（控制科学与工程专业论文）基于双模糊控制的永磁同步电机直接转矩控制系统.pdf

摘要 永磁同步电动机以其体积小、重量轻、效率高、功率密度大、低 速输出转矩大、维护简单等优点受到了电机驱动系统研发人员的高度 重视。同时直接转矩控制具有结构简单、动态响应迅速等特点，永磁 同步电机直接转矩控制已成为现代交流传动领域的研究热点。 本文主要研究永磁同步电动机直接转矩控制系统，首先说明了选 题背景和课题研究的目的和意义，再综述了永磁同步电动机直接转矩 控制系统的研究现状。以三相交流永磁同步电机( p m s m ) 为研究对象， 研究了永磁同步电机直接转矩控制方法的基本原理，在分析永磁同步 电机结构及特点的基础上，给出了其数学模型和运动方程，深入探讨 了直接转矩控制在永磁同步电机上的应用理论基础。 详细分析了永磁同步电机直接转矩控制系统转矩脉动产生的原 因，讨论了零电压矢量在系统中的特殊作用，在此基础上提出了双模 糊直接转矩控制方法，分别用模糊控制器和模糊p i 控制器代替转矩 磁链滞环比较器和p i 速度调节器，以期改善系统的性能。利用磁链 角的对称特性进行映射，改进了模糊控制规则表，减少了模糊控制规 则数，使控制器更易于实现和实时l 生更强。 借助m 筒r l a b s i m i 仆k 工具，对双模糊控制的永磁同步电机 直接转矩控制系统进行了仿真实验，得到了与理论分析一致的实验结 果：验证了本课题所提出的双模糊控制策略的可行性；对比表明该方 法明显的优于常规的直接转矩控制，减少了永磁同步电机的转矩脉 动，提高了系统的控制性能。 关键词：永磁同步电机，直接转矩控制，模糊控制，模糊p i a bs t r a c t t h ep e r m a n e n t sm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e ( p m s m ) h a sc o m et o t h ed r i v e s y s t e md e v e l o p e r s a t t e n t i o n sf o rt h e i rm e r i t ss u c ha s l o w v o l u m e ，h i g hp o w e rd e n s i t y , h i 曲e f f i c i e n c ya n ds i m p l em a i n t e n a n c e t h e d i r e c tt o r q u ec o n t r o lh a st h ea d v a n t a g es u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，c l e a r c o n c e p ta n df a s tr e s p o n s e t h e r e f o r e ，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 s d i r e c tt o r q u ec o n t r o lb e c o m e st h er e s e a r c hf o c u sr e c e n t l y r e s e a r c h e so nt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rh a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e r f i r s t l yt h eb a c k g r o u n d a n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ha r es h o w e d ，a n dt h e nt h er e c e n tr e s e a r c h a c h i e v e m e n t so ft h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o ra r es u m m a r i z e d t a k et h et h r e e - p h a s ea cp m s m a s t h er e s e a r c ho b j e c t ，t h eb a s i c p r i n c i p l eo fp m s md t cm e t h o di s d i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y d e p e n do nt h ea n a l y s i st h ec o n f i g u r a t i o na n d c h a r a c t e r i s t i co fp m s m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dm o v e m e n te q u a t i o n i sp u tf o r w a r d ，a n dt h ea p p l i c a t i o nt h e o r yf o u n d a t i o no fp m s md t ci s d i s c u s s e dd e e p l y t h er e