（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的永磁同步电机伺服控制系统的研究与实现.pdf

r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f p er m a nen tm a gne t s y n c h r o n o u sm o t o rs e r v o c o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p ad i s s e n a t i o ns u b m i t t e dt 0 s o u t h e a s tu n i v e r s 蚵 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z l m g b i i l s u p e i s e db y p r o f e s s o r f e is h u m i n s c h o o lo f a u t o m a t i o n s o u t l l e a s tu 1 1 i v e r s i t ) ， m 哪h 2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：舛日期：圳 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名 ：出多 摘要 摘要 永磁同步电机伺服系统在工业、农业和航天等领域应用十分广泛，由于其作为一种 新型的交流伺服系统比直流电机伺服系统具有明显的优势，在很多场合已经取代了直流 电机成为伺服系统的主流。 本文针对永磁同步电机的空间矢量控制原理和技术进行了分析和研究，并且分析了永 磁同步电机的数学模型，并在m a t l a b s i m u l i l l l 【中建立了基于空间矢量脉宽调制的永磁同 步电机双闭环模型，验证了调制算法的优缺点。在此基础上，针对永磁同步电机模型高度 非线性化的特点，给出了一种滑模控制算法，并针对普通滑模控制所产生误差和抖振的缺 点，给出了改进的滑模控制算法，结合m a t l a b 自带的三相永磁同步电机模型进行了仿真， 结果表明了所给算法的有效性。针对矢量控制实现较为复杂的缺点，文章还重点分析了直 接转矩控制的控制方法，并给出了相关的仿真分析了控制效果。 此外，结合一台4 0 0 w 交流永磁同步电机，设计了其相关的控制器的硬件和软件。 硬件结构包括控制部分、接口部分和功率驱动部分。控制芯片采用n 公司的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片，该芯片专门针对电机控制领域的应用，其高性能的处理能力为 控制算法的实现提供了可能。软件系统部分使用c 语言进行编写，保证了软件的高效性 和较好的可维护性。文章中给出了主要模块及控制算法软件实现的流程图。 最后在设计伺服平台上进行了一系列的测试，结果表明该系统该方案设计具有良好 7 的动、静态特性，控制精度高，基本能够满足预期的目标。 关键词：永磁同步电机、s v p w m 、直接转矩控制、滑模、d s p a b s t r a c t a b s t r a c t p m s ms e r v os y s t e mi su s e d 诵d e l yi n 恤a r e ao fi n d u s 咄唧c u l t u r ea i l da e r o n a u t i c s ， 杜c hi sm u c hb e 地rt 1 1 趾d cm o t o rs e os y s t e m 嬲an e wt ) r p eo fa cs e r v os y s t e m ，a 1 1 d o nm a i l yo c c a s i o i l si tl l a sb e c o m et l l em a i ns 仃e 锄i np l a c eo f l ed cm o t o r n a i l a l y s i s e sa 1 1 dr e s e a r c h e st h ep r i n c i p l eo fs v p w m o fn l ep m s m ，锄da n a l y s i s e st h e m o d e lo fp m s m ，a i l de s t a b l i s h e st l ：l ep m s mm o d e l 协m a t l a b s i m u l i i l l 【t ot e s tt l l em e t l l o d o n t h i sb a l s i s ，a st h ec l