（控制理论与控制工程专业论文）永磁同步电机矢量控制研究.pdf

摘要 本文研究永磁同步电机矢量控制系统。在深入学习永磁同步电机数学模型和 矢量控制原理的基础上，用h i a t l a b s i m u l i n k 建立了永磁同步电机电流转速双闭 环矢量控制仿真模型。在调整好参数并取得良好仿真结果基础上，作了没有零矢 量p 1 v m 发生方法的闭环仿真和速度环模糊控制仿真，并取得了较好的仿真控制效 果。 i r m c s 2 0 1 l 是新型采用矢量控制算法的电机驱动控制开发平台。本文阐述了 该平台的控制结构和原理。在该平台上的电机运行试验验证了永磁同步电机矢量 控制的优良性能。 本文还讨论了一些永磁同步电机矢量控制相关的内容。包括位置伺服系统的 仿真以及转子初始位置的检测。 所有这些工作阐明了永磁同步电机矢量控制系统的原理、方法和性能，对今 后研究永磁同步电机矢量控制系统和提高系统的性能具有参考意义。 关键词：永磁同步电机，矢量控制，s v p w m i r m c s 2 0 l l a b s t r a c t v e c t o rc o n n d lo fp m s mw a ss t u d i e di nt t l e p a p e r 。b a s e do ns t u d y i n gt h e m a m e m a t i cm o d e lo fp m s m a n d 山e 砸n c i p l eo f v e c t o rc o n t r 0 1 a 锄u l a t i o nm o d e l o fv e c t o rc o n 仃o ls y s t e mo fp m s mw e r eb u i l tu s i n gm a t l a b s 蹦u l 玳k a f t c r p a r 枷e t e r o ft h em o d e lw a sm n e da l l d g o o d e r n u l a t i o n p e r f b n n a n c e w a s o b t a i n e d p w mg e n e r a t i o nm e t h o d 丽t h o u tz e mv e c t o r sa 1 1 df u z z yc o n t r o lo fs p e e d l o o pw a s e m u l a t e d 柚db e e rc o n 仃o le 廿b c tw a so b t a i n e d 瓜m c s 2 0 1 li s l en e w e s tt y p eo fs e r v od e v e l 叩i n gp l a b h n ，w | l i c h a d o p t s 、吧c t o rc o n 昀lr n e 山o d m e e x p 嘶m e n t o fm o t o ro nt h e p l a t f b mp r o v e dg o o d p e o m a i l c eo fv e c t o rc o n 缸d 1 c o n 虹o ls 1 i c t i l r ea n dp r i n c i p kh a se x p a i i a t c di nm e p a p e l t h e p a p e ra l s od i s c u s s e ds o m ei t e m sc o r r c c t i v et op m s m s p dc o n 扛d ls y s t e m ， i n c l u d i n gp o s i t i o n s e n r oe m u l a t i o na n dt h e m e 山0 d so f e v a l u a t i n g i n i d a lr o t o r p o s i t i o n a l lt h e s ew o r kc l a i i f i e dt h