（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的永磁同步电机伺服控制系统的设计.pdf

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及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金罡王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我- - n t 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谢意。 学位论文作者签字：彩蓄签字日期：弘f 年华月刀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些太堂有关保留、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复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月巴王些盔 堂一可以将学位论文的全部或部分论文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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：裂互云窿 签字日期：少。年￥月钾日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 勺孕专 汕f 1 年华月矽b 电话： 邮编： 基于d s p 的永磁同步电机伺服控制系统的设计 摘要 随着微处理器技术、电力电子技术和电机制造技术的发展，交流伺服控制 系统在各个领域得到了广泛地应用。论文对永磁同步电机伺服控制系统进行研 究，在理论分析和仿真验证的基础上，研制了实验样机，并对系统的各种控制 功能进行了测试。 论文的主要内容有： ( 1 ) 在介绍永磁同步电机的结构和数学模型的基础上，对系统所使用的矢量 控制理论和电压空间矢量脉宽调制算法进行了论述，并对其实现方法和 应用中需要注意的问题进行了讨论。 ( 2 ) 建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 的永磁同步电机控制系统模型，设计了三 闭环的控制参数，并给出了系统的仿真结果。 ( 3 ) 对基于d s p 的永磁同步电机伺服控制系统实验样机进行了设计。包括 电源、智能功率模块驱动电路、d s p 控制系统电路、人机接口和串行 通讯电路等硬件电路，并介绍了系统软件的组织结构和各子功能模块的 实现方法。 ( 4 ) 对实验样机的测试和分析表明，论文设计的伺服控制系统结构紧凑、合 理，具有良好的动静态性能。 关键词：永磁同步电机；伺服控制；空间矢量脉宽调制；数字信号处理器 - h t h es e r v oc o n t r o ls y s t e mo fp e r m a n e n t m 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 nd s p a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o p r o c e s s o rt e c h n i q u e s m o d e mp o w e re l e c t r o n i c s t e c h n i q u e sa n de l e c t r i c a lm o t o rm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , t h ea cs e v r oc o n t r o ls y s t e mi s m o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h es e r v oc o n t r o l s y s t e mo 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 ( p m s m ) i s s t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a l p r o t o t y p ei sd e v e l o p e db a s e d o nt h et