l a r a c t e r i c so fl l i g l l l yn o i l l i n e a ro fp m s m ，锄i i n p r o v e ds l i d i n gm o d ec o n n o l a l g o r i t h mf o rt l l ee o r 锄dq m v e rb 删i t i o i l a ls l i d i i 培m o d ec o m r o la j g o r i t h mi sp r e s e n t e d 1 1 l ev 甜i d i t ) ro fm e a l g o r i m mi ss h o w nb yt h er e s u l to ft 1 1 es i m u l a t i o n s 丽m 仕i ep m s m m o d e l o f m a t l a b a sn l ed e f i e c to fc o n l p l e x i 哆o fp m s m ，也e p a p e ra n a l y s i s e st l l em e t l l o do fd t c ， m l dg i v e sm er e l e v a mc o n t r o ls i i i l u l a t i o nr e s u l t s f u n l l e m o r e ，l el l a r d w a r ea i l ds o f t w a r eo fc o n 昀1 1 e rf o rap m s mo f4 0 0 wa r ed e s i 盟e d t h eh a r d w a r ec o n t a i n st l l ec o n l l l i n gp a r t ，t h ei n t e r f a c ep a r ta n dt l l ep o w e rp a r t t h e c o n t r o l l i n gc h i pi st m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s pd e s i g n e db yt ic o i n p a n y t h ec 1 1 i pi sd e s i g n e df o r m o t o rc o n t r 0 1 l i r 玛s p e c i a l l 弘a r l dn sm g h p e r f o m a n c ep r o c e s s i n gp o w e rf o rt 1 1 ec o n t r o l a l g o r i t h mm a yb ep r o v i d e df o rt h er e a l i z a t i o n 1 1 1 es y s t e mo f s o f b a r ei sw r i t t e nb yc ，w k c h e n s u r et l l a tt l l es o f h a r ee 伍c i e n c ya n db e t t e rm a i 脓曲a b i l i 够t h ea n i c l eg i v e st l l em a i n s o r w a r e m o d u l e sa r l dc o 嘶o la l g o d t h mn o wc h 乏毗 f i m l l yas e r i e so ft e s t sa r et a k e n 证t h ed e s i g no fs e n ，op l a t f b 胁，t h er e s u l t ss h o w t h a tt h e d e s i g no ft h es y s t e mh 2 l sg o o dd y n 锄i ca i l dg 眦i cp r o p e r t i e s ，l l i g l lc o n t r o la c c 眦l c y ，a i l di ti s a b l et ob a s i c a l l ym e e t l ed e s i r e do b j e c t i v e s k e y 、v o r d s ：p m s m ，s v p w m ，d t c ，s l i d i n gm o d e ，d s p 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 目录 i i 第一章绪论l 1 1 弓i 言l 1 1 1 永磁同步电机发展概况【2 】j l 1 1 2 交流调速的概况1 1 1 - 3 电力电子技术的新发展2 1 1 4 永磁同步电机控制方式及研究3 1 2 国内外研究动态。