（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的永磁同步电机矢量控制系统.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n t r o ls y s t e mo f p m s mc o n s i s t so f p m s m ，m v a n c e d p o w e re l e c t r o n i c s a n dc o n t r o lt e c h n o l o g y t h er e s e a r c ho fi tb e c o m ep o p u l a ri nt h ef i e l do f p o w e rd r i v e s f o ri t sg o o dp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra n a l y s e dt h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fp m s mb a s e do nt h ed s p t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 7 ，w h i c hi su s e df o rd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo fm o t o r a tf i r s t ，t h e s t r u c t u r eo fp m s mw a sa n a l y z e da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mh a db e e n o b t a i n e d t h e n ，t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mw a ss t u d i e da n dt h ef i r s td e s i g np l a nw a s b e e ng i v e n i nt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h eh a r d w a r es y s t e ma n dt h e s o f t w a r es y s t e mh a db e e nd e m i l l ys t u d i e ds e p a r a t e l y t h em a i nc i r c u i ta n dt h ec o n t r o l c i r c u i th a db e e nd e s i g n e da n dt h er e f e r e n c e ds o r w o r eh a db e e nw r i t t e d w i t ht h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ，t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mh a db e e nd e b u g g e d i n t h ep r o c e d u r eo ft h ed e b u g g i n g ，t w oi m p o r t a n tp r o b l e m sh a db e e n e n c o u n t e r e d ， o n ei st h a t t h ei n i t i a l p o s i t i o no fr o t o r ， a n dt h eo t h e ri st h e c o m p c s a t i o no f t h ed e a dt i m ee f f e c t i nt h el a s tp a r to f t h i sp a p e r ，b o t ht w op l o b l e m s h a db e e nd e t a i l l ys t u d i e da n dr e s e a r c h e d k e yw o r d s ：p m s m ，v e c t o rc o n t r o l ，i n i t i a lp o s i t i o no f r o t o r ，c o m p e s a t i o no f t h ed e a dt i m ee f f b c t i l 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家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名参吕释 2 0 0 7 年3 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名拿昌辉 2 0 0 7 年、；月f f 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 本课题研究的是“基于d s p 的永磁同步电机矢量控制系统”，从名称上可 以看出该伺服系统中有两个非常重要的成员：数字信号处理器( d s p ) 和永磁同 步电机( p m s m ) ，因此该系统的发展也必然受到这二者的制约。 