（控制理论与控制工程专业论文）基于哈密顿的永磁同步电机控制及实验研究.pdf

c o n t r o la n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho 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 r b a s e do nh a m i l t o n i a nt h e o r y at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed 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 g e j i a n q i a n g ( c o n t r o lt h e o r ya n d c o n t r o le n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry us h u a n g h e j u n e2 0 1 1 吣89肿759删8iiii- 愀y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕 士学位论文遂盔窒丝巡旦丝业杰继避。除论文中已经注明引用的内 容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不 包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律 责任由本人承担。 学位论文作者签名：垄垄垄 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规 定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本 学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出 版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在 年解密后适用本授权书。 不保密d ( 请在以上方框内打“一) 日期：硎年多月夕日 中文摘要 摘要 在现代化工业生产中，交流传动已经成为传动领域的主要方式。现代化工业 生产中，对电机控制系统有了更高的要求，为了使电机具有更高的精度，更宽的 调速范围和更快的响应速度及强的干扰抑制能力，对电机本身和其控制策略方法 进行研究成了一个很热门的研究方向。从电机本身来看，相比其它交流电机，永 磁同步电机由于本身具有体积小，损耗低，效率高等诸多优良的特性，在生产上 以及在对能源的节约和环境的保护来看，对其进行研究是非常必要的。因此，研 究高性能的永磁同步电机( p m s m ) 控制系统对现代化的工业及社会可持续发展 都有着非常重要的意义。 本课题围绕永磁同步电机的哈密顿模型展开研究。首先介绍了永磁同步电机 的相关的历史。接着介绍了永磁同步电机的数学模型以及一些和永磁同步电机模 型相关的一些数学坐标变换，这些都是进行后续研究的基础知识。然后就是针对 控制系统的解决方案的研究以及针对解决方案的仿真及实物实验的验证。 本文对两个永磁同步电机的控制系统进行了研究，首先进行了现在最常用的 基于磁场定向控制的采用p i 调节器的电机控制方法；然后主要针对本文研究的 核心电机控制算法，即基于哈密顿模型的电机控制算法进行了研究，采用互联与 阻尼分配的无源性控制方法( i d a - p b c ) 推导出了电机的控制器算式并证明了系 统的渐近稳定性。本文对该控制策略算法首先进行了s i m u l i n k 仿真，研究其控制 性能和进行一些参数的调试，观察每个参数对系统性能的影响。然后在仿真出较 好的结果的基础上，用d s p 实验板对控制算法进行编程开发，并连接到实际的 电机上以验证算法的有效性以及在实际使用中的控制性能。 通过进行s i m u l i n k 的仿真研究表明，本文中基于哈密顿理论的电机控制算法 控制性能相当优越，通过和其它各种方法的仿真比较，采用哈密顿理论导出的电 机控制方法是控制性能最好的，而且设计出来的控制器简单，参数少，且意义明 确，调节简单。通过采用d s p 控制系统进行实物电机的控制实验表明，该控制 方法具有良好的静动态性能，证明了该控制方法的实际有效性。 