ep d n c i p l e 、m e t l l o d sa j l d p e r f o l l l l a n c eo fp m s m v e c t o r c o n n d ls y s t e m h 船r e f e r e n c ev a l u ef o rs t i l d y i n gp m s m 、，e c t o rc o n t r o ls y s t e ma n d i i n p m v i n g i t sp e r f b n n a n c ei nt t l ef u t u r e k e y w o r d ：p m s m ，v e c t o rc o n 廿o l ，s v p w m ，r m c s 2 0 1 1 第一章绪论 1 电机调速技术的发展历史 电机是生产和生活中最常见的设备之一，在我国，中小型电机就有3 0 0 多个 系列，1 5 0 0 个种类“1 ，占总用电量的7 0 。电动机通常分为直流电动机和交流 电动机两大类。交流电动机的诞生已经有一百多年的历史。交流电动机又分为同 步电动机和感应( 异步) 电动机两大类。 直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定， 通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定， 可用改变励磁的方法实现恒功率调速。2 0 世纪8 0 年代以前，在变速传动领域， 直流调速一直占据主导电位”1 磁场定向控制，也称矢量控制，它是7 0 年代初由西德b 1 a s s c h k e d 和h a s s e 首先提出，它的出现对交流电机控制技术的研究具有划时代的意义，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和转矩分量的解耦，从而达到对交流电机的磁链 和电流分别控制的目的，这样就可将一台交流电机等效为直流电机来控制，因而 可使交流电机的动静态控制性能可与直流系统相媲美哪。 电机调速技术的现状及趋势 2 1 国内外发展概况 国外生产精密交流伺服电机控制系统的厂家有日本三菱、松下、富士和德国 西门子等。 截至1 9 9 9 年底，国产交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器基本自主开发 成功。华中数控h s v 系列全数字交流伺服电机驱动单元具有良好的性能。广州 数控设备有限公司d a 9 8 a 系列交流伺服系统调速比为1 ：5 0 0 0 ；国内厂家北京 和利时电机生产全的e s 0 0 4 0 c 数字交流伺服驱动器通过键盘设置电子齿轮可以 设置为1 9 9 9 9 ，l 9 9 9 9 ，比例范围介于1 1 0 0 1 0 0 之间。但是，作为交流伺服 系统的上游厂商，国内主要数控系统生产厂家，其中包括华中数控、航天数控系 统有限公司、高档数控国家工程研究中心、上海开通数控有限公司等，其高端产 品往往要采用国外的交流伺服系统，虽然国货比进口的要便宜得多。从整体来看， 我国无论从电机制造的材料工艺还是电机的控制、运行特性等方面，与国外都还 存在差距。 国内伺服电机的全数字驱动器技术还比较落后，主要局限于欠缺实用的电机 数字控制算法和高可靠的功率模块，这样大大限制了国产伺服电机的推广。随着 国内交流伺服用电机等硬件技术逐步成熟，以软件形式存在于控制芯片中的伺服 控制技术又制约了我国高性能交流伺服技术及产品发展。 目前，矢量控制技术以其易实现、性能优越成为行业先导。v f 或者e f 控 制因为技术门槛低，实现简单，成本低，对于中、低档产品有一定的优势。但是 从长远看，随着c p u 制造技术提高、成本降低，采用矢量控制技术的变频器成 本与、垤或者e 厄控制成本相差无几，采用矢量控制技术的变频器将成为业界主 流。 2 2 近几年的发展趋势。 ( 1 ) 电机调速技术的发展趋势是永磁同步电机将会取代原有直流有刷伺服 电机和步进电机及感应电机。