3 1 3 本课题研究的意义。4 1 4 本课题研究的内容5 第二章交流永磁同步电机模型及矢量控制原理 2 1 交流永磁同步电机6 2 1 1 永磁同步电机的结构与特点6 2 1 2 交流永磁同步电机的数学模型7 2 2 永磁同步电机的矢量控制1 l 2 2 1i d = 0 控制1 2 2 2 2 弱磁控制1 3 2 3 空间矢量脉宽调制1 4 2 3 1 空间矢量脉宽调制原理1 5 2 3 2 空间矢量脉宽调制算法18 2 4 永磁同步电机控制系统在m a t l a b 中的建模仿真2 0 2 4 1 建模仿真工具m a t l a b s i m i ，k 简介2 0 2 4 2s v p w m 闭环控制系统仿真模型2 0 2 4 3 仿真结果及分析2 2 2 5 本章小结2 6 第三章交流永磁同步电机控制算法研究。 3 1 滑模变结构控制2 7 3 1 1 滑模变结构控制定义。2 7 3 1 2 滑模变结构控制器的设计步骤2 9 3 1 3 基于趋近率的滑模控制2 9 3 1 4 永磁同步电机的滑模控制3 0 3 2 本章小结3 5 第四章永磁同步电机直接转矩控制策略的研究 4 1 直接转矩控制的基本思想3 6 4 2 永磁同步电机直接转矩控制的实现3 7 4 3 逆变器模型和空间电压矢量的应用3 8 i i i 东南大学硕士学位论文 4 4 永磁同步电机直接转矩控制的开关表3 9 4 5 磁链滞环比较器和转矩滞环比较器4 0 4 6 定子磁链和转矩的估算4 l 4 7 永磁同步电机直接转矩控制系统的仿真研究4 1 4 7 1 仿真模型的建立4 1 4 7 2 仿真结果4 2 4 7 3 仿真结果分析4 7 4 8 本章小结4 7 第五章基于d s p 的永磁同步电机伺服系统硬件电路设计 5 1 控制器的选型4 8 5 2d s p 处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 介绍。4 9 5 3 电机控制电路设计5 0 5 3 1 系统电源的设计5 0 5 3 2d s p 控制电路设计5 2 5 4 电机驱动电路设计5 8 5 4 1 功率管的选择5 8 5 4 2 驱动系统电源设计6 0 5 4 3p w m 信号隔离电路设计6 l 5 4 4 故障信号处理电路6 l 5 4 5 驱动电路整体设计6 3 5 5 本章小结6 4 第六章基于d s p 的永磁同步电机伺服系统软件设计 6 5 6 1 引言。6 5 6 2 开发软件介绍6 5 6 3 转速检测程序设计6 6 6 4 电流检测程序设计6 7 6 5 电机转子的初始位置判断6 8 6 6 角度的计算6 8 6 7c l a 砌 变换和p a r k 变换6 9 6 名s v p w m 程序设计6 9 6 9 上位机软件的设计7 0 6 1 0 本章小结7 2 第七章实验结果及其分析。7 3 7 1 实验参数与实验平台介绍7 3 7 2 实验结果及其分析7 3 7 2 1p w m 波形的测试7 3 7 2 2 电流波形7 4 7 2 3 电机频率响应曲线7 5 7 2 4 电机的转速波形7 6 7 3 本章小结7 7 第八章总结与展望7 8 8 1 全文总结7 8 i v v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 伴随着交流电机调速理论的不断发展，人们对伺服控制产品的性能要求越来越高， 以交流伺服电机为执行元件的交流伺服控制系统具有可与直流伺服系统媲美的性能，而 且能够充分发挥交流电动机的优势，现代伺服驱动控制也逐步朝着交流伺服电机控制的 方向发展。在此社会和行业背景下，研究和开发高品质的交流伺服控制系统，具有及其 重要的现实意义。 1 1 1 永磁同步电机发展概况川例 传统的直流电机调速控制已经有几十年的历史了，但由于机械换相器和电刷的固有 缺陷已逐渐退出历史舞台。由于电力电子器件以及微处理器技术的迅速发展，使交流电 机调速运行成为可能，并逐渐成熟。交流电机分为异步电机和同步电机。异步电机转子 结构简单、可靠，在工业中被大量运用，但功率因数低、效率也受影响。电励磁同步电 机转子结构复杂，但功率因数高、效率也高。如果用永磁体励磁构成永磁同步电机，则 可兼顾两者优点，因此永磁同步电机及其高性能控制的研究已成为当前的研究热点。 永磁同步电机的发展与永磁材料的发展密不可分。但早期所用的永磁材料是天然磁 铁矿石，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。直至稀 土钴永磁和钦铁硼永磁( 二者统称稀土永磁) 的相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽 力、高磁能积和线性退磁曲线等优异磁性能特别适用于制造电机，从而使永磁电机的发 展进入一个新的历史时期。