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无位置传感器永磁l 一步电机拎制系统的设计中文摘要 无位置传感器永磁同步电机控制系统的设计 中文摘要 近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的 快速发展，永磁同步电机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，p m s m ) 得到了迅速 推广和应用。p m s m 体积小、损耗低、效率高，在节约能源和坏境保护同益受到重 视的今天，对它的研究显得更为迫切。为了更好地实现对p m s m 调速系统的控制， 获取转子位置和速度信号变得至关重要。传统的p m s m 都是通过在转子轴上安装位 置传感器( 如霍尔传感器) 来获取这些信号的，但这样增加了系统成本，降低了系统 的可靠性和耐用性。因此，如何在不安装位置传感器的情况下实现对p m s m 调速系 统的控制成为了研究重点。 本文以无位置传感器p m s m 及其控制系统为研究对象，研究并设计了基于滑模 变结构控制方式的p m s m 矢量控制调速系统。在分析p m s m 工作原理与特性的基础 上，构建了p m s m 的数学模型。通过详细研究空间矢量脉宽调s o ( s p a c ev e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，s v p w m ) 技术、波形的产生机制以及滑模变结构控制方法的特点， 提出了一种将滑模变结构原理应用于无位置传感器p m s m 矢量控制系统的设计方 法。该方法可测量电机的电流、电压等物理量，通过滑模变结构估算转子位置，提取 转子的位置和速度信息。 本文介绍了s t m 3 2 f 1 0 3 芯片的基本结构和性能，并给出了使用该芯片作为主控 芯片的p m s m 调速系统的软硬件设计。理论分析和仿真结果表明，该设计具有较强 的鲁棒性和较高的控制精度。 关键词：永磁同步电机；无位置传感器；滑模变结构；矢量控制；空间矢量脉宽 调制 作者：钱莉 指导老师：曲波 a b s t r u tc o n t r o ls y s t e md e s i g nf o rp o s i t i o ns e n s o r l e s sp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r c o n t r o l s y s t e md e s i g nf o r p o s i t i o ns e n s o r l e s s p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fp o w e re l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , n e wm o t o rc o n t r o lt h e o r ya n dr a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t i c m a t e r i a l s ，t h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) h a sg o tr a p i dp o p u l a r i z a t i o n a n da p p l i c a t i o n p m s mi so fs m a l ls i z e ，l o wd i s s i p a t i o na n dh i g he f f i c i e n c y , a se n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni s v a l u e dt o d a y , t h er e s e a r c ht oi t a p p e a rm o r e n e c e s s a r y i no r d e rt or e a l i z et h ec o n t r o lo fs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o o b t a i nt h er o t o rp o s i t i o n sa n ds p e e ds i g n a l s t h et r a d i t i o n a lp m s mi n s t a l l e dp o s i t i o n s e n s o r s ( s u c ha sh a l ls e n s o r s ) o nt h r o u g ht h er o t o rs h a f tt oo b t a i nt h er o t o rp o s i t i o n sa n d s p e e ds i g n a l s ，b u tt h e s es e n s o r si n c r e a s e dt h es y s t e mc o s t ，r e d u c e dt h es y s t e mr e l i a