a s o no fd t c t o r q u er i p p l ei np m s m i sc o n c r e t e l ya n a l y z e d ， a n dt h es p e c i a le f f e c to ft h ez e r ov o l t a g ev e c t o ro nt h em o t o rt o r q u ei s d i s c u s s e d b a s e do ni tam e t h o do fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lu s i n gd o u b l e f u z z yl o g i ch a sb e e np r o p o s e d f u z z yc o n t r o l l e ra n df u z z yp ic o n t r o l l e ri s u s e dt oi m p r o v et h es y s t e m sp e r f o r m a n c ei n s t e a do fh y s t e r e s i sa d j u s t i n g c o n t r o l l e ra n dp is p e e da d iu s t i n gc o n t r o l l e r b ym a p p i n gt h es y m m e t r y , i t 一 一 一一 一 一一 c h a r a c t e r i s t i co ff l u xa n g l e ，a ni m p r o v e df u z z yc o n t r o lr u l et a b l eh a sb e e n p r o p o s e d ，d e c r e a s i n gt h en u m b e ro ff u z z yc o n t r o lr u l e sa n dm a k i n gt h e c o n t r o l l e re a s i l yr e a l i z e da n db e e nb e t t e rr e a l - t i m ea c t i o n d e p e n do nt h ea n a l y s i so ft h ep m s md t ct h e o r y , b yd i n t o ft h e m a t l a b s i m u l i n kt o o l s ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fd o u b l ef u z z y c o n t r o lo fp m s mi sb u i l ta n dt h er e s u l ti sc o i n c i d e n tw i t ht h e o r ya n a l y s i s ， v a l i d a t i n gt h ef e a s i b i l i t yo fd o u b l ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g y b yc o m p a r i n g w i t ht h ec o n v e n t i o n a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o l s y s t e m ，t h e r e s u l t so f s i m u l i n ks h o wt h a tt h ed o u b l ef u z z yd t ci sm o r ee f f e c t i v et h a nt h e c o n v e n t i o n a ld t ca n di tr e d u c e st h et o r q u er i p p l e sa n di m p r o v e st h e s y s t e mc o n t r o lp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：p m s m ；d t c ；f u z z yc o n t r o l ；f u z z yp i 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盔蝉 日期：墨，一年上月三绐 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名姬日期： 丝年月堑日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 本课题来源于变流技术国家工程研究中心与中南大学共建现代交流调速实 验室建设项目，并得到中国北方车辆集团项目资助。该课题面向现代交流调速控 制领域，进行理论研究和工程实践，主要针对永磁同步电动机( p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rp m s m ) 交流传动控制系统的直接转矩控制系统及其存在的 问题进行探讨，研究控制性能改进和控制策略，使现代交流传动控制系统能更好 地服务于交通运输、工业控制和民用设施等应用场合。 