（电气工程专业论文）矢量控制永磁同步电动机交流伺服系统的研究.pdf

摘要 摘要 交流伺服系统在电力传动领域发挥重要作用，是工业自动化不可缺少的组成部 分，永磁同步电动机以其独特的优点适用于中小功率伺服场合。本文的工作围绕 提高永磁同步电动机伺服系统的性能展开，对永磁同步电动机转矩脉动、速度和 位置控制、转子初始位置检测和起动等进行了深入研究。 在分析永磁同步电动机数学模型的基础上，阐明了转子磁场定向矢量控制的原 理和实现方法，对两种主要的逆变器调制方法即正弦和空间矢量p w m 做了深入分 析和比较，为后续的分析奠定了基础。 对电机的调速控制实质上是对电磁转矩的控制，而转矩的产生是电、磁的综合 效果，受非线性因素的影响。本文从逆变器角度分析了永磁同步电动机的转矩脉 动，引入了误差电压矢量的概念来描述死区效应，用三种方法即矢量变换法、图 解合成法和周波变换法推导出误差电压矢量的幅值计算公式、得出矢量相位和三 相电流极性的对应关系，在此基础上深入分析了永磁同步电动机的死区效应，提 出了正弦和空间矢量p w m 逆变器死区的时间和电压补偿方法，并根据空间矢量 p w m 的特点，得到了时间补偿的简化算式，为提高电流极性检测精度，提出了电 流极性检测的预测电流法和电流矢量法。分析了逆变器空间矢量p w m 的转矩脉 动，分别推导出计及调制因素和死区效应的转矩计算公式，分别得出两者的转矩 脉动量和脉动率，阐述了两种转矩脉动的性质，提出了削弱脉动的方法，针对两 种脉动的削弱在载波频率上存在矛盾，提出了综合削弱应该考虑的几个方面。 速度和位置控制是永磁同步电动机伺服系统的两种主要控制形式。为提高转速 精度，提出了一种混合式速度调节方法，将他控方式引入到永磁同步电动机控制 中并实现了与自控的有机结合，给出了自控切入他控的条件、他控运行内部频率 给定方法和他控到自控快速切出的方法，仿真和实验证明该方法达到了高转速精 度和快响应速度的目的。为提高永磁同步电动机位置系统对参数变化的鲁棒性能， 提出了一种基于状态变换的位置系统鲁棒控制方法，该方法将位置控制器和电机 驱动系统视为一体，按鲁棒二次镇定的方法综合设计反馈控制器的参数，并最终 得出p i 控制器参数和反馈系数，仿真结果表明，系统对参数摄动的鲁棒性能得到 了提高。 对永磁同步电动机转子初始位置检测和起动进行了研究。概述了主要的转子初 始位置检测方法，指出其存在依赖电机模型和在空载下难以现实的缺陷，针对此 缺陷，提出了微小位移式初始位置检测方法，并根据空载和负载情况下转子位移 浙江大学博士学位论文 特性不同，分别提出了适用于空载和负载的微小位移法和旋转电压矢量法，实验 结果证明，检测结果能够满足电机的起动要求。依据施加的电压矢量方向不同， 转子位移方向不同，提出了一种无转子初始位置的自起动方法。 关键词：永磁同步电动机矢量控制转矩脉动误差电压矢量 速度控制位置控制初始位置自起动 a b s t r a c t a b s t r a c t a cs e r v os y s t e mp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ne l e c t r i cd r i v ef i e l d ，a n db e c o m e sa n i n d i s p e n s a b l ep o r t i o no fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n , p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) i sa p p l i e d i ns m a l l m e d i u m p o w e rs e r v of i e l d f o ri t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e t o r q u er i p p l e ，s p e e da n dp o s i t i o nc o n t r o l ，i n i t i a lr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n a n ds t a r to fm o t o rh a v eb e e ns t u d i e dd e e p l yi nt h ep a p e ri no r d e rt oe n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo f p m s md r i v es y s t e m t h et h e o r ya n dr e a l i z a t i o no fv e c t o rc o n t r o lw i t hr o t o rf i e l do r i e n t e dh a v eb e e n a n a l y z e df r o mt h em a t h e m a t i c sm o d e lo fp m s m s i n u s o i d a lp w m ( s p w m ) a n ds p a c e v e c t o rp w m ( s v p w m ) h a v eb e e na n a l y z e