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工业缝纫机伺服控制系统仿真及控制面板设计 摘要 在一些对定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服 系统的应用越来越广泛。采用先进的数字信号处理器为控制核心的工业缝纫机 永磁同步电机( p m s m ) 伺服系统，是交流伺服系统控制数字化的应用之一。 本文首先介绍了永磁同步电机的结构特点，建立了永磁同步电机在对应坐 标系中的数学模型，然后对矢量控制原理、实现方式进行了阐述，并探讨了空 间矢量脉宽调制技术的原理及软件实现方法。 在分析相关理论的基础上，采用基于t ，= 0 转子磁场定向( f o c ) 的方案，进 行基于矢量控制的pmsi 三闭环伺服控制系统的设计，并利用 m a t l a b s i m u l i n k 搭建了整个系统的模型，进行了仿真研究，得到了转矩、 转角、转速、三相定子电流的波形，验证了控制策略的可行性。 在硬件上，作为工业缝纫机的一部分，本文结合智能化操作的要求，设计 制作了工业缝纫机控制面板，并进行了调试，结果表明达到了设计要求。 关键词：永磁同步电机矢量控制脉宽调制 m a t l a b s i m u l i n k控制面板 t h es i mu l a t i o nf o r s e r v 。c o n t r 。ls y s t e m 。f i n d i s t r ys e w i n g m a c h i n ea n dt h ed e s i g nf o r c o n t r 0 1p a n e l “ b a b s t r a c t ，j 舱a c8 。0 8 y 吼啪i sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r ya p p l i c a t i o ni n t 量1 en e l do fm e c h a n i c a l 。e l e c t r i c a l i n t e g r a t i o np r o d u c tw i t hh i g h r e q u i r e m e n tf o r p o s i t i o na c c u r a c ya n dd y n a m i cr e s p o n s e t h e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( p m sm ) s e r v os y s t e mo fi n d u s t r ys e w i n gm a c h i n ew h i c h a d o p t st h ed i2 i t a l s l g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a st h ec o n t r o lc o r ei so n eo ft h ea p p l i c a t j o no fa c s e r v o c o n t r o ld i g i t i z a t i o n jh es t r u c t u r a lf e a t u r e so fp m s m a r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h em a t h e m a t i c m o d e l s1 nt h ec o r r e s p o n d i n gc o o r d i n a t es y s t e ma r es e t u pa l s o t h e nt h ep r i n c i p l e a n d1 m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so f v e c t o rc o n t r o la r ed e s c r i b e d a tl a s tt h et e c h n o l o g v o 士s 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 di t sr e a i i z a t i o nm e t h o dw i t h s o f t w a r ea r ed i s c u s s e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e o r y ，t h ef i e l do r i e n t e d c o n t r 0 1 ( f o c ) s t r a t e 2 v e m p l o y i n g毛20i sc h o s e n ，t h ec o n t r o ls c h e m eo fp m s ms e r v o s v s t e mi s e s t a b l i s h e dw i t h t h r e e c