电气传动系统是由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成的一个有机整 体。三部分之间的不同组合，可构成多种电气传动系统1 1 1 。 从电流型式上分，调速传动分为直流调速和交流调速两大类，但在交流调速 中，异步电动机调速系统和同步电动机调速系统己经发展成为占有相当比例的两 类调速系统，目前己形成直流电动机调速、异步电动机调速、永磁同步电动机调 速三大类调速系统1 2 j 。异步电动机调速系统包括转差功率消耗型，转差功率馈送 型，转差功率不变型。而同步电机转差恒等于零，转差功率为零，只有转差功率 不变型的变压变频调速。 直流调速系统控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调速 系统领域里占统治地位1 3 】。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；同时，接触式的电流传输限制了 直流电动机的使用场合；而且，电机的电枢在转子上，电动机效率低，散热条件 差，冷却费用高，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。 在交流调速系统中，因异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本 低和保养维护简单等优点，所以长期以来，异步电动机占有主导地位【4 】，例如风 机、水泵、普通机床的驱动中，人们广泛使用异步电动机来拖动机械工作。交流 变频调速技术，因其显著的节能效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，被公 认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。 自2 0 世纪7 0 年代以来，科学技术的发展极大地推动了永磁同步电机的发展 和应用【5 j 。主要原因是：高性能永磁材料的发展、新型电力电子技术器件的开发、 脉宽调制( p w m ) 技术的应用以及电子技术和控制理论的发展【6 1 。 永磁同步电机的研究、开发和应用是和永磁材料的发展密切相关的，新型稀 土永磁材料的出现，使永磁电机的研究和开发进入了一个高速发展的时期。根据 中南大学硕士学位论文第一章绪论 稀土永磁材料发展的不同时期，可将永磁同步电机的发展分为三个主要阶段。 2 0 世纪2 0 年代，美国g e 公司利用铁氧体磁钢研制出一批微型永磁同步电 动机，但功率很小1 7 j 。 到了六七十年代，第一代和第二代稀土钐钴永磁材料s m c o s ，s m c o l 7 相继 问世，其优异的磁性能使得永磁电机的发展呈现出新的生机。但是，钐、钴均为 稀有金属，价格昂贵，给广泛的实际应用带来了困难【8 】。 1 9 8 3 年，日本住友特殊金属公司、美国通用汽车公司分别研制成功铷铁硼 ( n d f e b ) 永磁材料，国际上称为第三代稀土永磁材料1 9 】。n d f e b 磁钢磁能积高、 性能优越、而且原材料丰富、价格较便宜。从1 9 8 4 年起，各工业发达国家竞相 研制高性能永磁电机，日本住友公司和美国通用公司分别批量制造用于计算机外 存储器的音圈电机及n d f e b 永磁汽车启动电机【l o j 。德国西门子公司经过十多年 努力，研制成功用于化纤工业的高速永磁电动机和用于交流调速系统的工u a 3 系列永磁同步电动机【1 1 1 。我国是稀土资源大国，总储量占世界的8 0 ，因此， 研制、开发n d f e b 永磁电机更具有得天独厚的条件【1 2 13 1 。 相比于异步电动机，永磁同步电动机主要有以下几方面的优点： ( 1 ) 效率高，节能效果明显【1 4 1 。由于转子为永磁体，具有相对较小的定子 电流和定子铜耗，并且永磁同步电机在稳态运行时没有转子铜耗，进而可以因总 损耗降低而减小风扇容量甚至去掉风扇。通常，它的效率比同规格的感应电动机 可以提高6 - 1 0 个百分点。与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励 磁功率，提高了效率，使得控制更为方便【l5 1 。而且，永磁同步电动机在2 5 1 2 0 额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效 果更为显著，在长期的使用中可以大幅度地节省电能。 ( 2 ) 电机电磁转矩纹波系数小，运行转速平稳，动态响应快速，过载能力 强。同步电动机比感应电动机对电压和转矩的扰动具有更强的承受能力【1 6 】。感 应电动机负载转矩发生变化时，要求电机的转差也跟随变化【1 7 】，即电机的转速 发生相应的变化，但是系统转动部分的转动惯量阻碍电机转速的相应变化，从而 降低了电机响应速度。永磁同步电动机的负载转矩发生变化时，仅需要电机的功 角适当改变，而转速维持原来的同步速不变，转动部分的转动惯量对电机转矩的 快速响应影响很小。永磁同步电动机的瞬间最大转矩可以达到额定转矩的三倍以 上，使得永磁同步电机非常适合在负载转矩变化较大的工况下运行。 ( 3 ) 体积小、惯性小，功率密度大【1 8 】。近年来随着高性能永磁材料的不断 应用，永磁同步电动机的功率密度得到很大提高，比起同容量的感应电动机来， 体积和重量都有较大的减少，使其更适用于如电动汽车和航空航天等场合。 ( 4 ) 功率因数高，电网运行特性好。由于不需要无功励磁电流，永磁同步 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 电机系统的功率因数远高于异步电动机。同步电机运行时，在电机和电网之间流 动的无功电流很小，这样可以减小由无功电流带来的不利影响，如设备容量增加， 电路损耗加大等。 现代电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本，另一方 面又不断地有较高的技术指标要求以及及其苛刻的特殊场合应用的需求。 因这种需求，异步电动机矢量控制获得了迅猛的发展。这种控制方式的主要 思想是将异步电动机模拟成直流电机，通过坐标变换的方法，分别控制励磁电流 分量与转矩电流分量，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性【1 9 】。这 种控制方法已经产品化，且产品质量较稳定。然而这种方法存在着系统结构复杂、 电机参数变化和非线性影响系统性能等问题。 1 9 8 3 年德国的d e p e n b r o c k 教授提出了异步电动机的直接转矩控制( d i r e c t t o r q u ec o n t r o ld t c ) 方法【2 0 1 ，这种新型的控制方法不需要坐标变换，也不需要 依赖转子数学模型，在实验室条件下也能做出性能指标相当高的样机，其转速响 应从5 0 0 r m 到5 0 0 r m 的响应时间仅有4 m s 。该方法摒弃了矢量控制的解耦思想， 将定子磁链及电磁转矩作为被控制量，实行定子磁场定向，避免了矢量控制中复 杂的坐标变换，定子磁链的估计仅涉及定子电阻，减小了对电机参数的依赖，控 制方法简单、转矩响应快、动态性能好【2 1 1 。 该方法被提出后，很快成为交流伺服研究的热点，但是大部分的研究工作都 集中在异步电动机的控制上【2 羽，直到近几年，才有一些学者致力于直接转矩控 制方式在同步电机上的应用研究1 2 引，初步实现了永磁同步电机的直接转矩控制， 体现了直接转矩控制结构简单及优良的动态控制性能等特点。但是，这些工作还 只是初步的，还有一些问题未解决，如低速时转矩观测器和转矩脉动等【2 4 1 ，现 在永磁同步电机的直接转矩控制已经成为传动控制中的一个研究热点。 1 2 研究现状 永磁同步电机具有功率密度高、效率高和功率因数高的特点，在工业、民用、 军事等领域的应用越来越广泛。它的控制策略的研究已经成为电机控制领域的一 个热门课题。自2 0 世纪8 0 年代日本学者t a k a h a s h i 幂l l 德国学者d e p e n b r o c k 提出直接 转矩控制策略以来，该理论得到了非常迅速的发展【2 5 1 。但是直接转矩控制用于 同步电机的控制中比较晚，直到1 9 9 6 年英国的c f r e n c h 和p a c a r n l e y 发表了关于 永磁同步电机直接转矩控制的论文，才将直接转矩控制引入到永磁同步电动机控 制系统中1 2 6 1 ，他们初步解决了直接转矩控制用于永磁同步电机的理论基础问题， 后来的研究者lz h o n g 、m f r a l m a n 和胡育文等人对永磁同步直接转矩控制的理 论进行了完善【2 丌，这些研究成果构成了p m s m 直接转矩控制的基本理论。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 现在同步电机的直接转矩控制有通过选择最优的开关电压矢量来直接控制 电磁转矩和定子磁链，通过选择最优的开关电压矢量来控制电磁转矩和定子的d 轴电流，通过选择最优的开关电压矢量来控制电磁转矩和反作用转矩这三种主要 的方案，其中，第一种控制方案在近几年得到了较多的关注和研究【2 8 】。在第一种 方案的基础上，一些研究人员和学者提出了各种不同的改进同步电机的直接转矩 控制性能的方法。 如j l u u k k o ，m n i e m e l a 和j p y r h o n e n 通过改进定子磁链的估算算法，提高了 控制系统的性能【2 9 1 。m p a c a s 和j w e b e r 提出了采用预测直接转矩控制的算法， 由上一个采样时间得到的磁链作为初值，计算不同的运动矢量作用后的下一个采 样时刻的磁链，比较出使磁链偏差最小的一个工作电压矢量作为本周期的作用矢 量，并且选择合适的工作电压矢量和零矢量的作用时间，这种算法的应用，可以 预测转矩脉动的大小，从而把转矩脉动限制在允许范围内。而且能减小因转矩脉 动过大带来的电流冲击，并使开关频率固定【3 0 】。还有可以通过改进开关矢量表 来提高控制性能，达到减小转矩和磁链脉动的目的【3 l 】。 一些先进控制理论例如神经网络，模糊控制作为智能控制，在直接转矩控制 中主要有以下应用：代替常规d t c 系统中的滞环比较器和开关表；或者用来决 定d t c 系统一个采样周期中有效电压矢量的占空比；作为系统参数( 如定子电 阻、转速等) 的观测器【3 2 j 。 还有一些其他先进控制理论的应用如：基于滑模变结构的永磁同步电动机直 接转矩控制，用两个滑模控制器( v s s ) 代替传统的滞环控制器【3 3 】。 无位置速度传感器理论也发展迅速，与感应电动机直接转矩控制不同，永磁 同步电机直接转矩控制需要检测转子永磁磁链的初始位置。