（机械制造及其自动化专业论文）基于pmsm交流伺服系统dtc的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 伴随着电机制造技术、电力电子技术和计算机控制技术的发展，伺服控制系 统在工业控制和家用电气等领域得到了广泛的应用，因此研究永磁同步电机交流 伺服控制系统有着十分重要的现实意义。 首先，本文建立了永磁同步电机的数学模型，并分析了永磁同步电机伺服系 统直接转矩控制的原理。为了便于系统实现数字化控制，建立相应的标幺值模型。 其次，本文对永磁同步电机直接转矩控制系统进行了相关的研究和改进。直 接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d t c ) 技术是继矢量变换控制技术以 后，在交流调速领域出现的一种新型变频调速技术，直接转矩控制具有动态响应 迅速、控制简单、受电机参数变化影响小的优点，能够获得极佳的动态性能，但 存在较大的转矩与磁链的波动。针对常规的直接转矩控制存在的不足之处，本文 依据空间矢量p w m 控制的原理，提出了直接转矩控制空间矢量调制，利用电压 空间矢量调制能够使逆变器实现电压空间矢量的连续输出，有效减小了转矩和磁 链的脉动，提高了系统的控制性能。 最后，本文在理论分析的基础上，搭建了直接转矩控制的仿真模型与实验装 置，进行了大量的仿真研究与实验测试。仿真与实验结果都证明了这种控制策略 的可靠性。 关键词：永磁同步电动机；直接转矩控制；数字信号处理器 基于p m s m 交流伺服系统d t c 的研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o t o r t e c h n o l o g y , e l e c t r i c a l ，c o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g y , s e r v os y s t e m s a r eu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o l l e r sa n dh o u s e h o l d a p p l i a n c e s s oi t i sg r e a t l yn e c e s s a r yt o r e s e a r c hh i g hp e r f o r m a n c ea cs e r v o s y s t e m s f i r s to fa l l ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mi sp r e s e n t e da f t e rs t u d y i n gp h y s i c a l e q u a t i o n sa n de q u i v a l e n tc i r c u i t s ，a n da n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fd t c p um o d e lo f p m s mi sg i v e nf o rd i g i t a lc o n t r o lo fm o t o r s e c o n d l y ，i nt h ep a p e r , t h ea u t h o ra l s od o e sr e s e a r c ha n da m e l i o r a t i o no nd i r e c t t 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 ts y n c h r o n o u sm o t o r s d i r e c tt o r q u e c o n t r o l ( d t c )i san e wt e c h n o l o g yo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n ga f t e rf i e l d o r i e n t e dc o n t r o l ( f o c ) i nt h ef i e l do fa cd r i v es y s t e m s t h ep r i n c i p l ei sa n a l y z e d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa r ep r e s e n t e d d t ch a ss of a s tr e s p o n s eo ft o r q u ed y n a m i c p e r f o r m a n c e h o w e v e r , i ti so n l yo n e sp a c ev o l t a g ev e c t o ra p p l i e di ne a c hs a m p l i n g p e r i o di np 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 sd t c s e r v es y s t e mr e s u l t si nl a r g e t i p p l e so ft o r q u ea n ds t a t o rf l u xl