematiksel modelinin doğruluğunu ve ilgili kontrol algoritmasının kontrol etkisini doğrulayabilen geleneksel vektör kontrol yöntemiyle karşılaştırılır.
Şekil 6 ila 8, sırasıyla, geleneksel vektör kontrolü altında bir çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motorun iç ve dış rotor hızının, torkunun ve üç fazlı akımının yanıt eğrilerini göstermektedir. Simülasyon sonuçlarının dalga biçimi analizinden, geleneksel vektör kontrol yöntemi ile elde edilen iç ve dış motorların hız yanıt eğrisinin daha büyük bir aşma ve daha uzun bir salınım ayar sürecine sahip olduğu; motorun torku için, hız değiştiğinde , Tork açıkça değişir; üç fazlı akım için, motor önceden belirlenen hıza ulaştığında ve hız değiştiğinde, üç fazlı akım büyük ölçüde değişir ve motor nispeten uzun bir süre içinde ayarlanan değere ulaşabilir.
Şekil 9 - Şekil 11, tek nöron bulanık PID kontrol yöntemi kullanılarak elde edilen yanıt eğrileridir.Motor hızının kısa sürede 100 rad / s set değerine ulaştığı görülebilir.Motor sabit bir hıza ulaştığında ve bir süre devam ettiğinde , 0.15 s'de, iç ve dış rotor hızı 100 rad / s'den 150 rad / s'ye atlar. Şekil 9'dan, vektör kontrolü ile karşılaştırıldığında, ayarlanan hız değiştirildiğinde iç ve dış rotorların hızlarının verilen hıza hızla ulaştığı ve tepki hızının daha hızlı olduğu görülmektedir. Benzer şekilde, iç ve dış motorların tork yanıt eğrilerini görebilirsiniz.Kısa sürede iç ve dış rotor torkları belirli bir değere ulaşmıştır.Şekil 10'dan iç ve dış motorların elektromanyetik torkunun verilen 1 N · m değerinde kaldığı görülmektedir. An değişmez. Bir süre sonra. Ayarlanan hız 0.15 saniyede büyüdükçe, iç ve dış rotorların torku dalgalanır, ancak Şekil 10'dan torkun hızla sabit bir değere geri döndüğü görülebilir. Motorun üç fazlı akımı, belirli bir dahili ve harici rotor hızı ve torku ile nispeten hızlı bir hızda sabit bir değere ulaştığında, bir süre boyunca kararlı ve kararlı bir duruma ulaştıktan sonra, üç fazlı akım, hızın değişmesi nedeniyle dalgalanır. Ancak daha sonra, Şekil 11'de gösterildiği gibi hızla stabilize edildi. 0.25 s'de tork yapay olarak 1.5 N · m'ye değiştirilir.Şekil 10'dan motorun iç ve dış hızının tork değişiminden çok az etkilendiği, neredeyse hiç değişmediği görülmektedir.Şekil 10'da tork değiştiğinde, motorun tork cevabı Çok hızlı bir şekilde 1.5 N · m'ye ulaştı. Şekil 11, torktaki üç fazlı akımın dalga biçimi eğrisi değiştiğinde, hızlı tepki verebileceğini ve daha ideal bir kararlı duruma ulaşabileceğini göstermektedir.
Genel olarak, simülasyon sonuçları, bu makalede tasarlanan çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motor (DRPMSM) tek nöron bulanık PID kontrol sistemi simülasyon sonuçlarının çalışma sırasında sabit hız, tork ve üç fazlı akımı koruyabildiğini göstermektedir. , Tork belirli bir süre içinde değiştiğinde, kısa sürede de stabilize olabilir. Geleneksel vektör kontrol yöntemiyle karşılaştırıldığında, bu sefer tasarlanan kontrol sistemi daha hızlı tepki hızına sahiptir ve simülasyon sonuçları daha idealdir.