h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n t h ec o n t r o l f u n c t i o n so ft h es y s t e ma r et e s t e da l s o t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ev e c t o rc o n t r o lt h e o r ya n ds p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) t e c h n o l o g ya r ea n a l y z e db a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fs t r u c t u r ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e l o fp m s m a n dt h ed e t a i lm e t h o d so fr e a l i z a t i o na n di s s u e ss h o u l db es p e c i a l l y c o n c e m e da r ed i s c u s s e d ( 2 ) am o d e lo fp m s ms y s t e mi se s t a b l i s h e db a s e do nm a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h e p a r a m e n t e r so ft h et r i p l e l o o pa r ed e s i g n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n ( 3 ) t 1 ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eb a s e do nd s p i sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d i n gp o w e r c i r c u i t ，i p md r i v i n gc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i to fd s p , m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i ta n d s e r i e sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h es t r u c t u r eo fs o f t w a r e ，a n dt h er e a l i z a t i o nm e t h o d so f e a c hf u n c t i o nm o d u l ea r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r ( 4 ) t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e r v os y s t e mh a sf e a s i b l ec o n s t r u c t i o n s y s t e mp e r f o r m sw e l lp e r f o r m a n c ei ns t a t i ca n dd y n a m i ct e s t k e yw o r d s ：p m s m ；s e r v oc o n t r o l ；s v p w m ；d s p 2 致谢 本论文是在导师王群京教授的悉心指导下完成的，同时还得到了李国丽、 胡存刚等老师的指点和帮助。在两年多的硕士学习期间，我所取得的每一分进 步和成绩都源自于老师们的心血和汗水。他们渊博的知识，丰富的实践经验， 严谨踏实的治学态度和精益求精的工作作风是我终生学习的楷模。同时，在生 活中他们也给予了我无微不至的关怀。谨在研究生生活结束之际，向他们表示 衷心的感谢。 在课题进行过程中，实验室老师和同学们给予我热情的帮助。在此谨向对 本课题的研究工作给予支持和帮助的王安邦、王红涛、钱拮、鞠鲁峰、过希文、 潘雷雷、庞聪、周睿、夏百花、刘三山和江涛等同学致以深深的谢意。 