2 0 世纪9 0 年代以后，随着永磁材料性能的不断提高和完善， 特别是钦铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件 的进一步发展，再加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研 究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等各个方面获得越来越广泛的应用， 同时稀土永磁电机的研究开发也进入一个新阶段。 1 1 2 交流调速的概况 交流电机从发明至今，广泛用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活当中。 交流调速的发展，经历了漫长的探索和研究，应该说，现今高性能交流调速是功率器件、 微电子技术和控制方法综合发展的结果。晶闸管研究的成功开创了电力电子发展的新时 代，同时也使交流调速产生了一次飞跃，从低效耗能的不能调速或串电阻、电磁离合器 等调速过渡到高效的变频调速。此后，b b c 公司的a s c h o n u n g 等人引入了在通信领域 l 东南大学硕士学位论文 常用的脉宽调制( p w m ) 思想，有力推进了交流调速的发展1 3 j 。 早期的交流调速采用变压变频v v f ) 速度开环的方式，基频以下是恒压频比控制， 且低速时通过提升电压来获得比较大的转矩，基频以上弱磁升速。开环调速方式导致动 态性能很差，另外在某些速度段的震荡也影响了稳定性能，但是由于实现简单，现在 w v f 开环调速仍广泛应用于风机和泵类等对控制性能要求不高的场合。 2 0 世纪七十年代，交流电机的控制技术取得突破性进展。德国工程师f b l a s l l l 【e 提 出了矢量控制原理【4 】，使得交流调速技术产生了一次质的飞跃。基于永磁同步电机模型 的特点。即多变量、强耦合、非线性，永磁同步电机矢量控制也引入了坐标变换，将原 本复杂的永磁同步电机模型等效为d q 转子同步旋转坐标系下的模型，即通过按转子直 轴永磁磁场定向的同步旋转变换实现定子电流直轴与交轴( 力矩) 电流分量之间的解耦， 达到对永磁同步电机的磁链和转矩分别控制的目的，化简为简单的类似于直流电机的模 型。由于坐标变换后的永磁同步电机模型考虑了瞬态情况，不仅可以较准确地控制电机 的稳态性能。因此，以矢量控制思想作为主要控制算法的永磁同步电机调速系统很快地 发展起来。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学教授m d e p e n b r o c k 和日本的i t a k a h a s h j 教授分别提出了直接 转矩控制的方法1 5 j ，其中前者是基于六边形磁链轨迹来进行控制的，后者是基于圆形磁 链轨迹来进行控制的。一开始，d e p e n b r o c k 称之为d i r e c ts e l fc o n t r o l ，简称d s c 【6 7 1 。 在后来的文章中，毗a d l a s l l i 才将之命名为直接转矩控制。在直接转矩控制中不需要对转 矩和磁链进行解耦，因此没有复杂的坐标变换。基于定子侧的变量进行控制，因此对电 机参数变化的鲁棒性高；以磁链和转矩为直接控制对象，因此可以获得很高的动态性能。 直接转矩控制具有新颖的控制思想，简洁明了的系统结构和优良的动、静态性能给高性 能的交流调速注入了新的活力。但是传统的直接转矩控制是基于有限个的电压矢量来进 行控制的，难免会导致低速时产生比较大的转矩脉动，因此如何采用新的直接转矩控制 策略来降低低速时转矩脉动成为众多学者目前研究的焦剧引。 1 1 3 电力电子技术的新发展 电力电子技术一直是电机控制发展最重要的物质基础，大功率半导体器件的发展也 制约着电机控制的水平。从最初的晶闸管( s c r ) 到第二代的电子晶体管( g t r ) 、m o s 场 效应晶体管( m o s f e t ) 再到第三代的绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) ，大功率半导体器件的 性能逐渐提高。g t r 比晶闸管具有控制方便、是全控型自关断元件和工作频率高等优 点。而m o s f e t 又具有比双极型功率晶体管控制简单，是电压控制器件和安全工作区大 等优点。而i g b t 则集m o s f e t 的电压控制与双极型大功率晶体管的大电流、低导通电 阻的特点与一体，开关频率高，可达1 0 2 0 k h z ，噪声较小，有静音王之美称【9 】。 在功率开关元件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展。