关键词：永磁同步电机；哈密顿；id a - p b c ；d s p 英文摘要 a b s t r a c t i nm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t h ef i e l do fa cd r i v eh a sb e c o m et h em a i nf o r m o ft r a n s m i s s i o n t h em o t o rc o n t r o ls y s t e mh a sh i g h e rr e q u i r e m e n t si nm o d e m i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i no r d e rt om a k et h em o t o rh a v eh i g h e ra c c u r a c y ，w i d e rs p e e d r a n g e ，f a s t e rr e s p o n s es p e e da n ds t r o n gd i s t u r b a n c er e j e c t i o nc a p a b i l i t yo ft h em o t o r i t s e l f i t sc o n t r o ls t r a t e g yh a sb e c o m eav e r yp o p u l a rr e s e a r c hd i r e c t i o n v i e wf r o m t h em o t o ri t s e l f , c o m p a r e dt oo t h e ra cm o t o r s ，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 s m ) h a ss m a l ls i z e ，l o wl o s s ，h i g he f f i c i e n c y a n dm a n ye x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c s ，a sw e l l a si n p r o d u c t i o n o fe n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，i t sr e s e a r c h i sn e c e s s a r y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fh i g h 。p e r f o r m a n c e p m s mc o n t r o ls y s t e mh a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et om o d e mi n d u s t r i a la n ds o c i a l s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h ep r o j e c tb e g a nt h es t u d ys u r r o u n d i n gt h eh a m i l t o n i a nm o d e lo fp m s m f i r s t i ti n t r o d u c e dt h er e l e v a n th i s t o r yo fp m s m t h e ni ti n t r o d u c e dt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fp m s ma n ds o m er e l a t e dm a t h e m a t i c a lc o o r d i n a t et r a n s f c i r m a t i o n ，t h e s ea r e t h eb a s i c so ff o l l o w u ps t u d y t h em a i np a r ti st h es o l u t i o nf o rc o n t r o ls y s t e ma n d s o l u t i o n sf o rs i m u l a t i o na n dp h y s i c a le x p e r i m e n t s i nt h i st h e s i s ，t w op m s mc o n t r o ls y s t e m sa r es t u d i e d ，f i r s ti tc a r r i e do u tt h em o s t c o m m o n l yu s e dm o t o rc o n t r o lm e t h o d so f f i e l do r i e n t e dc o n t r o lb a s e do np ir e g u l a t o r ； t h e nt h em a i nc o r eo ft h i ss t u d yf o rt h em o t o rc