最后，我还要感谢父母和女友长期以来对我学习和生活的支持，他们的恩 情是我此生奋斗的动力，我会以实际行动来报答他们。 作者：张云雷 2 0 11 年3 月2 8 日 目录 第一章绪论1 1 1 永磁同步电机伺服控制系统的研究进展一1 1 3 永磁同步电机伺服控制系统的关键技术2 1 4 论文的主要内容3 第二章永磁同步电机的数学模型及控制系统仿真。4 2 1 永磁同步电机的结构4 2 2 永磁同步电机的数学模型4 2 3 永磁同步电机的动态等效电路及分析6 2 4 永磁同步电机矢量控制。7 2 4 1 矢量控制的基本原理7 2 4 2 矢量坐标变换7 2 4 3 电压空间矢量脉宽调制方法9 2 5 永磁同步电机闭环控制方案的选择1 1 2 6 永磁同步电机闭环控制系统的仿真1 3 2 6 1 电流控制器设计1 3 2 6 2 速度控制器设计1 6 2 6 3 位置控制器设计17 2 6 4s v p w m 脉冲产生模块1 8 2 6 5 仿真结果分析1 9 第三章永磁同步电机伺服控制系统的设计2 2 3 1 系统的总体设计2 2 3 2 系统的硬件设计2 3 3 2 1 供电电源设计。2 3 3 2 2 主功率电路及其驱动电路设计。2 5 3 2 3 位置和电流检测电路的设计2 7 3 2 4 控制电路设计。2 8 3 2 5 人机接口电路的设计3 1 3 3 系统的软件设计3 3 3 3 1d s p 软件结构3 3 3 3 2s v p w m 波形的产生3 4 3 3 3 位置和速度检测3 7 3 3 4p i 调节3 8 3 3 5 启动过程3 9 3 3 6 人机接口软件设计4 0 第四章系统调试和实验结果分析。4 3 4 1 实验平台及设备4 3 4 2 系统调试4 3 4 3 实验结果分析4 5 第五章结论与展望4 7 5 1 研究总结4 7 5 2 研究展望4 7 参考文献4 8 攻读硕士学位期间发表的论文。5 1 插图清单 图1 1 永磁同步伺服控制系统基本结构2 图2 1 永磁同步电机转子结构4 图2 2 永磁同步电机d q 轴坐标矢量图5 图2 3 永磁同步电机d q 轴动态等效电路6 图2 4 矢量控制过程7 图2 5 三相绕组和两相绕组磁动势矢量的空间位置7 图2 6 两相静止、旋转坐标系和定子电流矢量空间关系8 图2 7 三相电压型逆变器主电路基本结构9 图2 8 电压空间矢量分布图1 1 图2 9i d = o 矢量控制系统原理图1 3 图2 1 0 永磁同步电机电流环框图1 4 图2 1 1 电流控制系统的开环频率特性1 5 图2 1 2 电流闭环控制系统单位阶跃响应1 5 图2 1 3 速度环框图1 6 图2 。1 4 速度控制系统开环频率响应1 6 图2 1 5 速度闭环控制系统单位阶跃响应1 7 图2 16 位置环框图l7 图2 1 7 位置闭环控制系统单位阶跃响应1 8 图2 1 8s v p w m 脉冲产生模块1 8 图2 1 9s v p w m 脉冲及由其产生的三相线电压和相电流波形1 9 图2 2 0 永磁同步电机伺服系统仿真模型1 9 图2 2 1 位置响应仿真波形一2 0 图2 2 2 速度响应仿真波形2 0 图2 2 3 三相电流仿真波形2 0 图2 2 4d q 轴电流仿真波形一2 1 图2 2 5 电机电磁转矩仿真波形一2 l 图3 1 系统硬件总体框架2 2 图3 2 直流高压电源电路2 3 图3 3 辅助电源电路2 3 图3 4 变压器原理和结构2 4 图3 5 辅助电源末端输出电路2 4 图3 6p s 2 1 5 6 4 内部模块示意图2 5 图3 7 隔离驱动控制接口电路2 6 图3 8 故障保护信号接口电路2 6 图3 9 制动保护电路2 6 图3 1 0 光电码盘光栅示意图一2 7 图3 1 1 光电编码器信号调理电路2 7 图3 1 2 电流采样电路一2 8 图3 1 3 霍尔电流传感器电流电源关系曲线2 8 图3 一l4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 最小系统2 9 图3 1 5p w m 输出接口电平转换电路3 0 图3 1 6r s 2 3 2 串行接口电路一3 1 图3 17s t c l2 c 5 a 3 2 s 2 的最小系统3 2 图3 18 液晶和按键电路3 2 图3 1 9 万年历和声音报警电路3 3 图3 2 0 系统主程序和中断程序流程图3 4 图3 2 1 电压空间矢量合成示意图3 5 图3 2 2 各扇区p w m 输出波形3 7 图3 2 3s v p w m 波形发生程序流程3 7 