（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的永磁同步电机新型矢量控制技术研究.pdf

a bs t r a c t t 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 ) d r i v es y s t e ma p p l i e di nt h e f i e l do fd r i v e r so fe l e c t r i cv e h i c l e sm a i n l y c o n s i s t so 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 , m o d e mp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g y a si th a sag o o dp e r f o r m a n c ei nd r i v i n g ，i th a sb e c o m eo n eo ft h eh o t t e s tr e s e a r c h a r e a so fp o w e rt r a n s m i s s i o n p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o ri sam u l t i - v a r i a b l e ，n o n - l i n e a r , h i g h c o u p l i n gs y s t e m t h et o r q u ei sn o td i r e c t l yp r o p o r t i o n a lo f s t a t o rc u r r e n t ，b u t r a t h e raf u n c t i o no fc o m p l e xr e l a t i o n s h i p s oi no r d e rt og e tag o o dp e r f o r m a n c e ，i t i sr e a l l yn e c e s s a r yt od e c o u p l et h em a g n e t i cf i e l d a st h e o r yh a sp r o v e nt h a tv e c t o r c o n t r o lc a na c h i e v et h ec o n t r o lo ft o r q u ea n ds p e e d ，w h i c hw i l le n a b l et oa c h i e v e p m s mp e r f o r m a n c el i k ead i r e c tc u r r e n t ( 1 9 c 1m o t o r , i ti ss u i t a b l et ou s et h e t e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h em o t o r t h i sa r t i c l ei sm a i n l yb a s e d o nd e d i c a t e dm o t o rc o n t r o lc h i pd s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，f o c u s e so i lt 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 ，f i n i s h e dt h e r e s e a r c ho fp m s mv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dd e s i g no fp m s m c o n t r o ls y s t e m f o rt h ef i r s t ，b a s e do nt h es t r u c t u r eo 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 ， t h ea r t i c l eg e t st h em a t h e m a t i c a lm o d e li nt h r e e - p h a s es t a t i cc o o r d i n a t ea n di nt h e t w o p h a s er o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ea r t i c l e a n a l y s e st h ew o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo ft h ep m s m a f t e ra n a l y z i n gt h et h e o r