（控制理论与控制工程专业论文）高性能永磁同步电动机矢量控制调速系统的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 高性能永磁同步电动机矢量控制调速系统的研究 摘要 自从上个世纪8 0 年代以来，随着永磁材料性能价格比的不断提高 和电力电子器件的进一步发展，永磁同步电动机( p m s m ) 调速控制 技术的研究也进入了一个新的阶段。目前永磁同步电动机调速系统越 来越多地应用在各种工业场合，研究高性能永磁同步电动机调速控制 技术具有重要的理论意义和实用价值。 系统采用了1 i 公司专用于电机控制的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型数字信 号处理器( d s p ) 作为核心，设计并开发了全数字化的p m s m 矢量控制 调速系统的软、硬件，提高了系统的通用性。 j 首先分析了永磁同步电动机的数学模型、永磁同步电动机的矢量 控制方法和空间矢量脉宽调制原理，讨论了速度和电流的控制策略， 设计了p i 参数自整定模糊自速度控制器、带交叉乘积项设计的p i 电 流环控制器，组建了改进型矢量控制的永磁同步电动机交流调速系统。 并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对系统进行了动态仿真，从仿真结果可以 看出，改进的矢量控制策略不仅设计简单，而且提高了系统转矩响应 的快速性和速度控制精度，对转子参数的摄动有较好的鲁棒性，从而 有效保证了系统的静态和动态性能，证实了所设计的改进型矢量控制 的永磁同步电动机交流调速系统是一种高性能的永磁同步电动机调速 系统。 其次，介绍了控制系统软、硬件结构和主要功能模块的原理及其 实现方法。硬件设计主要包括主电路、检测电路、保护电路和控制电 塑婆三些奎堂璺主堂竺笙茎 路等设计。在硬件的基础上，软件采用c 汇编语言编程，实现了转速 和电流双闭环矢量控制，给出了系统主程序和p w m 下溢中断处理程 序流程图。 最后，应用自行设计的软、硬件进行实验调试，实验结果进一步 验证了系统设计的合理性和可靠性。 关键词：永磁同步电动机，s v p w m ，改进型矢量控制策略，模糊 控制，数字信号处理 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nh i g h p e r f o r m a n c ev e c t o r c o n t r o ls t r a t e g yf o rp m s ms p e e d a d j u s t m e n ts y s t e m a b s t r a c t t h er e s e a r c ho np m s mh a se n t e r e dan e ws t a g es i n c et h e1 9 8 0 sw i t h t h ei m p r o v e m e n to fr a t i ob e t w e e nt h ep e r f o r m a n c ea n dt h ep r i c eo ft h ep m m a t e r i a la n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e s p m s m s p e e da d j u s t m e n ts y s t e mo fi t sg o o dp e r f o r m a n c eh a sa p p l i e dm o r ea n d m o r ep o p u l a r l yi ni n d u s t r i a ls e c t o r s ot h es t u d yo np m s ms p e e d a d j u s t m e n ts y s t e m b e c o m e sak i n do fd e v e l o p m e n t t r e n d ，。h a v i n g t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e t h et h e s i su s e sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 田s 3 2 0 l 】砣4 0 7 a s p e c i a lf o rd i g i t a lm o t o rc o n t r o lo ft ic o r p o r a t i o na st h ec o n t r o lc o r e ，a n d d e v e l o p st h es o f t w a r e a n dh a r d w a r eo ft h ef u l l d i 班a lp m s mv e c t o r c o n t r o ls p e e da d j u s t m e n ts y s t e mw h i c he l e v a t e si t sa v a i l a b i l i t y f i r s t l y , t h et h e s i sa n a l y z et h em a t h e m a t i c sm o d e lo fp m s m s t u d y v e c t o rc o n t r 0 1o fp m s ma n ds p a c ev e c t o rp w m ，a n dd i s c u s st h ec o n t r o l