o n t r o la l g o r i t h m ，w h i c hi sb a s e do n h a m i l t o nm o d e lo fm o t o rc o n t r o la l g o r i t h m ，i ss t u d i e d ，u s i n gi n t e r c o r m e c t i o na n d d a m p i n ga s s i g n m e n to fp a s s i v i t yb a s e dc o n t r o l ( i d a - p b c ) r e l e a s e dt h ee q u a t i o no f t h em o t o rc o n t r o l l e ra n dp r o v e dt h ea s y m p t o t i cs t a b i l i t yo ft h es y s t e m f i r s t l y ，t h e c o n t r o ls t r a t e g yw a ss i m u l a t e db ys i m u l i n kt os t u d yt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c et h r o u g h d e b u g g i n gs o m ep a r a m e t e r sa n dw a t c h i n ge a c hp a r a m e t e ro ns y s t e mp e r f o r m a n c e t h e nw i t hab e t t e rr e s u l ti nt h es i m u l a t i o n ，d s pp r o g r a mo ft h ec o n t r o la l g o r i t h mw a s d e v e l o p e do nt h ee x p e r i m e n t a lb o a r d ，w h i c hw a sc o n n e c t e dt ot h ea c t u a lm o t o rt o v e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so f t h ea l g o r i t h ma n dt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c ei nr e a ls y s t e m 英文摘要 t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a tt h em o t o rc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fa l g o r i t h m s b a s e do nh a m i l t o n i a nc o n t r o lw a s v e r ys u p e r i o r b yc o m p a r i n gw i t ho t h e rm e t h o d s s i m u l a t i o n s ，m o t o rc o n t r o ls y s t e mu s i n gt h eh a m i l t o n i a nt h e o r yh a dt h eb e s tc o n t r o l p e r f o r m a n c e ，a n dt h ed e s i g n e dc o n t r o l l e rw a ss i m p l e ，w i t hf e wp a r a m e t e r s ，a n dt h e 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 永磁同步电机的发展1 1 2 永磁同步电机的优点及应用现状2 1 3 永磁同步电机控制研究的发展。4 1 4 关于哈密顿模型的电机控制研究进展。5 1 5 本文主要研究的内容及文章结构6 第2 章永磁同步电机的模型。7 2 1 结构与分类7 2 2 数学模型8 2 2 1a b c 坐标系下的p m s m 模型8 2 2 2c l a r k e 变换1 0 2 2 3p a r k 变换1 2 2 2 4a b 坐标系下的p m s m 模型1 4 2 2 5d - q 坐标系下的p m s m 模型。1 5 2 3 本章小结1 6 第3 章永磁同步电机的基本控制方法1 7 3 1 逆变器原理1 7 3 2s v p w m 的基本原理及实现1 8 3 2 1 基本矢量和定子参考坐标系映射关系1 8 3 2 2s v p w m 各模块的实现方法2 1 3 3 采用p i 调节器的p m s m 控制系统2 6 3 4 系统仿真与分析2 7 3 5 本章小结3 0 第4 章基于哈密顿模型的i d a - p b c 控制系统。