（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的永磁同步电机直接转矩控制系统.pdf

a b s t r a c t b a s e do nt h eo p e r a t i o nt h e o r yo ft h ed i r e c t t o r q u ec o n t r o ls y s t e mf d t c lt h e t h e s i sd e s c r i b e dad t c s y s t e mo ft h ep 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 l b a s e do nd s p u s u a l l yt h ed t cs y s t e mi s a p p l i e do nt h ea s y n c h r o n o u si n d u c t i o n m a c h i n e ，b u tc o m p a r e dt h ea s y n c h r o n o u si n d u c t i o nm a c h i n e ，t h ep m s mh a st h e a d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，h i g he f f i c i e n c ya n dp o w e r d e n s i t y , e t c s i n c et h e19 8 0 s w i t h t h ep r i c eq u a l i t yo ft h ep e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l sr i s ec e a s e l e s s l y , a n dt h e 如r c h e r d e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s ，t h er e s e a r c ho fp m s mh a se n t e r e da n e ws t a g e t h ed t c s y s t e ma p p l i e di nt h ep m s mh a sb e c o m eaf o c u so fr e s e 踟c h t o p i c t h et h e s i ss t a r t e df r o mt h ed i s c u s s i o no ft h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt h ea n a l y s i s o ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l a n di n d e p t hs t u d yo fp m s m b a s e do nt h ed t c s v s t e m d e s i g n i n gt h es y s t e mo nm a t l a b s i m u l i n ka n dt h ed s p s y s t e m i no r d e rt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，t h et h e s i s a n a l y z e st h e p r o b l e m so ft h ep m s mi nf l u xo b s e r v i n g ，a n du s ean e wm e t h o dt oi m p r o v et h ef l u x o b s e r v a t i o np r e c i s i o n t h r o u g ht h em a t l a bs i m u l a t i o na n dt h eh a r d w a r ed e b u g i n d i c a t e dt h a ti te n h a n c e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h u st h em e t h o di sp r o v e d h a sf u r t h e rd e v e l o p m e n ts i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) ，d i r e c tt o r q u e c o n t r o ls y s t e m ( d t c ) ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，f l u xe s t i m a t o r b a c k e m f i n t e g r a t i o na l g o r i t h m s 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，除了义中特；+ jj j t - i 以标注和敛谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁奎盘鲎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i 刊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： 镥圈铰矧珊邓年莎月年日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授橡一丞蓥蕉堂n j 。