l e r d e s i g np r o b l e mf o rt h es p e e da n dc u r r e n tc o n t r 0 1 t h et h e s i sp r e s e a t sn o v e l f u z z y c o n t r o ls t r a t e g yf o rp is p e e dc o n t r o l l e ra n da d o p t st h en e wd e s i g no f c i r c u i tl o o pw i t hc r o s s m u l t i p l y i n gt e r m st op ic u r r e n tc o n t r o l l e r , w h i c h f o r ma ni m p r o v e dp m s ma cs p e e da d j u s t m e n ts y s t e m a tl a s t ，t h e 丌t 塑垩三些奎兰堡主兰竺笙茎 i m p r o v e ds p e e da d j u s t m e ms y s t e m i ss i m u l a t e du n d e rm a t l a b s i m u l i n k f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u k s ，i ti sv e r i f i e dt h a tt h ei m p r o v e d v e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo ft h i sp a p e rc a l lb ee a s i l yd e s i g n e d ，m o r e o v e r , i t e n h a n c e st h er a p i d n e s so ft 1 1 es y s t e mt o r q u er e s p o n s ea n dn l ec o n t r o l a c c u r a c yo fs p e e d i ti sa l s or o b u s ta g a i n s tt h ep e r t u r b a t i o no ft h er o t o r p a r a m e t e r t h u s ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma r e e n s u r e dv a l i d l y s e c o n d l y , t h em a i ns t r u c t u r e so ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep a r t so f t h es p e e da d j u s t m e n ts y s t e ma r ei n t r o d u c e d p r i n c i p l e sa n dr e a l i z a t i o no f t h em a i nf u n c t i o n a lb l o c k so ft h e s et w op a r t sa r ea l s oi l l u m i n a t e d i nt h e h a r d w a r es y s t e m ，t h em a i nc i r c u i t ，p r o t e c t i v ec i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ta r e d e s i g n e di nd e t a i li nt h i sp a p e r b a s e do nt h eh a r d w a r ec i r c u i t , t h es o f t w a r e i sp r o g r a m m e db yu s i n ga s s e m b l yl a n g u a g ea n dcl a n g u a g ec o m b i n e d t h ef l o wc h a r t so fm a i np r o g r a ma n dp w m i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e sa r e ：j g a v e i l f i n a l l y , t 1 1 ep r o g r a mi sd e b u g g e do nt h ed e s i g n e d s o f t w a r ea n d h a r d w a r es y s t e m t h er e s u l t so fe x p e r i m e n tf u r t h e rd e m o n s t r a t e st h e r e a s o i r a b l e n e s sa n ds u p e r i o r i t yo ft h ep r o p o s e dd e s i g nm e t h o d k e yw o r d 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 , s v p w m ，a n i m p r o v e dv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g y , f u z z yc o n t r o l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不 包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工 业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法 律责任。