l o s e l o o pr e g u l a t o r s t h ec o n t r o l s y s t e mm o d e lo f s i m u l a t i o ni ss e tu p b yu s eo fm a t l a b s i m u l i n k t h ew a v e f o r m o ft o r q u e ， a n g i e ，s p e e d ，c u r r e n to ft h r e e p h a s es t a t o ra r eg a i n e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u i t s s h o w t h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yi s f e a s i b l e a sap a no ft h e i n d u s t r ys e w i n gm a c h i n es y s t e m ，t h ec o n t r o l p a n e li s 1 m p o r t a n tf o rt h er e q u i r e m e n to fi n t e l l i g e n t o p e r a t i o n 。t h i sp a p e rd e s i g n sa n d m a k e su pt h ec o n t r o l p a n e lo fi n d u s t r ys e w i n gm a c h i n e t h ed e b u g g i n gr e s u l t s i n d i c a t ew h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f s v s t e m k e y w o r d s ：p m s m ；v e c t o rc o n t r o l ；p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ；m a t l a b si m u l i n k ： c o n t r o ip a n e i 插图清单 图2 1 隐极式永磁转子结构6 图2 2 凸极式永磁转子结构6 图2 3 无刷直流电动机波形图7 图2 4 三相永磁同步电动机波形7 图2 5 永磁同步电机等效结构坐标图8 图2 6 永磁同步电机d q 旋转坐标图9 图2 7 三种等效的交流绕组与直流绕组1 2 图2 8c 1a r k e 变换示意图1 3 图2 9p a r k 变换示意图1 4 图2 1 0p m s m 的矢量控制调速系统原理框图l5 图2 一1 1 三相电压源逆变器结构16 图2 1 2 电压空间矢量分布图18 图2 13 电压空间矢量合成示意图1 8 图2 14 七段式电压空间矢量p w m 波形21 图2 一1 5 对称空间矢量p w m 波形2 2 图2 一l6s v p w m 程序流程图2 2 图3 一l 扇区的选择2 4 图3 2 计算t c m l ，t c m 2 ，t c m 3 2 5 图3 3 防t 1 ，t 2 值饱和模块2 6 图3 4 空间矢量电压产生模块2 6 图3 5m a t l a b s i m u l i n k 矢量控制下p m s m 调速系统仿真模型2 7 图3 6 仿真结果2 9 图4 1 工业缝纫机p m s m 伺服及控制系统结构框图31 图4 2 电源主电路结构图3 2 图4 3i p m 的驱动电路3 2 图4 4l t s2 5 - n p 输出电压转换电路3 3 图4 5 光电编码器的脉冲信号时序图3 3 图4 6 控制面板结构框图3 4 图4 7 编译器设置3 5 图4 8l c d 显示电路3 6 图4 9l e d 电流驱动电路3 6 图4 1 0l e d 工作时序图3 7 图4 一1 1 通讯电平转换电路3 8 图4 12e e p r o m 电路3 8 图4 一1 3e e p r o m 工作时序3 9 图4 一1 4 按键输入电路3 9 图4 一1 5l c d 程序框图4 0 图4 16l c d 数据显示表4 l 图4 1 7e e p r o m 程序流程图4l 图4 1 8 按键过程信号示意图4 2 图4 1 9 按键流程图。4 3 图4 2 0 控制面板总程序流程图4 4 图4 2 1 控制面板4 5 图4 2 2 按键示例4 5 图4 2 3 启动时面板显示4 6 图4 2 4 设置g h 区4 7 图4 2 5 参数设定4 7 图4 2 6 参数重置画面4 7 表格清单 表2 1 开关状态和输出线电压、相电压的关系表1 7 表2 2 开关状态与其对应的空间矢量、( 口，) 子轴分量的关系表1 7 表2 3 电压矢量的作用时间赋值表1 9 表2 4n 与扇区数的对应关系表2 0 表3 1 根据扇区号对t c m x 赋值2 5 表4 1 参数内容表。