（电力电子与电力传动专业论文）基于irmcf341的永磁同步电机控制系统研究.pdf

哈尔滨理t 大学工学硕i ：学位论文 r e s e a r c ho np 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 c o n t r o ls y s t e mb a s e do ni r m c f 3 41 a b s t r a c t 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 s h a v en o e x c i t i n gc u r r e n t , h i g l l e f f i c i e n c ya n dp o w e rd e n s i t yi nt h er o t o r b u tm o t i o nc o n t r o lo 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 sr e q u i r e sa c c u r a t ep o s i t i o na n dv e l o c i t ys i g n a l st oa c c o m p l i s h f i e l do r i e n t a t i o n o p t i c a le n c o d e r so rr o t a r yt m n s f o r m e ra r eu s e df o rt h i sp u r p o s ei n c o n v e n t i o n a lm o t i o nc o n t r o ls y s t e m s h o w e v e r , t h e s ea d d i t i o n a ls e n s o r si n c r e a s et h e c o s t so ft h es y s t e ma n dr e d u c et h er e l i a b i l i t y w i t ht h i sb a c k g r o u n d , t h er e s e a r c h b a s e do nt h ea b o l i s h m e n to ft h e s e n s o r st oi n c r e a s et h er e l i a b i l i t ya n dd e c r e a s et h e c o s t si sb e c o m i n gp o p u l a r i r m c f 3 4 1i so n es i n g l ec h i pc o n t r o l l e rt h a tc o n t a i n st h ep o s i t i o ns e n s o r l e s s c o n t r o l a l g o r i t h mi n t e r n a l l y w h i c hi s d e v e l o p e db y i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r c o r p o r a t i o n i nt h ep a p e rt h ep o s i t i o ns e n s o r l e s se s t i m a t i o na l g o r i t h mo ft h er o t o r a n g l ec o n t a i n e di nt h ec h i pi sr e s e a r c h e d a n dt h ec h i pi sa p p l i e di nt h ed r i v ec 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 t r o n sm o t o r a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nt h ec o n t r o l l e rf o rp m s m 、i t l li r m c f 3 41m o t o r c o n t r o l l i n gc h i p ，c a r r yo u tt h ef o l l o w i n gw o r k s 1 ) d e e p l ya n a l y z e dt h em a t h e m a t i c sm o d e lo fp m s mi nd i f f e r e n tc o o r d i n a t e s a n dm u t u a lc o n v e r s i o nm e t h o d s i n t r o d u c et h ef i e l do r i e n t a t i o nc o n t r o lp r i n c i p l ea n d v o l t a g es 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 y 2 ) p u tf o r w a r dt h er o t o rp o s i t i o nm e t h o do fr o t o rm a g n e tf l u xc a l c u l a t i o nw i t h p h a s el o c kl o o p f i r s tc a l c u l a t es t a t o rm a g n e tf l u xb yb - l a t o rv o l t a g ea n dc u r r e n t ，t h e n i n d u c ti tt op h a s el o c kl o o pt og e tt h ee s t i m a t e dv a l u eo fr o t o r sp o s i t i o na n dv e l o c i t y a l s op u tf o r w a r di m p r o v e dm e t h o da n de r r o rc o r r e e t o rw h i c ha l ef o rt h ep r o b l e m s s u c ha sd co f f s e ta n dp a r a m e t e rc h a n g e m e a n w h i l e ，d e e p l ya n a l y z et h r e es t e p s s t a r t - u ps t r a t e g yw h i c ha p p l i e di nt h i ss y s t e m 3 ) b u i l do fe x p e r i m e n tp l a t f o r mf o rp o s i t i o ns e u s o r l e s sc o n t r o ld r i v es y s t e mo f 哈尔滨理工人学t 学硕l 学位论文 l h i i i - 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 s a c c o r d i n gt ot h em e t h o d sa b o v e e r e c tt h e e x p e r i m e n tp l a t f o r m , a n dm a k eu s eo ft h er e g u l a t e dc o n t r o l l i n gp a r a m e t e r sf o rm o t o r r o t a