b i l i t y a n dd u r a b i l i t y t h e r e f o r e ，h o wt or e a l i z et h ec o n t r o lo fs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mw i t h o u t i n s t a l l i n gp o s i t i o ns e n s o r sb e c a m et h ef o c u s t h er e s e a r c ho b je c t so ft h i sp a p e ra r ep o s i t i o ns e n s o d e s sp m s ma n di t sc o n t r o l s y s t e m t h ep a p e rr e s e a r c h e sa n dd e s i g n st h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sb a s e do n s l i d i n gm o d e v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lm o d e o nt h ea n a l y s i so ft h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c so fp m s m ，i t sm a t h e m a t i c a lm o d e li sc o n s t r u c t e d t h r o u g hd e t a i l e dr e s e a r c h o ft h et e c h n o l o g ya n dw a v e f o r mg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo fs p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( s v p w m ) a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l m e t h o d ，ad e s i g nm e t h o di sp u tf o r w a r dw h i c ha p p l i e ss l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r e p r i n c i p l ei nv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fp o s i t i o ns e n s o r l e s sp m s m t h i sm e t h o d c a l lm e a s u r e m o t o rc u r r e n t ，v o l t a g e ，e t c ，u s et h es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r et oe s t i m a t er o t o r p o s i t i o n ，e x t r a c tp o s i t i o na n dv e l o c i t yi n f o r m a t i o no f t h er o t o r t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fs t m 3 2 f 1 0 3c h i p ，a n d g i v e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mw h i c hu s et h ec h i pa s i i c o n t r o ls y s t e md e s i g nf o rp o s i t i o ns e n s o r l e s sp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r a b s t r a c t t h em a i nc o n t r o lc h i p t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g nh a s s t r o n g e rr o b u s t n e s sa n dh i g hc o n t r o lp r e c i s i o n k e y w o r d s ：p m s m ；p o s i t i o ns e n s o r l e s s ；s l i d i n gm o d e v a r i a b l es t r u c t u r e ；v e c t o r c o n t r o l ；s v p w m 1 1 1 w r i t t e nb y ：q i a nl i s u p e r v i s e db y ：q ub o 无位置传感器水磁i 司步哇三机控制系统的设计 第一审绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 现代社会中，电机作为机电能量转换装置广泛应用于国民经济的各个领域及环 节。