（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp控制电梯专用变频器研究.pdf

a bs t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ee l e v a t o rs p e c i a li n v e r t e ri sd e s i g n e dw i t ht h ec o r eo fm o t o r c o n t r o ld s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，c o m b i n i n ge x t e r i o rc i r c u i t ，a n du s i n gn o v e ls v p w m c o n t r o lm e t h o d i no r d e rt or e a c h r e q u i r e m e n to fb i g n e s st o r q u e 、h i g h n e s s p e r f o r m a n c eo fe l e v a t o rs p e c i a li n v e r t e r ，t h er e a l t i m e 、a n t i - j a m m i n ga n dh i g h n e s s p r e c i s i o no fs y s t e ma r ei m p r o v e di nh a r d w a r e t h en o v e ls v p w mc o n t r o li su s e dt o a v o i dd e a d - t i m ee f f e c t a n dt h es i n g l en e u r o np i dc o n t r o l l e ri su s e di nt h es p e e dl o o p t h ea d j u s tf u n c t i o ni si m p r o v e do b v i o u s l yt os p e e d t h eo u t p u tt o r q u eo fm o t o ri s b e t t e rb ys o f t w a r e h a r d w a r et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m t h em a i nc i r c u i ti ss t r u c t u r e dw i t h3m a i np a r t so fr e c t i f i e r 、m i d d l ef i l t e ra n d i n v e r t e r t h e ya r ea c h i e v e dw i t h6 r 1 7 5 g 一1 6 0r e c t i f i e rm o d e l 、e l e c t r o l y t ec a p a c i t a n c e s a n d7 m b p 5 0 r a l 2 0i p mm o d e l t h e r ea r ep r o t e c t i o nc i r c u i to fa v o i di m p a c tc u r r e n t m a dp r o t e c t i o nc i r c u i to fa v o i do v e rv o l t a g ea n dl o w e rv o l t a g e t h ec o n t r o lt oi n v e r t e r m o d e li p mi st h ec o r eo f s y s t e mr e a l i z a t i o n ，w h i c hi sm a i np a r to fc o n t r o lc i r c u i t t h e c o n t r o lc i r c u i tt a k e sd s pa sc o r e ，i n c l u d ei p mc o n t r o lc i r c u i t 、s p e e dd e t e c t e dc i r c u i t 、 c u r r e n td e t e c t e dc i r c u i t 、p o w e rc i r c u i t 、d i s p l a yc i r c u i ta n d k e y b o a r dc i r c u i t t h ee f f e c t o f d r i v i n g 、s e p a r a t i n ga n dc o n t r o l l i n gt oi p ma f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e m ，s oi t i st h ek e y p a r tt oi m p r o v et h ei n v e r t e r i nt h i sp a p e rt h ec o n t r o l l e do b j e c ti ss e l e c t e da s p m s m t or e a l i z es v p w mc o n