研究永磁同步电机系 统无位置传感器方法主要有以下几类：磁链位置估计法，状态观测器位置估计法， 卡尔曼滤波器位置估计法，模型参考位置估计法，检测电机相电感变化的位置估 计法p 4 l ，其中磁链位置估计算法的应用比较广泛。 实现永磁同步电机无位置传感器直接转矩控制的包括两个方面，一方面是对 起动时永磁磁链初始位置的估计，另一方面是在运行中对电机转速的估计。对于 永磁磁链初始位置的估计，一种办法是采用高频( 3 0 0 h z ) 定子电流的幅值和转 子角位置的关系来实现，磁极方向由定子电流的饱和效应确定【3 5 l ；另一种方法 是施加正交脉冲电压获得永磁磁链的初始位型3 6 1 。 对于电机转速估计的文献较多，最早提出的是基于反电势观测的办法，这种 策略在电机高速运行时能较好地工作，但低速和接近零速时无法正常工作【3 7 】： 为改善这种不足，有学者还提出了其他的方法，比如：浙江大学的孙丹博士提出 了基于转子磁链观测的速度估计策吲3 8 】；也有人采用通过转子位置估计获得速 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 度信号的方法【3 9 1 ；以及基于状态空间方程的观测器方法【4 0 】；江南大学的江俊提 出了一种基于扩展卡尔曼滤波( e l 汀) 来实现永磁同步电机转子位置和速度估计 的方法，利用该算法，通过测量电机的端电压和流过定子线圈的电流在线估计电 机转子的位置和速度，实现了永磁同步电机的无传感器控制策略【4 1 1 。 为了进一步提高控制性能、减小转矩脉动，交流调速必然向高频化方向发 展。传统的永磁同步电机直接转矩控制理论在一个控制周期内只发一个空间矢量， 为了向高频化发展，文献【4 2 】就提出了一种基于s v p w m 的永磁同步电机的直接 转矩控制的研究，这种在一个控制周期内发多个空间矢量的修正方案，称之为空 间矢量调制方案( s v m ) 。该方案和软关断技术是今后交流调速系统高频化发展 方向的重点。 还有一些学者对永磁同步电机直接转矩控制也提出了一些改进措施【4 3 4 5 1 。如 设计不对称滞环宽度，改进系统的转矩和磁链滞环比较器的结构；根据逆变器的 开关频率，设置一个p i 调节器来在线调节转矩滞环比较器的滞环宽度值，从而 达到改善系统性能的效果；还有通过改变逆变器的结构，采用多电平逆变器来提 供更多可选择的电压矢量，来达到减小转矩脉动的目的等。 随着半导体工艺和微电子技术的迅猛发展，数字信号处理器的数据处理速度 和处理能力得到了大幅度的提高，由高速数字信号处理器d s p 为核心构成的全 数字化控制系统呈现出非常显著的优势。将直接转矩控制和基于数字信号处理器 d s p 结合起来应用到了同步电机的控制上，能实现对定子磁链和转矩的直接控制， 并且具有快速转矩动态响应和良好的调速性能。 中国兵器工业第2 0 2 研究所的李长红，陈明俊，吴小役等人就利用d s p 芯 片t m $ 3 2 0 f 2 4 0 实现了永磁同步电动机的控制系统，提出了一种最大转矩电流 比的控制方法，即在电机输出相同的电磁转矩下电机定子电流最小，显著提高了 系统动态性能，对减小逆变器容量、实现高性能交流伺服系统有重要意义，对频 繁起、制动的交流传动系统，对大容量的电机稳态运行有显著的节能效果【4 6 1 。 现在直接转矩控制已经成为除矢量控制之外被广泛接受的高性能电机控制 策略，然而在研究成果方面还是以异步电动机直接转矩控制的工业应用报道居 多，永磁同步电动机直接转矩控制在工业应用还很少，其理论和应用还需要进行 更进一步的研究。 总的来讲，永磁同步电机直接转矩控制在国内的研究还是一个比较新的领 域，虽然有很多学者做了很多的研究工作，提出了一些解决系统存在问题的方法， 但是研究方法主要是停留在计算机仿真上，只有少数高校和研究所具有相应的实 验设备。永磁同步电机直接转矩控制的实际应用技术还不够成熟，还有许多待解 决的问题，离产业化还有一定的距离。 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 论文研究内容及结构安排 永磁同步电机自身就是一个具有一定非线性、强耦合性和时变性的“系统， 加之系统运行时还会受到如供电电源和负载等外界因素不同程度的干扰，因此常 规控制策略很难满足高性能永磁同步电机伺服系统的控制要求。 近年来随着控制理论的发展，尤其是智能控制的兴起和不断成熟，如专家系 统、模糊逻辑和人工神经网络等，正在显示出其实现运动控制系统的智能化和自 适应控制的巨大作用，本课题就是在这种背景下提出的。 课题的研究内容主要有：根据永磁同步电机的结构特点，数学模型和运行规 律，分析永磁同步电机直接转矩控制存在的问题以及转速脉动产生的原因，并提 出有效减小转矩脉动的智能控制方法。 深入研究永磁同步电机直接转矩控制中零电压矢量的特殊作用，通过和异步 电机直接转矩控制中零电压矢量的作用进行比较，并根据讨论结果把零电压矢量 作为工作电压矢量加入到逆变器的输出中，用以减少系统的转矩脉动。 着重研究了模糊控制在永磁同步电机直接转矩控制系统中的应用，同时探讨 了模糊p i 在速度反馈环的应用，构建了永磁同步电机的双模糊直接转矩控制仿 真系统；对永磁同步电机的直接转控制系统的仿真方法进行了探讨，并建立了仿 真实验平台，通过计算机仿真验证了永磁同步电机双模糊直接转矩控制系统的控 制效果。 文章结构安排如下： 本章首先综述了p m s m 直接转矩控制研究背景和研究现状，说明论文的研 究内容和结构安排。 