dd e e p l y , w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h e n e x tr e s e a r c h e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eg e n e r a t e db ye l e c t r i c i t ya n dm a g n e t i cf i e l di se s s e n t i a li n v a r i a b l es p e e dc o n t r o lo fm o t o r , a n di si n f l u e n c e db yn o n l i n e a rf a c t o r s t h et o r q u e r i p p l eo fp m s mh a sb e e na n a l y z e df r o mt h ep o i n to fv i e wo fi n v e r t e r , t h ec o n c e p to f e r r o rv o l t a g ev e c t o ri si n t r o d u c e dt od e s e r i b ed e a dt i m ee f f e c t s ，t h em e t h o d so fv e c t o r t r a n s f o r m a t i o n , g r a p hs y n t h e s i sa n dc y c l et r a n s f o r m a t i o na r ea d o p t e dt od e d u c e a m p l i t u d eo ft b ee r r o rv e c t o r ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv e c t o rp h a s ea n dt h r e ep h a s e c u r r e n tp o l a r i t i e si so b t a i n e da l s o o nt h e b a s i s ，d e a dt i m ee f f e c t so fp m s ma r e a n a l y z e d ，t i m ea n dv o l t a g ec o m p e n s a t i o nm e t h o d so fs p w ma n ds v p w mi n v e r t e ra r e p r e s e n t e d ，b r i e ff o r m u l ao ft h et i m ec o m p e n s a t i o ni so b t a i n e db yt h ec h a r a c t e r i s t i co f s v p w m t h em e t h o d so fp r e d i c t i v ec u r r e n ta n dc u r r e n tv e c t o ra r ep r e s e n t e dt o i m p r o v ea c c u r a c yo fc u r r e n tp o l a r i t yd e t e c t i o n ，t h et o r q u er i p p l ec a u s e db ys v p w mi s a n a l y z e d ，t h et o r q u ef o r m u l a sa r ed e d u c e dr e s p e c t i v e l yt a k i n gd e a dt i m ee f f e c t sa n d m o d u l a t i o ne f f e c ti n t oa c c o u n t ，m a g n i t u d ea n dr a t i oo ft h et o r q u er i p p l ea r eo b t a i n e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et w ot o r q u er i p p l e sa r ea n a l y z e d ，t h e nw e a k e n i n gm e t h o d sa r e p r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y , t h e r ei sc o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h et w om e t h o d si nc a r r i e r f r e q u e n c y , s e v e r a lf a c t o r si ni n t e g r a t i v ew e a k e n i n gt o r q u er i p p l ea r ep r e s e n t e d s p e e da n dp o s i t i o nc o n t r o la r et h et w om a