4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，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 金目垦王些太堂 或其他教育机构的学位或 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 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：扎寻 签字日期功忭牛月帅 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金8 曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：如 旱 签字日期： l o 以年t 月t b 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： i 哆 绽 够月占日 # 年 书叩 致谢 本论文是在导师肖本贤教授的精心指导下完成的。从论文的选题，方案的 设计到论文的完成，肖老师倾注了大量的心血，给予我悉心的指导，亲切的关 怀。导师渊博的学识、严谨的治学态度、对科学研究孜孜不倦的追求以及平易 近人的高尚品德一直熏陶着我。学生师从导师所得，将永生难忘。值此论文完 成之际，谨向肖老师致以我最衷心的感谢。 今借此机会同时感谢李国丽教授和胡存刚老师，在做论文的一年时间内， 他们对我也给予了许多耐心细致的帮助，论文完成之际；向他们的无私帮助表 示感谢。 另外，实验室的王安邦师兄，还有刘刚、陆诚、王涛、王红涛等同学，也 给予了我很多帮助，在此向他们表示感谢。也同时感谢我的家人在生活上给予 我的无微不至的关怀，感谢所有关心和爱护我的人。 最后，由衷感谢各位评委在百忙之中抽出时间给我评审。 作者：刘军 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 目前，世界缝纫机生产国主要集中在德国、日本、中国及韩国等少数几个 国家和地区。中国工业缝纫机产量最大，占全世界产量的5 0 以上，产品出口 到世界1 5 0 多个国家和地区。截止至2 0 0 7 年6 月统计，全国有各类缝纫机械类 生产企业1 0 0 0 多家，其中整机生产企业3 0 0 家左右。中国在常规产品如平缝、 包缝上，已基本达到国际同类产品先进水平。近年来，在特种机及机电一体化 产品方面也有突破。作为服装产业生产资料的工业缝纫机，支撑着纺织服装、 皮革等大宗出口创汇行业的发展，为国民经济发展和扩大出口创汇、改善人民 生活发挥了不可替代的作用。作为一个纺织服装产业大国，缝纫机产业具有 巨大的发展空f - j 和优势机遇。 为了紧跟纺织服装产业的发展脚步，缝制效率和缝制质量的提高始终是缝 纫机业不断追求的目标。纵观国内外工业缝纫机技术的发展里程，在经历了专 用化、高速化等几个发展阶段，目前工业缝纫机技术已经全面走向机电一体化， 即缝纫机的挑线、刺布、钩线、送料等执行部件仍沿用原机械机构，而控制系 统方面则采用电子控制系统或带编程及c p u 处理的微机控制系统。通过计算机 控制技术和自动控制优势，使工业缝纫机具备了自动剪线、自动拨线、自动返 缝、自动抬压脚等功能，实现了工业缝纫机的自动化与电子化，大大提高了工 业缝纫机的缝纫效率和缝纫质量比1 。工业缝纫机从普通的机械型向自动化、电 脑化发展将成为今后缝纫机产业发展的主要趋势。 然而长久以来国内所使用的电控工业缝纫机的控制器基本上由国外进口， 内地电控缝纫机市场也长期由中国台湾、日本厂商垄断。为了打破垄断，国内 许多高校和研究所都进行了这方面的尝试研制，但国内相应的研发起步较晚， 技术水平不高，并且能够从事智能化可控工业缝纫机所用电机生产的电机企业 也较少。在大量的需求面前，供方市场显得远远不足，长期以来昂贵的电控缝 纫机只是少数高端服装生产企业才能享受的奢侈品。可以看出，进行该类型工 业缝纫机的研制，具有十分重要的现实意义，同时也具有很高的投资回报率。 1 2 工业缝纫机简介 工业缝纫机( i n d u s t r ys e w i n gm a c h i n e ) ，指适于缝纫工厂或其他工业部 门中大量生产用的缝制工件的缝纫机，一般采用电动机传动。工业缝纫机种类 繁多，如平缝机、包缝机、绷缝机等等，这些缝纫机的运动特性和转矩轨迹各 有不同的特点，掌握缝纫机运行轨迹的特性，结合自动控制理论知识，采用先 进的闭环控制技术，就可以精确控制电机的输出转矩和转速，使之按照合适的 运行轨迹工作h ”。通过对主控制器编程，整个控制系统可完成多种缝纫模式， 预制升降速时间，实现自动剪线、自动拨线、自动返缝、咀及针数选择等多项 工艺的精确控制，同时具有稳定启动，精确停针定位，自动故障诊断等优势。 工业缝纫机实物图如图卜1 所示。 图卜1 _ 丁业缝纫机实物图 使用者可以通过l e d 显示来看到当前的状态，通过对控制面板或者脚踏板 的操作下达启动、调速、制动、剪线、拨线等指令给控制系统，通过控制面板 的按键和l c d 与系统交换信息，设置数据。