随着电力电子技术的发展，各种类型的电机应运而生，以适应各个时期，各个领 域的应用。长期以来，直流电机因其良好的转矩控制性能而在电机调速领域获得了广 泛应用【i 】。而交流电机的转矩与磁场是复杂耦合的，不能简单地实现解耦控制，因此 交流电机的解耦控制一直是电机调速领域的难题1 2 j 。后来随着电力电子技术、微电子 技术、传感器技术与电机控制理论特别是矢量控制理论的发展，交流电机控制技术有 了长足的进步，使得实现精度高、响应快的交流电机驱动系统成为可能【3 】。 交流电机按品种可分为异步电机和同步电机两大类。异步电机结构简单、制造方 便、价格便宜、运行可靠，但其功率因数低；相比之下，同步电机具有转矩大、效率 和精度高、功率因数高等优点。同步电机在稳态运行时，其转子以定子旋转磁场的转 速同步旋转，只要电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒定且与负载的大小无 关。近年来，随着材料磁性能的提高、永磁材料价格的下降，以及新型永磁材料的出 现，p m s m 引起了研究与开发热潮。p m s m 在中小功率、高精度、高可靠性、宽调 速范围的控制系统中的良好性能，使其应用领域逐步推广卜5 1 。 在电机控制系统中，为了实现快速调速和转速的稳定，速度闭环是必不可少的， 而速度闭环的实施需要得知实时的电机转速。传统的p m s m 都是通过在转子轴上安 装位置传感器来获取转子位置和速度信号的，而位置传感器的安装带来了系统成本增 加、体积增大、受工作环境影响、可靠性降低等缺陷。因而在一些只需电机低速运行 或对控制精度要求不是很高的场合，成本合理、性能良好的无位置传感器p m s m 控 制系统得到了广泛的应用。 文献6 、7 、8 介绍了以d s p 芯片为核心控制芯片建立的无位置传感器p m s m 控 制系统，其良好的信号处理能力能很好地满足控制系统对处理芯片的性能要求。但相 比d s p 芯片，s t 公司推出的s t m 3 2 系列芯片具有高速的处理内核，且价格更低廉， 非常符合工业生产的需要。f a i r c h i l d 公司新丌发和设计的f s b s 3 c h 6 0 是一种先进的 1 第一章绪论无位置传感器永磁叫步i 乜机控制系统的设计 智能功率模块( s m a r tp o w e rm o d u l e ，s p m ) ，用以提供紧凑及高脾i - - 士厶匕f j b 的交流电机驱 动。本文即研究并设计了基于s t m 3 2 的无位置传感器p m s m 控制系统。 1 2 无位置传感器p m s m 控制系统 1 2 1 无位置传感器p m s m 概述 p m s m 是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机【9 10 1 ，其定子在通入三相交流电 后产生旋转磁场，转子由永磁材料制成。p m s m 没有直流电机的机械换向器和电刷， 也不像异步电机那样需要无功励磁电流，因而p m s m 定子电流和定子电阻损耗小， 功率因数高，且控制性能好。 p m s m 的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波 和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种 为正弦波；另一种为方波。一般把正弦波永磁同步电机称为j 下弦型永磁同步电机，而 将方波永磁同步电机称为方波型永磁同步电机，由于后者在原理与控制方式上基本与 直流电动机系统类似，所以又称之为无刷直流电机( b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ， b l d c m ) 。通常所指的p m s m 为j 下弦型永磁同步电机。b l d c m 控制简单、成本低、 检测装置简单，但相应地转矩脉动较大、铁心附加损耗大，从而限制了其构成的控制 系统在高精度、高性能要求的驱动场合的应用。而p m s m 在低速和直接驱动场合具 有更为优越的性能，加上永磁材料技术及控制技术等的飞速发展，p m s m 的性价比 得到了进一步提高，使得p m s m 控制技术逐步成为现代电机驱动系统的主流技术。 转子的结构和永磁体的安装方法对p m s m 的性能影响很大【8 】。图1 1 显示了 p m s m 的三种基本结构： a ) 表面贴式b ) 插入式c ) 内嵌式 图1 1p m s m 不同的转子结构 2 无位置传感器水磁i 司步 乜机控制系统的设汁第一章绪论 如图1 1 a 所示的表面贴式p m s m 转动惯量小，其中的永磁体易于实现优化设计， 能使电机气隙磁密波趋近正弦分布，进而提高电机的运行性能。这种转子结构可能是 最简单、最便宜的一种结构，应用较多，本文即使用此结构电机。图1 1 b 所示的插 入式转子结构能充分利用转子磁路不对称性所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密 度，使电机的动态性能较表面贴式有所改善，但漏磁系数和制造成本都比表面贴式大。 