现在已可以做到使用 一片驱动电路，个驱动电源就驱动三相六个开关管。不必再为每个开关元件单独提供 2 第一章绪论 电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。目前，大功率半导体 器件又向集成化智能化方向发展。智能功率模块( i p m ) 是向第四代器件功率集成电路 ( p i c ) 的过渡产品。它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定功率 输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。它内含驱动电路、 保护电路，具有过流保护、短路保护、欠压保护和过压保护等功能。外界只需提供p w m 信号给智能功率模块，就可以实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。由于采用了 隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑。而且如果与单片控制芯片结合，则可以实现 两片式系统。不但提高了可靠性，而且系统的开发时间、开发费用都将大幅度减少，从 而为抢占市场创造了良好的先决条件。 1 1 4 永磁同步电机控制方式及研究 由于永磁同步电机的非线性特性以及控制参数多，因此控制比较灵活，同时也比较 复杂。为了获得良好的转速特性和转矩输出，控制算法及优化算法的设计非常重要。文 献【1 0 】研究了一种基于m s 的永磁同步电机速度辨识方案，该方案在高、低速以及转 速突变时均能准确检测转子的速度，提高系统的静动态性能；文献【1 l 】针对永磁同步电 机非线性、强耦合等特点提出了一种基于模糊神经网络的控制方法，使系统的反应速度 变快，超调变小，性能得到较大的提高，但是对于系统硬件和软件的要求较高：文献 1 2 】【1 3 】 1 4 】均是针对永磁同步电机的非线性强耦合、抖振的特点以及高性能控制的要 求，提出了几种改进的滑模控制方法，使系统的性能得到优化，抖振得到抑制，控制更 为灵活。 1 2 国内外研究动态 交流伺服系统的研究国外开始于7 0 年代，8 0 年代进入实用阶段，到9 0 年代技术趋 于成熟，其中以美国的a b b 公司、g e t c o s 公司、k o l l m o r g e n 公司、德国的s i e m e n s 公司为代表。与发达国家相比，我国的交流伺服控制的研究起步较晚，8 0 年代末开始研 究和引进交流伺服控制技术，到9 0 年代逐渐形成研究热点，在控制理论上与发达国家 的差距很小，但实际应用上，与国外相比，在调速范围、控制精度等主要技术指标方面 还有很大差距。 目前国内外伺服系统的研究与发展趋势可以概括为以下几个方面【1 5 1 ： 1 、交流化：伺服技术将继续迅速地由d c 伺服系统转向a c 伺服系统。交流控制系 统具备了调速范围宽等良好的技术性能。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品 都是a c 伺服系统。在工业发达国家，a c 伺服电机的市场占有率已经超过8 0 。在不 远的将来，除了某些微型电机领域之外，a c 伺服电机将完全取代d c 伺服电机。 2 、全数字化：采用新型告诉微处理器和专用数字信号处理器( d s p ) 的伺服控制单元 东南大学硕士学位论文 将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。我 国目前所应用的交流伺服系统产品仍以数字模拟混合式为主，由于受运算速度的限制， 动态响应最快的电流环控制仍由模拟电路完成，因此国产交流伺服系统普遍存在外观尺 寸大、笨重和可靠性低等缺点。面对电机控制开发的d s p 芯片，不但可以实现如矢量 控制、直接转矩控制这样的控制算法，而且也有条件完成现代控制理论或智能控制理论 的一些复杂的算法，如自适应控制、模糊控制、神经网络等。全数字化的实现，将原有 的硬件伺服控制变成了软件控制伺服，使伺服控制系统的精度以及鲁棒性得到了更好的 保证。 3 、高度集成化：新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺 服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制 单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传 感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精 第一章绪论 1 4 本课题研究的内容 永磁同步电机交流伺服系统由于其控制简单、性能好，在高性能的交流伺服系统领 域占据了很重要的地位。