yo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ei s s u ed o e sa ni n - d e p t h s t u d yo ft h ek e yp o i n t so fp m s m c o n t r o ls y s t e m ：t h es v p w mt e c h n o l o g ya n dt h e f e a t u r e so fm o t o rr u n n i n ga tf u l ls p e e dr a n g e t h e a r t i c l ef i n i s h e st h e m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n ，t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o nw e l lc e r t i f i c a t e s t h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s u p o nc o m p l e t i o no ft h es i m u l a t i o ns y s t e m ，t h ea r t i c l eh a sas p e c i f i ca n a l y s i s a n dd e s i g no ft h eb o t ha s p e c t so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ei s s u ef i n i s h e st h ew o r k o ft h ed e s i g na n dd e b u go ft h ed r i v i n gc i r c u i t b a s e do nt h eh a r d w a r es y s t e m ，t h e a r t i c l ed e s i g n st h ed i g i t a lr e a l t i m ep m s mv e c t o rc o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d e st h em o d e l a b s t r a c t o fs p e e da n dr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i n g ，m o d e lo fc u r r e n td e t e c t i n g ，m o d e lo fp i r e g u l a t i o na n dm o d e lo fc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n f i n a l l y , t h ea r t i c l eg i v e so u tas i m p l es u mo f t h ew h o l e s y s t e m ，a n di n d i c a t e st h e p o s s i b l ed e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o n so f t h ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：d s p , 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 , v e c t o rc o n t r o l ，c o n t r o l s t r a t e g i e s ，e l e c t r i cv e h i c l e s i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 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长、成本低、保养维护简单等优点，所以长期以来，在不要求调速的场合，异 步电动机占有主导地位，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，人们广泛使用 交流异步电动机来拖动机械工作 4 】。但是，交流异步电动机调速性能差，起动转 矩小，过载能力和效率低，并且在交流异步电动机拖动中，其旋转磁场的产生 需要从电网吸取无功功率，故功率因数低，轻载时尤其，这大大增加了线路和 第1 章绪论 电网的损耗，无形中损失了大量电能。 2 0 世纪7 0 年代以来，科学技术的发展极大地推动了永磁同步电动机的发展 和应用垆儿6 1 ，其主要的原因有以下几点： 1 、高性能永磁材料的发展。1 9 8 3 年问世的钕铁硼永磁材料，由于其磁特 性和物理特性优异，成本低廉且材料来源有保证( 我国占有世界蕴藏量8 0 以上 的钕资源) ，所以在开发高性能永磁材料( 特别是钕铁硼永磁材料) 方面具有得天 独厚的有利条件。