因为永磁同步电机相对其他形式的电机有着显著的 优势旧：a ) 永磁同步电机在基速以下不需要励磁电流，在稳定运行时没有转子电 阻损耗，可以显著提高功率因数( 可达到l 甚至容性) ；b ) 永磁同步电动机不设 电刷和滑环，因此结构简单，使用方便，可靠性高；c ) 永磁同步电动机转子结 构多样，结构灵活，而且不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而永磁 同步电动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。而且在相同功率下，永磁 同步电动机在比其他形式电动机具有更小的体积。 我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富，1 9 8 4 年7 月，我国成为世界 上第三个能研制和生产第三代稀土钕铁硼永磁材料的国家，稀土资占全世界的 8 0 以上”3 ，发展永磁电机具有广阔的前景。 ( 2 ) 高性能控制策略广泛应用于交流伺服系统。基于常规控制理论设计的 电机控制系统存在缺陷和不足：传统控制器的设计通常需要被控对象有非常精确 的数学模型，而永磁电机是一个非线性多变量系统，难以精确的确定其数学模型， 按照近似模型得到的最优控制在实际上往往不能保证最优，受建模动态，非线性 及其他一些不可预见参数变化的影响，有时甚至会引起控制品质严重下降，鲁棒 第一章绪论 性得不到保证。所以有必要采用高性能的控制策略，例如采用变结构控制、模糊 控制、神经网络控制使系统具有很好自适应能力和抗干扰能力，能够在参数时变及 干扰等恶劣的工况下保证系统良好的动态和稳态性能。 ( 3 ) 绿色化发展。由于全球电能的8 0 以上通过电力变换装置来消耗，作 为广泛使用的电力变换装置的变频器，将朝着节约能源，降低对电网的污染和对 环境的辐射干扰，延长电机使用寿命的绿色化方向发展。 3 论文研究的主要内容 中国为发展中的制造业大国，交流调速系统除应用数控机床行业外，其他 行业对各种规格交流调速系统需求量逐年增长，有着巨大的国内市场。 就矢量控制的交流驱动本身而言，无论是对感应电机还是对永磁同步电机的 控制性能都有了显著的提高，基于交流调速的发展趋势，本课题研究永磁同步电 机矢量控制。主要包括以下几项工作： ( 1 ) 永磁i 司步电机矢量控制原理研究；基于m a n a b s v f i h 矾k 的永磁同 步电机矢量控制系统仿真，系统电流环、速度环参数的调整；没有零矢量的p w m 发生方法闭环仿真以及速度环模糊控制仿真。 ( 2 ) 采用矢量控制方法的新型伺服控制系统开发平台m m c s 2 0 1 的参数设 置、控制结构以及电机运行试验。 ( 3 ) 位置控制器的结构、原理；双闭环矢量控制仿真基础上的位置伺服系统 仿真，位置控制器参数对控制性能的影响。 ( 4 ) 初始转子位置的检测。 第二章永磁同步电机矢量控制原理 1 永磁同步电机的结构和分类 1 ) 永磁同步电机的结构 永磁同步电动机由定子，转子和端盖等部件组成。定子由定子铁心( 由冲槽 孔的硅钢叠压而成) 、定子绕组( 在铁心槽中嵌放三相绕组) 构成。定子和普通感 应电动机基本相同，也是采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子通常由 轴、永久磁钢及磁轭组成，其主要作用是在电动机气隙内产生足够的磁场强度， 与通电后的定子绕组相互作用产生转矩以驱动自身的运转。转子铁心可以做成实 心的，也可以用叠片叠压而成。图2 1 为永磁同步电动机的结构示意图。转子上 安装有永磁体，转子铁心上可以有电枢绕组。为了减少电动机的杂散损耗，定子 绕组通常采用星形接法。 