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本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和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：弼年j2 月御日 日期：彳年h 月巧一，日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 同步电动机调速系统的发展概况 电机调速控制技术的发展已经历了半个多世纪，到目前为止已经逐步形成在 高性能调速领域，交流电机调速系统和直流电机调速系统平分秋色的格局。直流 调速系统控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，尽管直流电机调速系统在 技术改造方面取得了进步，实现了全数字控制，以及由于用户对直流调速十分熟 悉而产生的过分眷恋，延缓了其退出电气传动领域的进程，但是由于直流电动机 结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大，经常因火花大而影响生产； 机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度，接触式的电流传输又 限制了直流电动机的使用场合：电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷 j j 却费用高，这些固有的缺点限制了直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发 展。从技术进步，运行可靠，维护简便、性能价格比等角度出发，直流调速系统 在2 1 世纪前期退出历史舞台己成一种趋势，这主要取决于直流电机本身的缺陷和 交流电机调速技术的全面成熟和发展 1 1 1 2 。 三相交流电机的特点是多变量、强耦合、非线性，其自身的某些参数带有时 变性。因此，要想获得理想的动态性能指标，采用传统的交流电机控制方法十分 困难。1 9 7 1 年，由f bl a s c h k e 首先提出异步电机矢量控制理论，经几十年的研究、 丰富和发展，已趋于成熟。交流电机矢量控制理论的建立奠定了现代交流电机控 制的理论基础，它从电机统一理论出发，立足于交流电机的动态数学模型，以分 别独立控制交流电机的转矩电流分量和励磁电流分量为目标，利用空间矢量的坐 标变换方法，实现定向磁场和转矩的解耦控制，达到提高交流调速系统动态性能 的目的。 交流调速系统由异步电动机调速系统和同步电动机调速系统两大部分组成。 由于同步电动机调速系统具有功率因数高、转子参数可测、效率高、定转子气隙 大、控制性能好等方面的优势，而异步电动机则不具备这些特点。因此同步电动 塑堑三些奎兰堡主兰垡笙奎 机调速系统越来越受到国内外专家学者的广泛重视。由于同步电动机的转速是由 定子电流频率和极对数决定，因此电动机在固定频率下恒速运转，当负载转矩加 到同步电动机轴上时，几乎是瞬时便建立起相应的拖动转矩，以维持电动机的稳 定运行。又由于在同步电动机中，磁场采用直流励磁，因此允许电动机在任何功 率因数下工作，所以最初的同步电动机只用于拖动恒速负载或用于改善功率因数 的场合。在恒定频率下运行的大型同步电动机又存在着容易发生失步和振荡的危 险，以及启动困难等问题，因此，在没有变频电源的情况下，很难想象对同步电 动机的转速进行控制。 2 0 世纪3 0 年代后期，人们开始研究三相交流同步电动机的调速问题。由于 当时的闸流管难以适应变流器的工作，所以变流器供电的同步电动机传动系统未 曾得到足够的重视。随着电力电子学的发展，电力电子器件的发展为交流调速奠 定了物质基础。新型电力电子器件g t o 、i g b t 以及智能功率模块( p m ) 的出现 使得变频调速系统发展到一个新的阶段，同步电动机调速系统己经在实际中得到 广泛的应用【3 】【4 】。 ：同步电动机变频调速系统从控制方式上可分为两大类：一类为他控式变频调 速系统；另一类为自控式交频调速系统。他控式变频调速系统中所用的变频装置 是独立的，其输出频率直接由速度给定信号决定，属速度开环控制系统，适应于 多台机组并联运行的场合。由于这种系统没有解决同步电动机的失步、振荡等问 题，所以在实际的调速场合很少使用。随着电力电子技术的发展和各种高性能变 频装置的出现，为同步电动机应用于要求大范围调速的场合奠定了基础。因此现 阶段同步电动机变频调速系统一股采用自控式运行，通过位置传感器检测同步电 机转子位置，根据电机自身转子的位置及转速决定逆变器输出频率。这样能时刻 保持同步电机工作在同步状态，从根本上解决了同步电机变频调速失步的问题。 自控式变频同步电动机调速系统可分为两大类：一类是大、中容量的晶闸管自 控式变频同步电动机，通常称为负载换相同步电动机调速系统；另一类是小容量 的永磁同步电动机自控式变频调速系统。