1 - 2 数字控制技术的发展 1 2 1 数模两种控制系统的对比 模拟控制系统由模拟电子电路构成控制器，它有如下优点： 【l 】抗干扰能力强，一般不会因峰值噪声导致致命的误动作； 【2 】控制信号连续，整个控制系统对控制信号的响应很快； 【3 】可用常规的示波器、仪表等直接读取信号，容易随时把握系统的基本工 作情况。 但模拟控制系统也有它的缺点： 【1 】由运算放大器构成的p i d 调节器容易受到温度等外部环境的影响，且其 参数不易经常调整，自适应能力差，难以实现高精度的控制； 【2 】模拟控制器很难实现复杂的控制策略，因而难以实现对交流电机这种复 杂对象的有效控制； 【3 】由模拟器件构成的控制电路其集成度不高，硬件复杂，通用性差。 正是由于模拟控制的上述缺陷，导致它无法适应复杂控制系统的发展需要。 而以d s p 为核心的数字控制，不仅克服了模拟控制的缺陷，而且能实现原来模 拟控制系统不可想象的高复杂程度和高精度的控制策略。与模拟控制系统相比， 数字控制系统具有以下优点： 【l 】硬件电路简单而且通用性好，可靠性高，可重复性好，系统易集成，体 积小，重量轻； 【2 】采用高速d s p 作为控制器，可方便地用软件完成各种复杂的数学运算和 控制策略，容易实现控制系统的智能化，更好地适应环境的变化； 【3 】数字控制器的输入、输出通道可以实现控制量的模拟输出、反馈量的数 第1 章绪论 字输入，具有数据采集速度快、值域范围宽、分辨率高、精度高等优点， 为实现高性能控制系统打下了基础； 【4 】借助d s p 的通讯能力和现场总线技术可与其他设备联网，从而实现系统 的监控、故障的诊断和自恢复等多种功能。 当然，数字控制系统也存在一些缺点，比如数字控制的响应速度由数字运算 单元的运算速度决定，有时可能不及模拟控制快。但总的说来，数字控制己经成 为各个控制领域的主要发展方向之一，比如传动控制。 1 2 2 数字控制技术在传动领域中的应用 数字控制技术在传动领域中的推广在很大程度上取决于控制芯片的性能。目 前，在运动控制领域t i 、a n a l o g d e v i c e 和m o t o r o l a 三家公司都推出了各自的专 用芯片，其中最常用的是1 1 公司t m s 3 2 0 f 2 0 0 0 系列d s p 芯片。2 0 0 0 系列包括 1 m s 3 2 0 f 2 0 x ，1 m s 3 2 0 f 2 4 x 和1 m s 3 2 0 f 2 8 x 三类，它们的主要性能对比见表1 1 。 可以看出，从早期的2 0 x 到现在的2 8 x ，d s p 经历了飞速发展的过程，其处理能 力和功能得到了极大地提高，这使得传动控制中的一些高精度的控制系统比如速 度和位置伺服系统得以实现并不断发展。 表1 12 0 0 0 系列d s p 对比 r a mf l a s h d s p 型号运算能力( n i p s )核电压( v ) ( 1 6 一b i tw o r d s ) ( 1 6 一b i tw o r d s ) f 2 0 32 05 4 405 ：2 4 0 74 02 5 k3 2 k3 3 f 2 8 1 2 1 5 01 8 k1 2 8 k 1 9 1 3 永磁同步电动机调速系统发展概况与趋势 1 3 1 永磁同步电动机调速系统发展概况 电气传动系统是由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成的一个有机整 体。各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电气传动系统。虽然调速传动从 电流型式上分为直流调速和交流调速两大类，但在交流调速中，异步电动机调速 系统和同步电动机调速系统己经发展成为占有相当比例的两类调速系统，目前己 形成直流电动机、异步电动机、永磁同步电动机三大类调速系统。1 直流调速系统控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调速 系统领域里占统治地位。但是由于直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护 2 第l 章绪论 困难且工作量大，经常因火花大而影响生产；机械换向器的换向能力限制了电动 机的容量、电压和速度；接触式的电流传输又限制了直流电动机的使用场合；电 枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高，这些固有的缺点限制了 直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。 在交流电网上，因异步电动机具有结构简单、工作可靠、寿命长、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。但是，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低，并且在 这类拖动中，其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因数低，轻载时 尤甚，这大大增加了线路和电网的损耗，无形中损失了大量电能。 