i nm o d e so fp m s ms e r v os y s t e m i n o r d e rt oi m p r o v es p e e dp r e c i s i o n , am i x e ds p e e dr e g u l a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d ，w h i c h r e a l i z e sc o m b i n a t i o no fs e l f - c o n t r o la n do t h e r - c o n t r 0 1 t h ec u t i nc o n d i t i o no f s e l f - c o n t r o lt oo t h e r - c o n t r o l ，i n t e r i o rg i v e nf r e q u e n c yo fo t h e r - c o n t r o la n dt h eq u i c k 1 1 1 浙征大学博士学位论文 s w i t c ho fo t h e r - c o n t r o lt os e l g c o n t r o la r ea n a l y z e di nd e t a i l s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o da c h i e v e sh i g hs p e e dp r e c i s i o na n dq u i c k r e s p o n s e i no r d e rt oi m p r o v er o b u s t n e s so fp m s mp o s i t i o ns y s t e mt op a r a m e t e r v a r i a t i o n , nr o b u s tc o n t r o lm e t h o db a s e do ns t a t et r a n s f o r m a t i o no fp o s i t i o ns y s t e mi s p r e s e n t e d ，w h i c ht a k e sp o s i t i o nc o n t r o l l e ra n dd r i v es y s t e m a so n ew h o l e ，t h e p a r a m e t e r s o ff e e d b a c kc o n t r o l l e ra r es y n t h e t i c a l l yd e s i g n e d b yr o b u s t q u a d r i c s t a b i l i z a t i o nm e t h o d t h e np a r a m e t e ro fp ic o n t r o l l e ra n df e e d b a c kc o e m c i e n t sa r e o b t a i n e d ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tr o b u s t n e s so fs y s t e mi si m p r e v e dt op a r a m e t e r v 撕a t i o b i n i t i a lr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o na n ds t a r to fp m s mh a v eb e e nr e s e a r c h e d ，m a i n d e t e c t i o nm e t h o do fi n i t i a lr o t o rp o s i t i o ni ss u m m a r i z e d ，w h i c hh a st h el i m i t a t i o no f d e p e n d i n go nm o t o rm o d e la n dd i f f i c u l tr e a l i z a t i o na tn o - l o a d , a i m i n ga tt h el i m i t a t i o n , t i n yd i s p l a c e m e n tm e t h o do fi n i t i a lr o t o rp o s i t i o ni sp r e s e n t e d , t h em e t h o d so ft i n y d i s p l a c e m e n ta n dr o t a t i n gv o l t a g ev e c t o ra l ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l yi nt e l t n so ft h e d i f f e r e n td i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fr o t o ra tn o 1 0 a da n da tl o a d