我国的钕铁硼永磁材料特性水平已达到世界的先进水平，这 为永磁同步电机的发展提供了物质基础。 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励磁磁极的好处是：简化了结构，消除了转子的滑环、 电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积：省去励磁直流电源，消除了励磁损 耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁结构。 2 、新型电力电子技术器件和脉宽调制( p w m ) 技术应用【7 1 【8 1 。电力电子技术 是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。自1 9 5 8 年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一 代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件、第三代复合场控器件直 至9 0 年代出现的第四代功率集成电路i p m 。半导体开关器件性能不断提高，容 量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，它极大地推动了各类电机的 控制技术的发展。7 0 年代出现了通用变频器的系列产品，为交流电机的变频调 速创造了条件。对最新的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成 的逆变电路是其控制系统中必不可少的功率环节。 3 、电子技术和控制理论的发展【9 】【1 0 l 。集成电路和汁算机技术是电子技术发 展的代表，规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机 的控制。随着电子技术的发展，各种集成化的数字信号处理器( d s p ) 发展迅速， 性能不断改善，软件和开发工具越来越多，数字式控制处理：卷片的运算能力和 可靠性得到了很大提高，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的d s p 。 所有这些技术的发展使得以单片机为核心的全数字控制系统取代模拟器件控制 系统成为可能。计算机技术的应用除了实现复杂控制规律，便于故障监视、诊 断和保护等功能外，还用于计算机辅助分析和数字仿真】。集成电路和计算机 技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用，它们的飞速发 展促进了电机控制理论的发展与创新。 第l 章绪论 目前永磁同步电机几乎遍及航空、国防、工农业生产和日常生活的各个领 域。如永磁电机已经占据汽车工业的丰体部分；数控和精密机床也大量应用永 磁电机；信息产业中永磁电机的应用而广、类型多；家用电器中永磁电机取代 异步电机的地方也不少，如空调器己开始用永磁直流无刷电动机带动空调压缩 机和通风机，洗衣机用永磁直流无刷电动机带动洗衣桶旋转等。随着高性能永 磁材料价格和电动机转子制造价格降低，以及驱动系统的理论研究和实践应用 的不断完善与提高，永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进一步的发展及应 用。可以毫不夸张地说，永磁同步电动机己从小到大，从一般控制驱动到高精 度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电 机出现，而且前景会越来越明显。 基于当前永磁同步电机在电机领域中的重要的地位以及电机控制技术的长 足发展，可以预见今后永磁同步电机的发展主要趋势为： l 、永磁同步电机磁路优化。优化永磁同步电机磁路结构，尽可能的减少漏 磁，提高励磁磁通利用率是提高电机效率和电机功率密度的关键所在，因而永 磁同步电机磁路优化必将是永磁电机技术发展的核心【1 2 】。 2 、永磁同步电机全数字化【1 3 】【1 4 】。目前，永磁电机的应用是与电子技术、数 字技术和自动化技术紧密联系的，这些也是永磁电机的研究方向。从长远来看， 电机这个用模拟量转换的机电装置，要适应数字社会的发展，永磁电机的数字 化就必须跟上相关数字技术的发展。以d s p 为核心的全数字控制系统，由于其 控制灵活，智能化水平高，参数易修改，便于分布式控制等，己成为当今交流 驱动系统发展的趋势。 1 3 永磁同步电机控制技术的发展 1 3 1 矢量控制技术 1 9 7 1 年，德国西门子公司的f b l a s c h k e 提出矢量控制理论( f i e l do r i e n t e d c o n t r o l ，f o c ) t 1 5 1 1 1 6 】，使交流电机控制理论狭得质的飞跃。矢量控制的核心思想 是将电机的三相电流、电压、磁链经坐标变换变成以转子磁链定向的两相参考 坐标系中的量，参照直流电机的控制思想，完成电机转矩的控制。矢量控制方 法首先应用在感应电机上，但很快被移植到永磁同步电机上。