自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，主要的原因有： 【1 】高性能永磁材料的发展 1 9 8 3 年问世的铁硼永磁材料，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 以上的钕资源) ，所以在开发高磁场永 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晃的先进水平，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式结构。 【2 】新型电力电子技术器件和脉宽调制( p w m ) 技术应用 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m 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。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。同时对同步电动机而言解决了起动问题。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 1 电子技术和控制理论的发展 集成电路和计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 第1 章绪论 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 ) 发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越多， 数字式控制处理芯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 。这使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，还可以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。7 0 年代人们对交流电机提出了矢量 控制的概念。这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变 换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而将交流电动机模拟成直流电动机来 控制，获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。啪 目前，交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻；结构简单，运行可靠； 损耗小，效率高等一系列优点，越来越引起人们重视。永磁电机几乎遍及航空、 国防、工农业生产和日常生活的各个领域。如汽车工业，电机现以永磁电机为主； 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面广、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。随着高磁场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。 1 3 2 永磁同步电动机调速系统发展趋势 当前，科技的飞跃发展，特别是高科技的兴起，需要电机技术有长足的进步 随着科学技术的前进，永磁电机己在电机领域中占有重要的地位。今后永磁电机 的发展主要趋势为： 【l 】探索最佳永磁磁场和合理选择永磁材料 永磁电机的关键是永磁励磁，而永磁励磁又与永磁磁场和永磁材料密切相 关。因此，要发展永磁电机，就要探索最佳永磁磁场和合理选择永磁材料与工作 点。 【2 】数字化 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， 4 第1 章绪论 要适应数字社会的发展，永磁电机的数字化就必须被提到议事日程上来。以d s p 为核心的全数字伺服系统，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，己成为当今交流伺服系统发展的趋势。 在本系统中，为达到全数字控制的目的，满足永磁同步电机矢量变换控制算 法的大运算量和快速性的要求，采用美国1 1 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为核心， 利用其优越的运算能力和方便的外围设备设计了一种全数字的p m s m 矢量控翩 调速系。 1 4 永磁同步电机调速系统的分类 根据永磁同步电动机变频调速系统的控制方式不同，可将其分为两大类：一 类是他控式变频调速系统；另一类是自控式变频调速系统。 他控式变频调速系统中所用的变频装置是独立的，其输出频率直接由速度给 定信号决定，属于速度开环控制系统。他控式变频调速虽然能够解决永磁同步电 机的起动问题，但仍存在失步、振荡等问题，因此永磁同步电机变频调速系统一 般采用自控式运行。图1 1 是自控式永磁同步电机控制系统的示意图，主要有电 动机本体、直流电源( 经交流电整流得到或由蓄电池供电) 、逆变器、转子位置传 感器和脉冲控制器等几部分。