图3 2 4 增量式光电编码器工作脉冲时序图3 8 图3 2 5q 轴电流p i 控制程序流程图3 9 图3 2 6 系统启动程序流程4 0 图3 2 7 人机接口菜单跳转关系图4 0 图4 1 永磁同步电机伺服控制系统实物图4 3 图4 2 人机接口串行通讯数据波形图4 3 图4 3 各扇区p w m 波形4 4 图4 4 死区波形4 5 图4 5l5 0 0 r p m 时a 相电流波形4 5 图4 61 5 0 0 r p m 时三相电压波形4 6 图4 7 电机速度响应波形4 6 表格清单 表2 1 a 3 坐标系中电压分量和开关状态矢量的关系1 0 表2 2 永磁同步电机伺服控制系统仿真参数1 9 表3 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部硬件资源表2 8 表3 2 系统i o 分配表3 0 表3 3p 值和扇区号对应关系3 5 表3 4 各扇区基本电压矢量作用时间3 6 表3 5 基本电压矢量作用时间赋值表一3 6 表3 6r t u 帧格式4 2 表3 7 查询帧格式4 2 表3 8 应答帧格式4 2 表3 9 通讯变量地址表一4 2 第一章绪论 1 1 永磁同步电机伺服控制系统的研究进展 永磁同步电机以其结构紧凑、体积小、重量轻、效率高、维修容易等优点 在数控机床、机器人、数字化生产线以及航空航天等领域得到了广泛地使用。 在应用前景不断扩大的同时，人们对永磁同步电机伺服控制系统的要求越来越 高，既要控制系统的性能优越，又要其成本低廉；既要控制策略先进，同时还 要保证系统的稳定性【l 。3 j 。因此对永磁同步电机伺服控制系统的研究已经成为了 电气传动理论及应用研究领域的一个新的热点。近年来，国内外众多学者和研 究机构已经设计出了各种先进的伺服控制系统。 伺服系统的发展是以伺服电机的发展为基础的，伺服电机迄今为止已经有 4 0 多年的发展历史了，主要可以分为三个发展阶段1 4 曲j ： 第一个阶段( 1 9 6 0 年以前) ，伺服电机主要以功率步进电机和液压伺服马 达为主。其具有体积小、响应速度快等优点，但是发热大、效率低、维护难给 应用带来了众多不便。 第二阶段( 1 9 6 0 1 9 8 0 年) ，这一时期直流电机被广泛地应用与各种伺服控 制系统中。直流电机的励磁电流和电枢电流之间没有耦合，因此可以分别对电 机的励磁磁通和电磁转矩进行单独控制。伴随这一时期大功率晶体管的发展， 电机电流控制性能大大提高，使得直流电动机调速时易获得良好的控制性能。 但是，直流电机的电刷和换向器在运行时会产生电火花，换向问题严重，使电 机容易老化，影响系统运行的可靠性，增加维护成本，同时也限制了电机的使 用场合。 第三阶段( 1 9 8 0 年至今) ，随着科学技术的发展，人类在高性能永磁材料、 新型电力电子器件、电子技术和计算机技术等领域取得了较大地进步，这为数 字化永磁同步伺服控制系统的应用创造了条件。在此期间，出现了交流伺服电 机( 正弦波永磁同步电机) 和无刷直流电机( 方波永磁同步电机) 。其中，l9 8 3 年钕铁硼永磁材料的问世极大地推动了永磁同步电机的开发和应用。永磁同步 电机相较于电励磁的同步电机有结构简单、无电刷、体积小、不需要励磁直流 电源、无励磁损耗等优点。另外，自1 9 4 7 年贝尔实验室发明了第一支晶体管以 来，经过半个世纪的发展，出现了功率集成电路( i p m ) 为代表的新型电力电 子器件。新型电力电子器件具有的开关频率高、容量大、驱动电路简单等特点 较好地适应了数字化永磁同步电机控制系统的发展。同时，随着电子技术的发 展，各种数字信号处理器芯片( d s p ) 的性能不断提高，成本不断下降，这使 得以d s p 为核心的数字化永磁同步电机伺服控制系统的实现成为可能。 一个典型的永磁同步电机伺服控制系统的基本结构【7 】【8 1 如图1 1 所示。其工 作原理为将指令信号和输出信号进行比较，两者的差值作为系统的误差信号， 对其进行校正、放大后驱动执行元件( 永磁同步电机) 带动被控对象运动，直 到误差信号削减为零。 图1 1 永磁同步伺服控制系统基本结构 目前，永磁同步电机伺服控制系统已经得到了广泛地应用，如计算机中的 硬盘和光驱、汽车雨刮器、空调和冰箱的压缩机、监控摄像机的云台等。为了 提高系统的性能和降低成本，人们正在不断地将先进的控制理论和技术应用于 永磁同步电机伺服控制系统中。其主要有一下几种发展趋势【9 】【1 0 】【1 1 】： ( 1 ) 通用化：随着计算机技术在控制系统中应用的发展，伺服控制系统将具 有丰富的菜单功能，能设置大量的参数，便于用户通过修改参数来使同样的伺 服控制系统满足不同环境的使用要求。 ( 2 ) 智能化：具备参数记忆，故障诊断和自动调整能力的永磁伺服控制系统 将成为市场上最具有竞争力的产品。 ( 3 ) 网络化：将伺服控制系统通过i n t e r n e t 或其他总线连接起来能完成更多、 更复杂的伺服任务，如：机器人手臂关节、生产线各流程控制电机等。 随着电机控制理论的发展和控制系统设计制造能力的提升，有理由相信在 不久的将来永磁同步电机伺服控制系统一定会遍及人们生活的每一个角落。 1 3 永磁同步电机伺服控制系统的关键技术 永磁同步电动机是一个非线性、强耦合的多变量系统，控制较为复杂【1 2 】【1 3 】。 为了获得响应速度快、精度好、稳定性高、成本低的伺服控制系统，开发新的 控制技术成为了国内外学者和相关研究机构的工作重点。其中，转子位置估计、 电机参数在线辨识和智能控制技术等为了关键技术的典型代表【1 4 儿1 5 】。 转子位置估计。在永磁同步电机伺服控制系统中，必须获取转子的位置才 能正常地控制电机的运行。转子位置的获取有两种主要的途径。其一是使用位 置传感器直接检测，其二是使用转子位置估计算法得到。使用传感器的好处是 获得的转子位置精度高，缺点是需要安装相应的检测元件，结构复杂且成本高。 位置估算方法一般是根据检测到的三相电流、反电动势或特定频率的信号来估 算电机转子位置的。如文献【16 和【l7 】提出了基于自抗扰控制器的永磁同步电机 无位黄传感器控制方法；文献【1 8 - 2 0 提出的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。 电机参数在线辨识。在实际应用中，定子电阻、永磁磁通以及电机交直轴 电感等参数会随着电机定子温度的变化而改变，从而导致电机发热量增大，运 行效率降低。因此，在线检测永磁同步电机定子电阻、永磁磁通和电机交直轴 电感等参数具有明显的实际意义。传统的方法在电机中设置相关的传感器来检 测参数。但是，这个方法需要修改电机的硬件，使电机结构复杂化，不利于推 广使用。最新的研究方向是通过检测电流、电压和转速等信号，使用现代控制 理论的数字信号处理技术来在线辨识电机参数。如文献【2 1 】中提出的基于自适 应线性元件的永磁同步电机参数在线辨识方法。这种辨识方法只需要通过软件 实现，降低系统制造成本。 智能控制技术。神经网络控制、模糊控制以及其他的智能控制方法能够明 显地提高系统的自适应能力。智能控制方法不再依赖单一的数学模型，而是数 学模型和知识系统相结合的广义模型，充分利用了人类的经验、思维和判断能 力。虽然目前在电力电子和传动控制领域应用还很少，但是在其他领域所取得 的成果已经引起了国内外一大批相关学者的密切关注。可以预期，在未来的几 十年里智能控制技术将在电力电子与电力传动领域发挥引领时代新潮流的作 用。 1 4 论文的主要内容 论文结合数字化工业平缝机项目，在研究其控制策略的基础上，利用d s p 为核心控制芯片设计出了一套永磁同步电机伺服控制系统。论文的主要研究内 容和章节安排如下： 第一章从永磁同步电机伺服控制系统研究进展和关键技术等几个方面阐述 了课题的研究背景及内容。 第二章在介绍永磁同步电动机结构的基础上，分析总结了其数学模型、等 效电路及矢量控制理论。同时，利用m a t l a b s i m u l i n k 工具对永磁同步电机矢量 控制系统进行了仿真分析。 第三章设计了一套6 0 0 w 永磁同步电机伺服控制系统的硬件平台，并详细 介绍了各硬件模块的实现方法及过程。同时，根据上述仿真结果和硬件平台编 写了伺服控制系统软件。 第四章对论文设计的样机进行了调试，然后给出并分析了系统实验结果。 第五章总结了整篇论文的成果，并对课题的进一步研究和改进做出了展望。 第二章永磁同步电机的数学模型及控制系统仿真 永磁同步电动机是一种常用的交流电机，其转子磁场由预先充磁的永久磁 钢所产生。目前多采用高磁能积的稀土永磁材料( 如稀土钻、铷铁硼等) 作为 磁钢。本章首先介绍了永磁同步电机的结构，然后在分析其数学模型及等效电 路的基础上结合矢量控制理论和本课题的设计特点选择闭环系统控制方案，最 后使用m a t l a b s i m u l i n k 工具对系统进行仿真。 2 1 永磁同步电机的结构 和其他电动机相同，三相永磁同步电动机主要由定子和转子两大部分组成。 在其轴上安装转子检测装置( 如光电码盘，霍尔传感器等) 后就构成了永磁同 步伺服电机2 2 - 2 4 1 。 永磁同步电机的定子与其他一般的电励磁同步电机基本相同，通常设计为 星形连接的绕线式三相绕组。