图1 1 c 所示的内嵌式电机结构复杂、昂贵，但相对于表面贴式电机会产生更大的转 矩。且因为永磁体嵌入转子中，永磁体去磁的危险性减小，电机还可运行于更高的旋 转速度而无需顾虑转子中永磁体是否会遭受离心力破坏。但转子漏磁系数更大，这种 结构的p m s m 多应用于动态性能要求较高的交流调速系统中。 无位置传感器p m s m 是在电机转子和机座上不安装位置传感器的情况下，利用 检测到的电机电压、电流和数学模型估算出转子位置和转速，即用电气特性来反映其 机械运动特性。它不改造电机，省去了昂贵的机械传感器，降低了维护费用，并且不 怕粉尘与潮湿环境影响，而且从根本上避免了由于加装机械传感器而引起的电机轴抖 动、机械惯量增加等硬件传感器不可避免的缺点。无位置传感器p m s m 控制系统与 传统的装有位置传感器的p m s m 控制系统的不同之处仅仅在于获取转子位置和转速 信息的方法不同。 1 2 2 无位置传感器p m s m 控制方法 针对交流电机本身的控制方法有很多，如：转速丌环恒压频比控制、转差频率控 制、矢量控制、解耦控制、直接转矩控制等。转速开环恒压频比控制( u f = 常数控 制) 结构简单、成本较低，但系统动态性能不高，其控制曲线会随着负载的变化而变 化，转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在 而使性能下降，稳定性变差等。直接转矩控制把转矩直接作为被控量来控制，在本质 上并不需要转速信息，参数变化鲁棒性良好，能方便地实现无位置传感器控制l l 。但 由于其开关速度较慢，所研究对象电机的电感又很小，故在电机低速时电流和转矩的 脉动十分明显，因而限制了其控制系统的调速范围。转子磁场定向的矢量控制，也称 磁场定向控制( f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，f o c ) 。矢量控制与直接转矩控制不同，其 基本点是控制转子磁链，以实现转子磁通定向，然后将定子电流分解为分别在转矩和 3 第一章绪论无位置传感器水磁问步电机控制系统的设计 磁场两个方向上的两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制【l 】。 无位置传感器p m s m 控制系统是一个多变量、强耦合的非线性控制系统，因此 需要应用矢量控制来实现磁链与转矩的解耦。但矢量控制系统在运行过程中常因机械 传动机构而带来如间隙、机械磨擦、变形、振动等非线性问题，负载又经常大范围地 变化。因此，要得到高性能的交流电机矢量控制系统就必须结合现代控制理论和先进 控制策略使系统具有强鲁棒性，以克服参数变化、负载变化及非线性因素对系统性能 的影响。 基于无位置传感器的p m s m 调速系统实现的关键问题是如何获取转子的转速和 位置信息。目前已经提出的转速和位置在线估计算法有：模型参考自适应系统估计算 法【1 2 】、人工神经网络估计算法【1 3 1 4 】、卡尔曼滤波估计算法【1 5 】、各种观测器估计算法、 电流谐波的估计算法【l6 】等。在对控制系统性能要求越来越高的今天，以上各种估算算 法都有很好的发展、应用空间。其中观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一 个系统，利用原系统中可直接测量的变量如输出量和输入量作为它的输入信号，并使 其输出信号x ( t ) 在一定的条件下等价于原系统的状态x ( t ) 。通常称x ( t ) 为x ( t ) 的重 构状态或估计状态，而称这个用以实现状态重构的系统为观测器。这种方法具有稳定 性好、鲁棒性强、适用面广的特点。滑模观测器( s l i d i n gm o d eo b s e r v e r ，s m o ) 估 算方法是一种具有强鲁棒性的控制方法，其对系统数学模型的精度要求不高，且具有 响应速度快、对参数变化及外部扰动不敏感、无需系统在线辨识、实现简单、易于计 算机实现等优点，非常适合用于交流电机矢量控制系统中转子转速和位置的估算【 】。 本课题的无位置传感器p m s m 控制系统即采用矢量控制与s m o 相结合的控制方 式来实现。 1 3 本课题研究的主要工作 本课题研究并设计了基于s t m 3 2 芯片的无位置传感器p m s m 矢量控制系统，在 矢量控制的前提下采用速度和电流双闭环控制算法，采用s m o 算法来估算转子的转 速和位置。设计了相应的硬件电路，该电路以s t m 3 2 f 1 0 3 r b t 6 芯片作为控制器的核 心，以f s b s 3 c h 6 0 作为逆变驱动芯片。同时设计了系统的软件，最后进行了实验验 证。 4 无位置传感器永磁i 司步电机控制系统的设计 第一章绪论 本文主要内容如下： 1 、第一章简述了本课题的研究背景以及意义，介绍了无位置传感器p m s m 的 控制方法，简要说明了本课题研究的主要工作。 2 、第二章主要阐述了本课题所采用的矢量控制的原理及特点，介绍了用以实 现坐标变换的c l a r k e 变换和p a r k 变换，推导了p m s m 的数学模型，得到了p m s m 矢量控制系统的实现方式，介绍了p i 控制和s v p w m 控制的相关原理。简述了滑模 变结构控制的原理，并设计了本课题所使用的s m o 。 