符合图1 1 拓扑结构的电动机本体结构就有多种形 式，本文主要讨论自控式永磁同步电动机。“ 直 流 电 源 给 定 量 厂、 、 r 、j n 逆变器 l 厂弋 妇 s 一 ， ? 由加 ? 控制器 e 一0 图1 1 自控式永磁同步电机拓扑结构 根据逆变器组成器件和工作方式的不同，可将自控式永磁同步电机作如下简 单分类：一类电机为晶闸管无换向器电机，又称为负载换向同步电机调速系统： 另一类电机称为自控式永磁同步电动机或者永磁无刷直流电动机。 根据电动机反电势的波形形状又可分为无刷直流电动机( 简称b l d c m ) 调速 第1 章绪论 系统和三相永磁同步电动机( 简称p m s m ) 调速系统两种。它们的区别在于前者的 感应电动势为梯形波，电流为方波；而后者的感应电动势和电流都为正弦波。尽 管b l d c m 有调速系统位置传感器简单、成本较低、材料利用率高、控制简单等 优点，但由于其原理上存在固有缺陷，使得转矩脉动较大，铁心附加损耗较大， 因此只适用一般精度及性能要求低的场合；而p m s m 不需要励磁电流，逆变器 供电的情况下，不需要阻尼绕组，效率和功率因数都比较高，而且体积较之同容 量的异步电机小，能克服b l d c m 系统的不足，常用于高精度、高性能的场合。 正弦波永磁同步电机从转子结构上分主要有： 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 g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ) 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 l l e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ) 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，但机械强度较低，一般用于低速场 合。内埋式永磁同步电机制造工艺较为复杂，但机械强度高，一般用于高速场合。 本文以三相正弦波驱动表面式永磁同步电机作为研究对象。 1 5 本文的研究内容 本文以永磁同步电机为对象，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，研究和设计了永磁同步电机矢量控制系统。 论文的主要工作体现在以下几个方面： 1 1 从永磁同步电机的结构及数学模型着手，对矢量控制系统进行了全面的分析 和研究，确定了永磁同步电机矢量控制系统的设计方案。 【2 】对控制系统的硬件和软件进行了深入的分析和研究，设计了矢量控制系统的 主电路和控制电路，编写了矢量控制系统的控制程序。实验结果验证了设计 方案的可行性与正确性。 【3 】对永磁同步电机初始位置检测和死区补偿进行了讨论和分析，给出了相应的 解决方法。 6 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 第2 章永磁同步电机的矢量控制系统 2 1 永磁同步电机的结构 永磁同步电机本体是由定子和转子两大部分组成。 永磁同步电机的定子指的是电动机在运行时的不动部分，主要是由硅钢冲 片、三相对称同分布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。 其定子和异步电动机的定子结构基本相同。空间上三相对称绕组通入时间上对称 的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速为 n o ：6 0 f ( 2 1 ) p 。 其中，为定子电流频率，以为电动机极对数。 永磁同步电机的转子是指电动机在运行时可以转动的部分，通常由磁极铁 心、励磁绕组、永磁磁钢及磁轭等部分组成。磁极铁心由钢板冲片叠压而成，磁 极上套有励磁绕组，励磁绕组两出线端接到两个集电环上，再通过与集电环相接 触的静止电刷向外引出。励磁绕组由直流励磁电源供电，其正确连接应使相邻磁 极的极性呈n 与s 交替排列。转子的主要作用是在电动机的气隙内产生足够的 磁感应强度，并与通电后的定子绕组相互作用产生转矩用来驱动自身的运转。永 磁同步电机的励磁磁场可视为恒定。 誓 永磁同步电机按转予形状可以分为两类：一类是凸极式永磁同步电机，另一 类是隐极式永磁同步电机。它们的根本不同在于转子磁极所在的位置，凸极式永 磁同步电机转子磁极是凸起在轴上的，而隐极式永磁同步电机的转子磁极是内置 在轴内的。凸极式转子具有明显的磁极，定子和转子之问的气隙是不均匀的，因 此其磁路与转子的位置有关。 永磁同步电动机根据磁性材料的不用类型可有各种不同的结构设计。目前一 般采用稀土永磁材料做磁钢( 一般都是具有很高的剩余磁通密度( o 9 t ) 和很大的 矫顽力) 。稀土永磁材料的另一个特点是它的磁导率与空气磁导率相仿，对于径 向结构的电动机交轴和直轴磁路磁阻都很大，可以很大程度上的减少电枢反应 永磁同步电动机的转子采用永久磁铁励磁，目前常使用稀土永磁材料。由于 转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波 ( 方波) 两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一 种是正弦波形；另一种为梯形波( 方波) ，这样就造成两种同步电动机在原理、模 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 型以及控制方法上有所不同。