并且，对于一些用户需要的个性化 功能，如在组合缝制中是否加入返缝，以及缝制类型、缝制速度、具体针数等 等，都可以通过控制面板输入保存，只需要由踏板提供启动信号就可阻完成全 套工序，操作十分简单和人性化。 1 3 伺服系统发展趋势 在自动化领域中，输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系 统称为随动系统，亦称伺服系统”。伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件组成， 高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。 由于伺服电动机具有控制灵活、容易获取驱动能源、没有公害污染和维护 方便等优点因此电气伺服技术在机电一体化产品上得到广泛应用。电子技术 和软件技术的发展，为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。根据国内外研 究及应用情况，其发展趋势主要有： l 交流化 自2 0 世纪6 0 、7 0 年代以来，直流电机凭借良好的调速性能和高效率被长 期广泛应用于各种伺服驱动系统，随着大功率晶体管技术的发展应用，电流的 控制性能大大提高在很多高性能电控伺服驱动装置中绝大多数都采用直流伺 服系统。但是直流电机的缺点也是显而易见的，一方面直流电机机构复杂，成 _一7量掣 f l 笺 。翻l阀器_温骶潺著莨蠢m舶霭一一黢漶 一 勰 麓融 曩港一 本高；另一方面由于存在电刷和换向器，在机械换向时会产生电火花，不仅让 维修困难加大，降低了可靠性，也严重制约了其使用环境一一不能在易燃、易 爆、多尘的环境中使用。多种缺点限制了直流电机向高转速、高电压、大容量 方面的发展。但是由于它相比交流电机有更好的控制优势和效率优势，因此长 期以来直流电机伺服系统一直都处于主导地位。 随着矢量控制思想的提出，在理论上解决了交流电机的转矩控制问题，通 过按转子磁场定向构成的矢量变换控制系统，实现了定子电流的励磁分量与转 矩分量间的解耦，达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的，从而使原本 控制难度很大的交流电机可以等效为直流电机来控制。再加上7 0 年代以来，电 力电子工业得到了飞速的发展，一批可控开关的电力电子器件的相继问世，7 0 年代末伺服技术进入了交流化时代。我国于8 0 年代末也开始研究和引进交流伺 服控制技术，到9 0 年代成为研究热点，在相关的控制理论知识上，与发达国家 的差距已经不是很大，但在实际的技术应用方面，如调速范围和控制精度等主 要技术指标上，仍然存在不小的差距。 2 全数字化 最初的电机控制系统大都是采用分立元件的模拟电路，体积大，可靠性低， 抗干扰能力差，成本高。随着电子技术的进步，采用微处理器和专用集成电路， 实现了数字控制，提高了可靠性和抗干扰能力，同时也使得各种复杂控制方法 的应用成为可能。一般来说，控制系统的微处理器多选择单片机，但单片机运 算速度相对较慢。 数字信号处理器( d s p ) 是面向快速信号处理的，运算速度比同一时期的 单片机要快1 至2 个数量级，但价格相对昂贵。近年来，包括t i 、m o t o r o l a 、a d 等大公司在内的许多d s p 厂商都相继推出了电机控制专用d s p 芯片，如t m s f 2 4 0 x 系列、d s p 5 6 f 8 0 x 系列等。这类芯片都以d s p 处理器为核心，使用其高效的指令 集，同时在片内集成了包括a d 、p w m 等在内的电机控制接口电路，不仅简化 了系统硬件电路，同时也提高了可靠性和性价比。 此外，现场可编程门列阵( f p g a ) 片内含有几十万个等效门，集成度非常 大，单片f p g a 就可以实现非常复杂的逻辑，并且可以方便地实现多次修改，应 用也十分广泛。f p g a 以及控制专用d s p 等数字化控制芯片的使用，使控制系统逐 渐软件化，也为现代控制理论以及较复杂的智能控制算法的应用创造了条件， 如模糊控制、人工神经网络控制等。 3 智能化 基于经典的或现代控制理论的控制策略都依赖于电动机的数学模型，并不 能从根本上解决复杂和不确定性系统的控制问题。，当数学模型的参数发生 变化时，想获得优良的控制性能是研究人员面临的重要课题。随着计算机科学 的发展，使人们可以借助现代计算工具模拟人的智能机制、生命的演化过程以 及人的智能行为而进行信息获取、处理和利用。人工智能的发展不仅使人们进 一步深化了对智能活动的机理认识，而且为人们用计算机更有效地表达和利用 知识开辟了新途径。随着人工智能技术的发展，智能控制已经成为现代控制的 重要分支，成为研究与开发的热点，智能化电气传动控制也成为目前电气传动 的重要发展方向，开辟了电气传动技术新纪元。近几年来，人工神经网络和进 化算法作为人工智能的重要技术，引起了越来越多研究人员的兴趣与参与， 目前己成为学术界跨学科的热门专题之一，在电动机传动系统的应用与研究方 面也取得了可喜的成果。 1 4 永磁同步电机伺服系统 从驱动的电机类型来看，交流伺服系统主要有感应异步电机伺服系统和永 磁同步电机伺服系统1 。