t r o lb a s e do ne x a c t l yr e a l - t i m ed e t e c t i o no fr o t o r p o s i t i o n i nt h i sw a y ，t h ev e c t o rt r a n s f o r mi sr e a l i z e dc o r r e c t l y ，t h ep w mp u l s ei so u t e x a c t l y t h ed i r e c t i o no fc o m p o s ev e c t o ri sr e a l t i m eu p r i g h t 谢廿1m fd i r e c t i o ns o d e t e c t i o no f r o t o rp o s i t i o ni si m p o r t a n tp a r to f i m p r o v i n gi n v e r t e rp e r f o r m a n c e t h ec o n t r o lm e t h o di ss v p w mc o n t r o li n t h i sp a p e rf r o ms v p w m t h e o r yt o a n a l y z en e g a t i v ee f f e c to fd e a d t i m e ，a n dan o v e ls v p w mc o n t r o lm e t h o di su s e d w i t 1c o m p o s i n g18 0d e g r e ec o n d u c t i o na n d12 0d e g r e ec o n d u c t i o na sar e s u l t e f f e c t o fd e a di sa v o i d e da n dt h eu s eo fp o w e ri si n c r e a s e i ns p e e dc o n t r o ll o o p ，t h es i n g l e n e u r o np i dc o n t r o l l e ri su s e di ti sp r o v e dw i t hs i m u l a t i o nt h a tt h es p e e dc o n t r o l f u n c t i o ni sb e r e rt h a nt r a d i t i o np i dc o n t r o l l e r i ti sp r o v e dt h a tt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n to fh i g h n e s sp e r f o r m a n c ei sr e a c h e db y e x p e r i m e n t i ti ss u i t a b l ef o re l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：d s p , e l e v a t o r , s v p w m s i n g l en e u r o np i dc o n t r o l l e r , p m s m 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加阻标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了，明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：磊海浪 签字同期：2 一一于年f 月了目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：貉洛波 导师签名 签字同期：2 口口手年f 月7 日 签字| = | 期：7 肋怍月红日 第一章绪论 11 概述 第一章绪论 电力电子器件的高频化、模块化和控制手段的全数字化促进了变频调速装 置的小型化、多功能化、高性能化f l 】。尤其是控制手段的全数字化，利用微型计 算机巨大的信息处理能力，其软件功能不断强化，使变频装置的灵活性和适应性 1 i 断增强。目前中小容量( 6 0 0 k v a 以下) 、一般用途的变频器已经实现了通用化 睇j 。采用大功率自关断开关器件( g t o 、g t r 、i g b t ) 作为主开关器件的正弦 脉宽调制式( s p w m ) 变频器，已经成为通用变频器的主流。国外，在开发、生 产、应用变频器方面以同本、德国最为突出，国内引进的变频器也以日本、德困 生产的居多l j l 。 1 1 1 变频器发展现状 8 0 年代初，变频器的应用得到了普及，在近2 0 年左右的时间内，经历了由 采用g t r 到i g b t 和由模拟控制到全数字控制两个大的发展过程。其发展情况 可大致由以下几个方面来说明5 l 一【9 1 ： 1 容量不断扩大 8 0 年代初采用g t r 的p w m 变频器实现了通用化。到了9 0 年代初i g b t 变频器的容量达到了6 0 0 k v a ，4 0 0 k v a 以下的已经系列化。