为了区别由它们组成的永磁同步电动机，一般把产 生正弦波磁场的永磁同步电动机称为正弦型永磁同步电动机( p m s m ) ；而由梯形 波( 方波) 产生磁场的永磁同步电动机称为梯形波( 方波) 型永磁同步电动机，由于 其原理与控制方式上基本与直流电动机系统类似，所以又称无刷直流电动机 ( b l d c m ) 永磁同步电机按照驱动电流波形划分可以分为两类：一类是正弦波电流驱动 的永磁同步电机；另一类是梯形波( 方波) 电流驱动永磁同步电机。采用何种驱动 电流波形取决于转子磁通在气隙中的分布，最终目的是使得定子磁通和转子磁通 相互作用能够产生平滑转矩( 电机在稳定运行时转矩脉动最小) 。由永磁同步电机 的矩角特性可知，要想使永磁同步电机连续运转，矩角必须保持在0 与艿。之间， 即通入定子电流的角频率与转子的旋转角频率一致，而且由定子与转子所产生的 两磁场应保持一定的角度。这样才可以有效的避免永磁同步电机在旋转起来以后 的失步问题，保证了永磁同步电动机运行的稳定性和安全性。 以上详细说明了永磁同步电机的结构特点，为下面的介绍永磁同步电机的数 学模型提供结构方面的基础。 2 2 永磁同步电机数学模型及其运动规律 本文选用矢量控制方法。矢量控制需要使用精确的电机数学模型，本章作为 后续内容的知识准备，将详细介绍永磁同步电机数学模型，给出永磁同步电机的 运动方程等，从而为对其进行矢量控制奠定理论基础。 2 2 1 坐标变换 对于同步电机来讲，矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施 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。本系统中采用了两种 坐标系：筇坐标系和由坐标系。对于p m s m 来说，定义筇坐标系的q 轴与定 子一相绕组重合，口轴逆时针超前口轴9 0 。空间电角度。由于口轴固定在彳相 绕组轴线上，故口卢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，口轴逆时针超前d 轴9 0 。空间电角度，d 轴与彳相定子绕组的夹角 为秒，该坐标系在空间随同转子以电角速度乱一道旋转，故为旋转坐标系。各 坐标系如图2 1 所示。” 8 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 图2 1 中，对于定子电流而言，三相静止坐标系下，应是： 在恒速下： 2 一一万 3 2 + 一石 3 只= t a ，t + 研o ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中，9 为电动机转子的位置信号，即a 相绕组轴线与d 轴夹角。q 。为电 动机转子初始位置转角。 图2 1 各坐标系关系 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a ，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： ： = 店 9 ( 2 4 ) p 曲 蹄 = = = - 咕 t 一：笪：。一：万一： l o 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 采用2 3 变换，则有： 淞 1 0 1压 22 一! 压 2 2 2 三相定子坐标系和同步旋转坐标系之间变换 采用由4 口c 变换，则有； 辨 c o s c 0 s 采用a b c d q 变换，则有： | ： = 店 一s i n 口 r 2 、 一s i n if i 石l j r 。2 、 一班n 【p + j 万j c o s 口c 。s ( 口一；石) c o s ( 口+ ；石) 一s m 口一s i n ( 口一詈万) 一s i n ( p + ；石 采用由a p 变换，则有： 痂e o s 8 口黝羽 采用筇由变换，则有： ： = 。一c 。o ；s n o 口s 证s 口o j l i # 卜诛蛮捶同样话用千由乐和磁锛矢量。l 钉 2 2 2p m s m 数学模型 ( 2 5 ) ( 2 f i ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 当永磁同步电机的定子通入三相交流电流i 时，三相电流在定子绕组电枢电 阻r 上产生电压降氓。由三相交流电流i 产生的旋转电枢磁动势e 及建立的电枢 磁场m 。，一方面切割定子绕组并在定子绕组中产生感应反电动势e ，另一方面 以电磁力拖动着转子以同步转速n s 旋转。电枢电流f 还会产生仅与定子绕组相交 l o 阳：，：卜， p 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 链的定子绕组漏磁通中。，并在定子绕组中产生感应漏电动势巨。此外转子永磁 体产生的磁场吼，以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势磊 p m s m 数学模型由电压方程，磁链方程，转矩方程和机械运动方程组成。 