后者根据电动机反电势的波形形状又可 分为无刷直流电动机( b r u s h l e s s - d cm o t o r 一简称b l d c m ) 调速系统和三相永磁 同步电动机( p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r 一简称p m s m ) 调速系统两种， 它们的区别在于前者的感应电动势为梯形波，电流为方波，而后者的感应电动势 和电流都为正弦波。 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 永磁同步电动机调速系统的发展现状 p m s m 是用稀土永磁体代替励磁绕组所构成的一种新型同步电机。它结构简 单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高，转子无发热问题，有大的过载能力， 小的转动惯量和小的转矩脉动与传统的电磁式同步电机相比，p m s m 无需电流励 磁，不设电刷和滑环，因此结构简单，使用方便，可靠性高。同时p m s m 的效率 比电磁式同步电机要高，并且其功率因数可设计在1 0 附近。与鼠笼异步电动机相 比，p m s m 的优点主要表现在以下三个方面：高效节能；体积小、重量轻、功率密 度高；转速与频率严格成正比。p m s m 与b l d c m 相比，二者各有优缺点：p m s m 通常采用矢量控制，控制算法相对复杂，控制器成本高，而b l d c m 控制方法和 控制器结构简单；p m s m 必须使用高分辨率的转子位置传感器，而b l d c m 转子位 置传感器结构简单、成本低；p m s m 电流连续，铁心中附加损耗较小，而b l d c m 定子磁场非连续旋，造成铁心附加损耗增加；p m s m 只要保证各个向量均为正弦 波，就可以消除转矩脉动，然而b l d c m 不可能完全消除转矩脉动。 正是基于p m s m 的上述优点，所以由它组成的传动系统已受到国内外的普遍 重视，广泛用于柔性制造系统、机器人、办公自动化和数控机床等领域。自2 0 世 纪8 0 年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备的重要驱动源之一 的调速系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能p m s m 调速系统已成为国 _ 内外广大学者的共识。近年国内外广大学者从提高系统以“硬形式”存在的包含 p m s m 、逆变器、检测元件等在内的性能和和以“软形式”存在的控制篆略的角 度着手以提高p m s m 调速系统性能作了大量的研究和探索，并取得了相应的成果： ( 1 ) 采用了“卡尔曼滤波法”估计p m s m 的转子位置而实现了转子位置检测 的“无传感器化【6 h ， ( 2 ) 采用高性能的永磁材科和加工技术改进p m s m 转子结构和性能，以通过消 除削弱因齿槽转矩所造成的p m s m 转矩脉动对系统性能的影响7 1 。 ( 3 ) 采用基于现代控制理论为基础的具有较强鲁棒性能的滑模控制策略以提 高系统对参数摄动的自适应能力阿。 ( 4 ) 在传统p d 控制基础上引入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线 性负载类的调节和自适应能力t g t 姗。 对于发展高性能p m s m 调速系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式”存 3 浙江工业大学硕士学位论文 在的p m s m 、逆变器及相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因素的制约； 而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控制理论新的发展 尤其智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，交流 调速系统所要用的微处理器的性能不断提高，特别是d s p 的出现，为永磁同步电 机调速系统采用先进的控制理论以及复杂的控制算法提供了有力的支持，同时也 使得模糊控制，神经网络控制等智能控制理论在交流调速系统中在线实时的应用 成为可能，使得基于智能控制理论为基础的先进控制策略和基于传统控制理论( 含 现代控制理论) 为基础的传统控制策略的“集成”得以实现，并为其实际应用奠定 了相应的物质基础。因此，结合控制理论新的发展，从通过改进控制策略的角度着 手以提高控制器性能进而提高p m s m 调速系统性能己日渐成为国内外广大同仁热 衷采用的手段和研究的焦点之一【i l 】。 纵观永磁同步电动机调速系统的研究现状，自控式变频调速系统主要采用的 基本控制策略主要为矢量控制和直接转矩( d t c ) 控制。矢量控制的思想源于交流 电机对直流电机控制的严格模拟，在上一节中己做了介绍。由于永磁同步电动机 自身具有比感应电动机更为优越的性能，而且其坐标变换算法相对简单、电机转 子磁极的位置易于检测，因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电动机的控制 领域也得到了同样的重视目【1 2 1 。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制 电流、磁链等量来间接控制转矩，其基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置 和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电机的 瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差 率，达到直接控制电机输出的目的13 】 1 4 】。