4. Sonuç
Bu makale, çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motorun (DRPMSM) çalışma prensibini analiz eder, motorun matematiksel bir modelini oluşturur, tek bir nöron bulanık PID kontrol sistemi oluşturur ve karşılaştırmalı bir simülasyon çalışması yürütür. Simülasyon sonuçları, hız ve tork değiştiğinde, beklenen deneysel sonuçlara ulaşmak için yanıt hızını çalıştırmak için tek nöron bulanık PID kontrol yönteminin kullanıldığını göstermektedir.Geleneksel vektör kontrol sistemi ile karşılaştırıldığında, daha iyi dinamik ve statik performansa sahiptir. Simülasyon sonuçlarının analizi sayesinde, çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motorun hızı, torku ve faz akımının özellikleri ve bunların karşılıklı etkileri hakkında derin bir anlayışa sahibiz. Aynı zamanda, test sonuçları, çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motorun (DRPMSM) yapısı ve kontrol stratejisinin daha ileri analizi ve tasarımı için bir referans sağlar. Tabii ki, bu makale motorun iç ve dış rotorları arasındaki karşılıklı etkileşimin ilgili analizini yapmamaktadır.Kontrol stratejisinin nasıl optimize edileceği ve kontrolörün performansının nasıl optimize edileceği daha fazla deneysel analiz gerektirir.Gelecekteki araştırmalarda, ana gövde yapısı ve motorun optimizasyon tasarımının Matematiksel modellerin iyileştirilmesi ve kontrol algoritmalarındaki yenilik, çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motorlar üzerindeki araştırmanın odak noktası olacaktır.
Referanslar
Meng Zhaohe. Sualtı araçları için çift rotorlu sabit mıknatıslı senkron motor kontrol cihazlarının araştırılması ve uygulanması Shenyang: Shenyang Teknoloji Üniversitesi, 2010.
Cui Zongze, Li Zijian, Xiang Qunjie ve diğerleri.Yeni bir çift rotorlu rüzgar enerjisi üretim sistemi tipi ve onun çift modlu güç kontrol stratejisi.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2014, 34 (36): 6499-6505.
Mo Lihong, Qi Li, Zhu Xiaoyong, et al.Stator sabit mıknatıslı çift rotorlu motorun tasarımı ve deneysel araştırması.Elektrik Mühendisliği Dergisi, 2014, 29 (9): 74-82.
Li Hongwei, Wang Hongcheng Sabit mıknatıslı senkron motor vektör kontrol sisteminin VisSim modellemesi ve simülasyonu Elektrik Makineleri ve Kontrol Dergisi, 2007, 11 (5): 533-537.
Zeng Zhezhao, He Ying, Zhang Chang, ve diğerleri.Doğrusal olmayan PID kendi kendine öğrenme kontrol yöntemi üzerine araştırma Bilgisayar Mühendisliği, 2014, 40 (10): 224-227.
Han Jianqun, Zheng Ping Kalıcı Mıknatıslı Senkron Çift Rotor / Çift Stator Motorun Dönme Hızının Bulanık Kontrolü Jilin Üniversitesi Dergisi (Engineering Science Edition), 2009, 39 (5): 1252-1256.
Wan Jianru, Zhang Haibo, Cao Caikai Tek nöron PID kontrolör sabit mıknatıslı senkron motor hız kontrol sistemi Güç Elektroniği Teknolojisi, 2005, 39 (1): 75-77.
Deng Yanyan, Lin Xumei. Sabit mıknatıslı senkron motorların kayma modu uyarlamalı kontrolü. Bilgisayar simülasyonu, 2015, 32 (2): 337-341.
Cao Jianghua, Yang Xiangyu, Xiao Rujing Çift rotorlu radyal sabit mıknatıslı motorların tasarımı ve sonlu eleman analizi Motorlar ve Kontrol Uygulamaları, 2010, 37 (1): 8-12.
Wu He, Wu Hantong, Fang Fei, et al. Alternatif heyecanlı ortogonal süspansiyon sargılarına sahip çift sargılı rulmansız akı anahtarlama makinesi için kontrol stratejisi üzerine araştırma. 2016 IEEE 8. Uluslararası Güç Elektroniği ve Hareket Kontrol Konferansı (IPEMC-ECCE Asya), Hefei, 2016: 821-826.
ZHANG X, GENG Y, ZHANG M. Kalıcı mıknatıslı senkron makinenin dijital vektör kontrol sürücüsünün araştırılması.2011 Uluslararası Kontrol, Otomasyon ve Sistem Mühendisliği Konferansı (CASE), Singapur, 2011: 1-4.
XU W, ZHU J, ZHANG Y, ve diğerleri Hibrit elektrikli araçlar için gelişmiş sürüş sisteminin karakterizasyonu. 2010 Uluslararası Elektrik Makineleri ve Sistemleri Konferansı (ICEMS), Incheon, 2010: 487-492.
WANG Y, CHENG M, DU Y, vd.Yüzeye monte topolojiye sahip çift statörlü kalıcı mıknatıslı fırçasız motorun vektör kontrolü.2010 Uluslararası Elektrik Makineleri ve Sistemleri Konferansı (ICEMS), Incheon, 2010: 855-858.
yazar bilgileri:
Zhou Wangping, Rui Zhenlei, Tian Yan
(Nanjing Bilgi Bilimi ve Teknolojisi Üniversitesi, Nanjing 210044, Jiangsu)