在建立数学模型之前，为了简化分析过程，忽略一些影响较小的参数，作如 下假设： 【l 】忽略铁心饱和； 【2 】不计涡流和磁滞损耗； 【3 】转子上没有阻尼绕组； 【4 】永磁材料的电导率为零； 【5 】相绕组中感应电动势波形是正弦波。 ( 1 ) 电压方程 根据图2 1 可以写出a b c 轴系表示的定子电压矢量方程 坼= 置+ 冬+ 磊d 、竹。j o )(210)al“l 将此电压方程变换到砌系中，可得 2 ，+ p 一q ( 2 1 1 ) 【= e + 嬲+ q 纺 式中：p 微分算子； 瓜电枢绕组电阻； 以转子角速度。 ( 2 ) 由轴系的磁链方程为 纯2 ，? + 办 ( 2 1 2 ) 二1 二， k = 厶 9 ，永磁体产生的磁链，是常数； 厶，厶由线圈的自感。 ( 3 ) 转矩方程 电磁转矩矢量方程为； 乙= 见虬 ( 2 1 3 ) 若以内轴系表示，则有： 誓i ? j j ( 2 1 4 ) 【= 0 十j 将( 2 1 4 ) 式代a 4 2 1 3 ) 式，得 乙= 岛( 纺一) ( 2 1 5 ) 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 将磁链方程( 2 1 2 ) 式代入( 2 1 5 ) 式，得： 乙= 见( 纺+ ( 厶一) ) ( 2 1 6 ) 从上式可以看出，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。在永磁同步电动机中，由于转子磁链恒定不变，因此普遍采用转子磁链定向 方式来控制永磁同步电动机。由于本设计采用表面式同步电机，厶= 厶，电机 只有电磁转矩而无磁阻转矩存在，此时有： 乙= 岛妒r ( 2 1 7 ) ( 4 ) 机械运动方程 乙：譬+ 瓦 ( 2 1 8 ) n “ 式中，乙是电磁转矩，瓦是负载转矩，是转动惯量。 2 3 永磁同步电机控制系统的分析 在了解了永磁同步电机的数学模型之后，接下来要简单介绍永磁同步电机由 内到外的电流环，速度环，位置环的主要控制策略，并提出这三个控制环在系统 中的整体设计方法，最后将讨论恒转矩控制的实现方法。 2 3 1 永磁同步电机的电流环控制 电流控制环的作用在于加快系统的动态调节过程，使得电机定子电流更好的 接近给定的电流矢量。对于电压源型逆变器供电的控制系统中，电流环的控制可 以简单的分为静止坐标系下的电流控制器以及旋转坐标系下的电流控制器。 在实际系统中采用了磁场定向控制( f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，简称f o c ) 。本节 将介绍其它几种常见的电流控制方案，简单分析其原理并讨论各自的优缺点。这 几种电流环控制方法不仅应用于永磁同步电机系统中，也应用在其它类型的电机 控制系统之中。3 钉 1 滞环电流控制 在电压源逆变器中，电流滞环跟踪控制提供了一种控制瞬态电流输出的方 法。其基本思想是将电流给定信号与检测到的逆变器实际输出电流信号相比较， 若实际电流大于给定值，则通过改变逆变器的开关状态使之减小，反之增大。这 样，实际电流围绕给定电流波形作锯齿状变化，并将偏差限制在一定范围内。因 此，采用电流滞环控制的逆变器系统己包括有一个b a n g b a n g 控制的电流闭环， 1 2 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 这将加快动态调节和抑制环内扰动，而且这种电流控制方法简单，且不依赖于电 机参数，鲁棒性好。 其缺点在于逆变器的开关频率随着电机运行状况的不同而发生变化，其变化 范围也是相当大的，运行不规则而且输出电流波形脉动较大，这将不可避免的带 来噪声。为克服这些缺点虽然可以引入频率锁定环节或改用同步开关型的数字实 现方法，但比较复杂。实际上，因为三相之间的相互联系，电流的纹波值可以达 到两倍的滞环大小。 在实际实现上，如图2 2 所示。其工作原理是：当反馈电流的瞬时值i ，与给 定电流i 之差达到滞环的上限值时，即i ，一f h b l 2 ( h b 为滞环宽度) 时，逆变器 的k 关断，k 导通，电动机接电压一u ，下降；相反，当i ，一i s h b 2 时，k 导 通，k 关断，电动机接电压+ 【，i ，上升。这样，通过k ，k 的交替通断，使得 i f ，一f i s h b 2 ，达到f ，跟踪i 的目的，理论上可以将偏差值控制在滞环范围之内。 图2 2 滞环电流控制调制原理 2 斜坡误差控制 斜坡误差控制也被称为三角波调制方法，这是另一种较常用的电流控制方 法。它通过将电流误差与一个三角波比较来决定功率器件的开关次序。对于参考 电流为正弦波的情况，三角波调制技术效果较好。该技术应用模拟电流较易实现， 其控制方法如图2 3 所示。 第! 兰查壁旦生皇塑叁量笙型至堑 一 ? | | 。 vv 图2 3 斜坡误差控制方法示意图 斜坡误差控制方法的控制律如f ： l ：当f o ，且o ，则打开巧，否贝| j 关断巧 i i ：当f k ，则打开k ，否则关断k 相比滞环控制，三角波调制方法的主要优点在于功率器件的开通关断都是工 作在固定的三角波频率下。其主要问题在于在高频的状态下电流相位的滞后以及 电流幅度的误差较高。 2 3 2 永磁同步电机的速度环控制 永磁同步电机速度环最为常用的是p i 控制，这种控制方式最为常见，也是 这次控制系统中所采用的。