以将学位沦文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索：井采用影印、缩：= i j 或扫描等复制于段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国啄羁夭邵门或机构送交沦文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权洗明) 绸溺段 多月4 f j 导师签名： 签字日期：2 。7 年乡月争，日 7 氢产 签 弦 糙 矽 怍 ： 文 甥 沦 c = 位 字 学 签 第一章绪论 第一章绪论 1 1 永磁同步电机的发展概况简述 电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内 建立进行机电能量转换所必须的气隙磁场，可以有两种办法：一种是在电机绕组 内通以电流来产生磁场，这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相关的装置， 又需要不断的供给能量以维持励磁电流的持续流动；另一种方法是用永磁体来产 生磁场。由于永磁体材料的固有特性，它经过预先磁化( 充磁) 后，不需要外加能 量就能够在其周围空间建立磁场，这就是本文要阐述的永磁电机。 永磁同步电机属于交流电机。如果三相交流电机的转子转速玎与定子电流的 频率厂以及极对数坳满足方程式： 刀：6 0 上 玎， 这种电机就称为同步电机。永磁同步电动机与普通同步机在定子结构上是一 致的，由三相绕组及铁心构成，且电枢绕组通常为星型连接。在转子结构上，使 用永磁体取代普通同步机的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。 永磁电机的发展是与永磁体材料的发展密切相关的。在1 9 世纪2 0 年代电机 产生之初，人们就考虑采用永磁磁场代替电磁磁场，但是，早期的永磁材料消耗 大、功耗高、效率低，无法满足电机要求，因而被励磁电机所取代。2 0 世纪3 0 年代，美国贝尔实验室研发出铝镍钴合金作为永磁材料，满足了电机要求，于是 实用的永磁电机诞生了。5 0 年代铁氧体永磁材料出现，6 0 年代在电机中大量的 应用【1 1 。随着高性能稀土永磁材料的问世，永磁电机在2 0 世纪7 0 年代重新得到 了重视。1 9 8 3 年，在我国召开的第七届国际稀土钴永磁材料及其应用会议上， 日本的金子秀宣称，日本住友特殊金属公司以传统制备s m c 0 5 的工艺研制出 n d f e 永磁体，同年1 1 月肯定了其组成为n d l 5 f e 7 7 8 8 ( 钕铁硼) ，至此标志着第 三代稀土永磁材料的诞生【2 1 。钕铁硼材料体积小，重量轻，磁性强，原材料丰富， 价格相对便宜，从1 9 8 4 年起，各工业发达国家竞相研制高性能永磁电机。我国 稀土资源丰富，总储量占全世界储量的7 5 ，随着专利的到期，我国的永磁电机 产品占领了更多的世界市场。所以，发展永磁电机产品系统有着广阔的前景。 在永磁交流伺服系统中，应用较为普遍的永磁电机主要有两种：无刷直流电 第一章绪论 机b d c m ( b m s h l e s sd cm o t o r ) 和永磁交流同步电机p m s m ( p 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 ) 。前者一般采用方波电流驱动，后者一般是三相正弦波电流 驱动。由于p m s m 伺服系统在工作原理上能够克服b d c m 系统所固有的一些缺 点，控制也比较方便，可以应用到高精度、高性能的场合，所以国内外对永磁交 流伺服技术的研究也主要集中在p m s m 伺服系统上【引。 永磁同步电机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率 因数( 可达到l ，甚至为容性) ，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运 行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗的降低而减小风扇( 小容量电机甚至 可以去掉风扇) 和相应的风摩损耗，从而可以使效率比同规格的感应电动机提高 2 8 个百分点。而且永磁同步电机在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。这类电动机有时会在转子上 设有起动绕组，具有在某一频率和电压下直接起动的能力，又称为异步起动永磁 同步电动机。 