事实上，在永磁 第1 章绪论 同步电机上更容易实现矢量控制，因为永磁同步电机在矢量控制过程中没有感 应电机中的转差频率电流，而且控制受参数( 丰要是转子参数) 的影响也小。：目前， 矢量控制技术在永磁同步电机中得到了广泛地应用，其地位已经超过了它在异 步电机中的地位。磁场定向矢量控制的优点是有良好的转矩响应，精确的速度 控制，零速时可实现全负载。但是，矢量控制系统需要确定转子磁链，要进行 坐标变换，运算量很大，而且还要考虑电机转子参数变动的影响，使得系统比 较复杂，这是矢量控制存在的不足之处。 1 3 2 直接转矩控制技术 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授和日本学者t a k a h a s h i 提出直接转 矩控甫l j ( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，d t c ) 1 7 j 。直接转矩控制通过对定子磁链定向， 实现对定子磁链和转矩的直接控制。其控制思想是通过实时检测电机转矩和磁 链的幅值，分别与转矩和磁链的给定值比较，由转矩和磁链调节器直接从_ 个 离线计算的开关表中选择合适的定子电压空间矢量，进而控制逆变器的功率开 关的状态。直接转矩控制不需要复杂的矢量坐标变换，对电机模型进行简化处 理，没有脉宽调制p w m 信号发生器，控制结构简单，受电机参数变化影响小， 能够获得较好的动态性能。但是也存在着一些不足：如逆变器开关频率不固定； 转矩、电流波动大：实现数字化控制需要很高的采样频率等。 1 3 3 永磁同步电机控制新型关键技术 为了进一步提高控制性能和降低成本，人们在不断探索用于永磁同步电机 的先进控制理论，其中主要有以下几个研究方向： l 、转子位置估计及无传感器控制技术f j8 1 。永磁同步电机必须获取转子位置 才能控制电机正常运行。转子位置获取有两种办法。其一是用传感器直接检测， 另一种是采用参数估计。直接检测必须采用传感器等外件或在电机设计中设计 测量位置的感应线圈，好处是位置测量准确，缺点是结构复杂。无位置传感器 方法将电机三相电压、电流进行坐标变换，在方程的基础上估算出电机转予的 位置，或利用测量反电动势法等估算出电机转子的位置。 减少传感器是降低控制系统成本的重要途径，因而无传感器技术作为电机 控制的一个新领域在近年来广泛受到人们关注。如g d a n d r e e s c u 提出了基于 4 第l 章绪论 自适应观测器的永磁同步电机驱动的无位置和无速度控制方法【1 9 】；a p i i p p o 提 出了电压模型和高频信号注入结合实现了永磁同步电机驱动的无传感器控制方 法【2 0 】。 2 、智能控制技术。神经网络控制，模糊控制及其他智能控制方法能够明显 地提高系统的响应性能和自适应能力，在电机控制的应用中也很有意义。利用 神经网络的白适应能力来保证电机在不同的条件下的稳定运行成为一个新的方 向。尽管目前这个领域还处于试验阶段，但许多专家学者还是提出了一些人工 智能、神经网络、模糊控制等控制策略【2 l 】【2 2 1 。 1 4 电动汽车用永磁同步电机 1 4 1 电动汽车电机驱动系统的要求 伴随着经济的发展，目前占统治地位的汽油和柴油驱动的汽车的大量使用， 造成了很严重的环境和资源问题。为此，世界各国都投入了大量的人力物力， 试图解决这一难题。其中电驱动汽车是方案之一，各大企业和研究机构己经进 行了很多工作，有的己经进入了实用和产品化阶段。电动汽车采用电动机驱动， 与内燃机汽车相比，具有下列优点： ( 1 ) 不排放废气，噪声水平低； ( 2 ) 电动机易于电子控制，几乎可以随意改变稳态特性，可简化甚至省去变 速齿轮装置： ( 3 ) 电动机可方便地实现四象限运行，不需要专门的可逆齿轮装置。由于能 产生制动转矩，因而大大减小机械制动磨损： ( 4 ) 电动机旋转对称，运行平稳，振动极小，且不存在使材料产生疲劳的高 温，使用寿命长，维护工作量小。 电动汽车对其驱动系统的要求可以归纳为：造价低、可靠性高、效率高及 性能好。评价选择驱动电机及其控制系统的主要指标有： ( 1 ) 峰值效率：即电动汽车以巡航速行驶时电机的效率： ( 2 ) 部分负载效率：即电动汽车在市区内行驶时驱动系统效率； ( 3 ) 电机可高转速运行以减轻电机重量续，j 、体积： ( 4 ) 单位峰值轴输出功率成本： 第1 章绪论 ( 5 ) 电控系统与电机相比的相对造价； ( 6 ) 电机牢同性，即抗撞击、振动及腐蚀的能力； ( 7 ) 驱动控制系统的负载适应能力：汽车要适应各种路面，负载状况复杂多 变，表现为恒转矩负载，势能负载及不规则扰动。 ( 8 ) 要考虑速度响应的快速性与汽车运行安全性、乘坐舒适性以及能耗之间 的矛盾，提出一种综合性能指标予以有效控制。 1 4 2 几种电机及其驱动系统比较 电机及其驱动系统是电动汽车的核心部件之一。这系统作为一个有机的 整体由控制回路，功率回路和电机三大要素组成。在电动汽车应用中，如同其 他工业应用一样，驱动系统主要可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机 三类调速系统。尽管占主导地位的是同步和异步电动机驱动系统，但是直流电 机驱动系统并末被淘汰，仍占有一席之地。