3 l 4 1 耗散哈密顿的l d a p b c 原理3 1 4 2 永磁同步电机的i d a p b c 设计。3 2 4 2 1 基于p c h 的p m s m 模型分解。3 2 4 2 2 平衡点设计3 3 4 2 3 负载转矩已知时控制器的设计一3 4 4 2 4 负载转矩未知时的控制器设计3 5 4 2 5 稳定性分析3 6 4 3 基于哈密顿的i d a - p b c 控制系统仿真。3 6 4 3 1 基于i d a p b c 的仿真模型3 6 4 3 2 负载转矩已知时的仿真3 8 4 3 3 负载转矩未知时的仿真4 0 4 3 4 与p i 控制方法的仿真比较。4 1 4 4 本章小结4 3 第5 章基于d s p 2 8 1 2 的控制系统设计4 4 5 1d s p 及其实验开发平台4 4 5 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 x x d s p 综述4 4 5 1 2 实验开发平台。4 5 5 2 硬件系统的整体结构。4 6 目录 5 3d s p 的定点处理算法4 8 5 4 系统主要软件设计4 9 5 4 1 主程序及中断程序设计5 0 5 4 2 转速采样设计。5 3 5 4 3s v p w m 算法程序设计5 4 5 4 4 控制器及转矩计算程序设计5 4 5 5 本章小结5 6 第6 章实验结果及分析。5 7 6 1 实际控制系统5 7 6 2 调试波形及分析6 0 6 3 本章小结6 2 ；占论6 ：； 参考文献6 4 攻读学位期间公开发表论文6 9 致谢7 ( ) 基于哈密顿的永磁同步电机控制及实验研究 第1 章绪论 1 1 永磁同步电机的发展 永磁同步电动机的运行原理和通电励磁的同步电动机相同，不同的是永磁同 步电机的转子为永磁体，这样使得电动机结构更为简单并降低了加工和装配费 用，而且还省去了非常容易出现问题的电刷和集电环，大大提高了电动机运行时 的可靠性。由于无需励磁电流，因此就没有励磁损耗，这样就很大的提高了电机 的运行效率和功率密度。 在永磁同步电机刚出现的早期，人们主要研究的是在供电频率固定不变时永 磁同步电机的运转控制方法，特别是系统的稳态特性和直接起动时性能的研究。 大工频电源供电条件下，永磁同步电机无自起动能力，一般通过在转子上安装阻 尼绕组以领先其产得不到异步起动转矩将电机加速到接近同步转速，然后由永磁 体产生的磁阻转矩和同步转矩将电机牵入同步i l j 。 随着近现代电力电子技术的发展以及微型计算机的飞速发展，从2 0 世纪7 0 年代开始，永磁同步电机开始广泛应用于交流变频调速控制系统。由逆变器来对 永磁同步电机供电的系统与采用直接起动的电动机结构上基本相同，但是一般不 用加阻尼绕组。因为在电动机上安装阻尼绕组不仅增加了电动机制造时的复杂 性，还增加了很多其他的弊端，比如阻尼绕组会产生热量，使永磁体材料温度上 升，产生损耗，不仅降低电动机运行时的效率，还会增大转动惯量，阻尼绕组的 齿槽则使电动机的转矩脉动增大。 永磁同步电机的发展离不开永磁材料的发展。1 9 世纪2 0 年代出现的第一台 电动机其实就是永磁电机，电机就采用了永磁体，通过永磁体来产生励磁的磁场。 但由于当时所采用的永磁材料是天然的磁铁矿石，磁能密度低，制成的电机体积 大，所以很快就由电励磁电机取代。后来因为电流充磁器的发明和各种电机迅速 发展的需要，人们研究了永磁材料的机理构成和制造技术，并陆续发现了碳钢、 钨钢、钻钢等多种较高磁能积的永磁材料。特别是2 0 世纪3 0 年代出现的高磁能 积永磁材料，如铝镍钴和铁氧体( 最大磁能积可达4 0 k j m 3 ) ，磁性能有了非常大 的提高，因此，各种微小型电机又纷纷采用永磁体来对电机励磁。永磁电机的功 率小到数毫瓦大到几十千瓦，在日常生活、工农业和军事等许多方面得到了广泛 的运用。但是由于铝镍钴的矫顽力偏低( 3 6 1 6 0 k a m ) ，铁氧体的剩磁密度不高 第1 章绪论 ( o 2 0 4 4 t ) ，所以这些因素就使它们在电机中的应用受到了限制，一直等到2 0 世纪6 0 年代第一代稀土永磁合金( s m c 0 5 ) 和2 0 世纪7 0 年代第2 代稀土永磁合 金( s m c o l 7 ) 的出现。原料钐与钴虽然昂贵，但磁性能好，这使得永磁电机有了 较大的发展。2 0 世纪8 0 年代钕铁硼稀土问世，在1 9 8 3 年被列为了世界十大重 要科技成果。因为铁资源丰富廉价取代了价格昂贵的钴。钕铁硼稀土永磁体磁性 能好，对永磁电机的发展起了极大的推动作用。钕铁硼稀土永磁体兼有铝镍钴和 铁氧体永磁的优点，具有很高的剩磁和矫顽力，以及很大的磁能积。