与普通电机相比，p m s m 还必须装有转子位置检测器，用来检测转子磁极位 置，从而对电枢电流进行控制，达到控制p m s m 的目的。为保证系统精度及运 行质量，多采用旋转变压器或光电码盘作为p m s m 的转子位置检测器，与p m s m 转子同轴连接1 4 j 。 根据永磁体在转子上安装位置的不同，p m s m 转子可分为两类：表面式永磁 同步电机s p m s m ( s u r f a c ep e r m a n e n tm a g i l e ts y n c h r o n o u sm o t o r ) 和内埋式永磁同 步电机i p m s m ( i n t e r i o rp 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 ) 。表面式永磁同步 电机还可以细分为凸出式和插入式两种。 ，、出式插入歧内埋式 图1 - 1 永磁同步电机的转子结构 表面式永磁同步电机结构上转子直径比较小，从而降低了转动惯量。有较大 的磁路气隙，若将永磁体直接粘在转轴上还可以获得低电感，有利于电机动态性 能的改善，一般p m s m 多采用这种形式的转子结构。内埋式永磁同步电机是将 永磁体装于转子铁心内部，制造工艺较为复杂，但它的机械强度高，磁路气隙小， 一般适用于弱磁控制的高速运行场合【5 1 。 对于永磁同步电机的控制，通常有两种控制方式。一种是针对电流控制的滞 第一章绪论 环控制，另一种是采用电压控制。前者以前主要在模拟控制中予以采用，响应快 速。后者的理论基础是空间矢量p w m 控制，提高了逆变器的电压输出能力，保 持恒定的开关频率，适合数字控制。随着微处理器运算速度的提高和包括a d 、 d a 等在内的片内集成电路的快速发展，二者都有了新的发展 6 1 。与传统电励磁 电机相比，永磁同步电机的优点在于： 1 体积小，结构简单，重量轻 省去了励磁绕组和附加的直流励磁电源，减少了电机的用铜量； 2 损耗低，效率高，节约能源 无需电刷和滑环装置，减少了机械和电器损耗； 3 温升低，可靠性高，使用寿命长 机械结构简单牢固，运行可靠，便于制造和维修； 4 适应性强，控制较简单i _ 刀 励磁磁通大小不变且与电枢电流有着固定的相位关系，因而控制比较简单。 目前，永磁同步电动机控制的研究热点主要集中在以下几个方面： 1 参数估计 对于永磁同步电动机，包括转矩常数、定子电阻、定子电感等参数会在运行 中发生变化。例如，温度的变化和磁饱和现象的发生都会导致上述参数变化，而 这些情形对于永磁同步电动机是不可避免的。这就会使得按照准确参数设计的普 通控制器的品质变差，从而导致系统性能的降低。 自适应算法以及神经网络控制等方法被用来进行参数的在线估算，取得了一 定的效果。目前的研究希望得到设计简单、计算量小、收敛速度快的参数估计方 法。 2 转矩脉动最小化 同异步电动机及无刷直流电动机相比，尽管永磁同步电动机有着相对平稳的 转矩输出和快速的转矩响应，但永磁同步电动机仍会发生转矩脉动，其中非常重 要的因素是齿槽效应和磁场分布非理想正弦。 一方面可以通过电机设计的途径减弱上述问题，但终究不可能完全消除。另 一方面就要通过控制器来减小转矩脉动。由于直接的转矩测量设备非常昂贵，对 于一般的系统而言，需要通过转矩估算控制定子电流进行补偿。随着转速高低、 负载大小的不同，转矩脉动的情形会发生变化。因此在这方面，需要对在线计算 的时间耗费和对运行条件的适应性加以综合考虑。 3 直接转矩控制的研究 直接转矩控制首先是在异步电动机控制中提出和发展起来的。由于直接转矩 控制的优点，近年来永磁同步电动机的直接转矩控制也逐渐得到了深入的研究， 第一章绪论 取得了一些很好的结果。d t c 进一步提高了永磁同步电动机的转矩响应速度， 同时也降低了对传感器的要求。 目前在定子电阻辨识、测量偏置的补偿、电压矢量优化、提高低速性能等方 面有了更加深入的研究和性能的提高。 4 无位置传感器的研究 永磁同步电动机获取位置及转速需要光电码盘、旋转变压器等传感器装置， 同时也会带来一些问题：增加了系统成本；高温、潮湿、振动、粉尘、腐蚀性等 环境都会对传感器造成影响，限制了系统在恶劣环境中的应用；在某些特殊场合 不允许或很难安装传感器；传感器需要专门进行维护，并且在系统设计时要考虑 到抑制外界干扰对速度传感器的影响，从而进一步增加了系统的复杂性和成本。 而无传感器( 速度或位置) 控制的应用可以有效的解决上述问趔8 1 。 近几年，南航的田淳博士及同济大学的陶生桂教授对永磁同步电机的直接转 矩控制系统进行了研究【9 】【1 0 1 ；白驶，刘宴等对永磁同步电机的d s p 控制进行了 研究。永磁同步电机已经成为工业研究发展的方向【1 1 】f 1 2 】。 1 2 直接转矩控制系统的发展概况简述 直接转矩控制技术( d t c ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m ) 是继矢量控制技术之 后的一种新型高性能的交流变频调速技术，它在1 9 8 6 年由德国鲁尔大学的 d e p e n b r o c k 提出。