近几年主开关器件开 始采用i g b t ，现在i g b t 变频器的单机容量已达到1 8 0 0 k v a ，随着i g b t 容量的 扩大，变频器的容量也将随之扩大。 2 结构小型化 变频器主电路中功率电路的模块化、控制信号采用大规模集成电路和全数 字控制技术、结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源 装置的小型化。以富士公司变频器为例，经次改型( 由g 5 s 到g 7 s ) ，其装置 体积缩小了一半。另外，最新开发的一+ 种功率集成器件，采用厚薄混合集成技术， 把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，集成为“智能功率 模块( i p m ) ”，这种器件具有防电磁干扰能力强、保护迅速、可靠的优点。因此， 这种器件必将进入中小功率的变频装置，并使变频装置进一步小型化和智能化。 3 多功能化、高性能化 电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化方向发展。特 别是微机的应用，以其精练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器多功能化和 第一章绪论 高性能化提供了可靠的保证。在总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验 下，并不断融入软件功能，使变频器的功能不断增强。比如，控制指令和控制参 数的设定，可由触摸式面板实现，不但灵活方便，而且实现了模拟控制方式所无 法实现的功能，如电梯控制s 形的加减速设定。可以说，通用变频器的多功能化 和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平提高，使 其变成一种具有高度软件控制功能的新设备。 8 位c p u 、1 6 位c p u 奠定了通用变频器全数字控制的基础，3 2 位数字信 号处理器( d s p ) 的应用将变频器的性能提高了一大步，实现了转矩控制、“无 跳闸”功能。目前，新型变频器开始采用新的“精简指令集计算机( r 1 s c ) ”， 将指令执行时i n 缩短到纳秒级。渴望实现无速度传感器矢量控制变频器的矢量控 制算法、转速估算运算、p i d 调节器的在线实时运算。正是由于全数字控制技术 的实现，并且运算速度不断提高，使得变频器的性能不断提高，功能不断增加。 目前出现了一类“多控制方式”通用变频器。有：( 1 ) 无p g ( 速度传感器) u l f 控制；( 2 ) 有p gu f 控制；( 3 ) 无p g 矢量控制；( 4 ) 有p g 矢量控制四种控制 方式。通过控制面板，可选择上述四种控制方式中的一种，以满足用户的需要。 4 应用领域不断扩大 最初变频器仅用于j x l 机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多 机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当大的扩展。如金属加工机械， 从各类切削机床到高速磨床乃至数控机床、) 3 n z 中心超高速伺服机的精确位置控 制都已经用到了变频器。其它方面，如印刷机械、农用机械、各类空调、各类家 用电器等，可以说其应用范围相当广阔，并且还在继续扩大。 随着交流驱动控制技术研究的深入和控制性能要求的不断提高，产生了许 多先进的控制算法，单片机己不能满足控制要求。数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r d s p ) 的出现解决了这一问题，它是一种高速微处理器，其运算功 能强大，能实现高速输入、输出和高速数据传输，特别适合处理以运算为主、不 允许延时的实时信号。它包含有灵活可变的i o 接口和片内i o 管理，高速并行 数据处理算法的优化指令集，d s p 以其先进的品质与性能可为电动机控制提供高 效可靠的平台0 j - 【“j 。 d s p 的采用是为了达到实时信号的高速处理，它的主要特点可以概括如下： l | 采用哈佛结构：这种结构使程序存储器和数据存储器相互分开，各占独 立的空间，允许取指令和执行指令同时进行；也可以直接在程序和数据控制之f 司 进行信息传送，减少访问冲突，从而获得比传统结构处理器更高的指令执行速度。 2 采用流水线技术：即每条指令都由片内各个功能单元分别完成取指令， 译码，取数据，执行指令等多个步骤，并行处理取指令和执行指令。从总体上看， 第一章绪论 能在不提高时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。 3 增加了硬件乘法器，使得乘法能用单周期指令完成。这有利于提高执行 速度，通常d s p 的指令周期是纳秒级。 4 许多d s p 带有d m a 通道控制器，以及串行通信口等，配合片内多总线 结构，使数据块传送速度大大提高。 5 特殊高速寻址方式，可以在其他操作进行的同时完成地址寄存器指针的 修改，并具有循环寻址等功能。 正因为d s p 的上述特点，使得变频技术中的各种先进控制理论得以应用， 实时地实现复杂控制算法 1 引。并且随着d s p 技术水平的提高、性能不断改进， 而其价格不断降低，使其被广泛应用于交流驱动领域成为可能。由d s p 组成的 全数字化伺服系统可以通过修改控制程序，无须改变系统硬件，便可实现不同的 控制算法，实现控制的软件化，保证实时性的要求。