在选用何种电机用于电动汽车的问 题上，一直存在着争论。这里主要有两个方面的比较。 l 、交流电机的比较。在电动汽车的应用中，要求在输出同样功率的情况下 电机的体积尽可能小，所以电机的功率密度是选型的重要指标。在这方面，永 磁同步电机体积小、重量轻，功率密度高，有较大的优势。现在有的永磁同步 电机功率密度可以达到或超过l k w k g ，高于感应电机。这些特点使永磁同步电 机十分适合交通、航空航天等领域的驱动应用。 除电机的功率密度要求外，电机的效率也是非常重要的因素。永磁同步电 机在这一方面有一定优势； ( 1 ) 永磁同步电机在基速以下不需要励磁电流，可以显著提高功率因数( 可达 到1 ，甚至可以为容性) ，这一方而节约了无功功率，另一方面也使定子电流下 降，定子铜损减少，效率提高； ( 2 ) 永磁同步电机在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低 而减小风扇和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电机可提高2 8 个 百分点； ( 3 ) 永磁同步电机在2 5 一1 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； 由于永磁同步电机的效率比感应电机略高，尤其是低速部分负载工况效率 第1 章绪论 高( 对应电动车城市运行工况) ，对于电池供电的系统提高续驶里程是有意义的。 若长期使用，节能带来的效益可以抵销永磁同步电动机成本上的些劣势。而 且一般认为，在进入更大批量生产之后，永磁同步电机的成本价格会相应地降 低，使其应用更加经济。 2 、交流电机驱动系统的比较。1 9 7 1 年，德国学者b l a c h k e 和h a s s e 提出了 对交流电动机进行矢量控制的控制理论，这一理论的出现对交流电动机控制技 术的研究具有划时代的意义。交流电动机矢量控制技术通过磁场定向构成的矢 量变换的交流闭环调速系统，其性能完全可与直流系统相媲美，在某些情况下， 甚至超过了直流系统的性能。随着电力电子技术、计算机技术和永磁材料学科 的发展，矢量控制技术得以迅速推广和应用，已全面进入实用化阶段。 就矢量控制的交流驱动本身而言，无论是对感应电动机还是对永磁同步电 机，其逆变器和控制器的功能几乎是相同的。以成本来说，感应电动机的间接 矢量控制技术虽然比永磁同步电动机的复杂一些，但由于数字逻辑和微处理器 的控制电路价格不算高，所以控制器成本差异不会很大。两种电机驱动系统的 性能差异主要还是由电机本身的性质所决定。感应电机和永磁同步电机在速度 低于基速时以恒转矩方式运行，超过基速时以恒功率方式运行。在恒功率运行 区，要控制磁通与速度成反比。这种弱磁控制对感应电机来说是容易实现的， 而在永磁同步电机中，却要借助对定子电流的相位控制来达到弱磁的目的。所 以，感应电机的速度范围比永磁同步电机宽，这是感应电机的优点之一。但是， 在正常的矢量控制中，感应电机定子除了转矩分量外，还需要励磁分量，因此 在提供相同转矩的情况下，永磁同步电机所需的定子电流要比感应电机小。永 磁同步电机中，在磁场定向控制下，可以控制定子电流矢量与转子磁通矢量正 交，定子电流全部用来产生电磁转矩，因此与感应电机系统相比，每安培定子 电流产生的转矩值要高，亦即大于感应电机的转矩电流比。因此，选用永磁同 步电机驱动系统成为电动汽车研究的热门方向。 相信随着控制理论和电力电子技术的发展，永磁同步电机的调速系统将越 来越完善，其在新型节能汽车里面的应用的比例也一定会越来越大。 1 5 论文各章内容 本文在数字电机控制专用d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的基础上，以永磁同步 7 第l 章绪论 电机为研究对象，对其矢量控制技术进行了研究和设计。 第一章从永磁同步电机调速系统的现状和趋势、永磁同步电机控制技术和 电动汽车用永磁同步电机三个方而阐述了课题研究背景、应用领域以及论文研 究内容。 第二章在简要介绍永磁同步电机结构和分类的基础上，分析推导得出了永 磁同步电机两相旋转坐标系下的数学模型，并对永磁同步电机运行特性进行了 深入地分析和研究。 第三章对矢量控制以及其具体控制策略做了研究。在分析比较目前常用的 矢量控制系统基础上，设计了一种新型的永磁同步电机全速范围内的矢量控制 系统。在这个系统上，课题设计了应用不同矢量控制策略的矢量控制方法，并 对其做了仿真及实验验证。 第四章对驱动系统的硬件进行了具体的分析和设计。主要设计了d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的最小系统、电流检测调理电路、转子位置检测电路等。此外， 课题应用s c a l e 模块，重点设计制作了一款i g b t 的驱动电路。 第五章设计了永磁同步电机矢量控制系统全数字化的软件模块。调试验证 了永磁同步电机速度位置检测、电流检测、p i 调节、坐标变换等应用模块。 