电机的转子磁极是使用永磁材料制作的永磁体， 无需直流励磁。目前，永磁同步电机的种类繁多。如果按照永磁体在转子上安 装位置的不同来分类，永磁同步电机主要可以分为凸出式、嵌入式和内埋式三 种。 如图2 1 ( a ) 和2 1 ( b ) 所示，凸出式和嵌入式都属于表面型结构，其永磁体 都是安装在转子的表面。 图2 - l 永磁同步电机转子结构 表面凸出式和表面嵌入式转子都具有直径小、惯量低、制造工艺简单等特 点。如果能将永磁体直接贴装在转子轴上还可以获得低电感，有利于改善电机 的动态性能。所以，在许多场合所使用的永磁同步伺服电机都采用了这种表面 结构。内埋式的结构如图2 1 ( c ) 所示，在此结构中，将永磁体直接装在转子铁 芯内部，因此其磁路气隙较小，适合使用于弱磁控制。 2 2 永磁同步电机的数学模型 控制对象的数学模型应该能够准确地反应被控对象的静态和动态特性，数 学模型的准确程度是决定系统动、静态性能的关键。为了便于分析永磁同步电 机的特性，在不影响其控制性能的前提下做出如下假设【2 5 j ： ( 1 ) 忽略电机铁芯饱和； ( 2 ) 不计涡流和磁滞损耗，且不考虑温度对电机参数的影响； ( 3 ) z 相绕组是均匀的、对称的，且电机绕组中电流波形为正弦波； ( 4 ) 感应电动势及气隙磁场按正弦分布，且不计磁场的各次谐波； ( 5 ) 永磁体磁动势恒定，即等效的励磁电流恒定不变； ( 6 ) 由于论文所使用的电机是凸出式结构，故可假定其为隐极电机，忽略其凸极 效应。 在永磁同步电机中，建立固定与转子的参考坐标，取磁极轴线为d 轴，取 与d 轴垂直且顺着转子旋转方向超前9 0 0 电角度的轴线为q 轴。若以a 相绕组 轴线为参考轴线a ，设d 轴与a 轴之间的夹角o ，则可得到如图2 2 所示的永磁 同步电机d q 轴坐标矢量图。 根据电机统一理论，建立永磁同步电机的物理方程【2 6 儿2 7 】： 囊 = 言昙兰 匿 + 丢臣i c 2 一， m 酬2 1 l一 2 1 一l 2 l1 22 1 l i 2m 带2 其中，材。，u 6 ，u c 是三相定子电压； 乞，屯，是三相定子电流； y 。，y 6 ，y 。是三相定子磁链； r 。，r 6 ，r 。是三相定子电阻，且r 。= r 6 = r 。= r ； ， ili-_ij 厅一；万一；9幼一3幼一3 鲥 一 + 徊 p l f ，是转子磁场的等效磁链。 根据图2 - 2 可以得出建立在d q 旋转坐标系中永磁同步电机的电流、电压、 磁链和电磁转矩方程： 划= 1 厶 o 三lq钟rldz q 陋 r 丁“u 7 一舭，一一r 阱 台删+ 瞄 像4 ) 瓦= 丢p 。( y d f 4 一l f ，。屯) ( 2 5 ) e2 i 。【y d z g l f ，口b j ( 一) 其中，屯、乞为d q 轴定子电流； u d 、u 。为d q 轴定子电压； y d 、y 。为d q 轴定子磁链； 乙、厶为d q 轴定子电感； 以为极对数；，为转子角速度。 2 3 永磁同步电机的动态等效电路及分析 由式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 化简变换后可以得到： 州以三厶一皆阱匕， 像6 ) 根据式( 2 - 6 ) 可得到永磁同步电机d q 轴动态等效电路( 图2 - 3 ) ： l q r p n ) r l d ? p 6 s h i j ， 图2 3 永磁同步电机d q 轴动态等效电路 由图2 3 可以看出，在d q 旋转坐标系下永磁同步电机的等效电路和直流电 机的等效电路较为接近，所以控制d q 轴电流能使得永磁同步电机获得类似于直 流电机的控制性能。 d g 甜 甜 ，l 1j 0一厶 2 4 永磁同步电机矢量控制 2 4 1 矢量控制的基本原理 由式( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) 可知，只要能实现对永磁同步电机d q 轴电流的瞬时 控制，就能实现对电机转矩的有效控制。但是，在交流永磁同步电机控制系统 中，最终的输出一定是三相电流或电压。因此，为了实现对电机d q 轴电流的直 接控制，需要引入空间矢量算法【2 引。 实际上矢量控制的实质是：在永磁同步电机的外部，把直轴电流i d 和交轴 电流i 。作为控制量，通过矢量旋转变换得到两相交流控制量i a 和i b ，然后通过 2 3 矢量变换得到三相电流控制量i 。，i b ，i 。，从而实现了对电机电磁转矩的瞬 时控制。其主要思想和控制过程如图2 4 所示。 图2 4 矢量控制过程 机 2 4 2 矢量坐标变换 由前所述可知，矢量坐标变换是实现矢量控制的关键。