综上所述，d s p 应用于控制 领域必将成为发展趋势，基于d s p 的交流变频技术不仅在理论方面而且在实际 应用中都具有重要的意义。 在我国，从总体上看变频技术水平比国际先进水平落后十几年。在大 功率交一交变频器技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及 系统可靠性方面与国外还是有相当大的差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站 机组启动及运行、大容量风机、压缩机、轧机传动等方面有很大的需求。在中小 功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的u f 控制，仅有少量的样机 采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需求。国内变频技术产业状况表现为 ”7 1 ：( 1 ) 变频器的整机技术落后，没有形成一定的技术和生产规模；( 2 ) 变频 器产品所用半导体功率器件g t r 、i g b t 的制造产业几乎是空白；( 3 ) 相关配套 产业及行业落后；( 4 ) 产销量少，可靠性及工艺水平不高。随着电力电子技术的 迅猛发展和我国经济可持续发展的要求，变频器的需求量必然增大，所以丌发国 产变频器对我国变频器产业的发展具有重要意义。 1 1 2 电梯专用变频器应用研究现状 在电梯系统中要处理的信号多而复杂，所以在设计上必须仔细考虑对信号 快速准确的处理问题，采用许多先进驱动和控制技术就很有必要，其中包括矢量 控制技术、d s p 技术和采用新型大功率器件i b g t 的高性能变频器。变频器对电 梯的起动、加速、稳定运行和制动减速起着控制作用，变频器的性能直接影响电 梯起动和制动的加减速、平层精度和乘坐的舒适性等指标。电梯专用变频器一般 有以下的几点要求：( i ) 考虑到乘客的舒适性，电梯运行曲线要求较高，一般采 用s 形曲线；( 2 ) 具有与电梯控制相适应的输入、输出信号；( 3 ) 具有楼层记忆 第一章绪论 功能，可以根据平层信号自动记忆楼层数：( 4 ) 具有过速保护功能，如果速度超 过了1 l f 常运行时的速度，变频器会自动保护，并且使电梯运行至平层，并记录故 障；( 5 ) 设有进行电梯检修时的检修运行方式。 近年，中、低速无齿轮电梯应用越来越广泛，由于少了减速环节，电梯运 行的速度、效率提高了，运行时机械噪声大大降低，维护率、故障率也降低了， 但对变频器的要求也相应提高了，表现为：( 1 ) 要求输出更大的转矩，比传统有 齿轮电梯至少提高2 3 倍；( 2 ) 在低速时，要有比较稳定的大转矩；( 3 ) 平层 精度的要求也提高了。由于上述要求，应用于中、低速无齿轮电梯中的变频器一 般采用有反馈矢量控制方式，被控电动机一般选用性能较好的永磁同步电动机 ( p m s m ) 。随着电梯的普及和对电梯要求的不断提高，电梯专用变频器必然会 成为新的研究目标。 12 本课题研究意义及应用前景 随着高层建筑物的兴起，电梯已经成为不可缺少的交通工具，其中变频器 是影晌电梯性能的关键，由此出现了电梯专用变频器。而中、低速电捞中实现无 齿轮传动无疑是当今世界电梯技术发展的一个新方向，之前的中、 怠梯传动系 统多数采用有齿轮传动，其中一个很大的原因是电梯用的变频器达不到控制要 求，它要求变频器能输出更大的转矩和在低速时有比较稳定的大转矩【1 w - 【”1 。而 我国在电梯专用变频器方面几乎是一片空白，更谈不上适合于中、低速无齿轮电 梯的专用变频器。目前，电梯专用变频器被国外公司所垄断，而且价格相当昂贵 【2 【) j ，如：安川6 7 6 g l 5 l r 电梯专用变频器；艾默生t d 3 1 0 0 电梯专用变频器， 所以有必要进行电梯专用变频器的研究。 随着我国经济的持续发展，变频调速技术得到了广泛的应用，变频器的需 求量越来越大，而我国的变频器产业起步比较晚、基础比较差，国外的变频器技 术已经非常成熟，我国的变频器市场有8 0 9 0 被国外产品所占领【2 ”，所以开发 经济的、高性能的变频器对我国的变频器产业发展具有重要意义。本课题研究的 电梯专用变频器，如果能满足电梯这样复杂运行系统的要求，那么对于各种工业 生产、交通运输和家用电器就能达到高性能的程度，因此，开发和研制电梯专用 变频器是十分必要的，并且具有广阔的市场前景。 13 本课题研究的主要内容 本课题对电梯的运行原理作初步的认识和研究，重点放在对电梯专用变频 器的研究上，以t 1 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 为控制核心，拟定被控对象为永 第章绪论 功能可以根据平层信号自动记忆楼层数：( 4 ) 具有过速保护功能，如果速度超 l t t 芷常运行时的速度，变频器会自动保护，并且使电梯运行至平层，并记录故 障；( 5 ) 设有进行电梯检修时的检修运行方式。 近年，中、低速无齿轮电梯应用越来越广泛，由于少了减速环节，电梯运 幸丁的速度、效率提高了运行时机械噪声大大降低，维护率、故障率也降低了， 但对变频器的要求也相应提高了，表现为：( 1 ) 要求输出更大的转矩，比传统育 齿轮电梯至少提高2 3 倍：( 2 ) 在低速时，要有比较稳定的大转矩：( 3 ) 平层 精度的要求也提高了。由于上述要求，应用于中、低速无齿轮电梯中的变频器一 般采用有反馈矢量控制方式，被控电动机一般选用性能较好的水磁同步电动机 ( p m s m ) 。