第六章是沦文的结论部分，总结了整个课题的研究内容，并对课题进一步 的研究做了展望， 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 第2 章永磁同步电机数学模型与运动特性分析 2 0 世纪8 0 年代，永磁材料特别是具有高磁能积、高娇顽磁力、低廉价格的 铷铁硼永磁材料的发展，使人们研制出了价格低廉、体积小巧、性能高的永磁 同步电机。其中的正弦波永磁同步电动机转子通常使用永磁体，无电励磁电动 机的转子发热和励磁损耗问题，运行的效率和功率因数都较高，因而此类永磁 同步电机在数字驱动控制系统逐渐成为了主流。本章在简要介绍永磁同步电机 结构和分类的基础上，分析推导得出了永磁同步电机两相旋转坐标系下的数学 模型，并对永磁同步电机运行特性进行了深入地分析和研究。 2 1 永磁同步电机的结构 永磁同步电机分为正弦波驱动电流的永磁同步电机和方波驱动电流的永磁 同步电机。本文主要以三相正弦波驱动永磁同步电机作为研究对象。和普通同 步电机一样，永磁同步电动机由定子，转子和端盖等部件组成。定子由定子铁 心( 由冲有槽孔的硅钢片压受而成) 、定子绕组( 在铁心槽中嵌放三相电枢绕组) 构成。定子和普通感应电动机基本相同，也是采用叠片结构以减小电动机运行 时的铁耗。转子通常由轴、永久磁钢及磁扼组成，其主要作用是在电动机气隙 内产生足够大的磁场强度，与通电后的定子绕组相互作用产生转矩以驱动自身 的运转。转子铁心可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成。图2 1 为永磁同 步电动机的结构示意图。转子上安装有永磁体，转子铁心上可以有电枢绕组。 为了减少电动机的杂散损耗，定子绕组通常采用星形接洲2 3 】。 图2 1 永磁同步电动机的结构 9 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 2 2 永磁同步电机的分类 根据转子极对数的不同，永磁同步电动机分为单极电动机和多极电动机两 大类。目前制作转子的材料多采用高性能的永磁材料有：a i n i c o ( 铝镍钻铁磁 性合金材料) 、f e r r i t e s ( 铁氧体磁性材料) 、r a r ee a r t h ( 稀土族磁性材料) 、m n a i c ( 锰 铝碳磁性材料) 、c e r a m i c ( 陶瓷磁性材料) a nn d f e b ( 铷铁硼合金磁性材料) 等。目 前我国的铷铁硼磁性材料特性水平达到世界的先进水平，因此开发和研制铷铁 硼永磁同步电机及其控制系统具有得天独厚的有利条件。 对于无刷直流电机构成的运动控制系统，通常有着成本低廉、材料利用率 高以及控制方式简单等优点【2 4 1 。但由于无刷直流电机原理上存在固有缺陷，使 得其转矩脉动较大，铁心附加损耗较大，因此只适用于一般精度及性能要求的 场合；而交流永磁同步电机作为一种特殊的同步电动机，它能够克服无刷直流 电机驱动系统的不足，具有优良的控制性能，在交流驱动系统中的应用更为广 泛。目前，永磁同步电机已经成为高性能驱动系统的主体。 永磁同步电机从转予结构上大致可以分为两大类：表面式永磁同步电机 s p m ( s u r f a c ep e r m a n e n tm a n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ) $ 1 内埋式永磁同步电机 i p 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 ) 。对采用稀土永磁的电机来 说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近于1 ，所以表面凸出式转子在电磁性 能上属于隐极转子结构：而表面插入式转子的相邻两永磁磁极问有着磁导率很 大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。表面式永磁同步电机定子 与转子之间磁路分布均匀，基本上与转子位置无关。内埋式转子具有明显的磁 极，定子与转子之间磁路是不均匀的，与转子的位置有关。表面式永磁同步电 机结构上较简单，转子直径较小，从而降低转动惯量，它有较大的磁路气隙， 若将永磁体直接粘在转轴上还可获得低电感，利于电机动态性能的改善。一般 永磁同步电机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 于转子铁芯内部，制造工艺较为复杂，但机械强度高，一般适于弱磁控制的高 速运行场合。 2 3 正弦波永磁同步电动机的动态数学模型 永磁同步电机的数学模型【2 5 1 主要包括电动机i ：i j 辽动方程，物理方程和转矩 方程，这些方程是永磁同步电机数学模型的基础。 l o 第2 章永磁同步电机欠量控制系统 2 3 1 定子三相坐标系下永磁同步电机动态数学模型 图2 2 给出三相两极的永磁同步电机的物理模型。由此可以推导出永磁同 步的定子三相坐标系的动态数学模型。为简化数学模型的分析和推导，作如下 的假设： ( 1 ) 定子绕组为y 型连接； ( 2 ) 反电动势为正弦，忽略饱和谐波的影响； ( 3 ) 不计涡流和磁滞损耗； ( 4 ) 转子上无阻尼绕组，永磁体无阻尼作用； ( 5 ) 励磁电流无动态响应过程。 