两种方案的有各自特点、优点和弱点， 如何确定它们各自最佳的应用场合，最大限度地发掘交流变频调速技术在不同领 域应用中的潜力有着重要的现实意义【1 4 】。 在基本控制策略的基础上国内外学者从不同角度着手进行了大量的研究和实 践，尤其是在近几年围绕提高p m s m 控制性能、降低成本在系统控制策略上作了 大胆的探索和研究，提出了一些新的思路，采用了一些具有智能性的先进控制策 略并取得了一些具有实用性意义的成果。但是永磁同步电动机自身就是具有一定 非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时其调速对象也存在较强的不确定性和 非线性，加之系统运行时还受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略是很难满 足高性能永磁同步电动机调速系统的控制要求。为此，如何结合控制理论新的发 4 浙江工业大学硕士学位论文 展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进作为永磁同步电动机调速系统核 心组成部件的“控制器”性能，来弥补系统中以“硬形式”存在的“硬约束”，理 应是当前发展高性能p m s m 调速系统的一个主要“突破t 2 1 ”。 1 3 课题的研究背景、意义 由上节的叙述可知随着现代电力电子技术、微电子技术及计算机技术等支撑 技术的快速发展，以永磁同步电动机作为执行机构的交流调速系统的发展得以极 大的迈迸。以d s p 为核心的全数字伺服系统，由于其控制灵活，智能化水平高， 参数易修改，便于分布式控制等，已成为当今交流调速系统发展的趋势。由于调 速控制技术是决定交流调速系统性能好坏的关键技术之一，同时这也是国外交流 调速技术封锁的主要部分。随着国内交流调速用电机及驱动器等硬件技术逐步成 熟，以软形式存在于控制芯片中的调速控制技术成为制约我国高性能交流调速技 术及产品发展的瓶颈。所以，虽然国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产 业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据，为了加快国内变 频调速系统的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势有一个全面的了解和 学习，并且有所创新。因此研究高性能交流调速控制技术，尤其是最具应用前景 的永磁同步电动机调速控制技术，具有重要的理论意义和实用价值。 1 4 课题的研究内容 本课题研究的是基于d s p 的高性能永磁同步电动机矢量控制调速系统。本系 统中，在永磁同步电机矢量控制的前提下采用速度和电流双闭环的控制，并结合 美国t i 公司生产的专用于电机控制的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 芯片作为数字控 制器的核心，辅以相应的外围电路，设计了相应的控制软、硬件，通过了软、硬 件调试，并进行了最初的实验验证。 主要包括以下几个方面： ( 1 ) 永磁同步电机矢量控制理论分析。分析p m s m 工作原理以及非线性、强 耦合的特点，利用矢量变换进行电机模型的解耦，建立了永磁同步电机的速度环 和电流环双闭环控制的数学模型。 ( 2 ) 采用一种新型的空间电压矢量( s v p w m ) 控制技术，并对其原理及实际应用 5 堑塾三兰竺奎兰娶圭兰垒丝奎 进行了详细的分析和仿真论证。 ( 3 ) 在传统p i d 控制基础上引入先进控制策略。对传统电流环进行了改进，采 用带交叉乘积项的电流环设计；在速度外环上设计了p i 参数自整定模糊控制器。 结合两者的改进引入了一种改进的矢量控制策略，并在m a t l a b s i m u l i n k 中作了仿 真实验验证这种改进的矢量控制策略的优越位。 ( 4 ) 硬件电路的设计和调试。以d s p 为核心的控制系统中设计了主电路、控 制电路和过流、过压、欠压等系统硬件保护电路。其中控制电路中包括转子速度 及位置检测电路、电流采样电路、以及1 m s 3 2 0 u 砣4 0 7 a 芯片必要的外围扩展电 路，经过调试，此硬件设计电路基本能完成控制功能。 ( 5 ) 采用t m s 3 2 0 c 2 x x 芯片专用的汇编语言和c 语言混合编程开发了控制系 统的软件部分。 ( 6 ) 进行实验验证，著就实验结果进行分析。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第二章永磁同步电动机的矢量控制策略 电动机调速的关键是转矩控制，转矩控制的要求可以归纳为：响应快、精度 高、脉动小、系统效率和功率因数高等。任何拖动控制系统都服从于基本运动方 程式 4 】： 乃一瓦= 等鲁 ( 2 - 1 ) 式中g d 2 电动机和负载机械的飞轮力矩，g d 2 = 4 9 j ( 卜转动惯量) ； n 电动机转速； 乃、瓦电动机的电磁转矩和负载转矩。 从式( 2 - 1 ) 可以看出，除电磁转矩外，再无其它控制量可影响转速。如果能快 速准确地控制转矩，使得传动系统在负载扰动时获得较小的动态速降和较短的恢 复时间，那么，调速系统就具有较高的动态性能。因此。调速系统性能的好坏关 键是电磁转矩控制得如何。 电动机调速的关键是转矩控制。对于直流他励电动机而言，转矩公式垌 乃= c 。矿，。 ( 2 2 ) 当励磁电流，不变，即妒不变时，转矩与电枢电流，。成正比。由于电磁转矩 中的两个可控量7 ，和l 是相互独立的，所以转矩可以快速响应l 的变化，控制好 电流j 。