随着电梯的普# r ： u x , l a 梯要求的不断提高，电梯专用变频器必然会 成为新的明究目标。 1 2 本课题研究意义及应用前景 随着高层建筑物的兴届，电梯已经成为不可缺少的交通工具，其中变频器 是影晌电梯性能的关键，由此出现了电梯专用变频器。而中、低速电梯中实现无 齿轮传动无疑是当今世界电梯技术发展的一个新方向，之时的中、f 酲怠梯传动系 统多数采用有齿轮传动，其中个很大的原因是电梯用的变频器达不到控制要 求，它要求变频器能输出更大的转矩和在f k 叠n - h t 有比较稳定的大转矩1 8 e m 。而 我国在电梯专用变频器方面几乎是片空白，更谈不上适合于中、低速无齿轮电 梯的专用变频器。目前，电梯专用变频器被国外公司所垄断而且价格相当昂贵 “，如：安川6 7 6 g l 5 一l r 电梯专用变频器；艾默生t d 3 1 0 0 电梯专用变频器， 所以有! * 要进行电梯专用变频器的研究。 随着我嗣经济的持续发展，变频调速技术得到了广泛的应用，变频器的需 求量越来越大，而我国的煲频器产业起步比较晚、基础比较羞，国外的变频器技 术已经非常成熟，我国的变频器市场南8 ( n 9 0 被国外产品所占领 “，所以开发 经济的、高性能的变频器列我国的变额器产业发展具有重要意义。本课题研究的 屯梯专用变频器，如果能满足电梯这样复杂运行系统的要求，那么对于各种工业 生产、交通运输利家用电器就能达到高性能的程度，因此，开发和研制电梯专用 变频器是十分必要的。并且具有广阔的市场前景。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题对电梯的运行原理作初步的认识和研究，重点放在对电梯专用变频 器的研究上，以t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 为控制核心，拟定被控对象为永 器的研究上t 以t i 公划t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 为控制核心，拟定被控对象为永 第一章绪论 功能，可以根据平层信号自动记忆楼层数：( 4 ) 具有过速保护功能，如果速度超 过了1 l f 常运行时的速度，变频器会自动保护，并且使电梯运行至平层，并记录故 障；( 5 ) 设有进行电梯检修时的检修运行方式。 近年，中、低速无齿轮电梯应用越来越广泛，由于少了减速环节，电梯运 行的速度、效率提高了，运行时机械噪声大大降低，维护率、故障率也降低了， 但对变频器的要求也相应提高了，表现为：( 1 ) 要求输出更大的转矩，比传统有 齿轮电梯至少提高2 3 倍；( 2 ) 在低速时，要有比较稳定的大转矩；( 3 ) 平层 精度的要求也提高了。由于上述要求，应用于中、低速无齿轮电梯中的变频器一 般采用有反馈矢量控制方式，被控电动机一般选用性能较好的永磁同步电动机 ( p m s m ) 。随着电梯的普及和对电梯要求的不断提高，电梯专用变频器必然会 成为新的研究目标。 12 本课题研究意义及应用前景 随着高层建筑物的兴起，电梯已经成为不可缺少的交通工具，其中变频器 是影晌电梯性能的关键，由此出现了电梯专用变频器。而中、低速电捞中实现无 齿轮传动无疑是当今世界电梯技术发展的一个新方向，之前的中、 怠梯传动系 统多数采用有齿轮传动，其中一个很大的原因是电梯用的变频器达不到控制要 求，它要求变频器能输出更大的转矩和在低速时有比较稳定的大转矩【1 w - 【”1 。而 我国在电梯专用变频器方面几乎是一片空白，更谈不上适合于中、低速无齿轮电 梯的专用变频器。目前，电梯专用变频器被国外公司所垄断，而且价格相当昂贵 【2 【) j ，如：安川6 7 6 g l 5 l r 电梯专用变频器；艾默生t d 3 1 0 0 电梯专用变频器， 所以有必要进行电梯专用变频器的研究。 随着我国经济的持续发展，变频调速技术得到了广泛的应用，变频器的需 求量越来越大，而我国的变频器产业起步比较晚、基础比较差，国外的变频器技 术已经非常成熟，我国的变频器市场有8 0 9 0 被国外产品所占领【2 ”，所以开发 经济的、高性能的变频器对我国的变频器产业发展具有重要意义。本课题研究的 电梯专用变频器，如果能满足电梯这样复杂运行系统的要求，那么对于各种工业 生产、交通运输和家用电器就能达到高性能的程度，因此，开发和研制电梯专用 变频器是十分必要的，并且具有广阔的市场前景。 13 本课题研究的主要内容 本课题对电梯的运行原理作初步的认识和研究，重点放在对电梯专用变频 器的研究上，以t 1 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 为控制核心，拟定被控对象为永 第一章绪论 磁同步电动机( p m s m ) ，控制策略采用电压空间矢量p w m ( s v p w m ) ，组成 永磁同步电动机调速系统( 简称p m 系统) ，研究任务主要有： 1 组成典型的交直一交电压型变频器主电路，以不可控功率二极管组成三 相整流电路，以智能功率模块( i p m ) 组成逆变电路。i p m 由1 g b t 所组成，包 含有i g b t 的驱动电路，并且集成了i g b t 的过流、短路、过压、欠压和过热保 护等电路，可以大大提高变频调速系统的性能和可靠性。 2 组成控制电路，采用以d s p 为核心，带有i p m 驱动隔离控制模块、电 流检测模块、电压检测模块、转速转子位置检测模块、电源模块、显示键盘模块 等扩展电路。 