感应异步电机结构简单，坚固耐用，运行可靠，便于 维修，价格便宜，但是较永磁同步电机而言控制相对复杂，且在低速运行时会 有效率低、发热严重等缺陷，仍然需要技术上的改进和突破，目前只使用于一 些高速运转、且对调速精度要求不高的场合。 永磁同步电机转子使用永磁材料，用永磁体磁场取代电磁场，无励磁损耗， 具有结构简单、效率高、转子无发热问题、过载能力大、转动惯量小和转矩脉 动小等特点，与直流电动机相比在相同功率下还具有重量轻、体积小的优点。 随着技术的成熟，其伺服系统具有调速范围宽，能承受频繁起停、制动和正反 转，可靠性强，可工作于恶劣的环境等多项优点。永磁同步电机也同样存在缺 点：其一，永磁材料价格昂贵，高性能永磁材料仍然依赖进口；其二，如果控 制不当，定子电流产生的磁势和高温都可能使转子永磁体去磁。但是，随着永 磁材料质量的不断提高和价格的不断下降，以及控制理论、技术的不断提高， 永磁同步电机在生产和研究领域的应用已经越来越广泛。 1 5 本文的主要工作和内容安排 本文在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上，针对一个实际的工业缝纫机 的永磁同步电机伺服系统， 对其控制系统进行了设计，并在 m a t l a b s i m u l i n k 上搭建了系统模型，进行了仿真研究。在硬件方面，设计 制作了工业缝纫机用于人机交互的控制面板，调试达到了满意效果。 第一章首先介绍了选题背景，简述了工业缝纫机、伺服控制系统的发展 历史和趋势，以及工业缝纫机所用的永磁同步电机的简要情况。 第二章分析工业缝纫机整体系统设计理论，从电机的基本原理出发，分 析了p m s m 的数学模型，接着，介绍了永磁同步电机矢量控制理论，以及空间 电率矢量脉宽调制理论。最后介绍了如何用软件法在d s p 中实现s v p w m 。 第三章采用屯= o 控制方案，利用m a t l a b s i m u l i n k 搭建个永磁同步 4 电机的三闭环矢量控制系统，并进行了仿真研究。 第四章首先介绍了工业缝纫机的永磁同步电机伺服系统总体硬件构成， 简要介绍了部分硬件电路，然后重点对控制面板的功能、工作原理、组成结构 和软件编程进行了论述，最后介绍了调试情况。 第五章对全文进行了总结和展望。 第二章工业缝纫机伺服控制系统理论分析 本论文研究的工业缝纫机系统的伺服电机选用永磁同步电机，本章将对永磁 同步电机的数学模型，及其控制原理进行分析和讨论。 2 1 永磁同步电机结构及其数学模型 2 1 1p m s m 的种类 根据磁性材料的不同类型，永磁同步电机可有各种不同的设计，目前多采 用稀土永磁材料做磁钢，这样永磁转子在电机内所需的空间小，只要设计合理 就不会出现由于短路电流而产生偶然去磁的危险，可以获得足够的磁通密度和 高的矫顽力特性，且转矩重量比也获得很大的改善1 ”。 卜“ g 一_ 鹞 6 步电动机，由于其原理与控制方式基本上与直流电动机系统类似，所以又称无 刷直流电动机( b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ，简称b l d c m ) 。两类电动机 永磁体励磁磁通密度吃、感应电动势e 。的波形如图2 3 和2 4 所示。 图2 3 无刷直流电动机波形图 图2 4 三相永磁同步电动机波形 2 1 2 三相永磁同步电动机的数学模型 三相永磁同步电动机( p m s m ) 是由绕线式同步电动机发展而来，一样由 定子和转子两大部分组成钊，其转子用永磁体代替了电励磁，从而省去了 励磁线圈、滑环和电刷，而定子与绕线式同步电机基本相同，由三相星形接法、 短距分布的绕组和铁心构成，要求输入三相对称正弦电流，故称为三相永磁同 步电动机。永磁同步电动机需要安装转子位置检测器，用于检测转子磁极位置， 对定子电流进行控制，从而控制永磁同步电动机，常用的转子位置检测器有旋 转变压器或光电编码器，与转子同轴，安装在非负载端。 根据永磁同步电动机的结构特点，其定子输入三相对称的正弦电流，产生 旋转的磁场，旋转磁场的同步转速玎。为： 甩：6 0 f( 2 1 )甩= l2 - ij p 。 其中，厂为定子电流频率， p 。为电动机极对数。 p m s m 的定子和普通电励磁三相同步电动机的定子是相似的。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， 那么p m s m 的数学模型就与电励磁同步电动机基本相同，为了得到永磁同步电 动机的数学模型，首先对电机作如下假设”。： ( 1 ) 忽略铁心饱和； ( 2 ) 不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的； ( 3 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用； ( 4 ) 认为永磁材料的电导率为零； ( 5 ) 定子相绕组的感应电动势波形为正弦型的，定子绕组的电流在气隙中只 产生正弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波。 可以得到如图2 5 所示的p m s m 等效结构坐标图。