3 、第三章给出了基于s t m 3 2 的无位置传感器p m s m 控制系统的硬件实现， 并详细介绍了各个模块的硬件构成。 4 、第四章介绍了基于s t m 3 2 的无位置传感器p m s m 控制系统的软件实现， 并给出了各个软件模块的实现过程。 5 、第五章给出了实验结果，对全文进行了总结，并对下一步工作进行了展望。 第- 二章p m s m 控制系统无位置传感器水磁同步i 乜机控制系统的没计 2 1 矢量控制概述 第二章p m s m 控制系统 上世纪7 0 年代，德国西门子工程师e b l a s c h k e 首先提出异步电机矢量控制理论 以解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电机 定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电机的励磁电流和转矩电流进行控制， 从而达到控制异步电机转矩的目的。时隔不久，矢量控制思想被移植到了同步电机中。 相比异步电机，p m s m 的转子是由永久磁钢励磁的，电机磁场基本恒定，因此对其 进行矢量控制无需观测转子磁通，故磁场定向矢量控制技术同样适合应用于p m s m 控制系统中。 矢量控制理论能很好地解决交流电机转矩的高性能控制问题，使交流电机的转矩 控制，在原理及特性上都与直流电机相似。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，而 具体实施则依靠对定子电流的控制。由于定子的电压、电流、电动势、磁动势等都是 交流量，其空间矢量以电机转速同步旋转，因此对其进行控制、调节和计算都不是很 方便。最好能将它们从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，这样以同步旋转坐标系为 参考，电机的各个空间矢量就都变成了静止矢量，即同步坐标系上的直流量。而实现 这些就需要借助坐标变换，再根据转矩公式，找到转矩和被控矢量的各个分量之间的 关系，实时的计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值，即直流给定量。通过 这些给定量进行实时控制，就可以达到相当于直流电机的控制性能。但是这些直流给 定量在物理上是虚构的，不存在的，因此需要经过坐标的逆变换过程把上述的直流给 定量变换成实际的交流给定量，从旋转坐标系回到静止坐标系。然后在三相定子坐标 系上对交流量进行控制，实现电机矢量控制的全过程【2 j 。 2 2 坐标变换 将参考坐标系由静止的三相坐标系变换到同步旋转的坐标系上是矢量控制技术 的基础。为了对三相系统进行简化，就必须对电机的参考坐标系进行变换，这就叫做 6 无位置传感器永磁川步i 乜机控制系统的设计第二章p m s m 控制系统 坐标变换。 通常，把三相交流坐标向两相交流坐标的转换称为c l a r k e 变换，或称3 2 变换； 两相交流坐标向三相交流坐标的转换称为c l a r k e 逆变换，或称2 3 变换；而把两相交 流坐标向旋转的两相直流坐标的转换称为p a r k 变换，或称交直变换：旋转的两相直 流坐标向两相交流坐标的转换称为p a r k 逆变换，或称直交变换【1 8 l 。 2 2 1 c l a r k e 变换 c l a r k e 变换的思想就是将静止三相交流坐标系描述的定子电流，在静止两相正交 坐标系中表示出来，如图2 1 所示： 菇 一旷万b 1 了 l i a 0 d 。 ( 0 f 图2 - 1 定子电流( i - ，i b ，i c ) 一( i 。，i 口) c l a r k e 变换图 三相定子电流矢量在静态三相交流坐标系中的关系为： i s = i - + e j 2 们h + e j 枷i c 且h + i b + l 。= o 由( 2 1 ) 和( 2 2 ) 化简得： i 。2 争+ j ( 去i - + 万2 i b ) ) f i 证= l 即卜去l + 去i n 其中：i 。定子电流综合矢量： i a ，l b i 。相位互差1 2 0 0 的三相定子电流： 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第一二章p m s m 控制系统无位置传感器水磁l r d 步哇三机控制系统的设计 i a ，i p 相互垂直的两相交流电流。 则瞬时输入和输出变量定义如下： f i = i 。xs i n ( o ) t ) i 。= i 。xs i n ( c o t + 2 n 3 ) l i 。= i 。s i n ( c o t - 2 r d 3 ) 阻= i 。x s i n ( ( j o t ) l i ，= i sx s i n ( o ) t + x 2 ) 2 2 2 p a r k 变换 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 在经c l a r k e 变换的坐标系下，转矩仍然与转子磁通位置有关，因此很难得到简 单的电气微分方程。为了方便控制和计算，把静态两相交流坐标系c 【p 投影到正交两 相直流坐标系dq 中，dq 坐标系以转子相同转速旋转，且d 轴与转子磁通位置相同， 则转矩表达式仅与转子位置0 有关，定子上的各物理量就可等效到直轴和交轴上去， 变成了常数。