3 实现矢量控制方法，根据p m s m 数学模型，使转矩与磁通实现解耦， 明确各种坐标变换，分析s v p w m 控制算法，并作相应的改进。 4 软件设计，用汇编语言编程实现s v p w m ，实现转速控制、数据显示操 作以及故障中断处理等功能。 5 调试系统的软硬件，实现变频器的初步运行，并逐步提高其性能。 一塑三至! 竺! 坚坌塑垦基! ! 兰坚丝型 第二章p m s m 分析及其s v p w m 控制 2 1 p m s m 数学模型 电梯系统要求有快速、准确的位置控制，这就要求电机有较大的过载能力， 尽可能小的转动惯量和脉动转矩，线性转矩电流特性，以使整个控制系统具有良 好的动、静态性能。p m s m 体积小、重量轻、效率高、转子无发热问题，控制 系统较异步电动机简单。在高性能电梯控制系统中，三相p m s m 被广泛的使用， p m s m 用永磁体取代普通同步电动机转子中的励磁绕组，节省了励磁绕圈、滑 环和电刷【2 2 1 。 p m s m 具有正弦形的反电动势波形，其定子电压、电流也为正弦波。假设 电动机是线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子无阻尼绕组， 那么基于转子坐标系( d - q 轴系) 中的p m s m 机定子磁链方程为俐： f 甲：= l d 呓+ 甲 r0 1 、 i 甲；= l 。茁 “ 式中甲7 转子磁钢在定子上的耦合磁链： 匕、工。p m s m 的直、交轴主电感； 昏菇定子电流矢量的直、交轴分量。 p m s m 的定子电压方程为： l “j2 _ 呓+ p w ：洲： 2 _ i ：+ p u ? ；+ 洲： 式中“：、“：定子电压矢量厅5 的d 、q 轴分量 p 微分算子，1 2 = d d t i c o 转子角频率。 把式( 2 - 1 ) 代入式( 2 2 ) 有： i “；= o + 三d p g c o l q f q 【“；= _ 0 + 。p 0 + c o l 呓+ c & f p m s m 的转矩方程为： 乃= p 。，( 甲。磁一甲：f 。；) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 24 ) 第二章p m s m 分析及其s v p w m 控制 把式( 2 1 ) 它代入( 2 - 4 ) 转矩方程，得 乃= p 。( 甲：f ；一甲；呓) p 。， 甲”譬+ ( 三。一三。) 艺0 ( 2 5 ) 从( 2 5 ) 可以看出，p m s m 的电磁转矩基本上取决于定子交轴电流分量和 直轴电流分量。在p m s m 中，由于转子磁链恒定不变，故均采用转子磁链定向 方式来控制p m s m 。 在基速以下恒转矩运行区中，采用转子磁链定向，使定子电流矢量位于q 轴，无d 轴分量( i ：= 0 ) ，即定子电流全部用来产生转矩，此时p m s m 的电压 方程可写为： 一警( 2 - 6 ) 【“；= _ i 。+ p + 洲 电磁转矩方程为： 乃= p 。，甲i ( 2 - 7 ) 此种控制方式最为简单，只要能准确检测出转子空间位置( d 轴) ，通过控 制逆变器使三相定子的合成电流位于q 轴上，那么，p m s m 的电磁转矩只与定 子电流的幅值i 。成难比，即控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。 在基速以上，p m s m 也可以运行在恒功率 区，采用定子弱磁的方法，其矢量图如图2 1 所示，巧和甲方向相反，起去磁作用。由于转 子采用稀土永磁，定转子有效空隙大，因而这 种“利用电枢反应进行弱磁”的方法就要求更 大的定子直流分量，因此它比具有直流励磁绕 组的同步电动机产生的弱磁效果要差，只能作 为短时间运行。 2 2p m s m 结构选择 lq k z ； 掣 i ； o ， 图2 - 1p m n v i 弱礁先量图 在电梯控制中，要求达到比较高的运行性能，如果单纯从变频器的角度出 发，使电梯控制系统的性能有很大提高，这是相当困难的。因为曳引机的性能直 接影响电梯的运行状况，所以本节将针对电梯的执行部件p m s m 进行理论上的 探讨，期望能提高电梯控制系统的整体性能。 第二章p m s m 分析及其s v p w m 控制 一般的，转子采用高性能永磁材料钕铁硼，由于它在高温下使用时磁损耗 较大，所以耍比较严格地控制电机温度。p m s m 气隙尺寸是一个非常重要的电 机参数，因为它对电动机交、直轴电抗影响很大，进而影响电动机的其它性能， 而气隙尺寸是由转子结构决定的，下面对p m s m 的转子磁路结构进行分析。转 子磁路结构主要有：表面式、内置式、爪极式和外转子结构。【2 6 】。 1 、表面式转子结构 表面式转子结构的永磁体通常是瓦片形，位于转子铁心的外表面，永磁体 提供磁通的方向为径向。表面式磁路结构又分为凸出式和插入式。 ( 1 ) 、表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极式转子结构，它具有结构简 单、制造成本低、转动惯量小等优点，得到了广泛的应用。此外，表面凸出式结 构中的永磁磁极易于实现最优控制，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正 弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。