在永磁同步电机的 矢量控制中使用了三相两相( 3 2 或者c l a r k ) 变换、两相三相( 2 3 或c l a r k q ) 变换、两相静止坐标系到两相旋转坐标系( p a r k ) 变换和两相旋转坐标系到两 相静止坐标系( p a r k 1 ) 变换。 ( 1 ) c l a r k 变换和c l a r k q 变换：图2 5 表示永磁同步电动机的定子三相绕组 a ，b ，c 和与之等效的两相同步电机定子绕组a ，d 各相磁势的空间位置。为 了分析计算方便，令a 轴和a 轴重合。 b op l 飓如 t j 纠 ，“ q n 如 n 氯 a r n ：p 。f 图2 5 三相绕组和两相绕组磁动势矢量的空间位置 假如只计磁势的基波分量，当两种绕组中的旋转磁场完全等效时，三相绕组和两 相绕组的瞬时磁势在a ，1 3 轴上的投影应该相同，则其关系可用如下等式表示： 朝 亿7 ， 其中，n 3 ，n 2 分别为三相定子绕组和两相定子绕组的有效匝数，且按照电流变换 矩阵的原则可得瓮= 、厚，则可得3 2 电流变换矩阵方程式： 卧信 对( 2 8 ) 补充零序电流求逆后， ( 2 ) p a r k 和p a r k 与定子电流矢量i 。的 某一时刻其和a 一1 3 坐 r 闰1 、了| - 一2 1 h 2 1 变换： 空间矢 标系的 ( 2 8 ) 上 融 协9 ， 图2 6 两相静止、旋转坐标系和定子电流矢量空间关系 根据电流变换前后所产生的旋转磁场等效的原则可以得到以下变换矩阵方程式： c 锄o s 妒c p 捌圈 协 ( 2 1 1 ) 1 0 m m = 1-1 k l 一262一：房t l 0 o鱼务了茹触 二 图量夹 | | 1j bk 。l l p 一一- i s c o 。蕊、 妒缈 口 甲唧 c 一 = k 0 式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 分别是定子的p a r k 变换和p a r k 1 变换。 2 4 3 电压空间矢量脉宽调制方法 电压空间矢量脉宽调制方法( s v p w m ) 是从电机的角度出发，以三相对 称正弦波电压供电时交流电机的理想磁链圆为基准，将对电机旋转磁场的形状 控制化为电压空间矢量运动轨迹的形状控制【2 9 1 。较传统的正弦波脉宽调制方 法，s v p w m 具有更高的直流电压利用率。 图2 7 为一个三相电压型逆变器主电路的基本结构，主要由六个功率开关 器件v l v 6 组成。 + 图2 - 7 三相电压型逆变器主电路基本结构 图中s a 、s b 、s c 分别表示a 、b 、c 三个桥臂的开关状态。在不考虑死区 时间的情况下，同一桥臂的上下两个功率开关的动作是互补的，即在任意时刻 一个导通，另一个关断。因此s a 、s b 、s c 可以用数字“0 和“l ”表示。令 s a 、s b 、s c = 1 时分别表示上桥臂开关v 1 、v 3 、v 5 导通，输出电压为u d c 2 ； s a 、s b 、s c = o 表示下桥臂开关v 4 、v 6 、v 2 导通，输出电压为一u d c 2 ；用代 数表示为： 墨= 1j藉丰纂薯詈翌，=彳、b、c0 c 2 - 2 ， 1 lj 相下桥臂导通 。一、一 这样就得到了【s a 、s b 、s c 】的八种组合状态，可分别表示为v o o o o 】、 v 1 0 0 1 】、v 2 0 1 0 】、v 3 0 1 l 】、v 4 1 0 0 】、v s 1 0 1 】、v 6 1 1 0 】和v 7 1 1 1 】。其中， v 0 和v 7 使三相桥输出线电压为0 ，因而称为“零矢量”，其他的6 个空间电压 矢量称为基本空间电压矢量。一般以功率开关切换次数最少原则来选择使用v 0 或v 7 。 对于a 相，某一时刻的相电压可以表示为： v a n = v a 0 一v n o ( 2 - 1 3 ) 其中，v a n 为a 相相电压，v a o 为a 相输出端和0 点的电位差，v n o 是三 相负载中点和0 点的电位差。 三相负载对称时【30 1 ，可推导出： v n o = 1 j ( v a o + v b o + v c o ) ( 2 一1 4 ) 联立式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 得： v a n - = 学v m 协 同理可得：v b n = 笙半，= 半。 阱孚匪耀| ( 2 _ 嘲 巨f - 一j 1 2 蚓。