第2 章介绍了永磁同步电机的结构和分类，比较了同步电机和异步电机的区 别，阐述了永磁同步电机的基本控制策略，重点讨论了坐标变换原理，得出永磁 同步电机在转子坐标系下的数学模型和运动方程，为本文进一步开展永磁同步电 机转矩直接控制的仿真研究奠定了必要的理论基础。 第3 章阐述永磁同步电机直接转矩控制的发展特点、基本概念、控制思想、 系统结构组成，最后介绍了控制中所用标么值系统的选择方法，并利用m a t l a b 软件进行永磁同步电机的系统仿真，详细的论述了系统各个组成部分的原理和实 现。 第4 章详细说明了直接转矩控制在低速时脉动产生的原因以及在控制中存在 的难点，接着介绍了智能控制在永磁同步电机中的应用，最后分析零电压矢量在 永磁同步电机中的作用。提出了永磁同步电机的双模糊直接转矩控制系统，利用 模糊控制器和模糊p i 控制器分别代替常规直接转矩控制中的滞环比较器和速度 p i 调节器，采用磁链角映射的方法减少模糊推理规则数，简化了系统复杂度， 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 提高系统运算速度。通过仿真结果验证了系统的可行性和有效性。 第5 章是总结与展望，总结本文所做的主要工作，并对指出不足之处，然后 根据分析，展望永磁同步电机直接转矩控制的能得到发展的方向。 7 中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机结构及数学模型 第二章永磁同步电机结构及数学模型 在电机的发展中，世界上第一台出现的电动机就是永磁电机，它是由b a r l o w 于1 8 3 1 年发明的，永磁同步电动机的转子由永久磁钢构成。但是，由于早期的 永磁材料性能很差，永磁电机做得很笨重，因而后来被电励磁电机所取代。直到 本世纪2 0 年代，第一批微型永磁同步电机才由美国c e 公司利用铁氧体磁钢研制 出来，但功率都很小【4 7 1 。现在随着永磁材料性能的不断提高，永磁同步电机得 到了广泛应用。作为能量转换的装置，永磁同步电机有多种结构和分类，其中正 弦波永磁同步电动机因其卓越的性能已日渐成为电伺服系统执行电机的主流。本 章首先简要叙述了永磁同步电机的基本结构和主要分类，然后对其数学模型进行 了分析，给出了永磁同步电机的电压方程、磁链方程和运动方程等，从而为对其 进行直接转矩控制奠定了理论基础。 2 1 永磁同步电机的结构和分类 1 永磁同步电机的结构 图2 - 1 永磁同步电机的结构示意图 同步电动机是一种交流电动机，其主要特点是转速与定子电流频率以及电动 机极对数存在着严格不变的关系。本文以三相正弦波驱动永磁同步电机作为研究 对象，和普通同步电机一样，永磁同步电机由定子，转子和机壳( 包括固定铁芯 的机座和端盖) 等部件组成。定子由定子铁芯( 由冲有槽孔的硅钢片压叠而成) 、 定子绕组( 在铁心槽中嵌放三相电枢绕组) 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槲4 引。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 8 中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机结构及数学模型 体，转子铁芯上可以有电枢绕组。为了减少电动机的杂散损耗，定子绕组通常采 用星形接法。 2 永磁同步电机的分类 永磁无刷同步电动机分为采用方波电流驱动的无刷直流电动机( 简称b l d c m ) 和采用正弦波驱动的永磁同步电动机( p m s m ) 两种。相比之下，b l d c m 具有控制 简单、成本低、检测装置简单等优点，但源于其原理上存在的固有缺陷，使其存 在转矩脉动较大、铁芯附加损耗大等缺点，从而限制了b l d c m 伺服系统在高精度、 高性能要求的伺服驱动场合的应用( 尤其是在低速直接驱动场合) ，而永磁同步电 机具有比b l d c m 及其它交流伺服电动机更优越的性能，尤其是在低速和直接驱动 场合，从而使得永磁同步电机在永磁交流伺服系统具有逐步占据中小容量的高性 能伺服领域的趋势1 4 9 1 。 根据永磁体在转子上安装位置的不同，永磁同步电机的转子有凸装式、嵌入 式和内埋式三种结构形式，如图2 2 所示。图2 2 ( a ) ，( b ) 两种结构可统称为 凸极式转子结构，这种结构可减小转子直径，从而降低转动惯量，若将永磁体直 接粘在转轴上还可获得低电感，有利于电机动态性能的改善，但是磁极明显凸出 且气隙不均匀，极弧底下气隙较小，极间部分气隙较大。一般而言，当同步电动 机转速较小时，可采用结构简单的凸极式转子结构。如图2 2 ( c ) ，内埋式转子 也称为隐极式，是将永磁体装于转子铁芯内部，转子做成圆柱形且其气隙均匀， 它的机械强度高、磁路气隙小，适于弱磁控制的高速运行场合。 ( a ) 凸装式( b ) 嵌入式( c ) 内埋式 图2 - 2 永磁同步电机的三种转子结构 3 同步电机与异步电动机的区别 与异步电动机相比，同步电动机的主要区别在于： ( 1 ) 同步电动机和异步电动机的定子三相绕组是一样的，但是转子绕组则 是不同的。异步电动机的磁场是靠定子供电产生，而同步电动机则是在转子侧有 独立的励磁结构，在永磁同步电机中就是通过永磁体来提供励磁磁场。 ( 2 ) 在交流电动机中，同步转速与定子电源频率有着确定的关系，通过式 ( 2 一1 ) 来确定。