，图中伽、o b 、o c 为 三相定子绕组的轴线，取转子的轴线与定子么相绕组的电角度为目，缈，为转子 磁场的等效磁链。 图2 5 永磁同步电机等效结构坐标图 三相永磁同步电动机的数学模型由5 个方程组成。 ( 1 ) p m s m 的物理方程 “爿 “8 “c 中 中b 掣c r 爿0 0 r 占 0o c o s o c o s 2 4 0 。 c o s l 2 0 。 0 0 r c c o s l 2 0 。 c o s 0 。 c o s 2 4 0 。 z 爿 z 8 z c d + a t c o s 2 4 0 。 e o s l 2 0 。 c o s 0 。 彳 vb 沙c c o s 0 + ic o s ( t g - 1 2 0 。) c o s ( 0 - 2 4 0 。) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中，甜一、龆b 、u c 是三相定子绕组的电压，、毛、，是三相定子绕组的电 流，、l 阢、是三相定子绕组的磁链，r 。、r 疗、r 是三相定子绕组的电阻， 并且b - - r 疗= 足= r ，沙，是转子磁场的等效磁链。 三相定子交流电作用是产生旋转的磁场，从这个角度来看，可以用一个两 相系统来等效，因为两相相位正交对称绕组通以两相相位相差9 0 。的交流电时， 也能产生旋转磁场。如图2 - 6 所示，将d 轴固定在转子励磁磁通甲，方向上， q 轴为逆时针旋转方向超前d 轴9 0 0 电角度，d - q 轴系随同转子以机械角速度缈 一起旋转，以a 相绕组轴线为参考轴线，d 轴与参考轴间的电角度为0 ，转子 电角速度为f o r = c o p 。 a 图2 6 永磁同步电机d q 旋转坐标图 可以得到建立在d q 旋转坐标中和三相静止坐标中的电动机模型之间具有如 下的关系1 ： 胎loj 肿 c 。s 护c 。s ( o - - 2 7 万- ) 一s i n 臼一s i n ( o 一_ 2 ：r t - ) 压压 s i n 臼s i n ( p 一孚) c 。s 目c 。s ( o - - 警- ) 僵压 c o s ( 秒+ 等) 删护+ 争 压 c s i 蚓n ( o + - 等) c o s ( 钳) 压1 l ( 2 4 ) ( 2 5 ) 永磁同步电机中定子绕组一般为无中线的y 型连接，因此，f r ，兰0 。 ( 2 ) 定子磁链方程 根据电机的统一理论，可以得到定子磁链方程为： 盼 台删+ m 沼6 ， 其中： 三l 。为永磁同步电机的d ，q 轴定子电感。 i a 、i 。为定子电流矢量i 、的d ，q 轴分量。 且有： 9 1_lliii_i_lj k0 疗 r 厂l_j 甜“甜 l q = k + 厶埘 ( 2 7 ) l d = l s s + l m d 上式中二话为d - q 轴线圈的漏感，厶d 和l 。分别为d - q 轴线圈的励磁电感。 将每极永磁体模拟为具有一定面电流分布的励磁线圈，进一步将这个励磁 线圈再归算到d 轴定子侧，也就是使这个励磁线圈具有与d 轴定子线圈相同的 有效匝数。归算后的等效励磁电流为i ，它能产生与永磁体相同的基波励磁磁 场，则有： 缈，= 乙d i i ( 2 - 8 ) ( 3 ) 电压方程 定子电压方程为： ： = 台罡 窆 + 三一p ( - o r 荔： 。2 9 ， 其中：尺。为定子相电阻。 u d 、列。为定子电压矢量u ，的d ，q 轴分量。 c o ，为转子旋转电角速度。 p 为微分算子。 把定子磁链方程式( 2 6 ) 代入式( 2 - 9 ) 得到电压回路方程： 阡心：l 月_ 巍阱 另有：er = 国，沙r ( 2 11 ) 其中：e ，为永磁体正弦磁场在转速彩，下于q 轴绕组中产生的感应电动 势。 因此，电压方程可以写为： l “d = r ，屯+ l d p 岛一缈，z q i q 1 秘窜= 尺。乇+ g p f q + 国，d 屯+ p ， 2 。1 2 在稳态情况下，电压方程可以写为： i u d = r ，i d 一国，l 口i q l u q = 尺，i q + 0 3 ，三d 屯+ e 2 13 ( 4 ) 电磁转矩方程 电磁转矩方程矢量为： r =谚f (2p 2 1 4 ) 。= 。z 。 l 。4j 用d q 轴来表示就是： 妒。= + ( 2 - i 5 ) i s = l d + j l 口 ( 2 16 ) 将( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 代a ( 2 1 4 ) 式，电磁转矩方程变为： z - - p ( i t - - i d g , ) 将磁链方程( 2 6 ) 代入上式中，得： l = 见 炒，+ ( 厶一厶) 嘲 ( 2 17 ) ( 2 1 8 ) 式中，p 。为极对数。 ( 5 ) 运动方程 设电动机电动运行，则运动方程如下心”。： 皇生- t - 口竺：z 一z( 2 1 9 ) p 。d tp 。 式中，j 为电机转子和所带负载的总转动惯量，b 为粘滞摩擦系数，z 为负 载转矩，其方向与电磁转矩z 相反。 