鱼 l 2 ( 2 1 7 ) 根据式( 2 17 ) 可计算得到a1 3 中电压分量和开关状态矢量的关系，如表 2 1 所列。 表2 1 a 1 3 坐标系中电压分量和开关状态矢量的关系 s as bs cv v b v k oo00o v o 0ol 一仍一瓦万 v l o1o 一厮瓜 v 2 0l1 一x 2 u o c 3 o v 3 lo0 x。2。u。dc。3 o v 4 101 瓦了一而 v s 1lo 万历瓜 v 6 l1l00v ， 从上述分析可知，对于任一给定的空间电压矢量v r c f ，均可由8 条三相电 压空间矢量合成，如图2 8 所示。 1 0 liioii皿 一2压一2。一2压一2 - p v 2 1 0 1 0 】 v 6 【l l0 】 仄 纷j_ v o i o o o l 一面 图2 8 电压空间矢量分布图 在图2 8 中，两个零矢量和坐标系的原点o 重合，其他6 个基本电压空间 矢量将坐标平面等分为6 个扇区。v r c f 可以用相邻的两个基本电压空间矢量表 示为 1 一 v r a = v k t k ( 2 1 8 ) 其中，t 为给定电压空间矢量v r c f 的作用时间( 一般情况下等于p w m 周 期) ，t k 为基本电压空间矢量v k 的作用时间，且t = t k 。 如果让给定的电压空间矢量v r e f 在保持模长恒定的情况下旋转起来，就能 得到电机的理想磁链圆，实现s v p w m 方法的目的。 2 5 永磁同步电机闭环控制方案的选择 永磁同步电机的控制方案如果按照控制目标分，主要有i d = o 控制、功率因 数c o s q ) = l 控制、最大转矩电流比控制和弱磁控制等【3 1 羽】。 ( 1 ) i d = o 控制：顾名思义，i d = o 控制就是保持d 轴电流为0 的一种控制方 法。使用这种控制方法时，电流矢量随负载状态的变化一直在q 轴上移动。根 据式( 2 - 4 ) 和( 2 - 5 ) ，可得i d = 0 时电机的电磁转矩为： 一 3 7 ：= i p 。f g ( 2 - 1 9 ) z 由式( 2 1 9 ) 可知，i d = o 时，电机的电磁转矩t 。与交轴电流i 。成线性关系， 在控制时所需要的计算量小。此时，在产生相同输出转矩的条件下，需要的定 子电流最小，从而降低了铜损，提高了效率。同时，由于直轴电流为0 ，电机 运行时没有直轴电枢反应，不会使永磁体退磁，有利于延长电机的使用寿命。 ( 2 ) c o s q ) = l 控制：为了实现功率因数c o s q = l ，要保证定子电压矢量和电 流矢量同向，即满足i d i q = u d u q 。这种控制方式可以充分地利用变频器的容量， 节约成本。但是，其输出转矩有限，不适合在动力牵引等场合使用。 ( 3 ) 最大转矩电流比控制：根据式( 2 5 ) 可知，对于同一幅值的电流， 总存在能产生最大转矩的电流相位，这是电枢电流最有效产生电磁转矩的条件。 采用最大转矩电流比控制时，电动机的电流矢量应该满足： 望! 至! 望：o a 屯 望! 互型：o a f 口 其中，i 。= 厢 这样我们可以得到d 、q 轴电流为： ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 4 ( 厶也q ) ( 2 2 2 ) ，2 2 z q = 、z s 一 控制时，随着负载转矩的变动，电机的交、直轴电流按式( 2 2 2 ) 变化， 便可获得最佳的转矩电流比。此时，电机输出同样的转矩所需要的电流最小， 铜损最低。但是，随着输出转矩的增加，电机的功率因数会降低。 ( 4 ) 弱磁控制：对于永磁同步电机，不能像电励磁同步电机那样通过直接 控制励磁电流来控制励磁磁通。但是，根据电机的直轴电枢反应原理，如果在 绕组中有负向的d 轴电流流过，则会产生去磁效应。 由永磁同步电机感应电动势方程： 厂= _ ? e = ( d i a + i f ，f ) 2 + ( l q i 口) 2 ( 2 - 2 3 ) 可知，当电机端电压达到变频器输出的最大值时，要想继续提高电机的转 速就只能改变i d 和i 。了。因此，在电压型变频器驱动的电机系统中，在电机端 电压不可能提高的条件下，采用弱磁控制可以扩大电机的调速范围。但是，如 果变频器的输出电流达到极限值，i d 增大时i 。就必须减小。因此，使用弱磁控 制时，势必会降低系统的最大输出转矩。同时，弱磁控制还会使电机受到退磁 的威胁。 根据上述对不同控制策略的分析比较后，再结合论文设计中所使用电机和 应用场合的特点，选择了i d = 0 的矢量控制方案，其原理图如