（检测技术与自动化装置专业论文）基于mras技术的永磁同步电机控制系统研究.pdf

i i i ii i ii i ii1 1 ii i i ii ii y 1717 5 0 7 r e s e a r c ho nc 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 r b a s e do nm r a s m a j o r ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i ce q u i p m e n t d i r e c t i o no fs t u d y - m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sd e t e c t i o na n d c o n t r o lt e c h n o l o g y g r a d u a t es t u d e n t ： s h ix i a o x i a s u p e r v i s o r ：p r o f h a n m i ny e c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n dc o n t r o le n g i n e e r i n g g u i l i nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s e p t e m b e r , 2 0 0 8t oa p r i l ，2 0 10 ，i 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的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。据我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮 助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 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，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权( 学校) 可以 将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、汇编学位论文。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。( 保密的学位论文在解密后适用 厂、本授权书) 导 签日 一rr 桂林理工大学硕士学位论文 摘要 本文针对速度传感器在交流调速系统中的应用进行分析，发现其在成本、安装、维护、 非线性和低速性能等方面的原因，影响到永磁同步电机调速系统的简单性、廉价性及系统的 可靠性问题，从而需要交流电动机控制系统逐渐向无速度传感器技术方向发展，其中模型参 考自适应系统( m r a s ) 辩识转速的方法是其中应用最为广泛的一种。 考虑到电机参数的变化会对速度辨识的精度产生影响，本文在直接转矩控制理论和永磁 同步电机数学模型的基础上，通过模型参考自适应法( m r a s ) ，研究了一种基于模型参考自 适应速度辨识的永磁同步电机直接转矩的无速度传感器控制方案。该方案以电机转速为可调 参数；电机的电流模型作为参考模型估算，定子电流模型作为可调模型，两者采用了并联型 结构。它利用交轴的估算电流与实际电流之差作为误差信号，经过p i 调节器估计转速，根据 p o p o v 超稳定性理论对估计速度的自适应律进行设计，同时对转速和电机运行中变化较大的定 子电阻进行辨识。利用m a t l a b s i m u l 烈k 对模型参考自适应法速度辨识方案构建了永磁同 步电机无速度传感器直接转矩控制系统仿真模型。实验结果验证了该方案的可行性与有效性。 最后讨论在系统仿真图基础上完成模块化的硬件设计，本文以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心构成 控制器，采用智能功率模块i p m 作为功率主回路，通过电流和电压检测电路构成闭环控制系 统，实现永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制。 