1 定子2 - 转子3 - 转轴4 - 转子铁芯 图2 - 1 永磁同步电动机的结构 f 趣2 - ls t 兀l c h l 砷o fp m s m 2 ) 永磁同步电机的分类 永磁同步电动机分类方法较多：按工作主磁场原理方向的不同，可分为径向 磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置不同，可分为内转子式和外转子式；按转 子上有无启动绕组，可分为无启动绕组的电动机和有启动绕组的电动机( 又称为 异步启动永磁同步电动机) ；根据极对数的不同，永磁同步电机可分为单极和多 极；根据磁通分布或反电动势波形，可分为永磁无刷直流电动机和永磁同步电动 机。 第二章永磁同步电机矢量挣制原理 永磁同步电动机中没有包含有高次谐波，涡流和磁滞损耗减少，电机效率增 加。永磁同步电动机产生的转矩脉动低于永磁无刷直流电动机，主要原因是永磁 同步电动机不存在相间换流时的冲击电流。 2 电机控制中用到的坐标系 电机控制中的坐标系有两种，一种是静止坐标系，一种是旋转坐标系8 1 。 1 ) 三相定子坐标系( a ，b ，c 坐标系) 如图2 2 所示，三相交流电机绕组轴线分别为a ，b ，c ，彼此之间互差1 2 0 度 空间电角度，构成了一个a b c 三相坐标系。空间任意一矢量v 在三个坐标上的投 影代表了该矢量在三个绕组上的分量。 2 ) 两相定子坐标系( 盯一口坐标系) 两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢 量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系， 即口一卢坐标系，它的口轴和三相定子坐标系的a 轴重合，b 轴逆时针超前口轴9 0 度空间电角度。由于口轴固定在定子a 相绕组轴线上，所以口一口坐标系也是静i i = 坐标系。 图2 2 三相坐标系与盯一口坐标系 f i g 2 2t l l r e e p h a s er e f e r e n c ef r 明e 蛐d 口一口f r 蛐e 3 ) 转子坐标系( d q 坐标系) 转子坐标系d 轴位于转子磁链轴线上，q 轴逆时针超前d 轴9 0 度空间电角度， 该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系。对于同步电 动机，d 轴是转子磁极的轴线。 广东工业大学倾士学位沦文 3 永磁同步电机d q 轴数学模型 永磁同步电机是由电磁式同步电动机发展而来，它用永磁体代替了电励磁， 从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，而定子与电磁式同步电机基本相同。1 ，仍要 求输入三相对称正弦电流。图2 3 是永磁同步电机模型，图中标出了定子每相绕 组中电流的正方向。将正向电流流经一相绕组时产生的正弦磁动势波轴线定义为 该相绕组的轴线，如图中的a 轴为a s a s 绕组轴线，并将它作为空间坐标的参考 轴线。永磁同步电机在d q 坐标系的数学模型描述如下： 定子电压方程 磁链方程 电磁转矩方程 机械运动方程 其中 图2 - 3 永磁同步电机模型 f i g 2 3p m s m m o d e i 圹誓一q + 足。 驴誓+ 啡心 轴 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 乙2 p n ( 一峨屯) ( 2 5 ) 2 硝吩+ ( 厶一岛) 屯】 。 ，等= 乙一疋讽q ( 2 _ 6 ) 第二章永磁同步电机矢量挣制原理 u ：电压： i ：电流： ：磁链 l ：d q 坐标系上的等效电枢电感； r ：定子绕组的电阻； 以：d q 坐标系旋转角频率； d ，q ：下标，分别表示定子的d ，q 轴分量； 嫉：永磁体产生的磁链，可由忻= 求取， 绕组反电动势有效值的j 倍，即= 菇。； j ：转动惯量； q ：转子机械角速度： r n ：阻力系数； 乙：输出电磁转矩： 疋：负载转矩； ：磁极对数； 把上式的有关量表示为空间矢量形式，则： 毕；= v d + j v ， f ；= 屯+ 死 t 。= p 。 