本文在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上，采用电压空间矢 量控制方法和直接转矩控制的方法，实现了永磁同步电机交流伺服驱动系统的全数字化 设计。为进一步改善系统的性能，本文对交流永磁同步电机采取了一些先进的控制算法 并进行了仿真研究。 在本课题的研究中，作者通过以下六个方面的研究，来实现永磁同步电机的控制， 并设计硬件电路，进行软件调试、m a t l a b 仿真来验证所设计方案的可行性。 1 、空间矢量脉宽调制实现方法的研究； 2 、直接转矩控制实现方法的研究： 3 、先进伺服系统控制算法的研究设计； 4 、d s p 控制器的硬件设计； 5 、d s p 控制器的软件设计以及空间电压矢量脉宽调制方法的实现； 6 、控制系统在m a t l a b s i i n u l i n k 环境下的仿真研究。 第一章介绍了永磁同步电机的发展概况、国内外的研究动态，说明了本课题的研 究意义，并大致介绍了本文研究的内容。 第二章介绍了永磁同步电机在静止坐标系和旋转坐标系下的模型并简单介绍了空 间矢量脉宽调制的原理，并在此基础上做了永磁同步电机基于空间矢量脉宽调制的闭 环仿真，给出了仿真结果。 第三章针对控制算法进行研究，提出了滑模变结构控制算法，并在m a t l a b s i m u l i l l k 环境下进行了仿真，与传统的p i d 控制算法进行了比较，总结出了优缺点。 第四章详细研究了永磁同步电机直接转矩控制策略，分析了直接转矩控制中每个 模块的功能和原理，最后进行了仿真研究，分析了此控制策略的优缺点。 第五章和第六章针对本人设计的一套永磁同步电机伺服系统，分模块介绍了其硬 件设计的原理和软件设计的框架。 第七章针对前两章介绍的伺服系统，将其应用于一台三洋的4 0 0 w 的永磁同步电 机上，测试了其运行的效果，给出了测试波形图，并分析了性能的优劣。 第八章对全文进行了总结，并且针对已完成的工作量一些不足的地方进行了分析 和改进的计划，规划了今后一段时间的工作计划。 东南大学硕士学位论文 第二章交流永磁同步电机模型及矢量控制原理 本文的研究对象为交流永磁同步电机，为此，本章先介绍一下关于永磁同步电机的 基础知识，主要包括永磁同步电机的结构特点、数学模型、控制方法等，并且在 m a t l a b s i m u l i n k 中做了关于永磁同步电机空间矢量脉宽调制的仿真。 2 1 交流永磁同步电机 在伺服系统中，应用较为普遍的永磁伺服电机主要有两类：一类为无刷直流电机 ( b d c m ) ；另一类为三相永磁同步电机( p m s m ) 。前者采用方波电流驱动，后者是采用三 相正弦电流驱动。尽管b d c m 伺服系统有转子位置传感器简单、成本低、材料利用率 高、控制简单等优点，但是由于其原理上存在固有的缺陷，使得转矩脉冲较大，铁心附 加损耗较大，因此只适用于一般精度及性能的场合；而p m s m 伺服系统能克服b d c m 系统的不足，常用于高精度、高性能要求的场合1 1 6 1 。 2 1 1 永磁同步电机的结构与特点 永磁同步电机是用永磁体来代替直流励磁作为恒定励磁的一种电机。在永磁同步电 机上外加一个转子位置检测元件就成为永磁同步伺服电树1 7 j 。 永磁同步电机主要是由转子和定子两部分组成。 电机的定子指的是电机在运转时的不动部分，主要是由硅钢冲压片，三相对称地分 布在它们的槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。永磁同步电机的定子 和异步电动机的定子结构基本相同。 电机的转子是指电动机运行时可以转动的部分，通常由磁极铁心、励磁绕组、永磁 磁钢及磁轭等部分组成。磁极铁心由钢板片叠压而成，磁极上套有励磁绕组。励磁绕组 两出线端接到两个集电环上，再通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。励磁绕组由 直流励磁电源供电，其正确连接应使相邻磁极的极性呈n 与s 交替排列。转子的主要作 用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，并同通电后的定子绕组相互作用产生转 矩用来驱动自身的运转。永磁同步电机的励磁磁场可视为恒定【1 8 1 。 永磁同步电机按转子形状可以分为两类：一类是凸极式永磁同步电机，另一类是隐 极式永磁同步电机。它们的根本区别在于转子磁极所在的位置，凸极式永磁同步电机转 子磁极是突起在轴上的，而隐极式永磁同步电机的转子磁极是内置在轴内的。凸极式转 子具有明显的磁极，转子跟定子之间的气隙是不均匀的，因此其磁路与转子的位置有关。 根据转子极对数的不同，永磁同步电机可分为单极电机和多极电机。 