关键字：m r a s ；永磁同步电机；直接转矩；无速度传感器； 艰- 、 、 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a n a l y s i s i n gt h es p e e ds e n s o ro fa p p l i c a t i o n si nt h ea cd r i v es y s t e m ，f o u n d e di t h a v ec o s t ，i n s t a l l a t i o n ，m a i n t e n a n c e ，n o n 1 i n e a ra n dl o w s p e e dp e r f o r m a n c er e a s o n s ，a f f e c t i n gt h e 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 rs p e e dc o n t r o ls y s t e ms i m p l i c i t y , l o wc o s ta n dt h er e l i a b i l i t y o ft h es y s t e m ，a cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mg r a d u a ll yr e q u i r e st oh a v et h ed i r e c t i o no fs p e e d s e n s o rl e s st e c h n o l o g y ，i n c l u d i n gm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ( m r a s )s p e e di d e n t i f i c a t i o n m e t h o di sw i d e l yu s e d t a k i n gi n t o a c c o u n tt h ec h a n g e si nm o t o rp a r a m e t e r sw i l lh a v ea ni m p a c to ns p e e do f i d e n t i f i c a t i o na c c u r a c y , b a s e do nd i r e c tt o r q u ec o n t r o lt h e o r ya n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f 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 , t h r o u g ht h em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v el a wt h e o r y , t h i sp a p e r d e s i g n e dam e t h o dw h i c hb a s e do nm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es p e e di d e n t i f i c a t i o no fp 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 t h ep r o g r a mm a d et h em o t o rs p e e da st h ea d j u s t a b l ep a r a m e t e r s ，w h i l e c u r r e n tm o d e lo fp m s mi sr e g a r d e da sr e f e r e n c em o d e l ，t h ee s t i m a t e ds t a t o rc u r r e n tm o d e li s c o n s i d e r e da sa d j u s t a b l em o d e l b o t hu s e dp a r a l l e ls t r u c t u r e i to n l yn e e d st h ee r r o rs i g n a lb e t w e e nq a x i se s t i m a t e dc u r r e n ta n dqa x i sa c t u a lc u r r e n t t h e ne s t i m a t e ds p e e di sg a i n e db yu s i n gp ir e g u l a t o r w h i c ha d j u s t e de r r o rs i g n a l t h es y s t e md e s i g n e dt h ee s t i m a t e ds p e e do f t h ea p p r o p r i a t ea d a p t i v el a w b a s e do np o p o vh y p e rs t a b i l i t yt h e o r y t h ea d a p t i v el a w sa r ed e s i g n e ds ot h a tr o t