本节简单介绍另外两种控制方法：p d f 控制以及s m c 控制。1 3 1 1 p d f 控制 p d f 全称为伪微分反馈控制( p s e u d od e r i v a t i v ef e e d b a c k ) ，这一控制方法最 早由美国康奈尔大学r m p h e l a n 教授提出p d f 控制在结构上和p i 控制相似， 图2 4 所示为p i 控制器，图2 5 所示为p d f 控制器。 研究表明，p d f 控制相比传统p i d 控制，在响应速度、平稳性、特别是鲁 棒性方面有着更加优良的性能- 图2 4p l 控制框图 1 4 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 图2 5 p d f 控制框图 2 s m c 控制 s m c 全称为滑模变结构控制( s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r 0 1 ) ，最早 在2 0 世纪5 0 年代由苏联学者e m e l y a n o v 提出。滑模变结构控制技术在交流传动 系统中的应用日益见多。其优点在于传动系统的响应对参数变化和负载扰动影响 不敏感，因此它理想地适合于诸如机器人和机床传动系统之类伺服系统的应用。 该控制方法可以推广应用于运输车辆升降机，轧机及多电机传动的传动系统中， 在这些场合，需要有严格的速度和位置跟踪。 在滑模控制中，“参考模型”或相平面内某一预先设定的轨迹被存入微机中， 而传动系统被某一切换控制算法强制跟随或沿着该轨迹“滑动”，与对象参数的 变化和负载转矩的扰动无关。微处理器检测实际轨迹和参考轨迹的偏差，并且在 改变切换拓扑以恢复跟踪。 滑模变结构控制是一类特殊的非线性系统，其非线性表现为控制的非连续 性，这种非连续性实际上是对控制函数的一种开关切换动作。系统在整个控制过 程中由于该切换动作，不断地反复改变系统在状态空间中的切换面s ( x 1 = 0 两边 的结构。而开关的切换动作受一种“滑动模态”的控制。 开关切换的法则称为控制策略，它保证系统具有滑动模态。此时，分别把 s f s ( x ) 及s ( x ) = 0 叫做切换函数及切换面。 2 3 3 永磁同步电机的位置环控制 永磁同步电机常常作为伺服电机应用，其系统中通常需要对位置环进行一定 的设计。本节对一些常见的位置环控制方式加以介绍，其中主要是自动位置控制 ( a p c ) 。3 1 在指定时刻将被控对象的位置自动地控制在预先给定地目标位置，使控制后 的位置与目标位置保持在偏差范围内。这种控制过程称为自动位置控s a j ( a p c ) 。 位置控制系统的原理如图2 6 所示。其中，巧为速度预设定时问变量；s 为 位置预设定时间变量；k 。为比例调节器；v 为输出速度。 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 图2 6 a p c 控制框图 调节过程如下：控制器根据传动装置的机器参数、预设定的位置和速度值， 计算出速度时间特性曲线k 他和与之相关的s 。在每一周期的开始时的速度值k 预设定到传动装置上进行速度预控制，同时，反馈回来的实际值疋和墨进行比 较计算，得出当时偏差值s ，此偏差值s 乘以比例系数k 。，得到k 叠加到k 上，得出传动装置应具有的速度控制信号v ，然后将v 经变换得到控制系统的控 制信号。调节k 。的值使系统无超调和无振荡。 1 位置控制的基本要求 电动机的速度一般按梯形速度图进行控制，在不同的使用情况下，最优的或 最合理的速度图是不同的，图2 7 ( a ) 和( b ) 是两种最常用速度图，图中p ，触是电动 机允许的最高转速。图2 7 ( b ) 中加速度阶段s 形加速曲线，开始时，速度逐渐增 长，可以避免冲击；减速阶段到最后的速度越来越小，有利于准确停在目标位置 t ( a ) 等加减速时速度图( b ) 指数曲线加减速时速度图 图2 7 a p c 加减速曲线图 2 定位过程分析 基本定位过程曲线如图2 8 所示，0 一为加速起动阶段，其加速率为口_ ， r 2 为最高速运转段，其速度为；，2 一，3 为减速制动段，其减速率为；岛一r 4 为自由滑行段。，3 时刻为调整机械进入允许误差带2 占的边缘，在此时刻撤掉速 1 6 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 度给定，调整设备靠惯性继续向前滑，由于机械摩擦力而最终使其停下来。 图2 8a p c 基本定位曲线图 定位过程如下： 1 ，= f ( 2 1 9 ) s = s o e v d t = s o a t 2 2(主20)so s oa t 一1 ： = 一 2 ( 2 其中： s 位置偏差 r ： 瓯初始位置偏差 于是到达的时间为： t l = a ( 2 2 1 ) 将 代入，则此时的偏差位置为 s = s o 一吃2 ( 2 2 2 ) 式中的吃2 是在加速阶段移动的距离。 设一，自由滑移的行程为莲，摩擦力产生的减速率为彳，t 3 时刻的运行速 度为k ，可得： 芝= 蜉2 4 ( 2 - 2 3 ) 对于定位精度要求不高或机械转动惯量不太大，并且电动机带制动器的a p c 系统，上述曲线完全可以满足生产工艺的要求。