t h ef o r m e ri ss u i t f o rn o 1 0 a d ，a n dt h el a t t e ri ss u i tf o rl o a d ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a td e t e c t i o na n g l e c a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fm o t o rs t a r t as e l f - s t a r tm e t h o di sp r e s e n t e dw i t h o m i n i t i a lr o t o rp o s i t i o ni nt e r m so fd i f f e r e n td i r e c t i o n so fr o t o rd i s p l a c e m e mu n d e r d i f f e r e n tv o l t a g ev e c t o r s k e y w 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 ( p m s m ) ，v e c t o rc o n t r o l ，t o r q u e r i p p l e ，e r r o rv o l t a g ev e c t o r , s p e e dc o n t r o l ，p o s i t i o nc o n t r o l ，i n i t i a lp o s i t i o n ，s e l f - s t a r t 第一章绪论 第一章绪论弟一旱三百t 匕 1 1 永磁同步电动机概述 1 1 1 永磁同步电动机的结构“_ 2 1 永磁电机的发展与永磁材料的发展密切相关，进入2 0 世纪8 0 年代，随着具 有高磁能积、高矫顽力而价格相对低廉的钕铁硼f n a r e b ) 永磁材料的出现，有力推 动了永磁电机在工业和民用领域的发展与应用，成为继直流电机、异步电机和电 励磁同步电机之后又一个主要的电机发展方向。 永磁电机分永磁同步发电机和永磁电动机，前者适用于航空、航天和其它要 求高可靠性和高功率质量比的场合以及作为大型汽轮发电机的副励磁机，后者主 要用于中小功率电力传动领域，特别适用于交流伺服驱动系统。 普遍应用的永磁电动机分无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，b l d c ) 和永磁 同步电动机( 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 ，p m s m ) 两类，两种永磁机的区 别是：前者用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，永磁体励磁磁 场在定子相绕组中感应出梯形反电动势波，将原直流电动机的电枢变为定子，定 子绕组多为集中绕组，为产生恒定电磁转矩，要求通入三相对称方波电流；后者 是用永磁体取代电励磁同步电动机转子中的励磁绕组，永磁体励磁磁场在定子相 绕组中感应出正弦反电动势波，定子绕组和电励磁同步电动机基本相同，为正弦 分布绕组，为产生恒定电磁转矩，要求通入三相对称正弦电流。 永磁同步电动机的定子结构和普通电励磁同步电动机基本相同，即由三相绕组 及铁心构成，为减小电动机转矩纹波、提高电机运行平稳性，定子绕组常采用分 布短距绕组，为减小电动机杂散损耗，绕组通常接成星形。 永磁同步电动机与其它电动机的主要区别在转子磁路结构上，磁路结构不同， 则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合不同。分类方法不同，转 子结构不同：按定、转子的内外关系，可分为外转子结构和内转子结构；按磁场 方向，有径向和轴向磁场转子结构：按永磁体在转子上安装位置的不同，有面贴 式、内插式和内埋式三种基本结构形式，如图1 1 所示。 浙江大学博士学位论文 内转子结构是电机普遍的结构形式，而外转子结构的主要优点是电动机转动 惯量比较大，且电枢铁心直径可以做得较大，从而提高了在不稳定负载下电动机 的效率和输出功率。 面贴式转子结构中，永磁体通常呈瓦片形，位于转子铁心的外表面上，永磁体 提供磁通的方向为径向，具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点。由 于永磁材料的相对回复磁导率接近1 ，所以面贴式转子在电磁性能上属于隐极转子 结构，该结构的永磁磁极易于实现最优设计，能使电动机气隙磁密波形趋近于正 弦波分布，从而提高电动机的运行性能。 内插式转子的相邻两永磁磁极问有磁导率很大的铁磁材料，转子磁路不对称， 故在电磁性能上属于凸极转子结构，其制造工艺较简单。该结构可以充分利用转 子磁路不对称所产生的磁阻转矩提高电动机的功率密度，使得电动机的动态性能 较面贴式有所改善，所以经常被交流调速传动系统中的永磁同步电动机采用，但 漏磁系数和制造成本都较面贴式大。 内埋式转子结构的永磁体位于转子内部，永磁体受到极靴的保护，能有效地避 免失磁，该结构机械强度高、磁路气隙小，与以上两种结构相比，更适用于弱磁 运行，但其转子漏磁系数更大。 ( a ) 面贴式( b ) 内插式( c ) 内埋式 图1 1 永磁同步电动机转子结构 按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组永磁同步电动机和有起动绕组永磁 同步电动机。无起动绕组的永磁同步电动机主要用于变频供电的场合，利用频率 的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节速度，常称为调速永磁同步电动机。 用起动绕组的永磁同步电动机既可用于调速运行，又可在某一频率和电压下，利 用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机，成为带有 阻尼( 起动) 绕组的可调速永磁同步电动机。 第一章绪论 1 1 2 永磁同步电动机的特点 虽然不同的永磁同步电动机转子结构差别很大，但由于永磁材料的使用，永磁 同步电动机具有如下共同的特点： 1 ) 体积小、质量轻。近些年来，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，与同容量的异步电动机相比，体积和重量都有 较大的减小，使其适合应用在许多特殊场合； 2 ) 功率因数高、效率高，节约能源。永磁同步电动机与感应电动机相比，不 需要励磁电流，可以显著提高功率因数，减小定子铜耗。而且，永磁同步电动机 在2 5 1 2 0 额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节 能效果更为显著； 3 ) 磁通密度高、动态响应快。高永磁磁通密度、轻转子质量，带来高转矩惯 量比，有效提高了永磁同步电动机的动态响应能力； 4 ) 可靠性高。与直流电动机和电励磁同步电动机相比，由于取消了集电环和 电刷等机械换向装置，成为无刷电机，这不但减少了机械和电气损耗，而且还不 会产生电刷火花所引起的电磁干扰，电动机机械结构简单牢固、运行可靠； 5 ) 具有严格的转速同步性和宽调速范围。对于要求多台电动机同步运行的调 速系统具有突出的优点，且变频电源可实现开环控制，调速控制方便，并在所有 频率范围内均能稳定运行； 6 ) 永磁同步电动机的缺点是失去了励磁调节的灵活性和可能会出现退磁效 应。转子磁场固定为永磁体磁场，励磁磁场需从定子侧调节，钕铁硼永磁材料的 温度系数较高，造成其磁性能和热稳定性较差，由于材料中含有大量的铁和钕， 容易锈蚀也是它的一大弱点。 1 1 3 永磁同步电动机的应用 永磁同步电动机是许多新技术、新技术产业的基础，它与电力电子技术和微电 子控制技术相结合，可以制造出各种性能优异的机电一体化产品，如数控机床、 加工中心、柔性生产线、机器人、航空航天设备，高性能家用电器等。 数控装备是制造工业现代化的重要基础“1 ，作为数控机床的关键部件，主轴传 动系统直接影响机床的加工精度，决定其效率和生产率。永磁同步电动机由于高 性能化成为伺服驱动普遍看好的对象，其调速比高达1 0 0 0 0 ：l ，转速控制精度可 达到o 1 ，并具有定位精度高、响应速度快、转动惯量小、转矩脉动小等特点， 可以实现精密控制驱动。在机械特性方面，可以实现低速大转矩运行，可在负载 浙江大学博士学位论文 转矩下直接起动。 纺织行业是国内用电大户，其中细纱机用电约占纺织用电的7 0 左右，是纺织 行业的主要耗电设备“1 ，因此采用新型高效节能电机，降低细纱机耗电是纺织厂节 电的关键措施之一。永磁同步电动机较同容量、同机座的纺织用异步电动机的效 率和功率因数均有较大的提高( 约为3 7 左右) ，节电效果明显，具有可观的经 济效益，推广永磁同步电动机在纺织业的应用具有广阔的前景。 目前国内油田采油设备中以游梁式抽油机为主，抽油机正常运行时，平均负荷 只有最大负荷的3 0 左右，为使抽油机顺利起动，常按抽油机最大负荷来选配异 步电动机，使得电动机效率大约为3 0 ，从而形成“大马拉小车”的现象”。抽 油机专用永磁同步电动机的额定效率可达9 4 以上，高于普通异步电机约4 ，节 电效果明显，其功率因数一般设计在o 9 8 左右，在整个冲程内平均自然功率因数 在0 9 以上，而异步电机的平均自然功率因数只有o 5 左右，节能效果显著。 随着变频技术的发展，在电梯拖动领域出现了永磁同步电动机曳引方式。2 0 世纪9 0 年代中期，芬兰通力公司推出的盘式永磁电机驱动的无齿轮曳引机，首次 将永磁同步电动机引进电梯曳引传动领域，其体积小重量轻的特点特别适合无机 房电梯的结构形式，在当时引起了电梯业的广泛关注。永磁同步无齿曳引机体积 小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除了齿轮减速装置，其低 噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统，适合在无机房电梯中使用“”。 到目前为止，世界上几个著名的电梯或电梯配件制造厂商如德国威特公司、日本 安川公司等都拥有了具有自身特色的永磁同步无齿曳引机，与其配套的专用变频 器系列产品也有多种牌号上市n “。 永磁同步电动机在电动汽车和混合动力汽车中得到应用。随着全球石油危机及 环境污染的加剧，电动汽车的研究开发得到各国政府、汽车制造厂家及科研院所 的普遍重视和广泛关注，永磁同步电动机的效率高、转矩密度大、调速范围宽等 特点，使其驱动系统具有最优综合指标，是电动汽车驱动的理想选择。