o rs p e e da n ds t a t o r r e s i s t a n c ea r ee s t i m a t e da tt h es a m et i m e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e dt h a ti ti sv a l i d i t ya n d f e a s i b i l i t y a tl a s t ，i tc o n c l u d e sw i t had i s c u s s i o no nt h es y s t e ms i m u l a t i o nb a s e do nt h ed i a g r a mt o c o m p l e t et h em o d u l eh a r d w a r ed e s i g n ，t h i st h e s i sc o n s t r u c t e dt h e c o n t r o ls y s t e mw i t ht m s 3 2 0 f 2 812 c o n t r o l l e r , as m a r tp o w e rm o d u l ei p mr e g a r d e da st h ep o w e ro f t h em a i nc i r c u i tt h r o u g ht h ec u r r e n t a n dv o l t a g ed e t e c t i o nc i r c u i t sc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m ，i tr e a li z e dp 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 rs p e e ds e n s o rl e s sd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：m o d u l er e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ( p m s m ) ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l i i ( m a 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 sm o t o r ( d t c ) ；s p e e ds e n s o rl e s s 一ri、 桂林理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目蜀匙i i i 第1 章绪论l 1 1 引言1 1 1 1 永磁同步电机的总体概况与发展前景1 1 1 2 永磁同步电机交流调速系统的发展。2 1 2 无速度传感器控制系统的探究一3 1 2 1 永磁同步电机的无传感器的调速方法一4 1 3 永磁同步电机调速中现代控制技术的研究一6 1 4 论文的主要内容。：7 1 4 1 课题来源“7 1 4 2 论文内容7 第2 章永磁同步电机直接转矩控制原理9 2 1 永磁同步电机数学模型9 2 1 1 永磁同步电机结构与特点9 2 1 2 永磁同步电机坐标轴系l o 2 1 3 永磁同步电机运动方程1 4 2 2 永磁同步电机直接转矩控制的实现1 5 2 2 1 直接转矩控制基本原理与控制方式l5 2 2 2 永磁同步电机直接转矩控制的实现1 7 第3 章基于m r a s 技术的无速度传感器直接转矩控制系统研究。2 2 3 1 自适应控制理论与技术2 2 3 1 1 自适应控制理论2 2 3 1 2 自适应控制系统形式2 3 3 1 3 自适应控制系统特点与应用2 4 3 2 构建模型参考自适应系统( m r a s ) ：2 4 3 2 1 模型参考自适应系统的概况2 5 3 3构建m r a s 技术的无速度传感器控制系统2 6 i i i 一ri 谭 i 、 i 桂林理工大学硕士学位论文 3 3 1 永磁同步电机模型参考白适应系统( m r a c ) 2 6 3 3 2m r a s 技术速度辨识的实施方案2 7 3 3 3 参数估计自适应控制器设计：3 l 3 4 无速度传感器直接转矩控制系统3 4 3 4 1 直接转矩无速度辨识方法3 4 3 4 2 永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制系统3 5 第4 章m r a s 技术的永磁同步电机控制系统的仿真研究3 7 4 1m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具3 7 4 2s v m d t c 系统仿真模型的设计3 7 4 2 1 仿真模型构建3 7 4 2 2 仿真的结果分析4 l 