i n k a g e b e c a u s eo fd t c h a sw e a k n e s s ，an e wd i r e c t t o r q u ec o n t r o lo fp m s mb a s e do no b s e r v i n ge r r o ro fs t a t o rf l u xl i n k a g ei sp r o p o s e d i tc a nr e a l i z ec o n t i n u o u sv o l t a g ev e c t o rm o d u l a t i o na n dd e c r e a s et h et o r q u er i p p l e a n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fa cd r i v es y s t e m s f i n a l l y ，t h es i m u l a t i n gm o d e l so fd t ca n dd t c - s v ma r eb u i l t ，a n d e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o w ：t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fd t c - s v mi s v e r yv a l i d a t e d k e y w o r d s ：p m s m ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，d s p i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期扮6 月罗日 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。本人授权兰州理工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j 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 l 、保密口，在，年解密后适用本授权书。 2 、不保柑。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期觯6 月9 f 日- - 1 日期扣e b 年6 月宁日 硕士学位论文 第l 章绪论 伺服技术是机电一体化技术的重要组成部分，已广泛应用于高性能数控机床 迸给、工业机器人、航空航天等各个领域。特别是近年来，随着计算机技术、电 力电子技术、电机制造技术、永磁电机材料、控制理论等的快速发展，使得传动 技术逐步由直流传动过渡到交流传动，伺服系统也由传统的步进伺服、直流伺服 发展到以交流伺服电机为控制对象的交流伺服系统。随着现代化生产的扩大，各 个行业对伺服系统的需求越来越大，对伺服控制产品的性能、功能及性价比要求 也越来越高。因此，研究并制造高性能、高可靠性的交流伺服系统有着十分重要 的现实意义。 1 1 伺服系统的发展简介 随着科学技术的快速发展，人类在计算机、微电子、电力电子和电机制造技 术等领域都取得了巨大的进步，特别是在控制方面的突破与发展，使得伺服控制 技术在很多科技领域中都得到了广泛的应用。比如在数控设备、工业机器人、大 规模集成电路、宇宙飞船、以及家用电器等领域。伺服电动机迄今为止己有四十 多年的发展历史，主要经历了如下的发展阶段【l 2 】： 2 0 世纪6 0 年代以前，主要以步进电机驱动液压伺服电机或者以功率步进电 机直接驱动，具有响应时间短，驱动部件的外形尺寸小等优点，伺服系统的位置 控制多为开环系统。这一时期是液压伺服系统的全盛期。但也存在发热大、效率 低、易污染环境、不易维修等缺点。 2 0 世纪6 0 ，7 0 年代，这是直流伺服电机诞生和发展的全盛时期。直流电机 是电磁转矩和电枢电流成正比，转矩响应速度快，具有良好的调速性能。随着大 功率晶体管的应用，电流控制性能大大提高，在很多高性能驱动装置中广泛采用 直流电机，伺服系统的位置控制也由开环控制发展成为闭环控制。但是，直流电 机有一个致命弱点，即机械换向时会产生电火花，这就加重了电刷和换向器的维 修工作量，而且，不适于在易燃、易爆、多尘的恶劣环境中应用。 为了克服直流电机的这些缺点，各国学者不断地研究交流电机调速系统。8 0 年代，伺服控制技术开始进入了交流时代，在8 0 年代末期，交流伺服系统就逐 渐取代了直流何服系统成为伺服系统的主流。交流电动机没有直流电动机上述的 缺点，它的转子惯量远比直流电动机要小，而输出功率比同体积的直流电动机要 大得多，动态响应也比较好。但是交流电动机的调速比直流电动机要复杂的多， 这就使得在短期内，交流伺服系统不可能完全取代直流伺服系统，所以在一定时 基于p m s m 交流伺服系统d t c 的研究 期内交流伺服系统和直流伺服系统将会并存。 1 2 交流伺服系统的基本组成 交流伺服系统主要包括功率驱动单元、控制单元、位置反馈单元、电流反馈 单元及执行元件单元等f 3 1 ，如图1 1 图1 1 交流1 司服系统的基本结构 ( 1 ) 功率驱动单元 功率驱动单元采用三相全桥不控整流，三相电压型逆变器调压调频的交一直 一交结构。逆变部分采用集成驱动电路、保护电路和功率开关于一体的智能功率 模块( i p m ) 。 ( 2 ) 控制单元 控制单元包括系统位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器，是整个交 流伺服系统的核心。 ( 3 ) 位置反馈单元 位置反馈单元选择是否合理直接关系到系统的静态及动态特性。目前常用的 位置传感器主要有旋转变压器、光电编码器、磁性编码器等元件。 ( 4 ) 电流反馈单元 系统的信号处理部分一般都是低压电路，所以，一般利用霍尔电流传感器来 测量各种波形的交直流的电流，并且输出电位是隔离的。 ( 5 ) 执行元件单元 常用的交流伺服电机主要包括步迸电机、感应式异步电机( i n d u c t i o nm o t o r ， 简写为i m ) 和本文采用的永磁同步电机( 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 ， 简写为p m s m ) 等三种。 2 硕士学位论文 1 3 交流传动伺服系统分类 ( 1 ) 按交流伺服系统所采用电动机类型来分，目前交流伺服系统主要有感 应异步电动机交流伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统两大类【4 】。 感应异步伺服电动机制造简单、价格低廉，不需要作特殊得维护，在其控制 方法上一般采用矢量控制、直接转矩控制的新型控制策略，很容易在弱磁条件下 高速正常运行。但是电动机转子散热非常困难，从而引起转子的电阻阻值随着温 度的变化而变化，进而影响磁场定向的准确性，这样也就影响了所建立的数学模 型的准确性，因此限制了系统的控制性能的提高。在交流伺服系统发展初期，感 应异步电动机交流伺服系统得到了很快的发展，主要应用于机床的主轴传动系统 中。 随着永磁材料价格的下降和其性能的大幅度提高，交流永磁同步伺服电动机 及其控制系统成为交流伺服控制系统的主流。在永磁交流伺服系统中，应用最为 普遍的永磁交流伺服电动机有两种：无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r 简称 b d c m ) 和永磁交流同步电动机。前者一般是方波电流驱动，后者一般采用三相 正弦波电流驱动，由于永磁交流同步电动机伺服系统在工作原理上能够克服无刷 直流电动机系统所固有的一些特点，控制也相对比较方便，也可以应用到高精度 和高性能的场合，比如工业机器人、高精度数控机床和航天技术领域以及家用电 器等领域，所以目前国内外对永磁交流伺服技术的研究也主要集中在永磁交流同 步电动机伺服系统上。 ( 2 ) 按照系统是否闭环，伺服系统可分为开环、半闭环和全闭环伺服系统 三大类： 开环伺服系统就是系统的输出没有反馈到系统的输入信号中，即就是没有位 置反馈的伺服系统。开环伺服系统通常使用的驱动元件单元是功率步进电机或电 液脉冲马达，系统的输出位移与脉冲个数成正比，所以在整个控制系统时，只要 精确地控制了输入脉冲的个数就可以准确地控制系统地输出，缺点是这种系统精 度比较低，运动不是十分平稳。由于开环系统结构简单，所以在一些要求精度比 较低的场合有着广泛的应用。 半闭环伺服系统本属于闭环系统，它具有位置反馈环节，所以在原理上它具 有闭环系统的一切特性和功能，但由于它的位置信号在中间经过了一个机械传动 部件的位置转换，对实际位置移动采用间接测量的方法，然后才反馈到系统的输 入，所以半闭环伺服系统存在着测量转换误差，而且在环外的误差也没有得到有 效补偿。 全闭环伺服系统是一种真正意义的闭环伺服系统，在结构上与半闭环伺服系 统是一样的，只是它的位置检测元件单元直接安装在了系统的最终运动部件上， 基于p m s m 交流伺服系统d t c 的研究 系统反馈的是整个系统真正的最终输出，所以就可以把整个系统内部的误差进行 有效的补偿，全闭环伺服的控制精度是最高的。所以一般常应用于要求精度比较 高的场合。 ( 3 ) 按照系统信号特点来分，可把伺服系统分为模拟和数字伺服系统两种， 模拟伺服系统采用模拟元器件构成，而且系统的控制信号、中间信号和输出信号 也都是模拟信号。其优点就是抗干扰能力比较强，一般不会像数字伺服系统因为 峰值噪声而有可能产生误动作，其系统比较稳定，整个系统的性能基本上取决于 硬件的设计和配合情况；然而模拟伺服系统对微弱信号分离非常困难，在零点附 近容易产生零点漂移，系统的精度不是很高，而且不容易进行升级和换代。 数字伺服系统的控制和调节都是采用数字技术，也就是说它的输入位置指令 和反馈信号均采用逻辑电平信号而不是模拟电平信号。数字伺服系统的优点是： 精度比较高，整个系统的控制精度的提高可以通过升级系统的c p u 来达到目的， 而不是更换系统硬件，通过对系统软件的改写可以很容易地进行科学实验。但数 字伺服系统也有其本质的不足：当进行复杂控制策略的研究时，如果噪声峰值大 于逻辑判断容易出现误动作，甚至有时候无法进行正常工作【5 ，6 1 。 1 4 交流伺服的控制策略 目前交流伺服系统的控制策略主要有转速开环恒压频比( u 忙常数) 控制、 转差频率控制、非线性控制、滑块变结构控制、数字p i d 控制、模糊控制、人 工神经网络控制、自适应控制：预测控制等1 7 】。 模糊理论是1 9 6 5 年由美国加里福尼亚大学著名的控制论专家l a z a d e h 教 授提出来的，模糊控制器能模仿熟练操作人员和专家的控制经验和方法，可以克 服非线性等因素的影响，对调节对象的变化具有较强的鲁棒性【引。模糊控制策略 在伺服系统中的典型应用有：电机速度控制模糊控制器、电机参数的模糊辨识以 及电机效率的优化模糊控制等【9 1 。