p m s m 的运动特性在负载转矩z 一定的情况下，主要取决于输出转矩z 的 大小，而电动机的转矩又是由磁场和电流共同决定的，所以对电动机转矩的控 制实际上就是对磁场和电流的控制比“引。 2 2 永磁同步电机矢量控制策略 2 2 1 矢量控制原理 目前，针对交流电机的控制方案，应用最多的有两种，其一是按转子磁链 定向的矢量控制系统，其二是按定子磁链控制的直接转矩控制系统。永磁同步 电机的转子磁链恒定，通常采用前一种方案，即矢量控制方案。 交流电动机的矢量控制基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直 流电动机转矩的转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生 磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直，彼此 独立，然后分别进行调节，使转矩和磁通的控制实现解耦“。矢量控制理论的 提出是电机控制理论的一次飞跃，解决了交流电机的调速问题，使得交流电机 的控制跟直流电机控制一样方便可行，并且可以获得与直流调速系统相媲美的 动态性能。 如图2 7 所示，在了解矢量控制概念之前，首先了解以下三种旋转磁场1 。 1 三相旋转磁场：三相固定绕组( 空间相差1 2 0 度) 通以三相交流电流( 相 位相差1 2 0 度) ，对三相绕组通入三相交流电后，随着时间的变化，合成磁场 的轴线也在旋转，电流交变一个周期，磁场也旋转一周。在合成磁场旋转的过 程中，合成磁感应强度不变，所以称为圆磁场。 2 两相旋转磁场：两相固定绕组( 空间相差9 0 度) 通以两相交流电流( 相位 相差9 0 度) ，对两相绕组通入两相电流后，其合成磁场也具有和三相旋转磁场 完全相同的特点。 3 旋转体的旋转磁场：两个相互垂直的直流绕组m 、t 分别通以直流电，形 成恒定磁场，旋转时形成机械旋转直流合成磁场。当旋转体旋转时，该合成磁 场也随之旋转，如果调节两路直流电流j 。，、f ，中的任何一路时，直流合成磁场 的磁感应强度也得到了调整。 ( a ) 乃 - ) ( ( b ) o ) 图2 7 三种等效的交流绕组与直流绕组 以上三种方法产生的旋转磁场完全相同( 磁极对数，磁感应强度，转速都相 同) 所以可看作这三种磁场等效，这三种旋转磁场之间可以相互进行等效转换。 矢量控制的基本思想就是按照产生同样的旋转磁场( 蒯= 础= m ) 这一 等效原则建立起来的，将一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场 系统，以两相系统做过渡，互相进行等效变换，从而可以在普通的三相交流电 动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律。在磁场定向坐标上，将电流矢量 分解成产生磁通的励磁电流分量f m 和产生转矩的转矩电流分量f 并使两个分 量相互垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样，交流电动机的转矩控制， 从原理和特性上就与直流电动机的控制相似了。 2 2 2 矢量控制的坐标变换 向永磁同步电动机的对称三相绕组中通以对称的三相正弦电流时，就会产 生合成磁势，它是一个在空间以国速度旋转的空间矢量。如果用磁势或电流空 间矢量来描述前面所述的三相磁场、两相磁场和旋转直流磁场，并对它们进行 坐标变换，就称为矢量控制的坐标变换。 通常把三相交流系统向两相交流系统的转换称为c l a r k e 变换，两相系统向 三相系统的转换称为c l a r k e 逆变换；把两相交流系统向旋转的直流系统的转换 称为p a r k 变换，旋转的直流系统向两相交流系统的转换称为p a r k 逆变换。 下面分别叙述四种变换的转换矩阵： ( 1 ) c l a r k e 变换与c l a r k e 逆变换 1 2 图2 8c l a r k e 变换示意图 图2 8 为c l a r k e 变换示意图，图中，n 2 ，n 3 分别表示三相电动机和两相 电动机定子每相的有效匝数。为了便于说明，我们假设三相a 轴与两相口轴相 等。根据矢量坐标变换原则，两者的磁场应该完全等效，即合成磁势矢量分别 在两个坐标轴上的投影应该相等。通过一系列数学推导可得到： 三相两相变换( 3 2 或c l a r k e 变换) ： ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 对于三相绕组不带零线的星形接法有i 月+ f 厅+ f 。= 0 ，因此i 。= 一i 月一i 8 ，分别 叫辨： ；= = ( 2 ) p a r k 变换与p a r k 逆变换 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) b 。 l i 3 屯 i 6 0 。 口 ? 6 0 n o ：i 口厄a 7 1 n 乙i ， n 毒c7 一 一262 j 2笪2 换变逆mh 或臣 吖 。压一2压一2 o万一2压2 换 一i一l 如 。一2。一2 相厂l纠刊1il 三，v 相1叫纠 两 l=一一一 。上厄后括 + 国 lk l 。