4 3 基于m r a s 技术的转速估算模块设计4 9 4 4m r a s 技术的s v m d t c 的仿真结果分析5 4 第5 章控制系统硬件与软件设计5 6 5 1系统总体结构设计5 6 5 2 控制系统的硬件设计5 6 5 2 1 主要应用芯片概述5 7 5 2 2 系统主电路5 8 5 2 3 系统外围电路5 8 5 3 控制系统的软件设计：6 0 5 3 1 系统整体结构6 1 5 3 2 初始化6 1 + 5 3 3 中断处理程序6 2 5 3 4s v p w m 软件实现算法6 3 第6 章总结与展望6 5 6 1 论文的工作总结6 5 6 2 后期的工作展望一6 5 致谢6 6 参考文献6 7 i v _ 桂林理工大学硕士学位论 1 1 引言 第1 章绪论 1 1 1 永磁同步电机的总体概况与发展前景 近年来，由于永磁材料在性能方面不断地进行提高和完善，同时我国又是盛产永磁材料 的国家，具有丰富的稀土永磁材料钕铁硼资源，而这些资源的永磁热稳定性和耐腐蚀性有所 改善，同时价格逐步降低。紧随电力电子器件的发展，这时永磁电机研究的开发经验也逐步 走向成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永磁同步电机在国防、工农业生产和日常生 活等方面获得越来越广泛的应用。因此，永磁同步电机在我国有很好的应用前景，发挥了我 国稀土资源丰富的优势，永磁电机则是稀土永磁电机最典型的代表，同时进行了大力研究和 推广。 永磁同步电机( p m s m ) 通过永磁体产生磁场，结构简单，节约能量。自7 0 年代以来， 科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用。因其体积小、功率密度高、效率和 功率因数高等明显的特点引起了对从事电机及其驱动系统技术研究的学者和研究人员的广泛 注意和重视。 永磁同步电机由于以下几个方面的原因能够迅速发展： ( 1 ) 高性能永磁材料的发展 永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取 代传统的电激磁磁极，采用永磁体替代电激磁磁极，简化结构，消除了转子的滑环和电刷， 实现了无刷结构，缩小了转子体积，省去了激磁直流电源，从而消除了激磁损耗和发热。现 今中小功率的同步电动机己绝大多数采用了这种永磁式的结构。 ( 2 ) 电力电子技术的发展 随着微处理技术，大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展， 其性价比日益提高，交流伺服技术、交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐占据主导市场。 目前，高性能的伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电机，永磁同步电机交流伺服系统在 技术上基本趋于成熟，具备十分优良的低速性能；同时可以实现弱磁高速控制，能快速、准 确定位控制驱动器组成的全数字位置伺服系统。 ( 3 ) 规模集成电路和计算机技术的发展 现代永磁同步电动机的控制集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，它不仅是高 j-i 桂林理工大学硕士学位论 新电子信息产业的核心，也是不少传统产业的改造基础，这些技术的飞速发展促进了电机控 制技术的应用与创新。 从上个世纪末期以来，由于微处理器和计算机技术的飞速发展，推动了永磁同步电动机 成为交流调速领域中的一个重要分支。目前永磁同步电机朝着高性能化、大功率、微型化和 智能化的方向发展。 永磁同步电机早期的研究主要针对固定频率供电的永磁同步电机运行特性，尤其是稳态 特性和直接起动性能。v b h o n s i n g e r 和m a r a h m a n 等人在这方面做出很大贡献。 2 0 世纪8 0 年代，国外研究者开始对逆变器供电的永磁同步电机进行深入的研究，其供电 的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机具有相同的结构，一般情况下都无阻尼绕组，在 该时期发表了大量有关永磁同步电机数学模型、稳态特性、动态特性的研究论文。 随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，g r s l e m o n 等人针对调速系统快速动 态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法，从而出现了高效率、高力矩 惯量比、高能量密度的永磁同步电机。 因为永磁同步电动机具有维护方便、可控性强、受环境影响小、电机效率高以及高功率 因数等诸多优点。目前，永磁同步电机已经在国民经济各个领域中得以应用，如建筑行业中 的混凝土搅拌机、数控机床、轮船推进机等； 近年来由于存在环境问题，各个领域对电机的效率和节能的要求逐渐提高。