虽然模糊控制在理论和实际应用都有比较成功 的例子，但是一般的模糊控制器没有积分作用，在系统中出现负载扰动时会出现 静差。而增加了积分效应的模糊控制器，虽然相当于交系数p i d 控制器，可以 实现无静差控制，但是单纯地将一个简单的传统的模糊控制器应用于一个高精度 的伺服系统，还是不能得到令人十分满意的性能，会出现系统的动态响应轨迹不 能被定量地控制，而只能得到模糊控制特性等问题。所以模糊控制一般只有与其 他控制方法相结合，才能取得比较优良的控制性能【l 0 1 。 人工神经网络的研究开始于1 9 4 3 年，它起源于心理学家w s m c c u l l o c h 和 数学家w p i t t s 所提出的m p 模型，1 9 4 9 年心理学家d o h e b b 提出了神经元之 间突触强调调整的假设，也就是著名的h e b b 学习规则，h e b b 学习规则至今仍 是人工神经网络中的一个极为重要的学习规则。后来，f r o s e n b l a t t 提出了著名 4 硕士学位论文 的感知机模型，这是第一个完整的人工神经网络【1 1 1 。1 9 6 9 年美国麻省理工学院 著名的人工智能学者m m i n s k y 和s p a p e l t t 提出了著名的x o r ( 异或) 问题，这 一问题的提出使得神经网络的研究步入一个相对缓慢发展的低潮期，在经过一段 低潮之后，1 9 8 2 年美国加州理工学院生物物理学家j j h o p p f i e l d 提出了一个新 的神经网络模型，这个模型的提出又极大地推动了神经网络的研究，引起了神经 网络研究的又一次热潮【1 2 】。 神经网络在解决非线性系统的自适应控制中显示出了极大的优点，其原因在 于神经网络具有很强的非线性逼近能力和自学习能力。虽然如此，神经网络控制 在交流伺服系统中的应用仍然处于起步阶段，最开始的尝试是用神经网路控制来 代替传统的p i d 控制，后来由于在实际应用中比较广泛的矢量控制表现出对系 统参数特别敏感的缺点，为了准确检测电机参数的变化，提高控制的性能，有人 将神经网络用于电机参数的在线辨识、跟踪，并对磁通以及转速控制器进行自适 应调整。再后来也有应用在感应电机的矢量控制中，为了准确知道转子磁通的瞬 时位置和幅值，用神经网络来精确估计转子磁通幅值和位置等等【1 3 】。虽然神经 网络控制包括模糊控制等智能控制在交流伺服系统中的研究已经取得了一些成 果，但是还有许多问题需要解决，比如学习算法需要进一步研究和优化，如何提 高网络的收敛速度和算法的稳定性，而且智能控制器的设计目前主要还是凭经 验，在交流伺服系统中还只是一种方法，还不能成为理论等等。 自适应控制所需要的关于模型和扰动的先验知识比较少，而且需要在线获取 这些信息，不断地在系统运行过程中提取有关模型的信息，所以它对模型参数的 依赖性比较小，可以克服参数变化对控制精度的影响。在电机控制领域的自适应 控制方法有模型参考自适应控制、参数辨识自校正控制和非线性自适应控制。自 适应控制存在一个影响其在实践中的具体应用的问题，就是它的数学模型和运算 繁琐，控制的实时性不好【1 7 , 1 8 】。 预测控制理论是近年来发展起来的一类新型计算机控制算法，它不是某一种 统一理论的产物，而是在工业实践过程中独立发展起来的，到目前为止预测控制 理论已经有几十种方法，可以统称为预测控制算法，最早应用于工业过程的预测 控制算法有r i c h a l e t 、m e h r a 等提出的建立在非参数模型脉冲响应基础上的模型 预测启发控制( m p h c ) ，或者称之为模型算法控制( m a c ) ，还用c u l t e r 等提出 的，建立在非参数模型阶跃响应基础上的动态矩阵控制( d m c ) 等，这些算法 用来描述过程动态过程行为的信息，是直接从生产现场检测到的过程响应( 即脉 冲响应或阶跃响应) ，并且不需要事先知道过程模型的结构和参数的有关先验知 识，也不必通过复杂的系统辨识来建立过程的数学模型，即可以根据某一个优化 指标设计控制系统，确定一个控制量的时间序列，使得未来某一段时间内被控量 与经过柔化后的期望轨迹之间的误差为最小 1 9 - 2 5 】。预测控制算法具以下有三个 基于p m s m 交流伺服系统d t c 的研究 基本特征：( 1 ) 建立预测模型方便，用来描述过程动态行为的预测模型可以通过 简单的试验得到，不需要通过复杂的系统辨识等建模过程即可获得预测模型。( 2 ) 采用滚动优化策略，预测控制算法与通常的离散最优控制算法不同，它不是采用 一个不变的全局优化目标，而是采用滚动的时域优化策略，优化过程不是一次离 线进行，而是在线滚动实施，提高了系统的控制效果，( 3 ) 采用模型误差反馈校 正在预测控制算法中，检测实际输出与模型输出之间的误差进行反馈校正来称 补，使滚动优化建立在预测模型输出误差反馈校正的基础上【2 6 1 。 1 5 交流伺服的研究现状和发展趋势 1 5 1 交流伺服的研究现状 随着控制理论、大功率电力电子器件、变频技术、以微型计算机数字控制技 术等在实际应用中相继取得重要发展，电气传动领域发生了十分重大的技术变 革，变速传动中交流调速技术获得了飞速发展。“交流取代直流刀已成为必然趋 势 7 , 8 , 1 5 】。现代交流电动机控制的发展现状及趋势可以概括为以下几点： 1 控制理论方面 1 9 7 1 年，f b l a s e h k e 提出“异步电动机磁场定向的控制原理 ，即用矢量变 换的方法研究交流电机的动态控制律，在定向于转子磁通的基础上，实现了交流 电机磁通和转矩的解耦控制，使交流传动系统的动态性能有了大大改善，开创了 交流传动的新纪元。