在日本， 新开发的电动汽车主要采用永磁同步电动机驱动，在国内，对电动汽车用永磁同 步电动机的驱动正处于样机研究开发阶段。混合动力汽车同样具有节能和环保的 优点，e t 本丰m 2 0 0 0 年推出的第二代商业化生产的混合动力汽车p r i u s 采用永磁同 步电动机，最大功率达3 3 k w ，最大扭矩达3 5 0 n m “。 随着制衣行业的规模化发展，工业缝纫机发展迅猛，每年生产工业用缝纫机在 几百万台，传统的工业缝纫机主轴驱动大多采用离合器电机，其它功能都靠机械 配合或人工完成，存在效率低、体积大、调速范围窄、位置控制难等缺点“”。用 于工业缝纫机的永磁同步电动机体积小、重量轻，通过端盖将其固定于机架，不 设机座，简化了结构，缝纫机停车准确、调速范围宽，多功能化、自动化程度提 第一章绪论 高，工作效率显著提高。 永磁同步电动机在新颖的船用电力推进器一吊舱式推进器中得到应用，与常规 的螺旋浆加舵的组合推进器相比，船舱的有效容积得到增加，永磁同步电动机系 统的优良控制性能使船舶的前进、倒车、停车、回转等控制性能明显改善，将推 进器置于舱外，明显改善了船舶的振动噪声。从2 0 世纪9 0 年代开始，a b b 公司和 s i e m e n s 公司等己成功地在豪华游轮、专用游轮、破冰船、近海船和工程船上使 用吊舱式推进器n ”。 近几年来，无轴承永磁同步电动机成为一个研究热点，它具有磁轴承电机的所 有优点，如无摩擦、无磨损、无污染、不需润滑和密封、高速度、高精度、长寿 命等，并且比磁轴承支撑的电动机结构紧凑“”，与其它无轴承电机相比，具有无 需励磁电流、控制回路相对简单、功率因数高等优点，为研究小型特种新型电动 机提供了设计空间。无轴承永磁同步电动机在一些高新技术领域具有的技术和经 济优势是传统电动机无法实现和替代的，目前，在半导体工业、化工和航空航天 领域已有应用。 永磁同步电动机被引入到注塑机中。永磁同步电动机动态响应快，低速性能好， 使其不仅使用在全电动注塑机上，而且在普通注塑机上的应用也越来越广。目前， 日本的油研、大金、德国的b u c h e r 等众多公司都加大了对电液混合系统的研发 “”，随着国内塑料市场对产品质量要求的提高，厂商对注塑机的控制精度也有了 相应的提高，永磁同步电动机将越来越多地使用到注塑机上。 随着永磁材料技术、电机控制技术的发展和电机制造工艺水平的逐步提高，高 效节能而又性能优良的永磁同步电动机将会在更多的应用场合出现，在电力传动 领域将发挥越来越重要的作用，并带来可观的经济和社会效益。我国稀土资源丰 富，发展稀土永磁同步电动机前景广阔。 1 2 永磁同步电动机调速系统的控制方法 1 2 1 矢量控制和直接转矩控制方法及比较 随着电力电子技术和微处理器技术的发展，为先进控制方法的应用提供了物 质基础，使得永磁同步电动机的控制理论和实际控制技术上升到一个新的高度。 矢量控制和直接转矩控制作为实现高动态性能交流电机变频调速的两种主要控制 策略，在永磁同步电动机调速系统中得到应用。 浙江大学博士学位论文 1 矢量控制 1 9 7 1 年，德国西门子公司eb l a s c h k e 等提出的“感应电机磁场定向的控制原 理”和美国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”奠定了矢量控制的基础“”。在这之后的实践中，经过许多学者和工程技术 人员的不断完善改进，形成现已普遍应用的矢量控制变频调速系统。其主要特点 是：通过矢量变换的方法重构电机数学模型为一台他励直流电动机，在同步旋转 的参考轴系内，将交变的定子电流变换为两个直流量，一个为励磁( 直轴) 分量， 一个为转矩( 交轴) 分量，两者在空间上相互垂直，对两者进行解耦控制，以实现 对电机励磁磁场和电磁转矩的分别控制。 矢量控制又称磁场定向控制，按同步旋转参考坐标系定向方式可分为转子磁 场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向控制。转子磁场定向可以得到自然的解耦 控制，在实际系统中得到广泛应用，而后两种定向会产生耦合效应，必须通过解 耦的补偿电流实施补偿“。 根据永磁同步电动机用途不同，矢量控制方法也各不相同，主要有o ”：i d = 0 控 制、c o s t p = 1 控制、恒磁链控制、最大转矩电流控制、弱磁控制、最大输出功率控 制等，不同的控制方法具有不同的特点： i d = 0 控制时，定子电流中只有交轴分量，定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空 间矢量正交，对于隐极式转子结构的永磁同步电动机来说，单位定子电流可获得 最大转矩，在产生要求转矩的情况下，该方法所需电流最小，从而降低了铜耗， 提高了效率； 最大转矩，电流控制也称单位电流输出最大转矩控制，是凸极永磁同步电动机 用得较多的一种电流控制策略，该方法根据凸极电机电磁转矩和转矩角之间的关 系，对一给定电磁转矩求出最小电流的两个分量作为电流给定值； 弱磁控制是在电机端电压达到极限值时，为使电动机能恒功率运行于更高的转 速，需削弱永磁体磁场以减小同转速下的反电动势值、维持电压平衡关系，一般 是通过增加直轴去磁电流实现弱磁，常采用直轴电流负反馈补偿控制的方法； 定子电流最优控制是指在电动机整个运行速度范围内，遵循一定规律去控制定 子电流矢量，使电动机输出特性能满足某些特定要求，如输出最大功率，考虑到 定子铜耗和铁耗实现效率最优等。 