为空载反电动势，其值为每相 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 轴 图2 4p m s m 空间矢量图 f i g 2 4p m s ms p 8 c ev e c t o rd i a g r 锄 如图2 4 ，卢为电流矢量与d 轴的夹角，定子电流空间矢量与定子磁动势 空j q 矢量虬同轴，卢角实际上是定予合成旋转磁场轴线与永磁体磁场轴线的空 间电角度，口角也称为转矩角“。有图可知： 2 。8 拿( 2 _ 1 0 ) 屯= s i n 卢 。 将式( 2 1 0 ) 代入( 2 5 ) ，则有： 乙= 以蚧s i n 卢+ 圭( 厶一岛) # s i n 2 ( 2 1 1 ) = l + c 由电机的转矩方程( 2 5 ) 可以看出，其中包含了两个分量，第一项是永磁转 矩乙，第二项是磁阻转矩t r 。对于插入式和内装式转子结构，由于d 轴磁路上有 永磁体，所以厶 乞。由式( 2 1 1 ) ，磁阻转矩与两电感差成正比，当卢小于n 2 时，磁阻转矩为负值，具有制动性质；当口大于n 2 时，磁阻转矩为正值，具 有驱动性质。在插入式或内装式永磁同步电机组成的驱动系统中，可以灵活有效 地利用这个磁阻转矩。例如，在恒转矩区，控制8 角，使它发生在2 o 贝0 b = 1 ，否贝0 b = 0 ； 如果v 0 3 o 则c ：1 ，否则c = o ； 则扇区的计算公式为s e c t o r = a 十2 b 十4 c( 3 6 ) 例如，当s e c t o r = 3 时，在i i i 扇区。 1 2 3 计算基本空间矢量导通时间 根据上面的算法确定了电压合成向量所在的扇区之后，应该计算合成电压矢 量分解到其所在扇区内的两相邻电压矢量的导通时间。算法如下，令： 壮v 毒 y = 丢( 。加啪) 4 丢 净， z = 扭。一西。舾) 4 去 则各扇区导通时间计算公式如下： 第1 i i 扇区：c m p l = xc p 2 = - y 第1 扇区：c m p l = 一zc m p 2 = x 第v 扇区：c m p l = 一yc m p 2 = 一z( 3 8 ) 第1 v 扇区：c m p l l = zc m p 2 一x 第v i 扇区：c m p l = 一xc m p 2 = y 第1 i 扇区：c m p l = yc m p 2 = = z 其中：公式( 3 7 ) 中t 为p 喇脉宽调制载波的周期： c m p l ，c m p 2 为图3 2 中两相邻电压矢量的导通时间。例如第三扇区中c m p l 表示 v 4 的导通时间，c m p 2 表示v 6 的导通时间。应当设置适当的t ，使得c m p l 十c m p 2 t 。 则令： 删嘲赢( 3 _ 9 ) c j 竹p 2 = 搠p 2 = _ 一 c m 出+ 妒2 采用这种刀：关方案具有以下特性： 1 ) 对于每一个扇区，在每一个p w m 通道内有固定的开关顺序； 2 ) 每个p 删开始，结束于u o ( 0 0 0 ) 或u 7 ( 1 1 1 ) ； 3 ) 见式( 3 7 ) ，因为各个扇区i g b t 的导通时间里都有直流母线电压。作分母 当直流母线电压下降，相应导通时间增加，可以起到补偿电压下降的作用。 1 8 _【np；昌台o芦一u芦一n【一盘o崔hn-，_ 匾霉姆雅雹群辎葺蕾n甲n匾 ：兰耋坠墼鬯型塑塑鳖坠塑：一 1 2 4 建立s v p w m 仿真发生模块 根据j 二面的分析，设计用于仿真的s v p w m 发生模块结构如图3 4 所示。在s v p w m 模块里，用重复三角波序列模拟硬件定时器的增减计数模式输出。输入量为电压 调制命令。，p w m 载波周期t s 以及真流电压u d c ，输出为6 路p w m a 根据输 入调制命令电压确定合成电压矢量的扇区和该扇区内两个基本矢量各自的作用 时间后，通过p i m 发生模块产生需要的p w m 波形。第1 i i 扇区p w m 波形的发生模块见 图3 5 ，一共由6 个类似的模块，根据电压矢量在哪个扇区选择相应的p 喇发生模 块。 