除了环境问题， 高性能永磁材料的发展及成本的减少也扩大到永磁同步电机应用领域中。钕、铁、硼永磁材 料是目前磁性能最强的永磁材料，它具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积等特点。通过开发 能够经受高温及不易退磁的永磁材料，永磁同步电机已经在工厂自动化、压缩机及交通工具等 领域应用中大大进步。 当今永磁同步电动机比以往同步电动机的概念和应用范围方面都有所扩展。永磁同步电 动机从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，作为从人们日常生活到各种高精尖的科技领域最 主要的驱动电机的出现，而且前景美好。 1 1 2 永磁同步电机交流调速系统的发展 现代化社会在不断地进步与发展，人类当前面临的共同的世纪性难题是能源短缺和环境 污染。目前，世界一半以上的电能都在电动机驱动上消耗掉，一直以来直流电机在电机调速 系统中占有主导地位。而从8 0 年代开始，交流传动技术的进步实现了直流调速系统到交流调 速系统的变革。变频调速对电机的运行效率进行了大幅度的提高，取得了显著的节能效果。 现今，永磁同步电机调速系统在交流调速传动领域中逐渐成为研究热点。目前，在交流电机 2 一 l 毒 桂林理工大学硕士学位论 调速控制技术中，以矢量控制技术与直接转矩控制技术为代表。尤其是直接转矩控制技术具 有简单高效的特点，吸引着广大学者，因此在电气传动中占有的位置有所提高。 1 直接转矩控制1 1 】概论 德国鲁尔大学教授m d e p e n b r o c k 在1 9 8 5 年首次提出了直接转矩控制理论，它是继矢量控 制技术之后又一高性能的调速技术。直接转矩控制在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、 受电机参数变化影响等方面的缺陷。 直接转矩控制与传统的矢量控制相比，具有以下特点： ( 1 ) 该控制分析定子坐标系下交流电动机的数学模型、磁链和转矩。它通过定子磁链 对磁通估算，已知定子电阻可以观测数据； ( 2 ) 采用空间矢量理论分析三相交流电机的数学模型和控制其物理量，问题简明化： ( 3 ) 实行转矩直接控制。 2 直接转矩的研究方向【2 1 二十年直接转矩控制的发展，使各方面性能都在不断提高，已经在实际中应用，如城市 有轨电车的主传动系统、大功率高速电力机车和地铁等。当前研究的方向主要侧重于以下几 个方面： 。 无速度传感器直接转矩控制系统的研究； 中小功率i g b t 变频器较宽范围调速与控制方案的研究； 采用现代控制理论，不断改进直接转矩控制的缺点和性能； 减小谐波对电网的干扰，对三电平逆变器的特大功率调速系统研究。 我国在直接转矩控制领域的研究仍处于仿真和试验研究阶段，尚有不少控制性能和应用 有待解决。永磁同步电机直接转矩控制方面上的应用研究还尚未完善，还需要进一步研究， 下面有急需解决的几个热点问题： ( 1 ) 基于精确动态数学模型的直接转矩控制策略，如何提高控制系统对参数变化的鲁 棒性； ( 2 ) 提高无速度( 位置) 传感器直接转矩控制系统的性能； ( 3 ) 控制系统的数字化问题，以及与之相关的连续数学模型的精确离散化问题。 1 2 无速度传感器控制系统的探究 在高性能交流传动系统中，速度闭环控制是必不可少的，即需要构成所谓的有速度传感 器交流调速系统。但由于速度传感器的成本、安装、维护、非线性和低速性能等方面的原因， 而且有些场合不允许电机外装任何传感器，这就影响永磁同步电机调速系统的简单性、廉价 桂林理工大学硕士学位论 性及系统的可靠性。因此，无速度传感器的交流电动机控制系统的研究与开发越来越引起学 者关注。 首先无速度传感器的技术应用在异步电机中【3 j 【4 j 【5 】，取得一定的效果化，简化了数字运算 和变量变换的运算过程，提高了系统的运算精度。而随着永磁同步电机的发展逐渐应用到对 转子的位置和速度检测上【6 】【7 】【8 】，需要在转子轴上安装机械式传感器实现电机速度和位置测量。 然而这些机械传感器经常采用编码器、解算器和测速发电机等器件。电机控制在提供所需转 子信号时，会给调速系统带来了一些问题1 6 j ： 1 增加电机转子轴上的转动惯量，加大电机空间尺寸和体积； 2 电机与控制系统之间增加了连接线和接口电路，系统易受干扰，可靠性降低； 3 使用条件限制，使调速系统各种适应场合中不能广泛应用： 4 机械传感器及其辅助电路使调速系统成本增加，某些高精度传感器的价格比较昂贵。 为了克服这些机械传感器的缺点，许多学者对交流调速系统传感器方面进行了很多研究， 开发了一种可靠的、低成本的无需机械传感器的控制方法，成为电机控制技术领域中的研究 热点，这种控制方法称为无传感器控制技术( s e n s o rl e s sc o n t r o l 或s e l f - s e n s i n gc o n t r 0 1 ) 。 无传感器控制技术是指在交流电机控制系统中，去掉位置和速度传感器，通过各种不同 的估计方法得到速度和位置信息的技术。