它对于减小气隙 磁密谐波，减小转矩脉动是有利的，这正是在电梯控制系统中需要解决的问题， 所以应该选择这种结构。 另外，在后面要提到的控制方式上采用转子磁场定向控制方案，运行日- j 功 率角比较小，此时磁阻转矩为负值，容易给电机带来转矩波动。而采用表面式转 子结构，因它在电磁性能上属于隐极式结构，电磁气隙是均匀的，不存在磁阳转 矩，不会造成低速时转矩波动的负面影响。 ( 2 ) 、表面插入式转子结构可以利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转 矩，可以稍微提高电动机的功率密度，动态性能也略有所改善，但其漏磁系数和 制造成本都比凸出式大，而且对驱动电梯这类负载的电动机，要求频繁起动和在 低速下平稳运行，不适合采用这种结构。 2 、内置式转子结构 内置式转子磁路结构的永磁体位于转子内部，永磁铁表面与定子铁心内圆 之间有铁磁物质制成的极靴。这类结构的电机动稳态性能好，广泛用于要求有异 步起动能力的永磁同步电动机，并且其磁路的不对称性所产生的磁阻转矩将有助 于提高电动机的过载能力。按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置 式转子磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。它主要应用于异步电机 同步化中，不适合本课题的电梯控制系统。 3 、爪极式转子结构 爪极式转子磁路结构由两个带爪的法兰盘和一个圆环形的永磁体构成。永 磁体轴向充磁，使左、右法兰盘的爪极分别形成极性相异，相互错开永磁同步电 动机磁极。爪极式p m s m 工艺比较简单，但性能较低，又不具备异步起动能力， 所以不在选用的范围内。 第二章p m s m 分析及其s v p w m 控制 4 、外转子结构 随着电机控制要求的不断提高，外转子永磁同步电动机得到了广泛的应用， 它具有以下优点：( 1 ) 在同样大小的电磁转矩作用下，通过增大力臂使转子输出 转矩增大；( 2 ) 可以有效地减小电机外径尺寸；( 3 ) 其转动惯量比常规p m s m 转动惯量大，从而改善电动机的转矩和转速脉动；( 4 ) 在外转子、大直径、多极 数的结构中，不必增大磁钢外径，即可获得足够的磁钢宽度，从而获得足够的气 隙磁通。 电梯控制系统中要求电机输出大转矩，低发热和高效率。因此，一般尽可 能采用扁平结构，使磁钢的布置更加便利，选择外转子结构以增大力臂，并且采 用表面凸出式转子磁路结构。同时缩小轴向尺寸，这样的结构可扩大散热面积， 对降低温升是有利的。在铁磁材料的选择上，对于典型的无齿轮p m s m 基本结 构，都无一例外地采用高性能钕铁硼永磁材料作为转予，力求缩小体积，减小重 量。这样的设计，可以显著提高输出转矩、缩短径向尺寸和轴向尺寸，还扩大了 散热面积。同时，它也易于实现最优设计，通过设计合理的磁极形状，使电动机 气隙磁密波形趋近于正弦波。 另外，由于p m s m 将用于高性能电梯系统中，转矩的脉动会直接影响电梯 的乘坐舒适感和平层精度，给电梯的性能造成很大的负面影响，因此有必要对转 矩脉动作进一步分析27 1 。从转矩的产生原理可知，产生转矩脉动的主要原因是 在感应电动势中存在高次谐波，它与电源电压的压差导致产生高次谐波电流，从 而引起转矩脉动，同时齿谐波的存在也会引起转矩脉动。减少谐波、削弱转矩脉 动的有效方法有：( 1 ) 选择合适的磁钢极弧宽度；( 2 ) 采用斜槽结构；( 3 ) 选 择短距绕组和分布绕组：( 4 ) 采用分数槽结构；( 5 ) 尽量改善变频器的供电质量。 以求最大限度的减少谐波，减小转矩脉动。具体电机结构的设计可考参考相关资 料，这样就不再介绍了。 2 3 矢量控制坐标变换 矢量控制的基本思想是在普通三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩 控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和 产生转矩的转矩电流分量，并使两分量相互垂直、彼此独立，然后分别进行调节。 这样，交流电动机的转矩控制在原理和特性上都与直流电动机相似。因此，矢量 控制的关键是对电流矢量的幅值和空间位置的控制1 2 。 矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实到对定 子电流的控制上。由于在定子侧的各物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同 步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。因此，需借助于坐标变换，使各物理 第二章p m s m 分析及其s v p w m 控制 量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，以同步旋转坐标系观察，电动机的各空 间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量。本 系统使用了以下两种坐标系 2 8 1 一 2 9 ： l 、c 【、1 3 、0 坐标系，空间矢量既 然是复数表达式，当然可以表示为实 轴和虚轴分量的合成。如果将复数坐 标系固定在定子上，并将实轴与a 轴 重合，定义为轴，而将虚轴定义为 b 轴。