稀土永磁最 大磁能积比铝镍钻大5 - 8 倍；比铁氧体大1 0 - - 1 5 倍；在同样有效体积的条件下， 比电励磁大5 8 倍，仅次于超导励磁。且退磁曲线差不多接近于一条直线，回 复曲线与退磁曲线基本能重合，抗退磁能力和热稳定性好( 钐钻永磁) ，用于电机， 可使电机体积缩小，重量减轻，输出功率大，效率显著提高1 2 1 。稀土永磁已和功 率电子器件及微型计算机被公认为促进电机发展的三大支柱。 随着对稀土永磁材料的研究的发展，永磁同步电机的研究和发展大概可以分 成三个阶段： 一、2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代，由于稀土钴永磁价格很贵，主要的研究开发 重点是用于航空航天等一些高科技领域中所使用的高性能电机。 二、上个世纪8 0 年代，尤其是在1 9 8 3 年出现的价格相对来说比较低的钕铁 硼永磁材料，使得国内外对电机的开发和研究重点转移到工业以及民用电机上 面。稀土永磁材料所具有的优异的磁性能，再加上电力电子器件以及微机控制技 术的飞速发展，使许多传统使用的电励磁电机被稀土永磁电机所替代，实现了在 传统电励磁电机控制中难以达到的高性能控制。 三、从上世纪9 0 年代开始，由于大量研究人员的研究和开发，永磁材料的 性能也不断提高，尤其是钕铁硼永磁材料的耐腐蚀性和热稳定能的提高和价格逐 步降低，还有伴随着电力电子器件性能的进一步提高，这些都促使对永磁同步电 机从设计理论、结构工艺，制造方法和控制技术等各方面的生产和研究工作出现 了一个新的局面，关于此方向研究的学术论文和科研成果大量涌现，对稀土永磁 同步电机的研究又进入了一个崭新阶段。 1 2 永磁同步电机的优点及应用现状 永磁同步电机和感应电机相比，无需无功励磁电流，能显著的提高电机的功 2 基于哈密顿的永磁同步电机控制及实验研究 率因数( 可达到1 甚至达到容性) ，这大大减小了电机定子电流和其电阻的损耗， 并且在电机稳定运行的时候没有转子电阻损耗，从而可以使总损耗降低，进而使 得风扇及相应的风摩损耗减小了很多( 小容量电机甚至可以去掉风扇) ，因此永磁 同步电机运行效率比同规格的感应电动机提高约2 8 。不仅如此，当永磁同 步电动机在2 5 1 2 0 的额定负载范围内运行时，还能保持较高的效率和功率因 数，这样可使电机在轻载运行时的节能效果更加显著。伴随着电力电子技术的迅 速发展及功率器件的价格的不断降低，人们开始越来越多的使用交流变频电源和 交流电动机组成的交流调速系统来代替直流电动机的调速系统。在各种交流电机 中，永磁同步电动机能在电机稳定运行时转速与电源频率保持恒定的关系，这一 特性可使得它能直接用在开环的变频调速系统上，特别适用在由同一变频电源供 电的要求准确同步的多台电机传动系统中，这样不但可以简化控制系统，而且还 能实现电机的无刷运行。永磁同步电机具有较高的功率和功率因数，这样能够减 少价格昂贵的配套变频电源的容量，所以在各种电机调速系统中的应用越来越广 泛。永磁同步电动机通常通过变频器的频率逐步升高来起动，转子上可以不用设 置起动绕组。德国制造的用于舰船推进系统的稀土永磁电动机，规格为六相变频 电源供电的1 0 9 5 k w ，2 3 0 r m i n ，与过去曾经使用过的直流电机相比，不仅体积 减小了6 0 左右，而且总损耗还降低了2 0 左右，还省去了电刷和换向器，使 得电机维护十分方便。 永磁同步电机将绕线式同步电机转子中的励磁绕组用永磁体替代，省掉了转 子励磁线圈、电刷和滑环，与其他电机控制系统相比较，永磁同步电机有以下的 优点： 1 由高性能的永磁材料提供励磁，在给定功率下，体积可以大大减小。 2 因转子没有励磁绕组，也就没有转子铜耗，使得电机效率和功率因素更高。 3 永磁体转子的转动惯量较小，所以动态性能较好。 4 在低转速下，电机具有较大的输出转矩和较高的效率。 5 省去了电刷和滑环，使电机的可靠性大大提高。 6 在结构上的多样化，使得电机应用范围很广。 通过变频器来供电，再加上采用转子位置闭环和电流闭环的双闭环控制系 统，构成自同步永磁电动机。它不仅具有一般电励磁直流电机优异的调速性能， 而且还实现了电机的无刷化，实现了电机高控制精度和高可靠性，这使得永磁同 3 第1 章绪论 步电机在要求严格的航空、航天、军事、电动汽车、机器人、数控机床、加工中 心、计算机外围设备以及家电等许多方面都得了大量的使用【3 1 。 我国的稀土资源储藏量十分丰富，国内批量生产的高品质的钕铁硼永磁材料 已居世界第一，世界磁性材料的生产中心已经转移到中副4 l ，这为我国大力发展 稀土永磁电动机打下了良好的产业基础。对稀土永磁材料和稀土永磁电机进行大 力发展，不仅可以大大地推进我国稀土产业的发展，还能将我国的资源优势变为 经济优势。而且还能节能降耗、保护环境，为实现国民经济的可持续发展做出重 大贡献。总之，在我国研究永磁同步电机和其控制策略意义特别重大。 