这样就实现了它们之间完全解耦，达到消除相关性的目的。如图2 2 所 示： 沙 1 一。 图2 - 2 ( i 。，i b ) 一( i 。，i 。) p a r k 变换图 相应的变换方程为： ! d = 岭妁制 咖o ( 2 - 7 ) i i 。= 一1 4 j s i n o + i p i c o s o 其中：i 。，i q 相互垂直的两相直流电流， 8 无位置传感器水磁i 川步 乜机控制系统的设汁第二章p m s m 控制系统 则瞬时输入和输出变量定义如下： f i 。= c o s o + i 。x s i n o 【i 。一kx s i n o + i - i x c o s o p a r k 反变换是p a r k 变换的反向过程，如图2 3 所示： i 图2 - 3 ( i 。，i 。) _ ( i 。，i b ) p a r k 反变换图 限i - i 。x c o s o - i 。s i n o 。= i 。s i n o + i 。x c o s o 则瞬时输入和输出变量定义如下： fi 。i = i 。x c o s o i 。x s i n o = i 。s i n o + i 。x c o s o 2 3 矢量控制实现方式 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 矢量控制的实质是为了改善转矩控制的性能，具体是通过控制定子电流实现的。 对于p m s m 矢量控制系统，用dq 转子同步旋转坐标系来描述和分析它们的稳态和动 态性能都十分方便，电流的直轴分量i 。和交轴分量i 。各行其职。因此在转矩控制分析 中，通常都采用dq 转子同步旋转坐标系【1 9 1 。 假设：驱动开关管为理想元件；电机的电流为对称的三相j 下弦波，忽略气隙中的 高次谐波；忽略电机的磁路饱和、涡流和磁滞损耗；磁路是线性的，可以用叠加原理 进行分析；不考虑频率和温度变化对绕组的影响；忽略齿槽和电枢反应等影响。根据 电机统一理论可以得到p m s m 在dq 坐标系下的定子电压方程： 9 第一二章p m s m 控制系统无位置传感器水磁司步i 乜机控制系统的设计 iu 。= r a 。t l - 。百d i d w r q 。 l u 。= 刚。+ l q 百d i q + w 肌 转矩方程： 3气 t c - = - p 。( q d i q 。9 q i d ) 。丢p 。【9 p m i q + ( l d l q ) i d i q 】 其中：p 。极对数； r 定子电阻； w ，转子电角速度； ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) q d ，9 。定子磁链在d ，q 轴的分量； 叩，m 永磁磁极与定子绕组交链的最大磁链； l d ，l 。三相p m s md ，q 轴的主电感。 p m s m 的转子材料为永磁体，其产生的磁链幅值基本恒定不变，所以可以采用 转子磁链定向的方式来实现p m s m 的高性能控制。 p m s m 的矢量控带u j h - 式主要有i d = 0 控制，c o s q ) = 1 控制，恒磁链控制，最大转矩 电流控制，最大输出功率控制等。其中i 。= o 控制是一种最简单的电流控制方法，该 方法因电枢反应没有电磁的直轴分量而不会产生去磁效应，不会出现永磁电机退磁而 使电机性能变坏的现象，能保证电机的电磁转矩和定子电流成正比。本课题即采用 i d = 0 控制方法。 采用i 。= 0 控制方法，则定子电流只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与转子 永磁体产生的磁场空间矢量正交，定子电压方程可以改写为： f u d = - w ，l q i q i u q ：吼百d i q 哪州 q 。1 3 转矩方程则可以改写为： t e ：p 。p p m i q 1 0 ( 2 1 4 ) 无位置传感器水磁问步 l l 杉l 控制系统的没计第_ 二章p m s m 控制系统 由上述分析可以得到，只要能够很好地控制定子电流直轴分量i 。= 0 ，则转矩t 的 值就与转子磁链( p ，m 及定子电流的转矩分量i 。成j 下比，且i p 刚和i 。相互解耦，这样 p m s m 矢量控制系统就获得了与直流电机调速系统相同的性能【1 9 】。 i d = o 控制方法相对于其他控制方法而言简单易行，而且对表面贴式p m s m 来说 也就是定子电流最小控制，具有良好的运行特性，因此使得电机的调速更容易实现。 三相无位置传感器p m s m 调速系统的矢量控制框图如图2 4 所示： 图2 4 无位置传感器永磁同步电动机采t ji d = o 矢量控制的框图 由图2 - 4 可知，无位置传感器p m s m 矢量控制系统的实现过程如下：采集电机 定子两相电流i b 和i 。，通过c l a r k e 变换得到i 。和i p ，经过p a r k 变换后得到i d 和i q ； 接着将电机的给定转速w 与电机实际转速w 相比较，经过速度p i 调节输出电流交轴 分量给定值i 。：然后给定电流直轴分量i 。= 0 ，把电流直轴、交轴分量分别与实际检测 值相比较，然后分别经过电流p i 调节，输出电压直轴、交轴分量u 。和u 。，再经过p a r k 反变换，得到伐b 坐标系下的电压值u 。