其主要特点是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下 计算与控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，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，以获得转矩的高动态性能。 直接转矩控制技术控制概念明确，控制结构简单，控制手段直接，转矩响应迅速， 是一种高性能的交流调速方法。随后，日本学者高桥熏( i t a k a h a s h i ) 也提出了类 似的方案【l3 1 。在之后的二十年里，直接转矩控制技术得到了深入的研究和长足的 发展，成为交流调速理论的重要组成部分。 与矢量控制不同，为了实现电磁转矩和磁链的控制，直接转矩控制系统摒弃 了矢量控制的解耦思想，取消了坐标变换。在静止卵坐标系上计算出定子磁链 和转矩，分别对它们进行闭环控制，实现了对电动机磁链、转矩的直接观测和控 制。直接转矩控制系统只需检测出定子电压、电阻及电流就可以较准确的测出定 子磁链及电磁转矩，减小了电机参数对电机控制性能的影响，具有优良的动态性 能以及转矩响应快、鲁棒性好等优点【1 4 】。 尽管直接直接转矩控制系统具有以上的优点，但作为新兴的技术，直接转矩 控制还存在许多不成熟、不完善的问题，如其低速性能不尽如人意，这主要是由 第一章绪论 于其b a n g b a n g 控制引起的，而且受电动机的参数变化影响严重；稳态运行时， 转矩脉动大。其主要原因是： 1 由于转矩和磁链调节器采用滞环比较器，不可避免地造成了转矩脉动； 2 在电动机运行一段时间之后，电机的温度升高，定子电阻的阻值发生变化， 使定子磁链的估计精度降低，导致电磁转矩出现较大的脉动： 3 逆变器开关频率的高低也会影响转矩脉动的大小，开关频率越高转矩脉 动越小，反之开关频率越低转矩脉动越大。 以上这些原因限制了直接转矩控制技术的应用范围。 近些年国内外在理论研究与产品开发上，已取得了丰富的成果，并带来了巨 大的经济效益。1 9 9 5 年a b b 公司首先推出的a c s 6 0 0 系列直接转矩控制通用变 频器，动态转矩响应速度已达至l j v 5 9 ， 撼膨 韬 辩 艾 v ， 句 名 名 图2 7电压矢量选择示意图 表2 1直接转矩控制的开关表 t 岛眈阮囟岛魄 l1 v 5v 6，1v 2 v 3 v 4 1ov ov 7v ov 71 , 0v 7 l- 1v 3 v 4 v 5v 6，lv 2 01v 6v lv 2v 3v 4v 5 00 v 7 v ov 7v o v 7 1 , 0 01v 2v 3v 4v 5v 6v l 第二章永磁同步电机的直接转矩控制 2 3 永磁同步电机的直接转矩控制 永磁同步电机的直接转矩控制系统与异步机的直接转矩控制系统不同的是， 在异步电机中，转矩的变化和转差有关，转差是角度的微分。在施加零矢量时， 定子磁链因零矢量而在空间停止转动，但转子由于惯性仍按原转速转动，异步电 机的转差，从一个较小的正值，突然变成较大的负值，产生巨大的制动转矩，而 使电磁转矩快速下降。而永磁同步电机中，负载角变化的主要是定子部分，转子 部分只占很小的比例；当施加零矢量时，负载角的变化近似为零，即转矩基本保 持恒定 2 2 】。所以在永磁同步电机系统中，零矢量不能起到明显的降低转矩的作用， 当需要使用零矢量的时候，往往选择反矢量来进行制动。这样，永磁同步电机的 直接转矩控制系统开关表简化为表2 2 所示： 表2 - 2永磁同步电机的直接转矩控制开关表 t 曰l晓岛 以 以既 llv 5v 6v lv 2v 3 v 4 l0v 3v 4v 5v 6v lv 2 o 1v 6 v l v 2 v 3 v 4v 5 o0v 2v 3 v 4 v 5v 6v l 所以，虽然缺少了零矢量使得基于永磁同步电机的直接转矩控制系统相比异 步机来说会加剧转矩脉动，使得系统性能有所降低，但是如果仅仅从控制策略上 来讲，反而是变得更加简单了。 2 4 永磁同步电机直接转矩控制的仿真模型 试验用永磁同步电机体积小、重量轻，是为了飞思卡尔公司电动车试验设计 的，由m o t i o nc o n t r o lc o 制造。其电机参数为：额定转速3 0 0 0 r r a i n 、额定功率 6 0 0 w 、b - - - 3 q 、厶= 8 5 m h 、l 叮= 8 5 m h 、盼= 0 1 7 5 w b 、j = - 0 0 0 0 8 k g r l l 、t i v = 6 n m 、 矿l 。 在仿真中，设定转子初始磁链为= o 1 7 5 w b 、坳= 0 基于本章所述永磁同步电机直接转矩控制原理，利用m a t l a b s i m u l i n k 进 行仿真，整体模型如图2 - 8 所示，其余各计算模块如图2 - 9 到图2 1 3 给出。开关 表等程序模块选用s - f u n c t i o n 函数，附录中详细给出所设计的软件程序。 第一章小磁q 步电机的直接转矩拄制 目2 - 8水磁f q 步电机直接转矩控制系统仿真模型 - 1 4 第二章水磷问步电机的直接转矩控制 图2 - 9系统的3 2 变拽器 图2 - 1 0 系绩碰链计算模块 磁链计算模块采用的纯积分观测器，其结果包括磁链幅值和磁链角，磁链幅 值经过与给定值的比较后经过滞环给到控制器中；磁链角位置可直接输入到控制 嚣，也可以经过初步计算后再输送给控制器。 