1 3 永磁同步电机控制研究的发展 交流电动机的变频调速控制技术是近代世界范围内的重大技术进步之一，广 泛应用于交流电动机的速度控制。变频调速具有非常优异的调速性能，系统运行 时具有较高的效率和功率因数，而且还有很好的节能效果，使得其具有广泛的适 用范围。由于诸多优点，国内外都公认为变频调速是最有发展前途的调速方式【5 1 。 2 0 世纪7 0 年代西门子公司的工程师f b l a c h k e 首先提出交流异步电机的矢 量控制理论来解决电机的转矩控制问题，即矢量控制技术1 6 , 7 1 。目前该技术已用 在a b b ，s i e m e n s 等国际化大公司的调整系统生产中，但由于没有采用有效的控制 理论与控制方法，仍然靠经典控制理论来设计控制器；矢量控制系统对电机参数 依赖很大，使得系统的控制精度不高，动态性能也差。接着发展起来的是直接转 矩控制【8 】技术。直接转矩控制直接计算和控制电机的输出电磁转矩，控制比较直 接，但转矩脉动大，而且对定子参数依赖性较大。 从整体上来看，在所有交流伺服控制策略中，用的成熟且广泛的是传统的p i d 控制方法，但随着工业发展对电机的越来越高的要求和应用环境的复杂性，简单 的p i d 控制已不能胜任，p i d 另一个不便于操作的地方是参数配置无章可循，p i d 参数之间存在耦合，调节p i d 参数时很多时候是经验性的试凑。近年来这方面 的主要研究是把传统控制与其它新型控制思想相结合，形成了许多有价值的控制 策略，如鲁棒p i d 控铝t j 9 1 ，模糊p i d 1 0 ，1 1 1 ，变结构p i d 1 2 ，1 3 】等。变结构控制【1 4 , 1 5 】 方法对外界扰动和参数变化不会敏感，是一种鲁棒性很强的控制方法，但是由于 控制的开关特性使系统存在“振抖 的问题。预测控制能够抑制外界的干扰，但 实时性效果不是很好。模糊控制【1 6 】由于不是基于模型，在各种控制方案中是鲁 4 基于哈密顿的水磁同步电机控制及实验研究 棒性最强的，而且实时性很好，但它的缺点是有静态误差的，所以比较少见其单 独应用。神经网络【1 7 】的控制方法具有自学习、自适应的能力，也有鲁棒性强的 优点，但是存在学习收敛的速度不确定、控制器一般很复杂的缺点。现在电机研 究热点主要集中在鲁棒控制【1 8 l 与非线性控制两个方向。鲁棒控制能很好地同时 解决系统参数变化和外界扰动不确定的问题，应用比较广泛。但由于控制设计过 程中需要设计权函数，使得设计者必须进行反复迭代和大量计算以积累实际经 验。 交流电机的数学模型具有高阶，多变量，强耦合，非线性以及参数时变的特 点【5 1 。为了进一步提高对交流电动机的控制性能，国内外各学者工程师等开始将 非线性控制理论应用于交流电机的控制中，并且随着微处理器的速度越来越快， 使得非线性控制理论在实际使用中得到了飞速的发展。现在应用在交流电动机中 的非线性理论方法主要有反馈线性化方法1 1 9 彩l ，反步法 2 4 - 2 羽，逆系统法【2 9 。3 1 ，无 源理论【3 4 。9 】和自抗扰技术【删1 等，这些非线性理论方法以及在实际问题中的应用 已成为现在人们研究的热点。 1 4 关于哈密顿模型的电机控制研究进展 哈密顿的系统模型是从力学发展来的，是经典力学的基础部分。不但在保守 场下的动力系统满足哈密顿系统方程，许多其他如一些网络、化工、生态等系统 也可满足哈密顿系统方程。1 9 9 2 年，a j v a n d e rs c h a f l 、e c b r e e d v c l d 和 b m m a s c h k c 这三位学者首次把端口受控的哈密顿( p c h ) 概念引入哈密顿系统中 4 5 - 4 7 l 。随后，人们开始研究从哈密顿系统转化到p c h 系统 4 a - 5 0 l 进行研究，进而在对 p c h 系统的结构以及控制【5 1 4 3 等方面做了大量的研究。国内对p c h 的研究大概是 从2 0 0 0 年开始的，由中科院的系统所研究员程代展带领他的研究小组对p c h 展 开了系统的研究。他们对p c h 系统的自身互联结构、能量消耗及具体系统的哈 密顿实现做了大量的研究工作，尤其是他们对p c h 在电力系统方面的应用做了 大量基础性的理论和仿真研究工作i s 4 - 5 6 1 ，他们所进行的p c h 方面的研究目前也 是国内的p c h 研究中心。山东大学的王玉振教授在对p c h 系统的哈密顿实现的 方法【5 7 】上提出通过对非线性系统进行正交分解，从而进一步扩大p c h 的使用范 围。此外对p c h 进行研究的在国内还有清华大学的孙元章教授【5 a - 6 0 、青岛大学 的于海生教授【6 n 。虽然现在人们对基于哈密顿的控制方法在理论上研究日趋成 5 第1 章绪论 熟，但国内对永磁同步电机的哈密顿模型控制方面的研究还大都是基于仿真，很 少见具体实现以及实际应用。 