19 8 5 年由德国学者m d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩 控制的理论，随后日本学者i t a k a h a s h i 也提出类似的控制方案，并取得了很令 人振奋的控制效果。直接转矩控制既不需要复杂的坐标变换，也不需要依赖转子 数学模型，其新颖的控制思想，简洁的系统结构，良好的静、动态性能受到了普 遍的关注并得到迅速的发展。进入9 0 年代，交流电机的控制方案逐步走向多元 化：基于现代控制理论的滑模变结构控制、采用微分几何理论的非线性解耦控制、 模型参考自适应控制等等方法的引入，使系统控制性能得到了较快改善和提高。 但这些理论仍然建立在对对象精确的数学模型基础上，有的还需要大量的传感器 和观测器，所以结构复杂，有的甚至仍无法摆脱非线性和电机参数变化的影响。 由于智能控制无需对象精确的数学模型，因而许多学者将智能控制方法( 如专家 ： 系统、模糊控制、人工神经网络控制等) 引入电动机控制系统，取得了满意的效 果。以模糊控制为例，其应用如：电机速度控制的模糊控制器；模糊逻辑在电动 机模型及参数辨识中的应用；基于模糊逻辑的电动机效率优化控制；基于模糊逻 辑的智能逆变器的研究等等。纵观电动机工业的发展史，几乎每一次大的发展都 有理论方面的重大突破。但现在作为一些较成熟的现代交流系统，再提出具有划 时代意义的理论不很容易。因此今后的发展，在相当长一段时间内，还将会是将 6 硕士学位论文 现有的各种控制理论加以结合，互相取长补短，或将其他学科的理论、方法引入 其控制，走交叉学科的道路。总之，交流电动机的控制己不再使人束手无策，实 现其较为理想控制己不再遥远。 2 控制器方面 微电子技术的迅速发展以及微处理技术的日益更新，使得电动机控制技术开 始由传统的模拟技术转向微处理器控制的数字技术。控制系统的精度、稳定性、 抗干扰性、多功能化、通用化等得到较大的改善，而价格大体与模拟控制系统相 当。目前国外的许多半导体厂商，都开发出了一系列电动机控制专用集成电路芯 片，可以满足部分数字化控制的应用需求。但由于各厂商之间无统一标准，且专 用集成电路芯片的功能有限，通用性以及可扩展性不强，在一些较复杂的应用场 合，专用集成电路芯片不一定能够能满足性能要求。这时可以考虑自己开发电动 机专用的控制芯片。现场可编程门阵列( f p g a ) 可作为一种解决方案。f p g a 借助于硬件描述语言( v h d l ) 来对系统进行设计，可将复杂的软件算法用硬件 实现。 高性能的面向电动机数字化控制的工业单片机和高速数字信号处理器 ( d s p ) 的出现，使得电动机控制系统的性能大大提高，并简化了系统结构。与 单片机相比d s p 器件具有更高的集成度，更快的运算速度，丰富的高度专业化 的指令集，更大容量的存储器，内置波特率发生器，具有高速同步串行接口和标 准异步通讯串行接口，以及集成在片内的a d 和采样保持电路，p w m 电路。 因此，d s p 可以满足各种复杂的应用需求，实现高性能的数字化控制。随着d s p 性能价格比的不断提高，d s p 将越来越广泛的应用于控制的各个领域。d s p 可 以满足各种复杂的应用需求，实现高性能的数字化控制。随着d s p 性能价格比 的不断提高，d s p 将越来越广泛的应用于控制的各个领域。 3 电力电子技术方面 电力电子技术一直是电动机控制发展最为重要的物质基础，大功率半导体器 件的发展也制约着电动机控制的水平。从最初的晶体管到第二代的g t r 、 m o s f e t 再到第三代的i g b t ，大功率半导体器件的性能不断提高，使得变频装 置发生了根本性的变化。目前，大功率半导体器件又向集成化智能化方向发展。 智能功率模块i p m 是向第四代功率集成电路p i c 的过渡产品。它是微电子技术 和电力电子技术结合的产物。不但提供功率传输变换能力，而且还具有逻辑、控 制、传感、检测、保护和自诊断等功能。它内含驱动、保护电路，具有过流、短 路、欠压、过热保护等功能。外界只需提供p w m 信号给智能功率模块，就可实 现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。由于采用了隔离技术，散热更均匀， 体积更紧凑。采用i p m 作为功率变换装置，不但可以提高可靠性，而且缩短了 系统的开发时间、降低了开发费用。 7 基于p m s m 交流伺服系统d t c 的研究 曼 i, i 1 1 4 计算机辅助设计方面 计算机和微电子技术的快速发展，现代计算机的功能越来越强大，速度也越 来越快。为系统设计和仿真提供的软件越来越多，比如m a t l a b 。m a t l a b 具 有强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境以及丰富的算法。 己成为科研以及工程技术人员的很好的开发工具。控制理论方面的一些新的想 法、新的控制策略都可以先通过m a t l a b 进行验证、和修改。尤其是m a t l a b 5 2 中提供的电气系统模块库( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ) ，使电气传动工作者能够将 电气传动控制系统设计所需要的复杂算法和先进控制理论相结合，进行准确而快 速地对电路以及更复杂的电气系统仿真。