参考电压矢量所在扇医的判断可以根据公式( 2 - 1 4 ) 进行判断，其中“。、加表 示参考电压矢量在“、口轴上的分量1 2 3 j 。 第二章承磁同步电机的直接转矩控制 “i2 “日 , 31 憋2 _ “口一i “口 4 3 1 “32 一= - 一= “口 ( 2 - 1 4 公式中如果“1 o ，a - 1 ，否则a = o ：如果u 2 o ，b = i ，否则b ：o ：u 3 0 tc = i ， 否则c - 0 。 则定子磁链所在扇区s e c t o r - 4 a + 2 b + c ，如附录中程序所示。 参考电压矢量所在扇区可阻如图2 - 8 的仿真图由s - f u n c t i o n 函数确定，也可 以根据公式r 2 1 4 ) 以如下仿真模型确定： 图2 一1 1 扇区判断仿嚣槿犁 直接转矩控制本身不需要速度信息，但为了实施对电机转速的精确控制，提 高交流调速系统的动态抗扰动能力，必须引入速度反馈，即加入速度调节嚣。传 统调速系统中的速度调节器多采用p i 调节器，它的设计过程依赖于对象精确的 数学模型。而且当电机参数变化或有外来干扰时不能在线调整p l 控制器参数， 因而影响控制性能。速度反馈经过p 】调节器后转变成转矩反馈，而转矩与额 定值比较的结果也要通过滞环给到控制器中。 图2 1 2 系统转矩的刊算模块 第二章永磁同步电机的直接转矩控制 图2 1 3p i 调节器模块 在m a t l a b s i m u l i n k 仿真中，是有p i 模块的，但是在使用的时候一定要在 p i 的输出部分加一个限幅器，这是因为有时候因为角度的关系，速度反馈会变 得很大，大到超出了转矩反馈的正常限度，从而导致转矩反馈控制失败。通过限 幅器，可以较好的弥补这一问题。 转矩模块和磁链模块的计算结果都要反馈给控制器，经过查找开关表后控制 电压矢量。而这两个模块部分在反馈到控制器前都需要经过滞环控制的处理。滞 环控制是一种基于反馈的控制技术，一般采用电流反馈到给定端，把反馈信号与 给定信号进行比较，可以得到一个误差信号，可以规定一个误差允许范围，这就 是滞环；当误差信号x ( 磁链幅值或转矩大小) 超过上限的时候，就产生一个控制 逻辑y 去触发响应的回路，使误差信号往小的方向变化，到了误差信号x 减d , n 超过下限，又要产生一个逻辑y 去触发另一个回路，把误差信号往减少的方向拉， 如此反复，就可以使输出的电流波形始终跟踪给定的参考信号波动，而且响应速 度很快，误差也会控制在需要的范围内。在永磁同步电机的直接转矩控制系统中， 正是因为两个滞环的存在，使得磁链幅值和转矩大小始终保持在需要范围内。 y 。 x d 图2 - 1 4 滞环比较器 在系统运行过程中，转矩和磁链幅值是同时进行调节的。磁链电压( 用于调节 磁链幅值的电压矢量) 对转矩的影响，转矩电压( 用于调节转矩的电压矢量) 对磁链 幅值的影响也是不可避免的。这样就会使磁链、电压矢量走走停停，从而增大转 矩的脉动。为了降低转矩的脉动，滞环的宽度会很窄，但是如果滞环的宽度设置 第二章永磁同步电机的直接转矩控制 的过窄，会造成逆变器的开关频率过大，从而使系统的开关损耗变得很大。所以 要取得稳定、高性能的系统，需要不断的调试与实验，才能最终确定比较好的仿 真结剁2 5 1 。 2 5 永磁同步电机直接转矩控制的仿真结果 按照上述仿真程序，运行m a t l a b s i m u l i n k 。设置转速为1 0 0 0 r m i n 时得到 仿真结果如图2 1 5 到图2 1 7 所示： 图2 1 5 定子磁链轨迹( 单位：w b ) 图2 1 6 直接转矩仿真的电流响应曲线 第二章永磁同步电机的直接转矩控制 图2 - 1 7 直接转矩仿真的转矩响应曲线 如果转速在0 5 s 时刻突变为5 0 0 r m i n 时，系统的仿真波形如图2 1 8 到图2 2 1 所示。与图2 1 5 到2 1 7 对比后可以看出磁链轨迹有比较明显的波动，这是由定 子电流的波动引起的，电流频率变小，而转矩在突然下降之后趋于稳定。 图2 一1 8 转速从1 0 0 0 r m i n 突变为5 0 0 r m i n 时的定子磁链轨迹( 单位：w b ) 图2 1 9 转速从1 0 0 0 r m i n 突变为5 0 0 r r a i n 时的电流响应曲线 第二章永磁同步电机的直接转矩控制 图2 2 0 直接转矩仿真的速度响应曲线 图2 - 2 1 转速从1 0 0 0 r m i n 突变为5 0 0 r m i n 时的转矩响应曲线 如果负载转矩在0 5 s 时刻从2 0 n m 突变为3 0 n m 时，仿真波形如图2 - 2 2 到 图2 2 4 所示。通过对比图2 1 6 到图2 1 8 ，可以看出在0 5 s 时刻，电流的幅值突 然增大，而频率不变，转矩在增大之后趋于稳定。 ； ? i ： 、 图2 - 2 2 转矩从2 0 n m 突变为3 0 n m 时的电流响应曲线 加 o 加 锄 蕾 啪 吒一pcmh，u 第二章永磁同步电机的直接转矩控制 图2 2 3 转矩从2 0 n m 突变为3 0 n m 时的速度曲线 图2 - 2 4 转矩从2 0 n m 突变为3 0 n m 时的转矩响应曲线 通过以上仿真波形可以看出，系统具有很好的效果，但是在起动的时候输出 转矩、电流和转速都有一点超调：在运行过程中，输出转矩的脉动很明显。