基于以上的国内外研究背景，本文选择以哈密顿系统模型为理论基础，采用 互联阻尼分配方法i d a 来进行永磁同步电机控制系统设计和研究，寻求一种设 计简单、性能优良、参数调节容易的控制器及转矩估计器，并将其与传统的永磁 同步电机控制方法进行比较。 1 5 本文主要研究的内容及文章结构 本文主要研究对端口受控哈密顿系统模型的镇定方法及其在永磁同步电机 控制中的应用及实验对所研究理论的验证。本文共分五章，第1 章是绪论，主要 介绍了永磁同步电机的发展情况以前相应的控制方法的研究进展情况；第2 章主 要介绍了永磁同步电机的数学模型及相应的矢量控制中所用到的坐标变换方法： 第3 章介绍了控制永磁同步电机的基本方法，包括了如何利用s v p w m 来控制 电机，及s v p w m 波产生的方法，基于p i 控制器的磁场定向控制方法，这些是 构成永磁同步电机基本控制方法的基础；第4 章介绍了端口受控哈密顿系统( p c h ) 及其镇定方法，进而采用了i d a 的设计思想对电机的哈密顿模型进行稳定性研 究并设计了使系统稳定的控制器及相关的估计器；第5 章是采用d s p 的对所设计 控制器的实现方法，主要介绍了关于d s p 的一些基本知识及控制系统的软硬件 实现方法，只对实现方法中重要或关键的环节做了较详细的介绍；第6 章是最后 一章，主要是介绍了系统的仿真及实验结果，并根据实验结果对系统的一些参数 及不同方法之间做了一些仿真的比较，还介绍了采用d s p 的实际控制系统对电 机控制的实物实验的结果，以验证本文所研究控制方法的实际有效性，实用性。 6 基于哈密顿的永磁同步电机控制及实验研究 第2 章永磁同步电机的模型 本章主要介绍以正弦交流电驱动的永磁同步电动机为主要研究对象，先介绍 永磁同步电机的结构与分类，然后再从永磁同步电机在静止的三相对称坐标系的 模型出发，讨论永磁同步电动机在三相的静止坐标系( a b c ) 、两相的静止坐标系( a b ) 以及两相的旋转坐标系( d q ) 的电压回路方程、磁链方程和转矩方程。并且介绍了 静止的三相到两相c l a r k e 变换和两相静止到两相旋转p a r k 变换。 2 1 结构与分类 永磁同步电机主要是由定子和转子两大部分组成的。永磁同步电机的定子是 指电机在运行时静止不动的部分，与异步电机的定子结构是相似的，主要由硅钢 片、三相对称绕组、固定铁心的机壳和端盖等部分组成。三相对称绕组在空间成 对称分布。永磁同步电机的转子是指电动机在运行时可以自由旋转的部分，根据 永磁体在转子上的安装结构不同，永磁同步电机可分为三类：面贴式，嵌入式和 内埋式，如图2 1 所示。由于采用稀土永磁体的面贴式转子永磁稀土材料的磁导 率接近于空气的磁导率( 工程中可认为二者相等) ，磁路是分布均匀的，所以其转 子在电磁性能上属于隐极式的转子结构。表面式的永磁同步电动机结构上较为简 单，转子的直径较小且转动惯量小，低电感，一般较多的采用这种形式的转子结 构。而对于嵌入式转子和内埋式转子来说，相邻的两永磁磁极之间有磁导率很大 的铁磁材料，所以交轴的电感大于直轴的电感，在电磁性能上是属于凸极式转子 结构的。它们机械强度较高，一般比较适用于弱磁控制的高速运行的场合。在永 磁同步电机控制中，检测转子的机械位置即可得到转子的磁链位置，这样就使得 三相永磁同步电机的矢量控制要比三相异步电机的控制简单得多。 ( a ) 面帖式 ( b ) 嵌入式( c ) 内埋式 图2 1 永磁同步电机的转子结构 f i g 2 1r o t o rs t r u c t u r e0 fp m s m 7 、 云 厂侈 第2 章永磁间步电机的模型 2 2 数学模型 在研究电机的数学模型时，通常会作如下的假设： 1 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差1 2 0 度的电角度，所产生 的磁动势是沿气隙按正弦规律分布的。 2 忽略磁路的饱和，并认为各绕组的自感和互感都是恒定的。 3 忽略铁心的饱和。 4 忽略温度变化及频率变化对绕组电阻的影响。 考虑定子绕组采用星型连接，这也是通常的连接方法。即有 屯+ t + 靠= 0 ( 2 1 ) 规定各绕组的电压、电流和磁链的正方向符合电机的一般惯例及右手螺旋法 则。 匙删+ p 圈 泣2 ， 式中参数：，即，为三相绕组电压瞬时值，屯，0 ，0 为三相绕组磁链 瞬时值，九，咖，办为三相绕组磁链瞬时值，p 为微分算子即d d r 。 刚燕笺酬j l i wj + 办c o s o m别亿3 ，【加j 【m 附 眇。 2 0 。) j 式中参数：三双绕组x 的自感，m 盯为绕组x , y 间的互感，j | m x r = m 疆，九为 电机定子绕组自感和互感表达式1 6 2 l 如下 8 基于哈密顿的永磁同步电机控制及实验研究 三c ，u2 l ，2c o s 2 0 一l ，。+ l ，：c o s 2 ( 0 1 2 0 。) l m e ，。