具体地说，利用电机绕组中的相关变量如定子电流、 定子电压等对转子的位置和速度进行估算，取代机械传感器，从而实现电机控制。 随着现代控制、辨识技术的发展，为我们提供了许多对控制过程中的状态变量或参数估 计可行的观测器构造方法。在电机的无速度传感器矢量控制中主要采用的观测器有全阶状态 观测器、自适应观测器、变结构观测器、卡尔曼滤波器等，采用这些方法构造的电机转子位 置和速度观测器具有动态性能好、稳定性强、参数敏感性小等优点。 无传感器控制技术是近些年来在永磁交流电机伺服技术中最为活跃的一个领域。同步电 机传动系统需要对其速度和位置进行控制，高精度的电机系统对这两方面提出了很高的要求， 相应地对传感器的要求也有所提高。目前，传感器向小型化、低成本和高分辨率、多功能两 个方向发展。而电机系统中传感器的存在则阻碍了电机的发展，因此无传感器控制技术已成 为交流传动研究领域一个重要方向。目前无传感器技术的研究在高速电机、微型电机、航空 航天、水下机器人、家用电器等一些特殊场合具有重要的意义。 1 2 1 永磁同步电机的无传感器的调速方法 目前永磁电机的无速度传感器调速方法粗略的分为以下两类：一是从电机其它的特性上 分析，如反电势法、电流谐波法和注入谐波法f 9 】；二是从电机非线性模型基础上，如非线性方 4 桂林理工大学硕士学位论 法和线性估算方法； 1 基于电机特性的分析方法 基于电机特性的无传感器调速方法主要有以下几种： ( 1 ) 基于反电动势或定子磁链的估算方法 利用反电动势对转子位置和速度的进行估计的方法，它仅仅依赖于电机的基波方程，易 于实现，这种方法适用于无刷直流电机。当电机转速较低时，反电动势的值较小，所以这种 方法在低速时存在很大的误差。通过计算定子磁链也可以估计转子位置和转速，此时磁链由 反电动势求得积分，但由于积分器存在零漂问题，得到的磁链值存在误差。当电机转速较低 时，问题尤为突出，此时需要引入补偿和校正环节。 一 ( 2 ) 高频注入法【l o 】 l o r e n z 等学者不采用基波激励产生谐波，而是通过在电动机的接线端处注入一个二相平衡 的高频电压信号，利用人为造成的不对称性( 例如对电动机进行改造) ，使电动机产生一个不 对称的凸磁极，通过对凸磁极位置检测获取转子位置信息，这种方法称为凸极跟踪法。这种 方法不依赖于任何电动机的参数和运行工况。这种方法突出优点是可以在较宽的速度范围内 应用，低速时也可以获得较好的估算结果；然而由于要改造电动机制造凸磁极，同时由于高 频信号的注入，会产生高频噪声。 2 基于电机非线性模型发展的非线形方法 永磁电机具有非线性特性，需要采用非线性的方法对电机方程进行线性化，通过寻求各种 估计算法和控制模型对电机进行控制。 3 电机非线性模型上发展线性的估算方法 在线性化的估算方法上，卡尔曼滤波最优估计理论、人工神经网络和控制模型方面上有 常见的滑模控制方法与模型参考自适应控制( m r a s ) 方法。下面分别进行介绍： ( 1 ) 卡尔曼滤波最优估计方法( e k f ) 【l 2 】 e k f 是一种非线性系统的随机观测器。其优点是当系统和测量出现噪声时，仍能对系统 状态进行准确估计。e k f 适用于高性能伺服驱动系统，在很宽的速度范围内工作，甚至在很 低的速度下完成转速估计，同时可以对相关状态和某参数进行估计。另外，滤波器增益能够 适应环境自动调节，e k f 本身就是一个自适应系统。然而采用e k f 估计法算法复杂，计算量大， 需要计算功能强大的数字信号处理器( d s p ) 芯片支持；同时滤波器模型复杂、涉及因素多， 很难确定实际系统的噪声级别和算法中的卡尔曼增益，且受电机参数影响。 ( 2 ) 人工神经元网络方法1 1 3 j 人工神经元网络简称a n n ，对人脑组织结构和运行机制的进行认知和理解之上，模拟结 构和智能行为的一种工程系统方法。通过神经元网络辨识，首先将网络结构进行规定，由学 桂林理工大学硕士学位论 习系统的输入和输出，寻求可以满足的性能指标，从而得出系统输入输出隐含的关系。 ( 3 ) 滑模控制方法【1 4 】 这种方法首先估算电机的反电势，而转子位置是由反电势波形对反三角函数运算求取的。 在实际应用中，由于反电势波形存在不同程度的变异，故此估算的转子位置与实际位置会存 在偏差。 ( 4 ) 模型参考自适应法( m r a s ) 【l 5 】 该方法是假定旋转坐标法，对位置偏差进行准确估计是保证估计精度的核心条件。数学 模型即使很精确，然而电阻、电感变化等电机参数和电流检测精度的影响着估计精度；虽然 采用闭环控制，却也不能摆脱掉对电机参数的依赖性。同时该方法计算强度大，若要完成任 务需要与数字信号处理器相结合。 但是此方法比以上几种方法更易于实现，在高性能交流传动系统中，速度闭环控制是必 须的。近年来已将模型参考自适应( m r a s ) 理论应用于d t c 系统中，以电机电流模型为参考 模型，利用m r a s 方法实现d t c 系统的速度辨识。