如图2 2 所示，则： f = e 十j ： ( 2 8 ) 、b 轴与定子a 、b 、c 轴相对静 止，在磁势等效的前提下，由实际a 、 b 、c 三相绕组合成的等效电流矢量同 样也可以理解为由“与b 两相绕组合 成的。从这个概念出发可得： j 。丫刁 0 ，： 图2 - 2 矢量的ab 坐标表示 a ( c i ) 9 三 f 月o ) + 口如( r ) + 口2 i ( 、( f ) = f 。( r ) + ，f 日o ) ( 2 9 ) j ，厅 式中口；p 小”；妻+ 掣，于是可得： z f n ( r ) 2 了2 【z 一【r ) 一互1f e 。) 一j 1f c l 。) 2 f p ) ( 2 1 。) “忙击一f “明= 去h ( ) + 2 “明 式( 2 - 1 0 ) 将定子a 、b 、c 三相电流等效为、b 二相电流表示，事实上 定子磁链及电压也可同样变换为q 、b - ；t h 表示。只不过将两式中电流分量分别 换成磁链量及电压量。上述变换是建立在三相绕组均衡的前提下，即不包括零序 电流。如有零序电流，则还需附加方程： 1 i ，= a f ( r ) 4 - i 日( f ) + f 。、( f ) ( 2 一1 1 ) j 对转子部分，也可推导出与( 2 一t o ) 、( 2 - 1 1 ) 同样的变换，只不过固定在 定子上的、1 3 轴系转为固定在转子上的砌轴系。如果转子也由三相绕组构成， 依照式( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 的样子同样可以构成出轴系。如果是凸极式同步电动 机，则砌轴是自然形成的。 第二章p m s m 分析及其s v p w m 控制 如将式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 看成矩阵式而对矩阵求逆，可得出a 、b 到a 、b 、 c 轴系的反变换： l a5 f n4 - z n 如：一昙屯+ t 3 + 屯。8 一i5 一2 p n 。一参“2 c 。一j k 一了0 n 磁链方程： ：= 三。i ：+ 上。= 三。+ 工。，巧p 7 0 l y ；= 。f ；+ 。略= 。f ；+ 。f ：e 坩 同理可以得到电压方程为： u 2 = p ：+ _ 呓 = p ； 。茹 其电磁转矩由下式给出： t = 吾p ( 妒。f 。) = 吾p ( 妒：f ；一妒；f ：) 其中p 为电机极对数。至此，将原a 、 b 、c 轴系表示的真实电动机模型转为以 n 、b 为轴系的二相电动机模型。 2 、幽坐标系，使复数坐标系的实轴 虚轴分别与转子的由轴重合，就形成了所 渭的砌坐标系。以其作参考系，可得到相 应的变换方程。如图2 3 所示，i 。= 呓+ e ， 由式( 2 - 9 ) 得到下式： ( 2 一】2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) j 矽一 q 0 弋， 图2 - 3 转子d q 坐标戋量图 i ( ，( ) + j ，( ) = 詈 f 。( f ) 十口i 。o ) + d 2 。( f ) 】 c 。s 臼，一js i n 占j ( 2 1 6 ) 考虑非均衡条件，可以得到a 、b 、c 。由的转换方程： 第二章p m s m 分析及其s v p w m 控制 2 ，c o s o ，2 c o s ( o ，一争c o s ( o r + 争 一寻s i n 曰，一寻s i n ( 臼，一了2 7 9 ) 一s i n ( 9 + _ 2 ；r 土 三三 333 ( 2 17 ) 式2 - 1 7 ) 对电压及磁链都使用，以为d 轴相对a 轴的旋转角，考虑到下 面的式子： i ：+ j i ；= ( + u ，茹) ( c o s o ，一js i n o , ) ( 2 1 8 ) 可以得到够寸由的转换矩阵： 阡盛s i 啷n o , 只蚪 上式的反变换为： 嘲镒署 ；| 剐 对磁链而言，定子磁链在转子由坐标轴的分量为： ：= ，+ 上m ：( 2 2 1 ) i ；= 上，誓+ 上。，f ： 电压方程为： j 甜；= _ a + p ：一y ；( 2 2 2 ) 【“：= _ 0 + p p ：+ y ： 2 ：+ p y j r( 2 - 2 3 ) = r r i j + p 少； 其电磁转矩为： t2 三p ( p ：f ；一；妨) ( 2 2 4 ) 其中p 为电机极对数。 2 4s v p w m 控制原理及实现方法 s v p w m 即电压空间矢量p w m 控制是把逆变器和电机视为一个整体，按电压空 间矢量相加得到的圆形旋转磁场来控制p w m 电压，它具有物理概念清晰、算法简 第二章p m s m 分析及其s v p w m 控制 单，易于实现数字化、直流电压利率高等优点3 0 】。 2 4 1s v p w m 原理 图2 4 为典型三相逆变器与 电机连接图。按照1 8 0 度导通型， 在任。时刻，总有处于不同桥臂 上的三个器件同时导通，而相应 桥臂的另三个功率器件则处于关 断状态。这样功率器件共有八种 工作状态，即q 6 、q 1 、q 2 导通， q l 、q 2 、q 3 导通，q 2 、q 3 、q 4 导 通，q 3 、q 4 、q 5 导通，q 4 、q 5 、 q 6 导通，q 5 、q 6 、q l 导通，q l 、 q 3 、q 5 导通，q 2 、q 4 、q 6 导通。 如果把上桥臂器件导通用“1 ”表