就等于控制好转矩l 。因此，直流他励电动机的良好动态性能比较容易实 现。根据电机统一理论1 司可知感应电动机转矩公式为 死= c m 九f ，c o s p 2 ( 2 3 ) 其中气隙主磁通九，转子电流f r 、转子内功率因数c o s 仍都是转差率s 的函 数，它们相互耦合，互不独立，并且又都是难以控制的量。因此，要在动态中准 确地控制感应电动机的转矩比较困难。对于同步电动机来说，它的转矩控制更加困 难。矢量变换控制技术的出现，从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问 题。 7 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 矢量控制的基本原理 1 9 7 1 年，由德国b l a s c h k e 等人首先提出了交流电动机的矢量变换控制理论， 从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。其基本思想【1 ”是在普通的三 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瓤产生转矩的转矩电流分量并使两分互相 垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流机的转矩控制，从原理和特性上 就和直流电功能相似了。因此矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置 ( 频率和相位) 的控制。 矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实旅仍然要落实到对定子 电流( 交流量) 的控制上。由于在定子侧的各物理量( 电压、电流、电动势、磁动势) 都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。 为此，需借助于坐标变换使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站 在同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐 标系上的各空间失量就变成了直流量，可以根据转距公式的几种形式，找到转矩 和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转距控制所需的被控矢量的各分 量值直流给定量。按这给定量实时控制，就能达到直流电动机的控制性能。 由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是虚构的，因此，还必须再经过坐标 的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际 的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进彳亍控制，使其实际值等于给定值。 简单的说所谓矢量控制就是将用静止坐标系所表示的电动机矢量变换到以气 隙磁场或转子磁场定向的坐标轴系。这里选用转子磁场定向方法：三相电流f ， 如经过由三相静止坐标系到两相垂直静止坐标系a 猡轴，再由两相静止坐标系到两 相旋转坐标系却轴的变换，并使d 轴沿着转子磁链的方向，则交流电动机就变成 了由励磁电流分量和转矩电流分量分开控制的直流电动机。按照直流电动机 的控制方法，求得控制量后，再经过坐标反交换，就能控制交流电动机。 2 2 永磁同步电动机的数学模型 下面以采用三相正弦波电流驱动的永磁同步电动机( p m s m ) 为研究对象 8 浙江工业大学硕士学位论文 说明永磁同步电机在旋转坐标系( d q ) 坐标系下的数学模型。 2 2 1 坐标变换 对于p m s m 来说，定义n 罗坐标系的口轴与定a 相绕组重合，轴逆时针超 前口轴9 0 。空阔电角度，由于口轴固定在a 相绕组轴线上，故a 秽坐标系为静止坐 标系。同时定义由坐标系的d 轴与转子磁极轴线重合，q 轴逆时针超前d 轴9 0 。空 间电角度，d 轴与a 相定子绕组的夹角为8 ，该坐标系在空间随同转子以电角速 度鳞一道旋转，故为旋转坐标系。各坐标系如图2 - 1 所示。 岛 、j n 图2 - 1 定转子各参考坐标系及其相对关系 图2 1 中，对定子电流而言，三相静止坐标系下，电流f 应为 其中：以= 秽+ 矿，妒为合成磁势与d 轴的夹角，即a 相绕组轴线与d 轴重合 时，a 相电流的相角。 图中各坐标系的变量关系可用c l a r k e 变换、p a r k 变换、p a r k 逆变换来进行等 效转换 1 8 t 。 c l a r k e 变换： 卧 肆 9 由q) ) 幼一，纫一， 以岛 见 一 州 州 = = = k 嘻 - t 5q kb looooo上 一1 2 巫2 浙江工业大学硕士学位论文 p a r k 变换 p a r k 逆变换 i a l c o s 8 引2 l s i n 矽 2 _ 2 1 2 永磁同步电机在转子磁场定向坐标系下的数学模型 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 前面介绍了矢量控制的基本原理和坐标变换方法，要组成真正的矢量控制系 统，还必须从电机的动态数学模型出发，找出各物理量之间的关系，特别是定子 和转子电流相互作用而产生的磁通和转矩之间的关系，在定向坐标系上实现各量 的控制和调节。 