采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 等芯片的c p u 可以满足高 速运算的要求。本文采用这一方法进行了无传感器直接转矩控制的仿真设计【l 酬。 1 3 永磁同步电机调速中现代控制技术的研究 现代控制理论从1 9 6 0 年以后开始发展起来，与传统线性状态方程情况相比，它试图解决 从地下到空间、从日常生活到人类活动各种过程中碰到的控制问题。这些新的控制理论已经 广泛应用于永磁同步电机调速领域，主要由于以下几方面原斟1 7 j ： 满足电机控制器对电气系统的日益严格、精确的要求，如精度、鲁棒性与动态性能等。 易于采用微处理器，通过较小的代价实现较为复杂的控制策略。随着功率半导体器件 大规模集成电路的出现，结合处理器和传感器构成高性能的控制器和电气传动系统。便于考 虑对系统性能有影响的物理制约因素，如输入和状态变量的约束条件等。 现代控制理论与技术和经典控制理论与技术，两者的区别在于： 现代控制技术用于线性的或非线性的多输入一多输出系统；而经典的控制技术仅用于 线性定常、单输入一单输出系统。 现代控制技术本质上是基于概念的时域方法，而经典的控制技术是频域方法。 在经典的控制技术中，系统设计一般采用试探型的逐步逼近法，因此从整个系统的角 度出发获得最佳控制效果是很难的：而现代控制技术可以根据优化目标系统设计出最佳控制 器。 下面介绍几种永磁同步电机中应用较先进的现代控制技术【l 引。 6 桂林理工大学硕士学位论 自适应的鲁棒控制理论首先是将其应用于永磁同步电动机伺服驱动中。现代控制理论中 存在的各种鲁棒控制技术，在模型和参数变化时，可以使系统控制具有良好的性能。由于模 型和参数在电机进行中是不断变化的，而这种变化将致使控制系统性能有所降低。因此，这 些鲁棒控制技术能够使电机调速控制领域中的系统性能有所提高。这方面自适应控制、变结 构控制、参数辨识技术等应用比较突出。在自适应控制中，控制器根据对受控对象在工作过 程中不断检测的系统状态参数或性能指标变化的情况，自行修正控制参数或控制作用以适应 环境和对象本身的动态变化，保证系统始终处在最优或次最优状态下工作。总体来说，自适 应控制主要功能是辨识、决策、修正三者。交流电机的自适应控制主要有模型参考自适应控 制系统和自校正控制系统两类。 一 自适应控制技术对控制对象和运行条件发生变化时的控制系统性能有所改善。n m a t s u i ， j h l a n g 等人把自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统中。仿真与实验结果表明，自适 应控制技术可以使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能。 随着人工智能技术的发展，智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支。电气传动 控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向，并且将带来电气 传动技术的新纪元。 现代控制技术的发展与应用，使电机实现了高精度、高动态响应的全数字控制。永磁同 步电动机在全数字控制方面取得了一定的成就。 1 4 论文的主要内容 1 4 1 课题来源 课题来源：广西区学位委员会和广西区教育厅颁发的广西研究生教育创新项目。 编号：2 0 0 9 1 0 5 9 6 0 8 11 m 2 3 。 1 4 2 论文内容 本课题研究是基于m r a s 技术的永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制。本系统中，在 永磁同步电机转矩控制的前提下采用速度和电流双闭环控制及无速度传感器算法，并通过仿 真结果进行验证。本文对以下几个方面进行研究： 1 文章首先对永磁同步电机的总体概况、发展前景以及交流调速系统的发展进行讲述，并 且分析了无速度传感器控制系统和永磁同步电机直接转矩系统的国内外研究现状。 2 文章第二章简要概述永磁同步电机的结构及其特点，然后给出了永磁同步电机在不同坐 桂林理工大学硕士学位论 标系下的数学模型及运动方程，对永磁同步电机直接转矩控制的基本原理与控制方式进行介 绍，构建了永磁同步电直接转矩控制系统模型，并详细分析了永磁同步电机直接转矩控制系 统。 3 文章第三章讲述永磁同步电机的数学模型与波波夫超稳定律，对基于m r a s 技术的永磁 同步电机速度辨识方案进行设计，这章是本文设计系统的重点章节。 4 文章第四章为本论文重要探讨部分即为成果验证部分，利用m a t l a b s i m u l 烈k 对电机 直接转矩控制和模型参考自适应法速度辨识方案相结合进行了建模仿真。并且验证了该方案 的可行性。 5 文章第五章阐述了永磁同步电机控制系统硬件与软件的设计。介绍了基于 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 控制器的永磁同步电机直接转矩控制系统的基本构成和总体设计，分别对 d s p 硬件及外围接口部分电路进行介绍，最后给出系统主电路和外围电路的设计，同时完成了 控制软件程序重要环节的设计流程。 