永磁同步电机的工作原理是当通入由三相逆变器经脉冲调制的三相交流电源后，电 机的定子绕组会产生一个旋转磁场，它与转子永磁磁钢产生的磁场相互作用，产生与定 6 第二章交流永磁同步电机模型及矢量控制原理 子绕组旋转磁场方向一致的旋转转矩。当电磁转矩克服了转子本身的惯量以及由永磁同 步电机转子中永磁体磁钢的存在所产生的阻尼转矩时，电机就开始转动起来，并且不断 加速直到定子旋转磁场带动转子永磁体磁钢一起同步运行。 永磁材料的使用给永磁同步电机带来了许多优点，永磁同步电机与有刷直流电机相 比，除了具有无机械换向器和电刷、结构简单、体积小、运行可靠、易实现高速、环境 适应能力强等优点外，还具有如下优点：易实现正反转切换、定子绕组发散热容易、快 速响应能力好、可以采用较高的工作电压、易实现大容量化【1 9 1 。 永磁同步电机与感应电机相比，具有如下优点：转子没有损耗、具有更高的效率、 电机体积小，由转子磁钢产生气隙磁密、功率因数较高，在相同输出功率下，所需整流 器和逆变器的容量较小；具有小的转动惯量、快速响应能力好；在感应电机中，转子电 流产生的磁通的大小是不固定的，而且也不和定子产生的磁场正交，因为它是由励磁磁 通感应而产生的。因此，感应电机的矢量控制比较复杂，而永磁同步电机的励磁磁通大 小不变并且与电枢电流有着固定的相位关系，因此控制比较简单【2 0 】。 2 1 2 交流永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机是利用定子的三相交流电流和永磁转子的磁场相互作用所产生的电 磁转矩来带动电机转子转动的。当定子绕组中通过对称的三相电流时，定子将产生一个 以同步转速转移的旋转磁场。在稳态情况下，同步电机的转速恒为同步转速。于是，定 子旋转磁场与转子旋转磁场保持相对静止，此即同步的由来。 永磁同步伺服电机的定子和普通电励磁三相同步电机的定子是相似的。如果永磁体 产生的感应电动势( 反电动势) 与励磁线圈产生的感应电动势一样，也是正弦的，那么永 磁同步伺服电机的数学模型就与电励磁同步电机基本相同。 根据矢量控制原理，电机的数学模型推导前作如下假设【2 l 】： 1 、忽略铁心饱和、涡流和磁滞损耗； 2 、感应电动势及气隙磁场均按正弦分布，且不计磁场的各次谐波； 3 、转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用； 4 、反电势是正弦的； 5 、永磁体磁动势恒定，即等效的励磁电流恒定不变； 6 、三相定子绕组在空间呈对称星形分布，定子各绕组的电枢电阻相等；定子各相 绕组的电感相等； 7 、不考虑温度对电机的影响。 2 1 2 1 永磁同步电机在定子坐标系上的模型方程 永磁同步电机定子三相集中绕组分别为a 、b 、c ，各相绕组的轴线在与转子轴垂直 7 东南大学硕士学位论文 的且过电机几何中心的平面上，分布如图2 1 所示。 c 图2 1 三相集中绕组分布图 刚专谧h 纠 其中：u 爿，u c 为三相绕组各自绕组端电压。 ，f c 为三相绕组各组的线电流。 y a ，y b ，y c 为三相绕组各自总磁链。 陋 ：陋高乏翟象矧m + 陋篙 y 且l = lm 2 l ( 秒) 2 2 ( 臼) m 2 3 ( 矽) | | 如i + ly ，昂( 占) 【i c j 【- 肘3 l ( 乡) m 3 2 ( 臼) 3 3 ( 臼) j 【- f c j y ，c ( 口) a 、口 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中：臼= 国，f ，国，为转子旋转电角速度。”4 ( 臼) ，y ，占( p ) ，y ，占( p ) 为转子磁链 在a ，b ，c 三相绕组中产生的交链，均为伊的函数。三。( 口) 为三相绕组各相绕组的自感， m 。( 乡) 为三相绕组各相绕组之间的互感。 转子磁链气隙为正弦分布，磁场转子磁链与定子各相绕组之间的交链分别为： 第二章交流永磁同步电机模型及矢量控制原理 杪，以= 脚，c o s ( 目) y ，矗= 埘，c o s ( 秒一1 2 0 。) 虬l = 施，c o s ( 目一2 4 0 。) m 为转子磁极轴线与定子a 相绕组轴线重合时互感的幅值，为等效的励磁电流 幅值，对永磁同步电机来说埘，的值为常数。 三相绕组在空间上呈星形对称分布，而且通入三相绕组中的电流是对称的，不考虑 磁场的各次谐波则有以下条件成立： 厶l = 三2 2 = 厶3 = 三 m 1 2 = m 1 3 = m 2 1 = m 2 3 = 鸠l = 坞2 = 一m ，且+ 如+ i c = 0 刚：矛黜卜，鼹：；卜3 ， iu bi = i p m r 8 + p 一p m0 如i 一万，埘，ls i n ( p 一1 2 0 。) i ( 2 3 ) l u c jl p m p m r 。