此外最新版的m a t l a b 5 3 还提供的 r e a lt i m ew o r k s h o p ，它可以将s i m u l i n k 生成的控制系统仿真模型转化为c 语言 文件。将这个文件编译成可执行文件后，在计算机d o s 环境上运行，通过适当 的接口，将计算机的信号输出到合适的控制系统的执行部分，就可实现在线仿真， 大大缩短了开发时间。也可自己开发一套控制系统，作为实验平台。通过c 程 序，直接调用m a t l a b 中丰富的控制工具箱，既达到实时仿真的目的又可加快 开发过程。此外，还有一些软件，如m a t h e m a t i c a 、p s p i e e 等，都可对设计控制 系统起到辅助作用。m a t h e m a t i c a 本是一款数学软件，具有强大的运算能力，可 以对控制系统的控制理论进行仿真设计。p s p i c e 是一款模拟电路仿真软件，可以 对控制系统的主电路和执行元件进行仿真。目前也有人在将不同仿真软件结合应 用的方面做了研究。如将m a t l a b 的系统功能与p s p i c e 的器件功能相结合，对 系统从控制器到主电路方面进行完全的仿真。 5 稀土永磁材料的应用和电机制造技术方面 由于异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电动机技术发展缓慢。但随着 稀土永磁材料的发展和电动机制造技术的进步，永磁同步、力矩、印制绕组、大 惯量宽调速电动机等新型电动机因其优良的性能，使得在其现代交流调速及伺服 系统中得以广泛应用。 总之，随着现代化的发展，现代交流电机控制将日趋成熟，“交流取代直流 的形势指日可待。但是，应当看到与国外公司的先进技术和产品相比，我们还有 很大的差距。美国、日本、英国、德国等国在研究交流电动机控制技术方面取得 了许多成功的经验，其产品也纷纷打入我国市场，并占据了较大的市场份额。因 此，对交流电动机控制技术进行研究，有助于提高我国机电一体化技术水平，跟 踪和赶超世界先进技术具有非常重要的意义。 1 5 2 交流伺服的发展趋势 1 交流化 伺服技术将继续快速地由d c 伺服系统转向a c 伺服系统。交流控制系统不 硕十学何论文 仅具备了调速范围宽、而且还具备高稳速、高精度、和快速动态响应等良好的技 术性能。从目前国内国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是a c 伺服系统。 特别是，在工业发达国家，a c 伺服电动机的市场已远远超过d c 伺服系统市场 而占有率达8 0 之多。在不远的将来，除了在某些微型电动机特殊领域之外， a c 伺服电机将完全可能取代d c 伺服电机。 2 全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机( d s p ) 的伺服控制单元将全 面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。 就我国目前而言，所应用的交流伺服系统产品仍以数模混合式为主，由于受运算 速度的限制影响，动态响应最快的电流环控制仍由模拟电路完成，因此国产交流 伺服系统普遍存在外观尺寸大、笨重和可靠性不高等缺点。专门面向电动机控制 开发的d s p 芯片不但可以实现如矢量控制、直接转矩控制这样的控制算法，而 且也有条件完成现代控制理论和智能控制理论的一些十分复杂的算法，如自适应 控制、模糊控制、神经网络等。全数字化的实现，将原来的硬件伺服控制变成了 现在的软件伺服控制，使伺服控制系统的精度以及鲁棒性得到了较好的保证。 3 高度集成化 新的伺服系统产品改变了以往将伺服系统划分为速度伺服单元和位置伺服 单元两个模块的做法，取而代之以单一的、高度集成化、多功能的控制合成单元。 同一个控制单元，只要仅仅通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以 使用电动机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位 置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还明显地减 小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装和调试工作都得到了简化。 4 智能化 最新数字化的伺服控制单元，通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点 表现在以下几点：首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通 过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服控制单元内部，通过通信接口，这 些参数可以在线由上位计算机加以修改，应用起来非常方便；其次它们都具有故 障自诊断能力与分析功能能力，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障 的可能类型以及可能引起故障的可能原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简 化了维修和调试的复杂性；除以上特点之外，伺服系统还具有参数自整定这一功 能。闭环调节系统的参数自整定是确保系统性能指标正常的重要环节，具有自整 定功能能力的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自 动实现其最优化控制。 