+ l 。：c o s 2 ( 0 + 1 2 0 。) ( 2 4 ) m 哪= m 孵| 一ms q + ms 2 c o s 2 0 m 唧；m 阿一一m ，o + m ，2c o s 2 ( 8 - 1 2 0 。) m w | m 阿| 一ms o + ms 2 c o s 2 ( o + 1 2 0 0 、) 式中三，。和l ，：各自为u 相自感的平均值和二次谐波幅值，m ，。和m ，：分别为互 感的平均值和二次谐波幅值。 m ，2 一，： ( 2 5 ) 理想的电机模型下有 m s o 扛 ( 2 6 ) 忽略永磁同步电机的粘性摩擦系数，则电机转矩运动方程为 尝譬。t 一吒 ( 2 7 ) pd t 式中吒是负载转矩，t 是电机产生的电磁转矩，i ，是电机的转动惯量，是转子的电角速 度，其中甜= d o d t 。 由上面的分析可知，永磁同步电机在a b c 坐标系下的电压方程为一组变系 数的线性微分方程，不太容易直接进行求解。为了使分析方便，我们一般用更为 简单的等效的电动机模型来代替实际电动机模型，并利用矩阵方法来分析电机的 坐标及坐标系统变换方法。下面将分析从a b c 坐标系到a b 坐标系的变换，及 a b 坐标系到d - q 旋转坐标系的变换，以方便分析和求解，如图2 2 所示。 图2 2c l a r k e 变换与p a r k 变换示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a m o ft r a n s f o r m a t i o nc l a r k ea n dt r a n s f o r m a t i o np a r k 9 第2 章永磁同步电机的模型 其中a 相绕组同a b c 坐标系中的a 相绕组重合，b 相绕组与a 相超f i i j 9 0 。正交。 三相坐标系下，单位向量为 e 印，e j 2 4 1 3e 圳3 ) ，坐标为( 勺，却，却) ，x 为i 、u 或驴。两相坐标系下，单位向量为忙扣，p 川2 ) ，坐标为纯，) 或 。，“卢) 。则有如 毗扣郴榔，引i v = n 2 e j 。, e j # 2 吲 汜8 ， 式中：3 三相绕组每相有效匝数。2 两相绕组每相有效匝数。 为了便于求逆，加入零轴分量乇( 或“。、妒。) ，式( 2 4 ) 增广得到 眦印枷螂，【| ；】h ：mn z e j 。, e j 月e , o 吲 汜 | 口1 3 盯冠 c l a r k e 变换阵： c l a r k e 逆变换 1一!一1 22 o 一鱼一鱼 22 k kk c ：丝 2 卜协圈 仫 1一!一1 22 o 一生一鱼 2 2 kkk 1 0 ( 2 1 1 ) 基于哈密顿的永磁同步电机控制及实验研究 其转置矩阵为 c - 1 _ 2 n 2 3n 3 r 2 了2 瓦n 2 1 1 u 2 k 1历1 222 k 1历1 222 k 11 1一二一二 2 2 o 鱼一巫 22 111 7 。k7 i k7 k ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 根据确定电流变换矩阵的原则，要求c = ( c - 1 厂，这样就有，n _ _ ：l 3 一詈惫及 k 一去，从而可求得等3 = 喜以及k = 西1 ，代入上述各相应的变换矩阵式中， 得到各变换矩阵如下： 三相到两相( 3 2 ) 的电流变换方程式为： 正a 1 0 ：店 1一!一三 。一鱼一鱼 zz 111 压压压 两相到三相( 2 3 ) 的电流变换方程式为： b l c ：后 0 1压 22 1压 22 1 压 1 压 1 压 b 七 l a z 0 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 对于三相y 形不带零线的接线方式有，+ + 毛= 0 ，则i c ；一一，从而 式( 2 1 0 ) 三相到两相的c l a r k e 变换可化为 第2 章永磁同步电机的模型 卧 鱼o 2 压 厅 一v 二 2 而二相到三相的逆c l a r k e 变换可化为 其s i m u l i n k 仿真模型为 后 。 11 一而忑62 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 换关系图。 a b 坐标系 ( 2 1 8 ) 基于哈密顿的水磁同步电机控制及实验研究 从d - q 坐标系到a - b 坐标系的逆p a r k 变换式为： 其s i m u l i n k 仿真模型为 ( 2 1 9 ) t r i g o n o m e t r i c f u n c t i o n j b c 2 d q 图2 4 三相静止到两相旋转坐标系的变换 f i g 2 4t h r e e - p h a s es t a t i o n a