异步电动机运行时的转速总是低于同步转速，二者之差不为零， 而同步电动机的转速就是同步转速，不存在转差。 9 中南大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机结构及数学模型 q=2zcfp(2-1) 其中f 为电源频率，p 为电机极对数。 ( 3 ) 异步电动机永远在滞后的功率因数下运行，而同步电动机的功率因数 可以通过改变励磁电流来调节，可以滞后，也可以超前。 ( 4 ) 异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极式与凸极式之分。 隐极式的气隙磁阻是均匀的，凸极式的气隙磁阻不均匀，磁极直轴磁阻小，交轴 磁阻大，两轴的电感系数不同。 2 2 永磁同步电机的基本控制策略 随着电机控制理论的发展，国内外专家学者针对不同的应用场合提出了各种 控制策略应用于永磁同步电机控制，来提高控制系统的运行性能，使其具有更快 的响应速度、更高的转速精度和更宽的调速范围。 同步电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，他控式变频调速系统中所用变频装置的输出频率直接由外部给定信号决定， 由于存在同步电机的失步、振荡等问题，所以在实际的调速场合很少使用。另一 类为自控式变频调速，同步电机变频调速系统一般采用自控式变频调速运行，即 变频器供电给同步电机，定子的频率是由转子位置或磁场位置决定的，并跟随转 子的旋转自动变化，故自控式变频调速不存在失步问题。下面将简单介绍几种常 用的永磁同步电动机控制策略。 2 2 1 变压变频控制 变压变频控制也称v v v f 控制，它是基于电动机稳态模型的控制策略，其控 制变量为电机的外部变量，即电压和频率。控制系统将速度给定信号输入到实现 v f = c o n s t 的控制器中，由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电机的定子绕 组上，使之运行在给定的转速下。逆变器所用的调制方式为脉冲宽度调g l j ( p w m ) ， p w m 可以有多种不同的实现方式，如电压正弦、电流正弦和空间矢量调制 ( s v p w m ) 等。 图2 - 3p m s m 的变频变压控制系统框图 与感应电机v f = c o n s t 控制不同，为了满足p m s m 自控式变频调速对转子 位置的要求，通常对p m s m 的v f = c o n s t 控制采用无传感器开环控制掺0 1 。控制 l o 中南大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机结构及数学模型 系统框图如图2 - 3 所示。 这种控制方法无需从电机端部引入任何速度、位置、电压或电流反馈信号， 使得控制系统易于实现且价格低廉。由于系统中不引入速度、位置或其它任何反 馈信号，因此不能即时捕捉电机状态，所以无法精确控制电磁转矩。而且定子电 压、频率、转矩和转速之间存在着耦合关系，仅使用一个调节器实现同时对电压 和磁链的控制，这就使得电机的响应时间比较长。因此这种驱动系统仅适用于风 机、水泵之类无需精确控制的场合。 2 2 2 磁场定向控制 磁场定向控制也称为矢量控制，它是建立在电机统一理论的基础上的，以电 机的某一磁链轴线为取向，建立电机模型的坐标系，电机的电压、电流、磁链等 矢量都在该坐标系中分解、合成和控制。 布朗在交流电机派克( p a i 水) 方程的基础上提出电机统一理论，从理论上 证明了交流电机和直流电机的同一性。1 9 7 1 年德国西门子公司e b l a s c h k e 等发 表的论文感应电机磁场定向的控制原理，形成了磁场定向的初步理论。后来 的美国e c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请的专利感应电机定子电压的坐标变换控 制，完善了磁场定向的控制理论。到现在经过各国学者和工程师的研究和实践， 形成了目前在交流电机调速系统中广泛应用的磁场定向控制，其系统框图如图 2 - 4 所示。 图2 - 4 磁场定向控制系统框图 其特点是：通过坐标变换理论，把交流电机在按磁场定向的同步旋转坐标系 上等效为直流电机，从而模仿直流电机进行控制，使交流电机调速性能达到并超 过传统直流调速系统。 中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机结构及数学模型 1 9 7 2 年德国西门子公司研究员b a y e r 提出了同步电机磁场定向控制原理。同 步电机磁场定向控制采用励磁电流调节补偿电枢反应，保持c o s 9 = l 控制，但这 种同步电机磁场定向控制系统存在动态过程磁链和转矩不解耦的缺陷。这种缺陷 可以通过阻尼绕组改善，阻尼绕组可以抵消动态过程的电枢反应，加快定子电流 响应，维持磁链恒定，产生异步转矩来抑制负载角振荡，提高同步电机的过载能 力。 永磁同步电动机用途不同，电流矢量控制策略也各不相刚”】。主要的控制策 略有：= 0 控制、c o s 缈= 1 控制、恒磁链控制、最大转矩电流比控制等。不同 的控制方法具有不同的优缺点，如0 = 0 控制最简单，c o s 缈= 1 控制可降低与之 匹配的逆变器容量，恒磁链控制可增大电动机的最大输出转矩。 ( 1 ) = 0 控制 = 0 控制，从电动机端口看，相当于一台他励直流电动机，定子电流中只 有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，电动机转矩中 只有永磁转矩分量，而不包含磁阻转矩。按转子磁链定向并使= 0 的正弦波永 磁同步电机调速系统定子电流与转子永磁磁通解耦，电机的输出转矩与定子电流 的幅值成正比，其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩控制性能好，可以 获得很宽的调速范围，适用于高性能的数控机床、机器人等场合。目前许多小功 率的永磁同步电动机伺服系统都采用0 = 0 的控制方法。 缺点是随着输出转矩的增大，电机运行的功率因数较低，电机和逆变器的容 量不能充分利用。 ( 2 ) c o s 缈= 1 控制 c o s 9 = 1 控制方法是控制定子电流交、直轴电流分量，保持p m s m 的功率因 数恒为1 的控制方法。在c o s 妒= 1 条件下，电机的电磁转矩随电流的增加呈先增 加后减小的变化趋势。 由于功率因数恒为l ，则可以充分利用逆变器的容量。不足之处在于能够输 出的最大转矩较小。 ( 3 ) 恒磁链控制 p m s m 按气隙磁链定向控制，由定子电流的磁场分量产生助磁分量来维持励 磁电流恒定。电机气隙磁链在运行过程中始终保持恒定，且等于永磁磁链。 电机功率因数较高，电压基本保持不变，转矩线形可控，但需要较大的助磁 定子电流分量。 ( 4 ) 最大转矩电流比控制 最大转矩电流控制也称为单位电流输出最大转矩的控制( 最优转矩控制) ， 在电机输出给定转矩条件下，控制定子电流最小的电流控制方法。它是凸极永磁 1 2 中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机结构及数学模型 同步电机使用较多的一种电流控制策略，对于隐极永磁同步电动机，最大转矩 电流比控制就是0 = 0 控制。在这种控制方式下，当输出转矩一定时，逆变器输 出电流最小，可以减小电机的铜耗。 ( 5 ) 弱磁控制 令易为负值以达到弱磁目的。此时屯起到了去磁电流的作用。在电机电压达 到逆变器所能输出的电压极限之后，要想继续提高转速，就必须通过调节易和t 来实现。增加d 轴去磁电流分量( 作为负值励磁电流) 和减小q 轴电流分量，都可 以保持电压平衡关系，达到弱磁效果。考虑到电机相电流有一定极限，增加乙而 保持相电流值，就要减小乞，因此通常采用增加去磁电流的方法来实现弱磁升速。 2 2 3 直接转矩控制 1 9 8 5 年德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授提出了直接自控制( d i r e c t s e l f - c o n t r 0 1 ) ，随后日本学者i t a k a h a s h i 也提出了类似的控制方案，这些思想发 展成为目前广泛研究的直接转矩控制技术。 直接转矩控制是继矢量控制之后又一高性能交流调速控制技术。它不同于转 子磁场定向控制，省去了复杂的旋转坐标变换，直接在两相静止坐标系上控制转 矩和磁链，采用b a n g b a n g 控制以获得快速的转矩响应。这种控制策略在很大程 度上解决了矢量控制中复杂的坐标变换计算问题，控制系统受转子参数影响小， 具有很好的鲁棒性。总的来讲，主要有以下几点优判5 2 】： ( 1 ) 直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机的磁链和转 矩，而不需要将交流电机等效为直流电机来控制，省去了矢量旋转变换等复杂的 变换和计算，大大缩短了控制器的运算时间，所用的控制信号使观察者对交流电 机的物理过程能够做出直接和明确的判断。 ( 2 ) 对于定子磁链的估算，只受定子电阻的影响，所以只要知道定子电阻 的值就可以把定子磁链的值计算出来，大大减小了电机转子参数变化对系统控制 性能的影响。 ( 3 ) 采用空间矢量的概念来分析三相交流电机的数学模型，直接控制电机 的转矩和磁链。因此，不需要像电流滞环控制那样极力去获得理想的正弦电流波 形，也不需要像空间电压矢量调制那样专门强调磁链完全理想圆形轨迹，而是从 控制转矩的角度出发，强调转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和 六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。 ( 4 ) 对转矩进行直接控制，主要是通过转矩两点式调节器把转矩的测量值 ( 或估计值) 与给定值进行滞环比较，由滞环调节器的给定容差大小来控制转矩 的波动范围。如果是利用测量容易检测的变量，通过计算获得电动机的电磁转矩， 则实际控制效果只取决于转矩的实际状况，而与电动机的数学模型的简化程度无 中南大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机结构及数学模型 关。对电动机的控制既直接又简化。 综上所述，对于p m s m 的各种调速方法控制策略，各自有不同的优势和缺 点，根据实际工况的要求，分别应用于不同的调速控制场合。 2 3 坐标变换原理 2 3 1 定子三相和两相以及转子两相旋转坐标系 交流电机的数学模型是一个时变、多变量、非线性、强耦合的系统，要分析 和求解它的微分方程显然是十分困难的。为了简化模型、减少耦合，通常采用的 方法就是运用电机坐标变换理