0 d er 】t or 图3 5p 唧发生模块内部结构图 f i g 3 5i n t e r n a ls t r u c t u r eo fp 删g e n e r a t i o n 0 血l e p w m 波形发生模块的作用是产生6 路p w m 波形，控制6 个i g b t 的开关。其输入有 四个：p 嘲载波周期的一半t s 2 ；重复等腰直角三角型载波，三角型的底边长度 为t s ，高为t s 2 ；以及根据不同的扇区里的两个相邻矢量各自所占的时问 c m p l ，c m p 2 ，输出为六路p 删，其中2 ，4 ，6 路输出分别是1 ，3 ，5 路输出的反相， 所以，只要确定1 ，3 ，5 路的波形，整个波形就确定了。p w m 波形的发生原理见图 3 6 ，图中，矢量0 l o 所占的时间为2 木c m p 2 ，矢量0 1 1 所占的时间为2 $ c m p l ，t l = c m p l ，t 2 = tl 十c m p 2 。 广东工业大学硕十学位论文 t ，i ； 七20 慕 c n p 2：c n p l ：r o o 1 _ j l j 一 ! _ _ 00 0 图3 6p w m 波形发生原理 f i 昏3 6p r i n d p i eo fp w m 窖e n e l 响佃 1 3 永磁同步电机双闭环控制仿真 生产工艺对电机调速系统转速控制的要求有三个方面：调速，稳速，加减速。 闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多得稳态特性，从而保证在一定静差 率的要求下，能够提高调速范围，为此需要付出的代价是须要增设检测和反馈装 置。调速范围是指电动机的最高转速与最低转速之比，静差率是指负载由理想空 载增加到额定值时所对应的转速降落，静差率越小，电动机的机械特性越硬。 1 3 1 采样频率的确定 在设计离散系统时，香农采样定理是必须严格遵守的一条准则，因为它指明 了从采样信号中不失真的复现原连续信号所必需的理论上的最小采样周期。 香农采用定理指出：如果采样器的输入信号e ( t ) 具有有限带宽，并且有直到 蛾( ，耐，j ) 的频率分量，则只要采样周期满足下列条件： 丁旦( 3 一l o ) 2 信号e ( t ) 可以完整地从采样周期信号p + ( f ) 恢复过来。“。 应当指出，香农定理只是给出了一个选择采样周期t 或采样频率f 的指导原 则，它给出的是由采样脉冲序列无失真地再现原连续信号所允许的最大采样周 期，或最低采样频率。在控制工程实践中，一般总是取啦 2 蛾。 第三章永磁同步电机矢量控制仿真及实验 采样频率越高，对控制过程的信息获得越多，控制效果会越好；但采样频 率过高，会增加不必要的计算负担，造成实现较复杂控制规律的困难，并且采样 频率高到一定程度后，再增加就没有实际意义了。在仿真模型里，p w m 载波频率 是5 k h z 。电机的额定转速是6 0 0 0 r p m 。因为是4 极对电机，电角速度为2 4 0 0 0 r p ， 其正弦电流响应波形的频率为4 0 0 h z ，要采样此频率的电流波形，采样频率必须 大于8 0 0 h z 。根据仿真的实际，电流环的采样频率设为5 i ( i z ，速度环的采样频率电 流环的采样频率一样，也为5 kh z 。这也与实际系统的采样频率基本上是一致。 1 3 2p i d 控制器参数调整方法 p i d 控制是按偏差的比例、积分、微分进行控制的，是连续控制系统技术成 熟、应用最广和最久的基本控制方式。随着计算机技术的不断发展，p i d 控制规 律用计算机程序来实现，根据不同的需要针对自身的缺陷进行改进，产生了一系 列改进的算法，以满足不同控制系统的需要”“。p i d 控制规律表达式为： 础m + 批归+ 乃掣 式中：世，一p i d 控制器的放大系数： l p i d 控制器的积分时间； 乃一p i d 控制器的微分时间。 对式( 3 1 1 ) 进行拉氏变换，得到控制器的传递函数为： g 2 等2 群( - + 去母j 对式( 3 一1 1 ) 离散化处理，得到p i d 数字控制器的方程： “( n ) 2 巧 8 ( n ) + 吾喜p c 。