r s g c 譬 图2 2 三相两极的永磁i 司步电机的物理模型 永磁同步电机定子三相电压为： v d = v c o s ( 0 ) 木f ) v 。= v c o s ( 彩拳f 一了2 z ) 匕= y c 。s ( 缈木f 一了4 n ) 其中：彩为转子电气角频率： v 为电压幅值。 其一相的电压方程可写为： 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 归”江m + d _ 西e 硼f + 丢( “+ ( 鲫 2 - 2 d fd f 。 其中：r 为定子绕组的电阻： 为定子磁链； ”为转子磁钢在定子上的耦合磁链5 为定子绕组的电感： 晓为转子角位移。 可以看出，式中最后一项( 虬( 见) ) 为转子磁钢在定子中产生的感应反电势， 并且它可以写成q 宰掣，由于我们假定反电动势波形为正弦波形，因此 口 三相反电势为： e 一= 茎；差； = 一缈宰二， = f 毛( 见) i = 一缈宰， 【- 疋( 包) j s i n ( o 。) s i n ( 晓一争 s i n ( 色一争 = 国木 吖k ( 包) 】 2 - 3 永磁同步电机通用的转矩方程为： 乙= p 水【l 】木妒，q k ( 见) = p v r 木( l 木k ( 见) ) + 厶幸蚝( 吃) + l 奉k ( 包) ) 其中：p 为极对数； z 为电磁转矩。 可以证明各相定子电流为正弦值时能够得到最大的转矩，所以： l a = ls i n ( a ) 木t ) 厶= s i n ( c o * t 2 3 ，r i l ：ts i n ( 国宰f _ 冬) j 所以永磁同步电机转矩方程为； 2 4 2 5 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 乏2 一”n 2 ( 州n 2 ( 谢一争i n 2 ( 刎一争 2 6 = 吾p 木炸木l 永磁同步电机的运动方程为： j d r o r 。, 4 - k , 4 r o = + 乃= 互 2 - 7 “i 其中：，为转动惯量( 包括转子转动惯量和负载机械折算过来的转动惯量) ： 一为粘滞系数： z 为负载转矩； 为机械角速度； 从公式2 7 可以看出，除电磁转矩外，再无其它控制量可影响转速。如果 能快速准确地控制转矩，使得传动系统在负载扰动时获得较小的动态速降和较 短的恢复时间，那么，调速系统就具有较高的动态性能。冈此，调速系统性能 的好坏关键是电磁转矩控制得如何。 2 3 2 坐标变换与变换矩阵 对于永磁同步电机来说，矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最 终的实施是落到对定子电流( 交流量) 的控制上。由于在定子侧的各物理量都是交 流量，其空间矢量以同步转速在空间旋转，对其调节、控制和计算均不方便。 因此，需借助于坐标变换的方法，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐 标系。从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。本系 统中采月 j 了两种举标系：筇举标系和幽坐标系。对于永磁同步电机来说，定义 筇坐标系的口轴与定子4 相绕组重合，轴逆时针超前口轴9 0 。空间电角度。 由于口轴固定在彳相绕组轴线上，故筇坐标系为静止坐标系。同时定义由坐标 系的d 轴与转子磁极轴线重合，q 轴逆时针超前d 轴9 0 。空间电角度，d 轴与彳 相定子绕组的夹角为口，该坐标系在空间随同转子以电角速度0 3 一道旋转，故为 旋转坐标系。矢量变换各坐标系如图2 3 所示。 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 图2 3 矢量变换各坐标系图 图2 - 3 中，对于定子电流而言，三相静止坐标系下，应是： i a = i 。c o s 0 i 。 i 。 c o s 秒) c o s 秒+ 引 2 8 在恒速下： 包= c a t + 民 2 - 9 式1 1 1 1 ，包为电动机转子的位置信号，即4 相绕组轴线与d 轴夹角。氏为电 动机转子初始位置转角。 ( 1 ) 三相定子坐标系和两相定子坐标系之间坐标变换 三相静止坐标系彳，b ，c 和两相静止坐标系口，之间的变换，简称3 2 变换。反之，从两相静止坐标系到三相坐标系的变换称为2 3 变换。设变换服从 于功率不变的约束条件。 采用3 2 变换，则有： 1 4 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 阡 采用2 3 变换，则有： r 1 乱 l 阡 圈 ( 2 ) 三相定子坐标系和同步旋转坐标系之间变换 采用由a b c 变换，则有： 圈 雠一： c o s ( 口一引 一s ；n ( 秒一詈万) - s i n 0 圈 ( 3 ) 同步旋转坐标系和两相定子坐标系之间坐标变换 采用由筇变换，则有： 阡 采用a p d q 变换，则有： ： = 1 5 2 1 0 2 1 l 2 1 2 2 1 3 2 1 4 2 1 5 _ 一 0k 1犷且 一2一2一| 2 鱼2 12一；一 一i。