1 ) 双反应理论【“1 j 除高速同步电动机外，大多数同步电动机都采用凸极转子，因此，走定转子 之间的气隙不均匀，极面下气隙较小两极之间的气隙较大，因而沿电枢圆周各 点单位面积的气隙磁导 各不相同。凡的变化以转子磁极轴线对称，并以1 8 0 。空 间电角度为周期。由于直轴( 习惯上选在励磁绕组的正轴线上) 处的气隙比交轴( 与 直轴垂直) 处小，故直轴的磁导比交轴的磁导大。这佯，同样大小的电枢磁动势作 用在真轴和交轴上时，所产生的电枢磁场将有明显的差别。在一般情况下，若电 枢的磁动势既不在直轴、又不在交轴，而是作用在空间任意位置时，应当首先把 电枢磁动势分解放直轴和交轴两个分量，再用直轴磁导和交轴磁导分别考虑直轴 和交轴电枢磁动势所产生的电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。这种考虑 到凸极同步电动机气隙的不均匀性，而把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应来分 别处理的方法，电机学中称为双反应理论。这种方法摆脱了磁导随磁动势作用的 变化而变化的现象，使同步电动机微分方程中的电感不再是转子位置的函数，从 而建立起简单的同步电动机数学模型。 2 ) 转子磁链定向控制的永磁同步电动机的数学模型【1 6 1 永磁同步电动机具有正数形的反电动势波形，其定于电压、电流也应为正弦波。 1 0 k h v 矽口证础：薹 c 一 = 0 k k _ 鲫础 一 c 塑坚三些奎兰婴圭兰垡笙茎 假设电动机是线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子无阻尼 绕组垌，那么是于转子坐标系( j 一口) 中的永磁同步电动机定子磁链方程为： y 一= d f 耐+ y ， ( 2 8 ) 1 ， q 2l q i i q 式中 转子磁钢在定子上的耦合磁链； l d 、厶永磁同步电动机的直、交流轴主电感； o 、定子电流矢量的直、交轴分量。 p m s m 的定子电压方程为 “s d = “+ p y 耐一甜妒w 1 ( 2 - 9 ) “婶= r , i 田+ p 矿帕+ c o 矿s d 式中l g s q 定子电压矢量的直、交轴分量； 甜转子角频率 同步电动机的转矩方程可表示为： 乃= 一p 。i m 也虬) = 一p 。i m ( i , a j i 啊) ( 么+ ，虬口) 】 ( 2 1 0 ) 将式( 2 。8 ) 代入( 2 1 0 ) 可得： 乃= ( 岛一0 ) = p 卅【孵+ ( l d l 口k f 叼】 ( 2 - 1 1 ) 从上式可以看出，永磁同步电动机的电磁转距基本上取决于定子交轴电流分 量和直轴电流分量，在永滋同步电动机中，出于转子磁链恒定不变，故均采用转 子磁链定向方式来控制永磁同步电动机。在基速以下恒转矩运行区中，采用转子 磁铁定向的p m s m 中，如果使定子电流矢量位于口轴，而无d 轴分量( 1 s d = o ) ， 即定子电流全部用来产生转矩，此时p m s m 的电压方程可写为 葛麓时甜 刚劲 “叫= l j + k p l j + 甜弘， 电磁转矩方程为 死= p 。炸如 ( 2 1 3 ) 此种控制方式最为简单，只要能准确地检测出转子空间位置( d 轴) ，通过控 制逆变器使三相定子的合成电流( 磁动势) 位于日轴上，那么，永磁同步电动机的 电磁转矩只与定子电流的幅值f ，成正比，即控制定子电流的幅值。就能很好地控 制电磁转矩，这和永磁直流电动机的原理类似。 浙江工业大学硕士学位论文 当电机要在基速以上运行对，采用匕 o ，则b - i ，否则1 3 = 0 ： c ) 如果v 。 o ，则c = i ，否则c = o 。 贝扇区号n = a + 2 b + 4 c ，电压扇区判定表见表2 - i 。 表2 1 电压扇区判定表 i 扇区号n l2 3 4 56 i u m f 所在扇区 i v ( 2 ) 相邻两矢量作用时间的确定。令 一 x = 4 3 u # , e ：t i u 出 y = ( , f l u 胛，2 + 3 “州2 ) t u 出 ( 2 2 5 ) z = ( 4 3 u a , 可2 3 “州2 ) t u 出 则各扇区相邻两矢量作用时间如表2 2 。若出现饱和( 夏+ 瓦d 则： 瓦= t x t i ，( 瓦+ 疋) 疋= t x t 2 ( 五+ 疋) ( 2 2 6 ) 表2 2t lt 2 赋值表 i 扇区号 l 23 4 56 l lt 1zyz- xxy i i1 2yxxzy一z l ( 3 ) 确定矢量切换点 如图2 4 中第m 扇区中三相p w m 波形按脉冲宽度的大小依次定义它们空间矢 1 6 塑坚三些奎兰堡主兰垡丝奎 量切换点分别为 瓦= ( t 一五一r 2 ) 4 t b = 瓯+ 五，2 ) ( 2 2 7 ) 瓦= ( 死+ 砭2 ) 由图2 - 4 可知不同扇区瓦，瓦，瓦的顺序不同，下表确定不同扇区空间矢量切换点。 表2 - 3 开关切换时间表 扇区号 l 2 3456 t e r n lt bt at at ct ct b t c m 2t at c西nt at c t c m 3t ct bt ct a1 b t a t c m l 、t c m 2 、t o m 3 在基于d s p 的控制系统中，作为全比较寄存器的值，通 过与定时器计数寄存器的值进行比较来产生p v v 2 v i 。 2 4 3s v p w m 的仿真分析 根据上面的分析，在l v i a q 3 l a j 3 6 5 s i m u l i n k 环境下不需要编程，只需通过模 块的搭建就可实现系统仿真 2 7 1 1 2 8 1 ，仿真结构图如如图2 - 5 所示，通过仿真结果来 验证基于1 2 v i s 3 2 0 l p 2 4 0 7 a 生成s v p w m 的算法的正确性冽【3 0 】，以便为以后软件 平台的搭建提供正确的理论依据。 