9 基于p m s m 交流伺服系统d t c 的研究 1 6 本课题的研究意义以及研究内容 1 6 1 本课题的研究意义 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d t c ) 于1 9 8 5 年由德国鲁尔大 学m d e p e n b r o c k 教授和日本学者i t a k a h a s h i 分别提出的【4 1 , 4 2 】，该方案一经提出 就有很多学者进行了大量的研究，并力图转为实际应用。这种控制方法不控制定 子电流，直接控制定子磁链和转矩，即根据转矩和磁链滞环控制器的输出信号以 及定子磁链矢量的位置信号，从一个离散的最优开关表中选择合适电压空间矢量 来控制逆变器中的电子开关状态，来实现对转矩b a n g b a n g 控制。d t c 避开了 电机轴系的坐标变换和解耦控制，方法简单，无需通过电流控制，直接控制电机 转矩。系统的转矩响应快速，然而不可避免地产生转矩脉动，降低了系统的动态 性能。直接转矩控制技术是现代先进的电机控制技术之一，它。的优秀的动态性能 以及对电机参数的鲁棒性，引起了国内外电力电子技术界和产业界的热切关注。 由于该控制方法理论的不完备和对计算机处理速度的要求，直到19 9 5 年瑞典 a b b 公司第一台采用直接转矩控制方案的异步电机高档变频器才面世，他们认 为直接转矩控制将是下一代交流电机的最优秀的控制方式，并宣称以后a b b 公 司只发展这个系统【4 3 1 。由此可见，该控制方法科学意义和巨大的经济价值。尽 管直接转矩控制在异步电机上获得了如此重大的成功，但是，该项技术始终没有 应用到同步电机上，直接转矩控制策略于1 9 8 6 年在异步电机上使用后【4 4 , 4 5 ，也 有人立即开始了将其应用到同步电机上的探讨，但一直没有公开文献反映这方面 的成果，其原因主要是由于同步电机和异步电机运行机理有本质的不同( 转差 角) 。异步电机直接转矩控制是建立在对电机转差角频率控制的理论基础上的， 而在同步电机中，从宏观上来讲不存在这种电机的转差角频率 3 6 , 3 7 。因此，直 接转矩控制技术应用于同步电机中首先需要解决其控制的理论问题。否则电流环 的时间常数将限制电机系统快速性的提高，从而丧失了直接转矩控制的精华。十 多年来，新的有成效的同步电机直接转矩控制系统一直没有面世，要有开创性的 工作才能打开这个僵局。针对这一要求，南京航空航天大学与澳大利亚新南威尔 士大学合作提出了基于永磁同步电机的直接转矩控制理论，初步实现了永磁同步 电机直接转矩控制方案，并且成功地拓展到了弱磁恒功率范围，为同步电机直接 转矩控制开创了新的一页。综上所述，直接转矩控制是一个很有潜力的新技术， 它将在大范围内对国民经济和社会发展起到重要作用，而在同步电机方面的研 究，在国际上有的刚刚开始( 永磁同步电机) ，有的还是空白( 电磁式同步电机) ， 还需要我们进行开创性的工作，其意义是重大和深远的。 1 0 硕十学何论文 量皇皇量曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼皇曼量曼! 曼曼鼍曼曼蔓曼曼量量曼曼曼i i 一一 一曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼量 1 6 2 本课题的研究内容 ( 1 ) 永磁同步电机的定子，转子结构及通常采用的控制方式。研究在d q 转 子坐标系下永磁同步电机的电压、定子磁链、电磁转矩和机械运动方程，研究永 磁同步电机的数学模型，研究相应的标幺值模型。 ( 2 ) 矢量控制技术是基于坐标变换的一种技术，将定子，转子的电压，电 流，磁势，磁链，瞬时值所产生的效应用空间矢量表示，以转子磁链矢量为参考 方向，通过三相到两相的变换，定子电流被分解为相互正交的与磁链同方向的励 磁分量，和磁链正交的转矩方向，使这两个方向可以独立调节和控制的一种控制 方法。直接转矩控制，它是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，采 用定子磁场定向，无需解耦电流，而是借助于离散的两点式调节产生p w m 信号， 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，着眼于转矩的快速响应，以获得转矩的 高动态性能。这种控制技术与矢量控制技术相比，省掉了复杂的矢量变换，而且 控制思想新颖，控制结构简单，信号处理的物理概念明确，转矩响应迅速，对电 机参数不敏感，不受转子参数的影响，简单易行。 ( 3 ) 三相电压型逆变器的工作原理，在其工作时的8 种不同输出电压矢量， 电压型逆变器能够选择的有6 个非零矢量和2 个零矢量，6 个非零矢量在空间相 隔6 0 。的分布，电压矢量的切换是步进的，磁链可以近似电压矢量的关系。 ( 4 ) 在采用空间矢量调制时，为获得旋转的电压空间矢量，需要按照平行 四边形法则，利用8 个基本的电压空间矢量的作用时间不同来等效合成所需要 的，任意角度和长度的电压空间矢量。 ( 5 ) 永磁同步电动机直接转矩控制是在转子磁链恒定的情况下控制磁链幅 值不变，控制定子磁链瞬时旋转速度来动态调节转矩角，使电机输出转矩跟定给 定转矩。 ( 6 ) 分析常规直接转矩控制系统，研究空间矢量调制原理，并对空间矢量 调制直接转矩控制的方法优化，利用空间矢量调制使逆变器输出连续的电压矢 量，预计有效减小转矩和磁链的脉动，大大的提高永磁同步电动机直接转矩控制 的稳定性能并在m a t l a b 中的s i m u l i n k 环境下仿真和实验。