和u 口；最后通过s v p w m 波输出逆变器的驱动 控制信号。 2 4 速度和电流p i 调节器设计 电机的调速系统通常都是给定一个转速，然后使电机的实际转速随着给定值进行 控制，最终使实际转速稳定在给定值。为使系统具有良好的调速性能，本课题构建了 1 1 第二章p m s m 控制系统 无位置传感器永磁步电机控制系统的设计 一个以电流环为内环，速度环为外环的双闭坏系统，设计了电流调节器和速度调节器。 电流调节器除了在启动和大范围加减速时起电流调节和限幅作用，还可以增强系 统的抗扰动能力。在启动和大范围加减速时，电流调节器可以使绕阻电流迅速达到并 稳定在其最大值上，从而实现快速加减速和电流限流作用。且由于电流的时间常数较 小，电流调节器可以很快稳定受扰动的电流，不会对速度产生大的影响。因此可以在 很大程度上改善系统的快速性和稳定性。 速度调节器的作用是使给定速度与实际速度之差按设定规律进行运算，并根据运 算结果对电机进行调速控制。但因为速度时间常数较大，所以系统的响应较慢。 在电机的闭环控制中电流调节器和速度调节器采用p i 控制2 0 1 ，就是比例积分控 制，即 u ( t ) = k p e ( t ) + k ife ( t 灿 ( 2 15 ) 其中：u ( t 卜输出量； e ( t 卜给定量与反馈量的偏差； k 。比例系数； k ；积分系数。 比例调节的作用是在偏差产生的瞬间作出快速反应。一旦偏差产生，控制器立即 开始控制，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数k 。的 大小，k p 越大，控制越强，但过大会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。积分调节 的作用是消除静态误差，但同时它会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。 2 5s v p w m 控制 2 5 1s v p w m 的提出 作为将直流电源转换为交流电源的一种重要方法，脉宽调制( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，p w m ) 在交流电机电源控制中应用广泛。p w m 是利用半导体开关器件 的导通与关断把直流电压变成脉冲序列，并通过控制脉冲宽度来达到调节控制电压、 电流、频率以及谐波的目的。p w m 信号是一个周期固定而宽度变化的脉冲序列。即 1 2 无位置传感器永磁i 刊步电机控制系统的设汁 第二章p m s m 控制系统 每个周期有一个脉冲，这个固定周期称为p w m 周期，其倒数称为p w m 频率。p w m 脉冲的宽度由调制信号决定。 常用的脉宽调制方法有两种：正弦脉宽调ss ( s i n u s o i d a lp w m ，s p w m ) 和空间矢 量脉宽调制( s p a c ev e c t o rp w m ，s v p w m ) 2 1 2 4 1 。传统的s p w m 方法从电源的角 度出发，可使逆变器的输出电压尽量接近正弦波，但电流波形会受到负载电路参数 的影响。而交流电机需要在电机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩， 这也是输入三相对称正弦电压的最终目的。s v p w m 控制技术根据空间电压矢量的定 义，以三相波形整体生成效果为前提，将逆变器和交流电机视为整体，通过逆变器 不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近理想圆磁通，再根据结果决定逆变器的开关 顺序，从而得到所需要的s v p w m 波形【1 7 】。 当电机由三相对称币弦电压供电时，电机定子磁链空间矢量恒速旋转，其幅值恒 定，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形( 一般简称为磁链圆) 。这样定子磁链旋转矢量 可用下式表示： 甲。= q m e w 1 ( 2 1 6 ) 定子电压方程为： u 。_ r s i 。+ 昙甲。 ( 2 加) 其中：q m 磁链甲。的幅值； w 。磁链t 。的旋转角速度； u 。定子电压综合矢量。 当电机转速较快时，r 。i 。大小可以忽略，则有： u 。i d ( e j w t ) = j w , ( | o m e j w t - - - - - - w 畸) ( 2 - 1 8 ) 公式( 2 1 8 ) 表明，当磁链幅值一定时，u 。的大小与w 。( 或供电电压频率) 成 i f 比，其方向则与磁链矢量方向正交，即在磁链圆的切线方向，如图2 5 所示： 第二章p m s m 控制系统无位置传感器永磁旧步f 乜机控制系统的设计 图2 - 5 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹 当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2 兀 弧度，其轨迹与磁链圆重合。即s v p w m 能够使实际磁通更好的逼近基准圆磁通， 使电机获得更好的性能。 