矢量控制原理从发明至今已有3 0 多年的时间，技术趋于完善，电力电子技术 和微处理器技术的发展为矢量控制方法的现实奠定了基础。矢量控制的永磁同步 宅动机调速系统以其动、静态性能好和调速范围宽的特点，成为高性能交流伺服 系统的首选方案。 6 第一章绪论 2 直接转矩控制 1 9 8 5 年，德国学者m d e p e n b r o c k 首次提出了直接转矩控制理论哪! ，随后日 本学者i t a k a h a s l l i 也提出了类似的控制方案，直接转矩控制是继矢量控制之后发 展起来的一种新型高性能交流变频调速技术。与矢量控制不同，直接转矩控制采 用控制定子磁链的方法，在定子坐标系内，采用定子磁场定向，将定子电流、电 压进行3 2 变换，借助瞬时空间矢量理论，通过检测定子电压和电流，在定子坐标 系下计算电动机的磁链和转矩，将给定值与反馈值的差值通过离散的两点式调节 ( 砰砰控制) 选择电压矢量的状态，实现磁链和转矩的直接控制“”。 永磁同步电动机直接转矩控制的基本原理与异步电动机直接转矩控制原理相 同，即根据电机电磁转矩和负载角之间的关系，在保持定子磁链幅值相对恒定的 基础上，通过控制定子磁链的旋转方向和旋转速度来控制定子磁链和转子磁链之 间的负载角，达到控制电机输出转矩的目的，实现对转矩的直接控制。“。 直接转矩控制技术是借助于开关表控制逆变器输出的8 组电压矢量来实现的， 适当地选择加至电机的电压矢量，可以使定子磁链运动轨迹近似为圆。为保持电 机定子磁链幅值恒定，可以借助于永磁同步电动机数学模型方程，计算出给定磁 链与实际磁链的偏差及磁链的具体方向，选取合适的电压矢量，使定子磁链幅值 恒定。 由于永磁磁场的存在，永磁同步电动机的直接转矩控制与异步电动机的直接 转矩控制在实施上存在差别，尤其表现在零电压矢量的使用上。在异步电机直接 转矩控制中，零电压矢量能有效控制定子磁链的运动进而控制转矩的瞬时变化， 获得快速的动态响应。但在永磁同步电动机中由于永磁磁场的存在，使用零电压 矢量虽能控制定子磁链走走停停，但无法控制转矩瞬间减小，此时须采用反电压 矢量来实现，反电压矢量的使用使永磁同步电动机响应加快的同时也带来了磁链、 转矩的剧烈变化，影响了直接转矩控制的稳态性能1 。 永磁同步电动机直接转矩控制方法受到了人们的广泛重视：文献 2 5 1 首次较完 备地提出了永磁同步电动机直接转矩控制理论，对永磁同步电动机直接转矩控制 系统进行了较详细的研究；文献 2 6 1 阐述了永磁同步电动机直接转矩控制系统在恒 转矩区的最大转矩磁链比控制和在恒功率区的弱磁控制；文献【2 7 】采用定子磁链矢 量和转矩角实现了永磁同步电动机直接转矩控制系统的无速度观测；文献【2 8 】提出 了一种基于恒定开关频率空间矢量调制的永磁同步电动机直接转矩控制系统，在 保持优异动态响应特性不变的条件下，有效提高了控制系统的稳态运行性能，同 时系统开关频率近似恒定；文献【2 9 则详细分析了永磁同步电动机直接转矩控制的 弱磁控制机理，以便拓宽永磁同步电动机的调速范围。 浙江大学博士学位论文 3 两者的比较 永磁同步电动机矢量控制系统和直接转矩控制系统都是基于电动机动态数学 模型设计的。从系统结构看，两者都采用转速和磁链分别控制，在转速环内设置 转矩控制环，可以抑制磁链变化对转速的影响，从而使转速和磁链实现了近似的 解耦。因此，可以说两种控制系统的基本控制结构是相同的，理论基础是相通的， 都能获得较高的动静态性能1 。 但是，由于具体控制方案的区别，两者在控制性能上又各有特色。矢量控制系 统实现了定子电流转矩分量与励磁分量的解耦，可以按线性系统理论分别设计转 速与磁链调节器( 一般采用p 1 调节器) ，实行连续控制，从而获得较宽的调速范围。 直接转矩控制系统则使用转矩和定子磁链“砰砰”控制，可以获得比p i 调节器更 快的动态响应，但不可避免地会产生转矩脉动，特别是在低速时，定子电阻上承 受了大部分电压，带积分环节的磁链电压模型准确度较差，使系统的低速性能变 差，调速范围受到限制。 矢量控制系统由于存在电流环，定子电流受到电机转子位置的实时控制，能够 动态满足负载对电磁转矩的要求，在电机起动时，所有的电流均可用来产生电磁 转矩，充分利用电机的过载能力，提高了电机的起动速度。直接转矩控制系统没 有电流环，在突加和突卸负载时，系统控制过程中将产生很大的冲击电流，尤其 是电机初始静止需要起动时，由于电机的反电势为零，回路电感又很小，只要逆 变器给出一个电压矢量，电机电枢回路将产生很大的冲击电流，并且，由于定子 磁链初始位置未知，系统不能发出正确的控制信号，电机起动困难“”。 矢量控制在每个电流采样周期内完成一次控制算法，改变电压矢量输出状态， 逆变器开关频率恒定且可以做得较高，利于调制出圆形定子磁链轨迹，电流波形 正弦，转矩脉动小。直接转矩控制根据转矩控制容差决定输出的电压矢量，不是 每个采样周期都改变逆变器的开关状态，开关频率不固定，定子磁链为正六边形 轨迹，电流波形正弦性差、波形畸变率高，转矩在两倍的容差范围内脉动。 转子磁场定向的矢量控制下，电机定子电流所形成的磁场与转子磁场垂直， 电磁转矩和交轴电流分量成正比，转矩调节具有线性特性，直轴电流分量为零， 电机额外损耗小、效率高。直接转矩控制下，定子磁场与转子磁场之间的角度与 负载有关，电磁转矩与定子磁场为非线性关系，转矩调节为非线性特性，直轴电 流分量的存在，使电机产生额外的电损耗，温升加大、效率降低。 