6 文章最后对全文进行总结，同时对未来进行展望。 8 桂林理工大学硕士学位论文 第2 章永磁同步电机直接转矩控制原理 2 1 永磁同步电机数学模型 2 1 1 永磁同步电机结构与特点 1 永磁同步电机的基本结构【l 列 同步电动机按其结构特点分为：磁阻式同步电动机，磁滞式同步电动机，永磁式同步电 动机。工业中永磁同步电动机的结构与异步电动机结构相近，其定子部分与一般的异步电机 没有太多异同，仅仅转子结构比异步电机多了一套永磁体，即在磁阻同步电动机的转子的槽 中嵌入永久磁铁，则形成永磁同步电动机( p m s m ) 。 永磁同步电机具有突出的优势，因此在高性能电机控制领域中被广泛应用，如数控机床、 制造系统、工业机器人、各种自动化设备等场合。 永磁同步电机大部分为稀土永磁材料，转子结构是永久磁铁励磁。由于转子磁钢的几何 形状存在异同，则将转子磁场空间分布为正弦波和梯形波两种。当转子旋转时，在定子上产 生的反电动势波形也有正弦波和梯形波两种，这种分类会使两种同步电动机在模型、原理及 控制方法存在不同。为了对这两种永磁同步电动机交流调速系统进行区分，正弦波的调速系 统为正弦型永磁同步电动机( p m s m ) 调速系统；梯形波( 方波) 永磁同步电动机组成的调 速系统，与直流电动机系统在原理和控制方法存在类同，故称这种系统为无刷直流电动机 ( b l d c m ) 调速系统。本文研究系统的对象为三相正弦波驱动永磁同步电机。 永磁同步电机( p m s m ) 按永磁体安装形式转子结构分为面装式、插入式和内装式三类， 结构如图2 1 所示。p m s m 电机转子的结构与永磁体的安装方法对电机的性能有很大的影响。 然而表面安装式和嵌入式具有p m s m 各自优缺点【l 圳。 s ( 8 ) 面贴式( b ) 插入式 ( c ) 内嵌式 图2 1p m s m 的不同转子结构 9 桂林理工大学硕士学位论文 如图2 1 ( a ) 为表面安装式同步电动机( s p m s m ) ，是较为常用的一种结构。它的转子结 构最简单，适合应用于伺服系统。如图2 1 ( b ) ，( c ) 所示为嵌入式永磁同步电机( i p m s m ) ， 这种电机具有磁路气隙小、高强度、强大电枢反应等优点，一般适合用于高速运行中，应用 此发电机磁阻效应有利于电机效率和改善调速特性的提高。 2 永磁同步电机的特点 永磁同步电机与电磁式同步电机相比优点在于： ( 1 ) 无需电流励磁，无电刷和滑环，结构简单，方便使用，可靠性高； ( 2 ) 转子上无励磁损耗，无电刷和滑环之间的摩擦损耗和接触电损耗， 磁式同步电机要高，并且其功率因数可设计为1 0 左右； ( 3 ) 转子结构多样灵活，不同的转子结构往往带来自身性能上的特点， 的需求对转子结构形式进行选择； 因此效率比电 可以根据使用 ( 4 ) 在一定功率范围内，可以比电磁式同步电机具有更小的体积和重量； 上文介绍了永磁同步电机的结构、分类和特点。下文对永磁同步电机的数学模型构建、 运行规律进行讲述。 2 1 2 永磁同步电机坐标轴系 永磁同步电机各个坐标轴系的关系如图2 2 所示。 图2 2 永磁同步电机各个坐标轴系的关系 图2 2 中，a ，b ，c 是三相定子静止坐标系，口轴定义在彳相绕阻上；口，是两相定子静止 坐标系，d 轴定义在转子永磁轴线上的转速q ；x ，y 是两相同步旋转坐标系，敛是转速，力 是永磁体产生的磁链；织是定子磁链；为定子电流，口为口轴与d 轴间的夹角，万为定、转 子磁链之间的夹角，忽略定子电阻，定义其为负载角。图2 2 中永磁同步电机存在几种坐标系， l o 桂林理工大学硕士学位论文 包括三相定子坐标系、两相定子坐标系、同步旋转坐标系，它们之间通过某种关系进行换算 1 9 1 2 0 l 2 1 。 1 静止三相坐标系数学模型( 彳一曰一c ) 永磁同步电机中含有三相定子绕组，轴线分别用彳、召、c 表示，各轴线之间各自互差 1 2 0 度。该坐标系下的模型为： 刚苫謦蕊p l ki b + 弘矧2 式中：，u c 是三相绕组的相电压；乞，k ，k 分别是三相绕组的自感；厶。，厶。，l 分别是 三相绕组的互感；，毛是三相绕组的三相电流；易，岛，分别是三相绕组的反电动势；墨 是电枢绕组电阻；p 是微分算子；。 d r 公式( 2 2 ) 式中：已= 尸q 纷；由于在上文中已经介绍电枢电阻阻值相等，定子各相绕组的电感相等 乞= 厶。= 瓦= 厶、兄= r = 足= 置；其中转子磁链的幅值，对于给定的永磁同步电机来说 其值一般为常数。 由于+ + t = 0 ，通过法拉第电磁感应定律得到定子电压方程如下： 囊 = 言昙墨 耋 + 丢 蒌 圣 = 言昙墨 兰 + 儿 耋 一q 纷s i n ( o ) ：；君 式中：乙= 3 2 l , 。 公式( 2 3 ) 公式( 2 4 ) 2 静止两相定子坐标系数学模型( 口一) 为