+ 争c p c n ，一p c n l ， 。一，。， = 巧f ( 聍) + k p ( f ) + 毵【p ( 甩) 一p ( h 1 ) 】 式中： 墨一积分增益，墨= 巧妻； 髟一微分增益，秘= 耳鲁； t p i d 控制器的采样周期： ：奎三些奎兰堡圭耋兰鲨三 。一 e ( n ) 一第n 次采样所得的偏差信号； e ( n 1 ) 一第n 1 次采样所得的偏差信号。 p i d 控制规律的选择应根据被控对象的特性、负荷变化、扰动、动静态性能 控制要求等具体情况而定。在电机控制中，微分环节可能会降低系统的抗干扰性 能，通常采用p i 控制器。“。 p i d 控制器设计方法一般可分为两大类。一类是经典的动态校f 设计方法， 如频率特性法、根轨迹法等；另一类是工程设计方法，如典型系统工程设计法、 振荡指标法、模型系统法、调节器最佳整定法和部分模型匹配法等。经典的动态 校f 设计方法对于设计者的理论基础、实际经验、设计技巧要求较高( 在工程应 用中也不方便) 。相比之下，工程设计方法简单易学，在工程中应用方便。因此， 在实际设计控制器时，大多采用工程设计方法。z i e g l e r _ n i c h o l s 整定方法简单 实用，是基本的p i d 参数整定方法”“。 齐格勒一尼柯尔斯( z i e 9 1 e r n i c h 0 1 s ) 方法 z i e 9 1 e r n i c h o l s 设计方法基于简单的稳定性分析法。采用闭环实验的方法 确定系统特征参数匠，鳞，后查z i e g l e r n i c h 0 1 s 整定公式表来确定p i d 参数值 ”“。首先置墨= o ，= o ，取较大的比例系数值，然后逐步减小比例系数k ， 直至系统开始等幅振荡，记下临界振荡比例系数e ，和临界振荡频率嗥，控制器 的其它参数按表3 2 确定。而哦，c ，和存在如下的关系式： 已= 薏 伊1 4 ) 表3 2z i e g l e r n i c h o l s 接定公式 t a b 3 2z i e 9 1 e r n i c h o l st u n i n gf o r m u l a 控制器类型 k p 墨畅 p 2 k 。 p i 2 2 巧o 8 5 乙 p i d 1 6 7 k0 5 0o 1 2 5 瓦 * 2 3 蝴喁憾母鹭瞳蒋上-函 ； 广东工业人学硕士学位论文 1 3 3 双闭环仿真系统的建立和控制器参数调整 a ) 双闭环仿真系统的建立 依据前述为永磁同步电机系统仿真所建立的各个模块的输入输出关系，可以 根据双环矢量控制的原理构建系统的仿真模型。所谓双环是指内部的电机电流p i 调节反馈控制环路和外部的电机速度p i 反馈控制环路。选择电流作为控制变量的 基本原因是，在磁场定向控制时，电磁转矩和磁通解耦后直接受控于定子电流的 转矩分量和磁链分量，通过控制电流就可以有效地控制转矩和磁链。“。 图3 7 中是双闭环矢量控制仿真模型的系统框图，其中电流环的反馈包含有 转子位置的反馈。速度环反馈包含转子速度的反馈。所以变量都取国际标准单位， 所有速度单位都是电角速度。电机参数为： 定子电阻：2 8 7 5 欧姆； 交，直轴电感：l d = o 0 0 8 5h ，l q = o 0 0 8 5h ； 转动惯量：o 0 0 0 8 m s 2 ； 极对数：4 ； 永磁体磁通：o 1 7 5w b ； 仿真模型是用离散定步长的算法，仿真步长1 e 一6 秒，电流环和速度环的采样 频率均为5 i ( 1 z 。p 咖载波周期5 k h z 。直流电压3 儿伏特。 b ) 控制器参数的调整及其对控制性能的影响 电流环和速度环的控制器用离散p i 控制器，参数采用z i e 9 1 e r n i c h 0 1 s 法整 定。先断开速度环，调整好电流控制器的参数；然后把包括电流环在内的系统看 成控制对象，再调整速度控制器的参数。d 轴和q 轴电流控制器的参数是取相同值。 这样整定后的参数还比较粗糙，需要在双闭环后分别调整电流环和速度环的参数 至系统性能最优。