这样，电机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题，这也 是s v p w m 的不同之处，其他p w m 方式是基于时域面积等效的，而s v p w m 是基 于空间旋转矢量等效的，因此s v p w m 往往被看成特殊的p w m 方式。文献2 5 、2 6 、 2 7 详细分析了常规p w m 和s v p w m 之间的联系，在一定的条件下两者可以相互等 效。 本课题考虑到系统要求加减速性能好，响应速度快的特点，并参考大量文献，采 用s v p w m 方法。相比于s p w m ，s v p w m 具有较高的直流电压利用率，而且能将 输出电流的谐波分量降到最低限度。 2 5 2s v p w m 原理 逆变桥输出的线电压矢量【u 曲u b cu a 】t 、相电压矢量【u 。u 。u 。】t 和开关变量矢 量【abc 】t 之间关系可以用下面的两个式子表示： 三三 = u d c 1 鼍； 三 c 2 - - 9 ， 褂扣e i 1 1 2 - i l e ! 协2 。， 1 4 无位置传感器水磁f r 0 步电机拧制系统的设计第一二章p m s m 控制系统 u 图2 - 6 三相电源功率桥连接图 开关变量矢量【abc 】t 有8 个不同的组合值( a ，b ，c 取0 或1 ，a 取l 表示上开 关导通而下开关断开，b ，c 同理) ，即逆变桥上半部分的3 个功率晶体管的开关状态 有8 种不同的组合，故其输出的相电压和线电压也有8 种对应的组合。具体对应关系 如表2 1 所示： 表2 - 1 开关变量矢量【ab c 】t 与输出的相电压和线电压的幅值对应关系 c b a u 。 u b u 。u 曲 u b cu 。 0o0o0o00o 00l 2u d c 3 - u d c 3u d c 3 u d c o - u d c ol 0 - u d c 3 2 u d c 3- u d c 3u d cu d c 0 0ll u d c 3u d c 3- 2 u d c 3 o u d cu d c lo0 u d c 3u d c 3 2u d c 3o u d cu d c l01 u d c 32 u d c 3u d c 3 u d c- u d c 0 ll0- 2 u d c 3 u d c 3 u d h c 3 - u d c 0 u d c 11 1oo o 0oo 由c l a r k e 变换可知u 。，u 口为电压矢量u 的a p 轴分量，则在a p 坐标系中： i w a = w 。 l u p = ( u 。+ 2 u b ) 4 5 1 5 ( 2 2 1 ) 第二章p m s m 控制系统无位置传感器水磁步电机控制系统的设计 ( 2 2 2 ) 因为功率晶体管的丌关状态的组合只有8 个，所以对应于开关变量矢量【abc 】t ， u 。叭在0 【d 坐标系中的分量u n ，u b 也只有有限种组合，他们的对应关系如表2 2 所示， 每个基本空间矢量与相应的功率晶体管的开关组合( c ，b ，a ) 相对应，如表2 2 中最后一 列所示。例如，( c ，b ，a ) = 0 1 1 表示此时的空间矢量为u 。由功率晶体管的开关组合决 定的8 个基本的空间矢量如图2 7 所示： 表2 - 2 开关变餐欠量与电压欠量u 。的仅p 轴分量、空间矢量的关系表 cba u 。 u p 空间矢量 000oo o o o01 2 u d c 3 0 u o ol0 - u d c 3u 睨哺u 1 2 0 011 u d c 3u | 小u 砷 l0o u d c 3 u 。cm u 2 钟 l01 u d c 3 u 嘶 u 瑚 l10- 2 u d c 3o u i 舯 1lloo o i l l 1 6 一2一22 笪212历一2。一2压一2 1 o 2 3 = 1j n p 口 u u 无位置传感器永磁i 司步i 【i 机控制系统的设计 第一二章p m s m 挡制系统 u l “1 1 0 u 2 4 0 ( 1 0 0 )u 3 0 0 ( 1 0 1 ) o ( o o , 0 【 图2 - 7基本的空i 司矢量与对应的( c ，b ，a ) 不意图 在8 个基本空间矢量中( o o 、u o 、u 1 2 0 、u 、u 2 柏、u 3 、u 啪和o ) ，0 0 和。川是零矢量，因为对应于o 。和o 开关模式，定子三相被短接，绕组电压为零。 其余6 个非零矢量之间依次相差6 0 。相位移。如果a ，b ，c 中每次仅仅改变一个开关 的运行状态，则相应的电压矢量空间移动6 0 。 电压矢量u 。叭、其0 【p 轴分量u 。和u 口及基本空间矢量u 。和u 硼的对应关系如图 2 8 所示： 队 u u 图2 - 8 u o u t 和u q 、u 口以及u o 、u 6 0 的对应关系图 图2 - 8 中，u 。表示u 。和u 加的仅轴分量之和，u p 表示u 。和u 6 0 的p 轴分量 之和，结合表2 - 2 可知电压矢量u 们n 的幅值都为2 u d c 3 ，故有如下的等式： 第二章p m s m 控制系统 无位置传感器永磁同步i 乜机控制系统的设计 u 。可以由u 。和u 砷两个矢量来表示： u o u l = u 。+ u 砷 协2 4 ， 【t = t i + t 3 + t o 在公式( 2 - 2 4 ) 中，i 和己分别是在周期时间t 中基本空间矢量u 。和u