说明 了采用b a n g b a n g 控制的直接转矩控制的永磁电机，可供选择的电压空间矢量单 一，很难完全补偿电磁转矩和定子磁链的误差，低速性能不尽如人意，转矩脉动 比较严型2 6 。而要解决这些问题，改进p l 参数和改善磁链观测的环节对改善系 统性能有着重要的作用。对于p i 参数的改进，主要靠设计者的不断调试，或者 采用模糊控制、神经网络等改进型的调节器都有比较良好的作用【2 。国内很多专 家也在深入研究这方面的课题。对于磁链观测的问题，在仿真中并不像实际工程 中那么明显，因为仿真的结果还是是实时而准确的。然而在实际工程中，观测并 不会这样实时而准确，所以，之后主要对这个问题进行改进。 第三章永磁同步电机直接转矩控制系统的软硬件设计 第三章永磁同步电机直接转矩控制系统的软硬件设计 本章将采用以d s p ( 高速度数字信号处理器) 为核心的单片机实现永磁同步电 机的直接转矩控制系统的硬件搭建及软件设计。控制电路的核心芯片是f r e e s c a l e 公司的m c 5 6 f 8 0 1 3 芯片，其外围电路包括a c s 7 0 6 、1 r 2 1 3 0 、l m 3 5 8 、i r f 6 4 0 、 m c 7 4 h c 2 4 4 等芯片，通过c o d e w a r r i o r 软件实现软件调试。 3 1 系统的硬件设计 本系统的硬件包括以下几个部分： 1 控制电路：m c 5 6 f 8 0 1 3 ； 2 逆变电路及其驱动电路：6 个i l 讧6 4 0 ，i r 2 1 3 0 ： 3 电流传感电路和偏置放大电路：a c s 7 0 6 ，l m 3 5 8 ； 4 速度检测电路：旋转变压器a d 2 s 9 0 、a d 2 s 9 9 ； 5 电源变换电路：a n s j ：h d n 3 - 4 8 s 1 2 、h d n l - 4 8 d 5 模块，l m l l l 7 ； 6 输入输出设备：键盘，显示屏，p c 机； 7 永磁同步电机。 系统总体硬件框架如图3 1 所示： 图3 - 1系统的硬件结构 2 2 第二童承磁同步电机直接转矩控制系统的软硬件设训 3 1 1 控制电路 图3 - 2 直接转矩控制系统的控制扳 系统的核心d s p 采用f r e e s c a l e 公司的m c 5 6 f s o l 3 控制芯， 卜尔公司推出的针对电机驱动和电力电于应用的d s p ，它简化了 和电力电子应用不相关的内核资源和外端引脚，3 2 引脚l q f p 式使其应用空间进一步础小同时具备里佳的性价比= m c 5 6 f 8 0 1 3 基于增强型5 6 8 0 0 e 内核，程序地址总线位数女 数据地址总线位数到2 4 位，主频为3 2 m h z 。 m c 5 6 f 8 0 l3 具有4 二富的i o 接口和多种外围设备在单一自 成了通j ji ( 3 模块g p i o 、异步串行通信模块s c i 、同步串行外 a d 转挠模块、用于备类电机控制的多路脉冲宽度调制p w m 捧 t i m e r 等多种外设模块，实现了完全的单片化， 第三章永磁同步电机直接转矩控制系统的软硬件设计 58殳l 室8 p - 妻妻 ；llll 善 哺：脚r 啪_ 掣- _ h k 图3 38 0 1 3 芯片的引脚图 u g 0 捌p n g 纠o 2 ，稽 g p 叼a 划卅蚌搠比r 1 忉2 g o ， 丘r 9 c l g p l o a s 撇 f a u l t 2 7 3 g p 幻b 材t m x ，( o 渊f a u l t 0 g 纠d 8 捌蹲明 眦箩 弛0 p 渤 强：二sl ：a x j 二1 1 = p a ：1 1 n l 诅_ o x d 2 - ： i 二孔、a ：i ：? ( 1 l ：芷二盖： p 如= p 3m e x 1 甚盼i ，c ： 1 0 a 2 , , a - - p 芷x p a v i c 2 , 1 4 f a i 五t ：2 !；c p 芷p 龟1 c f 。娃：t 2 ea 赋x 二 a ：3芷：b ： 蹦e ：= i r芷0 1 x ! 芷毋二 硪如2 l 箕爆2 + 、急日墨秘。6 强：二 p l | 。s a x ! s c l 强二：一 p b ：s s s d 文 s 您：e p b ：、s 0 eu 国。； d c 西h：笋 弼：) d s ：t jv s s aa 9 玛j4 p b 二o a 强d p 醚i 强二：l f a ：= 1 1 3 ml o嚣l 暇 p b 6 黜s n a 圈k 孑b ! p b ：x 3 s c = - t d 3 c v c a p ： lr t d cj 二 m p d e r c ! ：二 瑚p d ： ，h 蹦 ：c k ? 0 二 i a i s3 】 ：a 墨罾i 瑟 、荡si 1 3 艇铥互1 5 p 。e s e t ：p a 7 , v p p v s s 3 0 ： 图3 _ 48 0 1 3 芯片的引脚功能图 其中，p a 系列引脚控制逆变驱动电路；p b 系列引脚感应旋转变压器的信号； p c 系列引脚感应电流传感器的输入；p d 系列的引脚负责输入输出设备。 