以及永磁同步电 动机直接转矩控制的数字化实现。 基于p m s m 交流伺服系统d t c 的研究 ! iii-_i _ _i鼍曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼曼量量曼皇曼曼鼍鼍曼窖曼量曼曼量曼曼量曼曼舅曼皇曼曼量曼皇量鼍皇 第2 章永磁同步电机的数学模型和标幺值形式 2 1 引言 以前，在工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中广泛应用着 电机传动，特别是在高精度要求的伺服控制场合，一般都常采用直流电机作为执 行元件单元。这是因为直流电机的励磁绕组和电枢绕组相互独立，在磁场一定的 条件下它的电机转矩和励磁电流与电枢电流的乘积成正比【2 7 】，只要控制电枢电 流的瞬时值，就能较好地控制直流电机的转矩，而且不存在时间滞后的影响。由 于直流电机调速比较方便，可以在宽广的范围内实现无级调速，比较容易得到良 好的动态特性，这使直流电机广泛应用于高性能伺服场合。但是，直流电机的机 械结构特性需要接触式换向器来换向电流，不但结构复杂、制造费时、价格昂贵， 而且在运行中容易产生电火花，加上机械换向器的机械强度不高、电刷易于磨损， 加大了电机的维修工作，这给直流电机的应用带来了很大的限制。 作为交流电机，特别是鼠笼型异步电机，由于它结构简单、制造方便、价格 低廉、坚固耐用、惯量小、无需维护、运行可靠、可运行在恶劣环境等优点，在 工农业领域得到了广泛的应用。永磁同步电机的特点是，具有电磁转矩纹波系数 小、动态响应快、运行平稳、过载能力强等优点，这使得其非常适合在负载转矩 变化较大的情况下使用；而且它的效率和功率因数都比较高，在轻载运行时节能 效果明显；另外，永磁同步电机不需要励磁电流，逆变器供电的情况下，省去了 励磁装置滑环电刷，而且较同容量的异步电机体积小、重量轻、结构多样化，应 用范围比较广。正是由于永磁同步电机突出的特点，非常适合在交流伺服系统中 的应用，目前已经得到人们越来越多的关注。直接转矩控制是交流电机的一种高 性能控制策略，在永磁同步电机驱动控制中的应用与研究已受到众多专家和学者 的关注。为了能够更加透彻地理解这种控制策略在永磁同步电机伺服系统的应 用，本章建立了不同空间坐标系下永磁同步电机的数学模型。同时，为了便于实 现电机的数字化控制，本章还简单地介绍了永磁同步电机的标幺值形式。 2 2 永磁同步电机的结构 永磁同步电机本体主要由定子和转子两大部分组成【2 8 , 2 9 。 永磁同步电机的定子指的是电动机在正常运行时不动的那部分，与普通同步 电机在定子结构上是基本一致的，它由三相绕组及铁心构成，主要是由硅钢冲片、 三相对称分布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳和端盖等部分组成，且电枢 1 2 硕十学何论文 绕组通常为星型连接。其定子和异步电动机的定子结构基本类似。空间上三相对 称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，空间旋转磁场的 同步转速与定子电流频率厂存在如下关系： 刀。= 6o 上( 2 1 ) pm 其中以为电动机极对数。 永磁同步电动机的转子是指电动机在正常运行时可以转动的那部分，在转子 结构上，普通同步电机通常由磁极铁心、励磁绕组、永磁磁刚及磁扼等部分组成。 磁极铁心由钢板冲片叠压而成，磁极上套有励磁绕组，励磁绕组两出线端接在两 个集电环上，再通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。励磁绕组由直流励磁 电源供电，其正确连接应使相邻磁极的极性呈与s 交替排列。永磁同步电机 是用永磁体取代普通同步电机的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环以及电刷， 真正意义上实现了无刷化电机。 转子的主要作用是在电动机工作时，在电动机的气隙内产生足够的磁感应强 度，并与通电后的定子绕组相互作用产生转矩用来驱动自身的运转。故此，永磁 同步电机的励磁磁场可视为恒定不变的，另外与普通同步电动机相比，永磁同步 电机还必须装有转予位置检测器，用来检测转子磁极的位置，进而对电枢电流进 行控制，达到控制永磁同步电机的目的。为保证系统精度和运行质量，多采用旋 转变压器或光电码盘作为永磁同步电机的转子位置检测器，与永磁同步电机转子 同轴连接。 2 3 永磁同步电机的分类 永磁同步电动机的转子采用永久磁铁励磁，根据磁性材料的不同类型可以设 计出各种不同的结构。就目前而言，一般采用稀土永磁材料做磁刚较为普遍。稀 土永磁材料的一个重要特点是它的磁导率和空气磁导率相仿，对于径向结构的电 动机交轴和直轴磁路磁阻都很大，可以在很大程度上减少电枢反应。由于转子磁 刚的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因 此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种是正弦波形， 另一种为梯形波，这样就造成两种同步电动机在原理、模型以及控制方法上有所 不一样，为了区分由它们组成的永磁同步电动机，一般把产生正弦波磁场的永磁 同步电动机称为正弦型永磁同步电动机；而由梯形波产生磁场的永磁同步电动机 称为梯形波型永磁同步电动机，由于其原