对于定位精度要求较高，且机械 转动惯量大或电动机无制动器的系统，由于传动系统之后影响或允许误差带太 窄，采用上述曲线还不能令人满意，要确保定位误差小于s ，可以从降低k 或提 高机械摩擦力以增大减速率彳两方面来减少足。在实际应用中，利用直流制动 的功能增大一的方法，获得了很好的效果。 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 2 3 4 永磁同步电机控制环节的调节方法 永磁同步电机控制系统的多个环节，在设计上需要遵循一些设计方法，主要 包括：控制系统多个环节的顺序设计方法和控制系统多个环节近似化处理的分析 方法。 i 】控制系统多个环节的顺序设计方法 永磁同步电机控制系统三环调节在顺序上是按照从内到外的，调节上首先是 电流环，其次是速度环，最后是位置环。 控制系统各个环节的p i 参数和系统的机械、电气时间常数相关，但一般缺 乏相关参数，需要以实验的方法整定各个环节的p i 参数。例如对电流环进行调 节，首先使得转速开环，在电流给定的情况下调节电流环参数。在给定一个较小 的积分系数的情况下逐渐调整比例系数，使得电流环稳定，再按照比例同时增大 电流环的比例和积分系数，直至达到一个较快的响应，又不使系统出现振荡为止。 然后用同样的方法调节转速环的参数。n 1 【2 】控制系统多个环节的近似化分析方法 控制系统的内环响应频率要大于外环的响应频率。假设对于期望的速度控制 系统的响应，电流控制系统可以实现的响应速度快到可以忽略的程度( 大致为 5 l o 倍之上1 ，即可以认为电流环为高增益的电流环，在分析控制系统时可以将 电流环的传递函数近似为常值。 图2 9 所示为永磁同步电机速度控制系统的近似化框图。 同样，假设对于期望的位置控制系统的响应，速度控制系统可以实现的响应 速度快到可以忽略的程度( 大致为5 1 0 倍之上) ，即可以认为速度环为高增益的 速度环。将高增益速度内环的传递函数视为常值，如图2 1 0 所示为永磁同步电 机位置控制系统的近似化框图。 图2 9 永磁同步电机速度控制环近似框图 圈2 1 0 永磁同步电机位置控制环近似框图 1 8 第2 章永磁同步电机矢餐控制系统 比较图2 9 转速控制系统和图2 1 0 位置控制系统，可以发现两者控制对象的 传递函数是不同的，转速控制系统为l ( j s + b ) ，位置控制系统为i s ，这也是转 速调节器多设计成p i 调节器，而位置调节器多设计成p 调节器的原因。 作这样的近似将使得多环系统的分析和相应调节器的设计大大简化。理论 上，永磁同步电机的转矩和电流成正比关系，在实验中为了达到转矩控制的要求， 可以采用以下两种方法。 方法1 ：使用速度环，即让速度环始终处于饱和状态，同时作转矩限幅。 方法2 ：控制系统只用电流环，另外设定转矩信号。 2 4 永磁同步电机的矢量控制系统 永磁同步电机矢量控制系统的基本框图如图2 1 1 所示，由速度环和电流环 分别构成外环和内环。控制系统以1 1 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心。啪1 永磁同步电机的用途不同，电动机电流矢量的控制方法也有所不同。可采用 的控制方法主要有：= 0 控制，c o s 妒= 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。“1 不同的控制方法具有不同的优缺点， 如屯= 0 控制最为简单，c o s 妒= 1 控制可降低与之匹配的逆变器容量，恒磁链控制 可增大电动机的最大输出转矩。在本套系统中采用了= 0 控制。下面就几种最 常用的3 种矢量控制方法进行分析。 图2 1 1 永磁同步电动机矢量控制系统结构框图 9 第2 章永磁同步电机矢量控制系统 【1 1 = 0 控锘4 = 0 控制，从电动机端口看，相当于一台他励直流电动机，定子电流中只 有交轴分量，且定予磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，电动机转矩中 只有永磁转矩分量，而不包含磁阻转矩。 按转子磁链定向并使= 0 的正弦波永磁同步电机调速系统定子电流与转子 永磁磁通互相独立( 解耦) ，控制系统简单，转矩定性好，可以获得很宽的调速范 围，适用于高性能的数控机床、机器人等场合。 这种控制系统的缺点是：1 当负载增加时，定子电流增大，由于电枢反应的 影响，造成气隙磁链和定子反电动势都加大，迫使定子电压升高。为了保证足够 的电源电压，电控装置须有足够的容量，有效的利用率却很低。2 负载增加时， 定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增大，因为电枢反应电抗压降大，造成功率 因素降低。由于上述缺点，这种控制方式只适用于小容量调速系统。 【2 】最大转矩电流控制 最大转矩电流控制也称为单位电流输出最大转矩的控制，它是凸极永磁同 步电机用的较多的一种电流控制策略。 对于永磁同步电机的转矩表达式 = 3 p v 。，+ ( 厶一厶) 城1 2 ( 2 2 4 ) 可以看出，对于s p m 这种隐极永磁同步电动机，它的最大转矩电流控制就 是= 0 控甫0 。 采用最大转矩，电流控制时，电动机的电流矢量应满足： j a 呸r ! 慨= ” ( 2 2 5 ) l a 伍) = 0 式中有： = 以+ 弓 ( 2 2 6 ) 这样，由这几个方程式可以将定子电流的分量和表示为： 髓曷 亿z ， 对任一给定转矩，按