若还不满意，可再反复调整电流控制器和速度控制器的参数。 参数整定流程框图见图3 8 。 根据图3 8 的流程调整好控制器的参数见表3 3 ，控制器的输出限制一般要取 得稍微大一点，以免出现调节饱和，但是在足够大的情况下逐步减少控制器的输 出限制值，对改善控制性能有一定作用。 第三章永磁同步电机矢量控制仿真及实验 图3 8 参数调整的流程框 图3 8d i a g r 删o fa d j u s t i n gp a r 柚e t e r s 表3 3 控制器合适参数 l 调节器类别比例系数积分系数控制器输出限制 l 直轴电流调节器 9 82 6 一2 0 02 0 0 ；交轴电流调节器19 8 2 6 卜2 0 02 0 0 l 速度调节器 71 一3 0 03 0 0 根据仿真实验，三个p i 环节的参数对结果有一定的影响，总结如下：1 ) 比 例系数k p 作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。k p 越大，系统的响 应速度越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此k p 不能取的过大； 如果k p 取值较小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使 系统动、静态特性变坏。2 ) 积分环节作用系数k i 的作用在于消除系统的稳态误 差。k i 越大，积分速度越快，系统稳态误差消除越快；但k i 过大，在响应过程的 初期以及系统在过渡过程中会产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大的 超调，使动态性能变差；若k i 过小，使积分作用变弱，使系统的静差难以消除， 使过渡过程时间加长，不能较快的达到稳定状态，影响系统的调节精度和动态特 性。被控电机的参数与其控制性能关系不大，所以具有一定通用性。 广东工业大学硕士学位论文 1 3 4 仿真试验及结果分析 a ) 电流、转速、转矩响应。 ( a ) 改变负载转矩 ( a ) c l l a l 珥et o r q u e ( b ) 改变速度 ( b ) c h g es p e e d 图3 9 电流、转速与转矩响应仿真波形 f i g 3 - 9r e s p o n s eo fc u r r e n t 、s p e e d 髓dt o r q u e 在调整好参数后，永磁同步电机仿真系统电流、转矩、转速响应见图3 9 。 图( a ) 仿真时给定速度为2 0 0 r a d s ，负载开始为1 n m ，在时刻0 1 秒处转矩跳变到 第三章永磁吲步电机矢量控制仿真及实验 3 n m 。由图可见，电机的启动速度很快，且能准确快速跟踪给定速度。在加载的 情况下，速度经短暂波动后可以跟踪速度给定，转速波动很小，但输出转矩在给 定负载周围有些波动，这主要是电流环中q 轴p i 控制器不断调节的结果。转矩输 出正比于电流，这些结果符合预先对控制系统的分析。 图( b ) 是在运行中不断增加速度的仿真波形，负载转矩为l n m 。由图可见，仿 真系统有较宽的调速性能。速度阶跃增加时，加速度极大，因此会产生很大的转 矩响应。根据仿真实验，调速范围为 0 0 0 1 弧度秒一8 0 0 弧度秒 。 b ) 线电压波形和空间合成电压矢量所在扇区的变换 在仿真时给定速度为2 0 0 r a d s ，负载开始为1n m ，在时刻0 1 秒处转矩跳变 到3n _ m 时，图3 1 0 显示了相应的电机a b 线电压仿真波形和合成电压矢量所在扇 区的变换。可见空间电压矢量依次转过i i i ，i ，v ，i v ，v i ，i i 扇区，合成电压矢量 逆时钟旋转，与预期结果一致。由图可见，在0 1 秒处合成电压矢量在第1 i ，i i i ，i 扇区频繁切换，甚至到达第v i 扇区，对照图3 9 ( a ) 可见，这是转矩在此时突变 的缘故。 图3 一1 0 线电压波形与合成电压矢量所