3 1 2 逆变电路及其驱动电路 系统采用三相桥式逆变电路通过电压矢量控制电机，它的优点是输出功率较 大，要求功率开关管耐压较低，便于选管。p w m 控制技术在逆变电路中的应用 燮盂 第二章永磁同步电机直接转矩控制系统的软硬件设计 十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了p w m 技术。p w m 逆变电路 可分为电压型和电流型两种。目前实际应用的p w m 逆变电路几乎都是电压型电 路。所以本系统选用的是三相桥式电压型逆变电路，由6 个场效应管i r f 6 4 0 组 成，其参数为v o s s = 2 0 0 v 、i o = 1 6 a 、r d s t o m 一1 8 0 m 9 2 。驱动电路选择i r 2 1 3 0 。 图3 - 5i r f 6 4 0 电路符号 i r 2 1 3 0 是2 8 引脚集成驱动电路，可以驱动不高于6 0 0 v 电路中的m o s f e t ， 内含过电流、过电压和欠电压等保护，输出可以直接驱动6 个m o s f e t 。单电 源供电，最大为2 0v ，广泛应用于三相m o s f e t 逆变电路中。 v c c 同盯r 蜀 而：鄹 翔瓣 c o 图3 - 6i r 2 1 3 0 的典型连接 系统需要通过检测电流来计算磁链和转矩，常用的电流传感器有霍尔型电流 传感器、电阻传感器和光学电流传感器等三种。考虑到传感器的成本、体积和电 气隔离性能等因素，霍尔型电流传感器是该场合使用最多的一种。 3 1 3 电流传感器和偏置放大电路 要对三相电动机进行三相电流闭环控制，在低成本方案中通常使用两个电 流传感器检测电流。a c s 7 0 6 系列电流传感器，精度高、成本低、体积小。在低 成本高性能的小功率伺服驱动器中，该系列传感器是一个不错的选择。 a c s 7 0 6 系列电流传感器是一种基于霍尔效应的线性电流传感器，可测的电 流有5 a ，1 5 a ，2 0 a 等规格。 2 5 第二章7 k 磁同步l b 机直接转矩控制系统的软硬件设训 翻3 7电流传瞎器a c 5 7 0 6 a c s 7 0 6 中i 脚和2 脚台起来通到3 脚和4 脚，用来传导待测电流+ 称为初 级铜导体，器件的输出以v 。2 为中心，随着流过初级铜导体电流的增长而呈 正向的线降增长。初级铜导体的典州的内阻为i5 毫欧，使得其损耗较小。铜导 体的厚度允许器件最高可选3 倍瞬时过流而不损坏，传导电流的管脚与传感引脚 ( 5 至8 脚) 之间电气隔离这就使得a c s 7 0 6 系列传感器可以用在需要电气隔离 的场台，而不需要使h j 光隔离或者其他成本较高的隔离技术。 凶为m c 5 6 f 9 0 13 的a d 输入电压地围是0 33 v 而a c s 7 0 6 的输出电压在 25 v 生右( a c s 7 0 6 电源接5 v ) ，所以电流传感器输出的电压不能直接输入d s p ， 还要经过l m 3 5 8 的偏置放大电路。 c 1 刚3 - 8l m 3 5 8 的偏置艘上电路 n + 1 i n 一 2 0 u t i o u t 2 i n + 2 一 目3 - 9l m 3 5 8 的 脚说明 妙爷 第三章永磁同步电机直接转矩控制系统的软硬件设计 3 1 4 速度检测电路 系统除了要有电流传感器以外，还要有速度传感器，检测的速度经p l 调节 后反馈给转矩输入。在交流传动系统中，普通检测转子位置的光电编码器很容易 损坏，而旋转变压器由于其坚固耐用且可靠性高，可以很好地解决这一问题。但 旋转变压器是一种模拟机电元件，不能满足数字化的要求，故需要接口电路实现 其模拟信号与控制系统数字信号之间的相互转化，这类接口电路是类特殊的模 数转换器，也就是常说的旋转变压器数字转换器( r d c ) 。 所以该速度检测电路包括三部分，旋转变压器、轴角数字转换部分( 包括正弦 波发生器a d 2 s 9 9 和数字转换芯片a d 2 s 9 0 ) 。 a d 2 s 9 9 产生高频正弦信号给旋转变压器转子边激磁，同时给出a d 2 s 9 0 的参 考信号。旋转变压器定子边输出模拟的正余弦轴角信号送入a d 2 s 9 0 转换为数字 信号，d s p 5 6 f s 0 1 3 接收该信号进行数据处理产生电机绕组电流的控制信号。 两对定子端的绕组在空间上成正交放置。当转子接线端r 1 、r 2 上接有正弦 激励电压时，在转子的副边上也将感应出一个正弦电压。当转子旋转时分别在两 个定子绕组上感应出如图3 1 1 所示的波形。根据它们的相位关系解算出转子的 位置。 