夕 ， 一m 一 图2 9p a r k 变换不慈图 如图2 - 9 ，p a r k 变换是把两相静止6 一卢坐标系变换到两相旋转m t 轴坐标 系中去。其中，f 。是定子电流矢量，它在m t 旋转坐标系的投影分量是如、夸。 在口一声静止坐标系的投影分量是z 口、2 卢，0 是m 轴和口轴的夹角。c o 是旋转坐 标系的旋转角速度。可以得出： 二相旋转坐标系到二相静止坐标系( p a r k 逆变换) 的矩阵形式为： h ：i c o s o s i n0 nl ( 2 2 4 ) li 卢li s i n 8 c o s o 峙j 二相静止坐标系到二相旋转坐标系( p a r k 变换) 的矩阵形式为： l ml _ l c o s os i no 怦l ( 2 - 2 5 ) hll s i noc o s o i 2 2 3 永磁同步电机的矢量控制策略 p m s m 的矢量控制是一种基于磁场定向的控制策略，按照磁链定向控制的方 法分类可以分为4 种控制方案：转子磁链定向控制、定子磁链定向控制、气隙 磁链定向控制、阻尼磁链定向控制。 而根据控制目标可以分为以下几种： ( 1 ) f ，：0 控制，由于控制直轴电流分量为零，所以该控制算法简单，电磁 转矩与定子电流成正比；同时不会使p m s m 因退磁而性能变坏，并且易于实现。 其主要缺点是当负载加大时，定子电流增大，由于电枢反应的影响，造成气隙 磁链和定子反电动势都加大，迫使定子电压升高。为了保证足够的电源电压，电 控装置必须有足够的容量，有效利用率降低。同时，定子电压矢量和电流矢量 的夹角也会增加，由于电枢反应电抗压降大，造成功率因数降低“”。因此i a = 0 控制方法比较适用于中小容量的系统。 ( 2 ) c o s c p ：1 控制，使得系统的功率因数恒为l ，使逆变器的容量得到充分 利用，但最大电磁转矩很小。 ( 3 ) 转矩电流比最大控制，该控制策略使电动机输出转矩在满足一定的条 件下，逆变器的输出电流最小，有利于逆变器中功率开关器件的工作。但该控 制算法要占用很大的c p u 开销，需要高速度的中央处理器。 除了以上几种之外，还有总磁链恒定控制、最大输出功率控制、转矩线性 控制等2 7 3 。 综合看来，按照转子磁链定向并按i a = 0 方法进行控制的p m s m 调速系统，实 现了定子绕组与d 轴的完全解耦，控制系统简单，转矩波动小，可以获得很宽 的调速范围，适用于有高性能要求的工业应用领域，因此本文采用t ，= 0 控制 2 8 因此，可以将永磁同步电机的电磁转矩方程改写为： 气 t = 三只杪，f ， z ( 2 2 6 ) 如图2 1 0 所示，采用t ，= 0 控制策略的p m s m 的矢量控制系统由下面几部 分组成：检测模块、反馈环、坐标变换模块、p i 控制器、s v p w m 模块、整流 和逆变模块圳1 。 图2 1 0p m s m 的矢量控制调速系统原理框图 控制过程为：位置给定信号指令与检测到的转子位置信号相比较后，经位 置p i 控制器的调节，输出给定角速度作为速度控制器的给定信号，再与检测到 的转子速度国相比较后，经速度p i 控制器的调节，输出给定电流f 作为电流控 制器的给定信号。与此同时，检测到的定子三相电流经过坐标变换为1 d 、乞， 与给定值相比较后( 设定巧= 0 ) ，经过电流p i 调节器输出为d 、q 轴的电压， 经p a r k 逆变换后为口，轴电压。最后通过s v p w m 模块输出六路p w m 驱动 i g b t ，产生可变频率和幅值的三相正弦电流输入电机定子绕组。 2 3 电压空间矢量脉宽调制技术 空间矢量脉宽调制( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ，简称s v p w m ， 已经成为三相电压源型逆变器中的一种非常流行的p w m 技术，被广泛地用于 交流感应电机和永磁同步电机的控制中。”3 。 2 3 1 基本电压空间矢量 空间矢量脉宽调制实际上对应于三相电压源逆变器的功率器件的一种特殊 的开关触发顺序和脉宽大小的组合，这种开关触发顺序和组合将在定子线圈中 产生三相互差1 2 0 。电角度的波形失真较小的正弦波电流。图2 11 是一种典型的 三相电压源逆变器的结构，s 盯、s 、s o 、分别是6 个功率晶体管， 它们分别被6 个p w m 信号控制，当s 。、s 、分别开通时( 即对应p w m 信 号为1 ) ，s o 、& 分别被关闭( 对应p w m 信号为0 ) 。因此，这6 个功率 晶体管共有8 种开关状态组合，分别表示为：v o o o o 、0 0 1 、坎 o l o 、圪【o l1 、 1 7 4 1 1 0 0 】、1 7 5 1 0 1 、吃 11 0 、巧【111 】，构成了8 个对应的电压空间矢量，其中矿o o o o 、 厉【111 】使逆变器输出的电压为零，称这两种开关模式为零矢量，其余的称为基 本电压空间矢量。 + 图2 1 1 三相电压源逆变器结构 设开关信号状态矢量为pbc 】，则三相逆变器输出的相电压矢量 圪 圪圪】7 与信号状态矢量 臼bc 】7 的关系为： 昏雕羽 ( 2 2 7 ) 线电压矢量i