括丁 。鱼2鱼2 。一2。2 万 厅 2 3 2 3 一 + 口 矽 ，一，。l n n l l s s 一 一 、， 万 刀 口2 3 2 3 刚 一 + r l r o 0 00k 一)万 万 2 3 2 3 + + 口 伊厂 ，、 洫 一 ，叼01 秒口 h o础舳 c r-j 0哆 。l j 秒秒 m s c秒坩毗 c 一 。l 第2 章永磁同步电机欠量控制系统 上述变换同样适用于电压和磁链矢量 3 3 3 由坐标系下永磁同步电机的动态数学模型 由轴数学模型是分析永磁同步电机稳态运行性能和动态运行性能的最常用 方法。根据卜一节的坐标变换思想和坐标变换矩阵，可以得到永磁同步电机的 电压、磁链、转矩和机械运动方程如下： 电压方程： 磁链方程： 转矩方程： h d = r 屯+ p 一o , e q 2 - 1 6 h q2m q 七p t ，q + l f ，d l f ，d = l a i d 十l f ，r t f ，q = l q i q 2 1 7 2 1 8 2 1 9 乙2p ( 驴c d i q w q i a ) 2p t g r i q + ( 乙一厶) 屯】 2 - 2 0 机械运动方程： ，譬+ k 以+ 乃：正 2 - 2 1 “f 其中 、f 、y 分别表示电压、电流和磁链的矢量值：下标d 、q 分别表示 定子的d 、q 轴分量；厶、乞表示定子绕组的d 、q 轴电感。 永磁同步电机的空间矢量关系可以由图2 4 表示。 图2 - 4 永磁同步电动机空间矢量图 1 6 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 从图中可以看出，定子电流空间矢量与定子磁链空间矢量沙。同相，而定 子磁链与永磁体产生的气隙磁场问的空间电气角度为，且 d2 l sc o s f l ， ， = i ，s i n f l 一 将2 2 2 代入公式2 2 0 的电磁转矩公式中，则 1 疋= p y ，s i n + 去( 乞一岛) t 2s i n 2 f l 】 2 2 3 从公式2 2 3 可以看出，永磁同步电动机输出转矩中含有两个分量，第项 为永磁转矩，第二项是由转子不对称造成的磁阻转矩。对于凸极永磁同步电动 机来说，一般情况下乙 厶，因此，为充分利用转子磁路结构不对称所造成的 磁阻转矩，应使电动机的直轴电流分量为负值，即大于9 0 。 在采用功率不变约束的坐标变换后，相应的输入功率可以表示为： p l = “d 屯+ “口i q = 丘s i n + 去( 厶一厶) 2s i n 2 f l + i , 2 r 2 - 2 4 电磁功率可以表示为： 匕= q 乙= ；p 眇7 c s i n + 互1 ( 乞一l q e 2s i n 2 用= e o 岛+ ( 虬一) 乇 2 - 2 5 2 4 正弦波永磁同步电动机运行特性曲线 正弦波永磁同步电动机运行是与系统中的逆变器紧密相关的，电动机的运 行性能要受到逆变器性能的限制。最为明显的是逆变器直流侧的母线电压和逆 变器的最大输出相电流直接制约了电动机相电压有效值的极限值u 和相电流 有效值的极限值i 。由这个最基本的约束关系可以得到电动机运行特性曲线。 2 4 1 电流极限圆 交流永磁电机运行时的定孑电流应该限制在允许的范围内，所以有： = 厅可i l i 。 2 2 6 由上式可以看出，在定子电流的相平面内，定子电流矢量的轨迹应该落在 1 7 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 图2 5 的电流极限圆内部。 q 。 l l i m 厂 、 卜mi d 。 一，l i 。0 _ i m 、- 图2 5 电流极限圆 2 4 2 电压极限椭圆 永磁同步电机定子稳妥时电压方程式如下： ”d = 尺一a ) l q i q 2 2 7 “g = r + 国少，+ 吐屿0 2 2 8 所以稳态工况下，定子电压为： “，= “d 2 + “9 2 = ( j r 一丘) 2 + ( r i q + 缈y ，+ m l d i a ) 2 2 - 2 9 讨论电机高速运行工况下，定了电阻的压降较小，与感抗上的压降相比可 以忽略。于是上式可以简化为： “，= x ( 6 0 r j q ) 2 + ( 缈i l c ，+ c o l a i d ) 2 = c o ( l q i q ) 2 + ( + 厶) 2 2 3 0 这就是电机运行于高速情况下的定子电压方程。从方程中可以看出，如果 保持定予电流不变，随着电机运行速度的提高，定子电压就会随之上升，那么 定子电压最终将会达到逆变器输出的电压极限。 根据公式2 - 3 0i 发：= 出永磁同步电机定子电压一定时，永磁同步电机的直 轴电流与交轴电流所满足的关系如下： 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 w = 时 2 划 公式中定义凸极率p = 厶厶，从该公式中可以看出，当方程右边为个常 数时，定子电流两个分量在相平面上的图形是一个椭圆。由于p 1 ，所以椭圆 在d 轴上两个焦点间的距离比g 轴上的大。当夕= 1 时，椭圆变成了圆。从上式 也可以看出，