3 p h a s e t l ；v e r t e r 7 s u b s y s t e m ： g 日t e s ig n a l s 图2 - 5s v p w l v l 系统仿真图 仿真参数设置如下：三角载波频率f = 2 k h z 。载波周期t = l f ，幅值为t 2 。交 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 流电源为频率5 0 h z 的三相交流电u 女取5 1 0 v 。其中脉冲实现( g a t es i g n a l s ) 模块框图详见图2 - 6 ，该仿真框图由两个子系统组成：t o = 口，b ，c ) 信号的产生系 统和三相逆变器所需的6 路p w m 脉冲信号p l u s e 产生系统。两子系统用d a t e s t o r e 模块连接实现数据传送。 ，象i 融锫渔擀 ，p u l s e 国 参掌i as t t 赫e m 埘 图2 - 6g a t es i g n a l s 系统框图 l ( 工= 口，b ，c ) 产生系统的模块建立按照前2 4 2 节叙述的空间矢量( s v p w m ) j 算法可容易实现，在这不再具体讲述。很多介绍空间矢量脉宽调制的文章都用i o 当作调制波和三角载波进行比较，而本文直接将t ( 石= n ，玩c ) 信号作为调制波和 三角载波进行比较产生脉冲信号，再通过扇区n 的选择根据表3 产生三相逆变器 所需要的p w m 数字脉冲信号，具体实现方法见图2 7 。 图2 - 7p l u s e 实现框图 1 8 塑坚三些奎兰堡主堂垡笙奎 l ( 工= a , b ，c ) 信号调制波和三角载波的波形如图2 8 ，【，。所在的扇区输出波 形为图2 9 。图2 5 中的负载( 1 0 a d ) 为感性负载，取r = 1 5 5 8 q ，电感l = 2 0 e - 3 h ， 由示波器观察到的由s ) w m 算法产生的相电压波形和相电流波形分别如图2 1 1 和2 1 2 所示。 图2 - 8 瓦( j = 口，b ，d 信号调制波 图2 - 9 扇区波形 图2 - 1 0s v p w m 相电压输出波形图2 - 1 1s v p w m 相电流输出波形 由上面的图形可知通过仿真示波器所观察到的输出电压、电流波形符合实际 需求，进一步验证了所采用的空间脉宽调制( s 、1 7 w m ) 算法的正确性。 2 5 本章小结 本章介绍了永磁同步电动机矢量控制的基本原理，通过坐标变换给出了永磁 同步电动机在转子磁场定向的( d g ) 坐标系下的数学模型。详细介绍了s v p w m 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 的原理及其实现的算法，并在m 觚a b ，s m i u l i n k 下进行了仿真研究，给出了 仿真结果同时讨论了永磁同步电动机的矢量控制调速方案，主要说明了匕= 0 的 矢量控制方式，采用转速环和电流环的双闭环控制策略，并给出了永磁同步电动 机矢量控制的双闭环控制的数学模型。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章矢量控制系统控制器的设计 根据偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 进行控制( 简称p i d 控制) ，是控制系 统中应用最广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这 种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到比较满意的效果。自从计算机 进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器组成计算机控制系统，不仅用 软件实现p i d 控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使p i d 控制更加有效。 p i 调节器构成的滞后校正可以保证稳态精度，一般调速系统的要求以动态稳 定性和稳态精度为准，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用p i 调节器【1 2 1 。 3 1 常规p i 控制器的设计 3 i ip l 控制器设计 在矢量控制系统中，p i 调节器参数选择的好坏直接影响到电机的静态和动态 性能。它主要用于跟踪反馈量的偏差，对控制量进行调节，其控制规律为： ，蝴鸣卜批川 ， 采用d s p 器件后，可以用数字p i 调节实现模拟调节的功能。模拟调节的数字 化，实质上是用差分方程去逼近微分方程，对其进行数字模拟，式( 3 1 ) 经离散 化后可以得到离散的p i 算法为： i “辑丁) = k ，f 以r ) + x p ( ，) ( 3 2 ) i - - o 其中七为采样序号“( 玎) 为第次采样时刻的控制器输出值，e ( 七z ) 为第次采 甲 样时刻的输入值，积分系数足一= k p 鲁。t 为采样周期，要保证足够的精度，在离 散化的过程中，丁必须足够短。由( 3 圆式可以看出在使用过程中系统运算工作量 大，需要累加偏差f 亿r ) ，不仅占用较多的存储单元，而且会造成误差累积，影响 2 l 浙江工业大学硕士学位论文 控制系统的性能，因此将( 3 - 2