s l s 3 0p 副边 图3 1 0 旋转变压器原理图 0 9 0l s o2 7 03 9 + 0 9 01 8 02 7 0 3 的 一 0 9 0l 2 7 0 ，鳓 e r 图3 1 l旋转变压器定子和转子波形图 r l 第三章永磁同步电机直接转矩控制系统的软硬件设计 黻t a s a j 砖 a b 图3 1 2a d 2 s 9 0 和a d 2 s 9 9 的引脚图 日昨 日昭 k 3 1 5 电源变换电路 图3 1 3 旋转变压器的连接图 电压变换电路包括三部分： 1 4 8 v 电压源转换为1 2 v ：h d n 3 4 8 s 1 2 2 8 - v i i 第二章水醛同步电机直接转矩控制系统的软硬件设d 供给逆变电路驱动- 出片i r 2 i3 0 ； 24 8 v 转换为5 v ：h d n 卜4 8 d 5 供给p c b 板上的大部分元件； 3 + 5 v 转换为_ 33 v ：l m l i l 7 m p x 一33 供给5 6 f 8 0 1 3 等芯片 3 1 6 永磁同步电机 试验电机采用m o t i o nc o n t r o lm o t o rc ol t d 提供的水磁同步1 u 机具体型号 为： a cm o t o r5 7 b l ( 2 ) c 一6 0 3 0 额定功率为6 0 0 w ：v n ：2 2 0 v a c ：3 0 0 0 t o m 圈 罔3 1 4 试验刖水砒同步电机( 内古旋转变压器 3 2 系统的软件设计 要使水磁同步电机直接转矩控制系统止常运转，除了设置合理的硬件支持 外，还需要正确的软件程序支持。本系统的控制恢心是5 6 f 8 0 l3 控制芯计，其编 程软件是c o d e w a r r i o r 。p c 和d s p 通过并口相连接。 3 2 1 主程序的流程图 对于直接转矩控制系统的软件而i ，需要实现的功能可以分为以下凡块：系 统启动的初始化、检测转了的初始位置、转速的观测与p i 控制以及直接转矩控 制算法等，以及建立根据两个开关信号和分区信号选择电压矢量的开关表。控制 软件分为主程序和r 1 断服务程序。 | 断服务程序是朋两级- ”断来改变电压矢量和 采集主电路电流，直接转矩控制系统软件结构的主程序和中断程序流程图如图 3 一i5 所示 第三章永磁同步电机直接转矩控制系统的软硬件设计 中断开始 现场保护 罗泸兰 电柔引一 采样 厂一 禹学 计算定子磁il _ _ t 一 钵和转缸r 卜一 计算磁链和转矩 的开关信号 查找开关表 输出 电压矢量 现场恢复返回 图3 1 5 主程序和中断程序流程图 3 2 2 电机起动的转子位置检测 直接转矩控制的转子位置是开环控制，通过动态调整定子磁链超前或落后转 子磁链的转矩角来获得需要的转矩，以保证定、转子之间的同步。因此，在电机 运行过程中，并不需要对转子位置进行检测。仅在电机起动的时候，对定子磁链 进行估计时，需要得知转子磁极的初始位置以确定初始磁链【2 9 1 。 3 2 3 速度观测器和p i 调节器的实现 观测到速度信号后，要用速度p l 调节器来计算得到转矩参考值。本系统的 3 0 第三量玳醯l 司步电机直接转矩控制系统的软b l 件设训 速度p i 调节器的输八景是转述偏芹债号 上实现，必须得到离散化的p i 实现方式 将上式离散化得到 输出量足转矩给定值，为了能在d s p 模拟系统的p i 算法表达式为 删一- 小毒f 帕 “( ) = k ，lp “) + 上f p ( 川 ( 3 2 ) 1 ll 爿4 其一 k p 为比例系数，n 为积分时间常数，7 为采样周期，u ( k ) 3 j 第k 次的绐 定转矩输出值，p 为第k 次的转速误差k 为采样序号，但是上式的计算需錾 累加偏差p 啪，会【i 用很多的存储单儿，不便于程序的编写，根据公式( 3 2 ) 可以 写出： “扯一，) = k ， e “一，) + 号鬈文，) c ，一。 公式( 3 3 ) 减击公式( 3 2j 得到增量式的p i 控0 算法： “( 女) = k ，k ( ) e 忙1 月+ k ，e l k ) + “忙一1 ) f ， 奠中k = 竺称为秽 分系数。公式o 4 ) 可以比较容易的在d s p 上宴现。 一 测试程序可以先存e 思i 尔公r d 提供的仿真器中调整，其电路设计与木论文 的硬件试验环境大致相同。如下图所_ i 。 罔3 1 6t t - m c 5 6 f s 0 13 - e v m 仿真蛮骀饭 第四章永磁同步电机磁链观测器的改进 第四章永磁同步电机磁链观测器的改进 目前永磁同步电机中的直接转矩控制问题，主要是转矩脉动大。滞环的加入， 必然导致电机转矩在滞环内振荡；而零矢量在永磁同步电机中的不明显作用，使 得必须以反矢量来制动，必然又引发了更严重的转矩脉动。另一方面，不管是转 矩还是磁链，都是由电机的电流与电压观测后经计算得出，而电机参数本身的测 量就有误差，从根本上也造成了磁链与转矩的计算不准确。所以在直接转矩控制 系统中的主要改进方向就是减小低速时的转矩脉动。 在实际工程中发现除了转矩脉动问题，实际上系统的磁链观测器也达不到理 想的程度。仿真中，磁链观测是准确而且实时的，但在现实工程中，由于电机参 数变化，磁链观测是不准确的。所以本章试图从磁链观测器的角度对系统进行改 进。 4 1 传统的磁链观测方法 在直接转矩控制系统中，定子磁链的准确观测起着关键的作用，直接决定着 系统控制效果和电机的运行性能。分析表明：假如磁链位置观测准确但幅值观测 不准，会造成其幅值应该增大时反而减小，或者幅值应该减小时反而增大两种异 常情况，前者将导致转矩输出能力减弱，或者会导致气隙磁场饱和、定子电流畸 变、转矩输出过大，这两种情况都会导致转矩脉动增大、速度波动，影响系统运 行的稳定性：假如磁链幅值观测准确而相位观测不准，根据电磁转矩为电流矢量 和定子磁链矢量叉积的概念，也会导致输出转矩过大或过小，影响系统运