+ 础j 【f c j【- s i l l ( 护一2 4 0 。) j 以定子a 轴轴向为口轴。逆时针旋转9 0 。为轴建立 ，) 坐标系( 如图2 - 1 ) 。由( a ， r - f 。 2 r 1 1 2 引2 小一压2 2 1 2 2 永磁同步电机在转子旋转坐标系( d ，q ) 上的模型方程 坐标变换，从数学角度来说，就是将方程式原来的一组变量，用一组新的变量来代 替，使分析计算得到简化。若新旧变量之间为线性关系，则变换为线性变换【2 2 】。 对于永磁同步电机来说，用固定于转子的参考坐标来描述和分析其稳态和动态性能 是十分方便的。此时，取永磁体基波励磁磁场轴线( 磁极轴线) 为d 轴( 直轴) ，而q 轴( 交 轴) 顺着旋转方向( 此处设为逆时针方向) 超前d 轴9 0 。电角度。d ，q 轴系随同转子以电角速 度( 电角频率) 万，一起旋转。d q 轴坐标系如图2 2 所示。 4c 、l 1，j 0b七 。l r-，_1 2 21l一，) o 万 东南大学硕士学位论文 图2 - 2d q 轴坐标系示意图 d q 轴上的分量可以由定子三相绕组经三相坐标系变换或矢量变换得到，即进行三相 轴系到旋转轴系d q 的变换。如对定子电流，采用坐标系变换则有： c 。s ( 已一娶) “n ( 包一姿) 延j c o s ( q + 争 痂( q + 争 r 、互 ( 2 5 ) 上述变换关系同样适用于电压和磁链变量变换。对于这个平衡系统，若两参考轴系 间的输入功率满足下述条件： “一+ 甜且如+ 甜c 如= “d 屯+ 甜g f g ( 2 6 ) 则由d q 轴系计算出的电磁转矩就是电动机的实际值。为满足这种功率不变约束， d q 轴定子线圈的有效匝数应为原三相绕组每相有效值匝数的j 芝倍，如果原三相绕 组为对称的正弦稳态量，在一定的条件下，变换后的d q 量就为恒定值，该值为原正弦 量有效值的3 倍。a 、b 、c 轴系的定子电压矢量方程可以表示为： ”印。心鲁+ 丢( 咿1 ( 2 7 ) 可将2 7 式电压方程变换到两相同步旋转d q 轴系中得： u d = r 。屯+ p 妒d 一国，缈。 ( 2 8 ) u g = r f 口+ p 妒q 一国，9 d ( 2 9 ) 印 哆i础僦信 c 一 压怄 = 1j ，叼0b 第二章交流永磁同步电机模型及矢量控制原理 us = 丽 d q 轴系电机的磁链表达式为： 9 d = l d i d + 9 f ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 织= 2 + 2 ( 2 1 3 ) d q 轴系电机的转矩方程表达式为： 1 丁= 吾p 。( 仍f g 一9 9 ) ( 2 1 4 ) l2i p 。l 仍z 口一9 4 2 dj 【z 1 4 ) 其中，u d ，u 。，屯，f 。，幺，。分别是定子绕组d 、q 轴的磁链、电压、电流和电 感。玑，织，r ，为定子端电压、磁链和定子绕组电阻；伊，为转子磁钢在定子侧的耦合 磁链；见，r ，国，为电机极对数、电磁转矩和角频率，p 为微分算子。以上即是永磁同 步电机在同步旋转坐标d q 轴系下的数学模型。 2 2 永磁同步电机的矢量控制 矢量控制最初是针对感应电机提出的，其工作原理和方法同样适用于永磁同步电机。 由于永磁同步电机不存在转差频率电流( 感应电机中存在) 和高性能永磁材料的选用，使 永磁同步电机的功率密度高于感应电机，这样也使矢量控制在永磁同步电机中更容易实 现。永磁同步电机矢量控制技术的基本思想是建立在坐标变换及电机的电磁转矩方程 上，通过对定子电流矢量的相位和幅值的控制来实现p m s m 的转矩控制，即通过控制d ， q 轴电流，经过矢量变换或坐标变换而实现的。其优点在于不论在低速还是在高速，只 要系统给定了在该转速下所需要的电流波形，电机电流均能很好地响应，则所得电流的 交轴分量就是电机旋转所需的转矩分量，电机的响应性能十分优异【2 3 】。 从前面的讨论可以看出，当p m s m 永磁体产生的磁链y ，和直交轴电感l ，。确定 后，电机的电磁转矩便取决于定子电流矢量f 。，而f 。的大小和相位取决于屯和f 。，因此 只要控制屯和乞便可以控制电机的转矩。一定的转速和转矩对应于一定的和f 。+ 。永 磁同步电机的矢量控制框图如图2 3 所示： 东南大学硕士学位论文 图2 3 永磁同步电机矢量控制原理框图 我们必须根据不同的要求选择不同的控制方法，当转速在基速以下时，在定子电流 给定的情况下，控制屯= 0 ，这样只要控制t 的大小就能控制转速和转矩，从而实现矢量 控制；当转速在基速以上时，因为永久磁铁的励磁磁链为常数，电机感应电动势随着 电机转速成正比例增加，电机感应电压也随着提高，