比较来看，矢量控制技术是一种比较成熟的控制技术，在永磁同步电动机中 得到成功应用，而永磁同步电动机的直接转矩控制理论尚需进一步完善，在低速 性能、转矩脉动、电机起动等方面表现出来的问题有待于进步解决。 第一章绪论 1 2 2 现代控制方法和智能控制方法的应用 对于参数定常的线性系统，可以运用经典控制理论进行设计，如n y q u i s t 曲线 和b o d e 图等，而永磁同步电动机调速系统是一个多变量、强耦合的非线性时变系 统，存在参数时变、磁场饱和、模型摄动等不确定因素，现代控制策略对时变和 非线性系统具有令人满意的效果，因而在永磁同步电动机伺服系统中得到应用。 1 自适应控制 白适应控制可以在线调节控制器的参数，从而自动适应被控对象参数的变化。 自适应控制大体可分为自校正控制和模型参考自适应两种类型：自校正控制的附 加调节回路由辨识器和控制器设计机构组成，辨识器根据对象的输入和输出信号， 在线估计对象的参数，以对象参数的估算值作为对象的真值送入控制器的设计机 构，按设计好的控制规律进行计算，计算结果送入可调控制器，形成新的控制输 出，以补偿对象的特性变化；模型参考自适应控制的基本思想是在控制器控制 对象组成的基本回路以外，再建立一个由参考模型或自适应机构组成的附加调节 机构，自适应机构的输出可以改变控制器的参数或对控制对象产生附加的控制作 用。目前，自适应控制已用于永磁同步电动机控制系统中的速度和位置辨识1 ，从 而省去了速度和位置传感器，降低了系统成本，提高了系统可靠性。 2 变结构控制 变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续 性。滑模变结构作为变结构控制的一种，近年来在永磁同步电动机控制系统中得 到应用“1 ，滑模变结构控制采用一种开关控制算法，使系统响应在相平面里跟踪 预定的轨迹，而不受被控对象的参数变化和负载扰动的影响。它通过控制器本身 结构的变化，使得系统性能保持一直高于一般固定结构控制所能达到的性能，突 破了经典线性控制系统的品质限制，较好地解决了动态与静态性能指标之间的矛 盾。但在滑模面切换时存在的抖颤问题限制了它在某些场合的应用，抖颤的抑制 是变结构控制领域最为热门的研究方向。 3 最优控制 最优控制理论是现代控制理论中的重要内容，它以状态空间方程描述被控对 象，从使系统的性能目标函数取得最小值的角度出发，求解最优控制律，使系统 的极点得到优化配置，有效改善了系统的动态特性。其一般的设计步骤为”1 ： 列写所研究系统的状态空间方程，对规定的二次型性能指标选择权矩阵q 、r ，求 解r i c c a t i 方程，求出最优反馈增益矩阵，求出最优控制向量，根据计算结果进行最 优控制器的结构设计。 9 浙江大学博士学位论文 4 鲁棒控制 控制系统的鲁棒性是指系统中存在不确定性时，系统仍能保持正常工作性能的 一种属性。鲁棒控制是近年来新发展起来的一种现代控制方法，它是按照已掌握 的被控对象的数学模型及关于模型不确定性的某些信息来指导控制系统的分析和 设计，使得闭环系统稳定或满足某种性能指标o ”。鲁棒控制理论主要研究两个方 面的问题，即控制系统的鲁棒性分析和控制率的综合。在分析方面研究：当系统 存在不确定性和外部干扰时，系统的稳定性和动态性能的分析。在综合方面研究： 当系统存在不确定性和干扰时，如何设计有效的控制率使得闭环系统具有更强的 鲁棒性。将鲁棒控制方法引入到永磁同步电动机位置系统控制中，可以有效提 高位置系统对被控对象参数变化的鲁棒性。 5 人工智能控制 人工智能技术，如模糊逻辑和神经网络近年来发展迅速，在电机调速领域，智 能控制技术模仿人的思维判断过程合理地对控制律进行选择和整定，取得了良好 的效果。 对于非线性、参数变化和负载扰动，模糊控制器可以保证快速、鲁棒的控制性 能。模糊控制器可以用来替代传统的p 1 控制器以构成速度调节闭环，它根据误差 和误差的变化，通过模糊推理给出合适的电流给定信号，通过电流内环提供相应 的转矩减小速度误差。 神经网络可被用于伺服驱动领域的各种控制和信号处理过程中，在永磁同步电 动机调速系统模型参考自适应控制中，电动机的模型由于时变、非线性等因素而 难以确定，利用前馈型神经网络来建立电动机和负载的非线性动态模型，并与参 考模型一起构成自适应控制结构，以保证系统的跟踪性能。 1 3 永磁同步电动机伺服系统的发展概况 永磁同步电动机伺服系统的发展与微处理器技术、电力电子器件、传感器技术、 p w m 控制技术、控制理论等密切相关，以下从上述几个方面把握一下永磁同步电 动机伺服系统的发展脉络。 1 微处理器 随着微电子技术的发展，数字信号处理器( d s p ) 以其快速的运算能力、高可靠 性和丰富灵活的指令系统成为伺服控制领域的主流控制芯片。作为伺服系统控制 核心的d s p 除了有中央处理单元，还有片内程序存储器、数据存储器以及片内外 设。 0 第一章绪论 电机专用d s p 芯片具备： 用于定时中断的通用定时器； 位置检测用正交编码脉冲电路和计数器； 用于过流保护、智能功率模块( i p m ) 保护、z 脉冲等的外部用户中断，以及 事件管理器中断和系统中断； 电压、电流检测用a d c 模块； 内嵌的p w m 产生电路和死区设置电路； 正反转、启停等用数字i o 端口； 用于变量显示和参数修改的通讯接口； 防止程序“跑飞”或“死机”的看门狗电路： 系统保护用复位电路。 2 电力