r ys p l e i 吼m a g n e tf l u xa n dp o s i t i o nd l o r st om a k et h es y s t e ms a t i s f i e dw i t ht h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d sp m s m ，f o c ，s e n s o r l e s s ，i r m c f 3 4 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于i r m c f 3 4 1 的永磁 同步电机控制系统研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期问独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者签名：澎 日期：z 砌年 牛月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于i r m c f 3 4 1 的永磁同步电机控制系统研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密吼 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 日期：翻嬲年l r 月午日 导师签名：事叫伪 吼撕犀月肇日 哈尔滨理工人学t 学硕l 学位论文 _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - 一i i|11i _ 目_ _ _ 1 1 课题背景及选题意义 第1 章绪论 永磁同步电动机具有效率高、功率因数高、转动惯量小、动态响应速度快 等许多优点。近年来，永磁同步电机的研究和推广应用受到人们的普遍重视。 由于多种新型永磁材料相继出现，特别是8 0 年代初，日本和美国分别研制成 功了性能优良、价格较低的第三代稀土永磁材料钕铁硼( n d f e b ) ，有力地 推动了永磁电动机的应用和发展i l j 。 永磁同步电动机的驱动需要传感器来检测电机转速和转子磁极位置，在了 解电机转子确定位置信息条件下给出其所在位置信号以控制逆变器的正确换 向，从而保证永磁同步电机的正常运行和控制精度。 在传统的高性能永磁同步电机驱动控制系统中，通常都需要转子位置和速 度信息作为反馈信号，而转子位置、速度的取得几乎都是利用码盘、旋转变压 器等精密的机械装置获得。然而，机械传感器在特定场合主要存在下述三方面 局限性【2 】： 1 ) 机械传感器的安装给系统带来一些缺陷，如，码盘在电机轴上的安装 存在同心度的问题，安装不当将影响测速的精度；同时增加了电机与控制系统 之间的连接线和接口电路，使系统易受干扰，降低了可靠性。 2 ) 电机轴上的体积增大会给电机的维护带来一定困难，在恶劣的环境 下，码盘工作的精度易受环境的影响，如温度、湿度和振动等。 3 ) 机械传感器及其辅助电路增加了系统的成本，某些高精度传感器的价 格甚至比电机本身价格更高。 为了克服使用机械传感器给系统带来的缺陷，研究一种可靠的、低成本的 无需机械传感器的控制方法，便成了电机控制技术领域的研究热点之一1 3 一。 本文所采取的是转子磁场定向控制算法，在该算法中，除了要进行多次的 坐标变换与反变换外，还要进行电流及速度的闭环控制，因而实现比较复杂且 实时性要求较高。为此，工程应用中一般采用d s p 技术并以软件方式来实 现，这种方法的优点是比较灵活，但系统开发周期比较长，开发人员需深入了 解诸多相关领域的知识( 如：功率电子技术、电机特性及控制、软件算法、通 讯以及硬件集成等) ，而且该算法占用的处理器时间比较多，在某些情况下甚 至不得不采用双d s p ，这就使得系统的整体性价比不高；另外，软件方式的通 用性也存在问题，不同厂家的产品甚至同一厂家不同系统的d s p ，其指令系统 也可能不一样，因此，用户代码一般不可重用。上述诸多因素使得开发高性能 的电机伺服系统变得比较复杂且困难很多。目前高性能电机伺服系统的发展趋 势之一是逐渐摆脱软件的束缚而用纯硬件方向发展，即使用基于f p g a 或 a s i c 的方案。i r m c k 3 4 x 系列电机驱动i c 就是美国国际整流器公司推出的基 于纯硬件控制的电机闭环控制a s i c 。 1 2 永磁同步电机控制方法及研究现状 对于本文的控制对象永磁同步电机来说，其常见的控制方法主要可以 分为矢量控制和直接转矩控制。而永磁同步电机的无位置传感器控制也是大多 是基于这两种控制来实现的。本文采用的是矢量控制方法。 最早的永磁同步电机高性能控制采用电流型的矢量控制方式。矢量控制最 早是1 9 7 1 年德国的e b l a s c h k c 等人提出来的。该控制方法最先应用在感应电 机上，而后很快被应用于同步电机的控制，事实上，在永磁同步电机上更容易 实现矢量控制，这是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 差频率电流而且受参数( 主要是转子参数) 的影响小。矢量控制的基本思想源于 对直流电机的严格模拟，直流电机本身具有良好的解耦性，可以分别通过控制 其电枢电流和激磁电流来达到控制电机转矩和实现磁场定向控制的目的。矢量 控制的最终目的是改善电机的转矩控制性能，而实施仍然落实到对定子电流的 控制上，即通过电机磁场定向将定子电流分为激磁分量和转矩分量，分别加以 控制从而得到良好的解耦特性。 y o j it a k c d a 等人提出了永磁同步电机矢量控制的四种电流控制模式【5 】： 1 ) 直轴电流乙= 0 模式； 2 ) 功率因数c o s m = 1 模式； 3 ) 转矩线性模式； 4 ) 弱磁控制模式。 永磁同步电机的四项性能指标： 1 ) 电机端电压比k = 负载端电压空载端电压； 2 ) 去磁系数善= 厶l 9 r ； 3 ) 功率因数c o s m ； 4 ) 凸极系数p = 厶厶。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 此外，每安培电流最大转矩控制方式也是一种永磁同步电机控制方式。这 种控制方式能充分利用电机转矩中凸极效应分量，使定子输入电流产生最大的 电磁转矩。此方法有利于电机重载运行和改善动态响应。一般电机控制策略的 选取是根据电机转矩和电流之自j 的线性度、控制过程中电机端电压的允许变化 程度、功率因数和电枢反应的去磁效应等方面的因素来综合确定。其中屯- - = 0 模式应用较多。该模式突出的优点是没有电机直轴电枢反应，不会引起永磁体 去磁，且可同时实现隐极式电机的每安培最大转矩控制。不足之处是电机端电 压随负载增大而增大，因此要求逆变器有较高的电压和容量。 1 3 无位置传感器技术国内外研究现状 早在2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初，国外的许多研究机构和大学就对于永 磁同步电动机的无传感器控制技术进行深入的研究。如1 9 9 3 美国威斯康星大 学w e m p e c 的r d l o r e n z 教授和他的研究组成员最早提出采用高频信号注 入方法进行永磁同步电动机的无传感器控制。并取得了积极的成果，申请了多 项专利并发表了多篇研究论文1 6 , 7 1 。 国内的一些高校和研究机构也对电机的无传感器控制技术进行了研究。如 清华大学、上海大学、上海交通大学、西安交通大学、天津大学以及沈阳工业 大学等高校都对无传感器控制进行了研究工作，并发表了相关论文陟1 0 j 。 国内外学者对交流电机的无传感器运行进行了广泛的研究，提出了很多方 法。尽管取得了重要进展，使得无传感器控制的电机驱动系统能够应用于更多 的工业领域中。但是，它存在的局限性仍阻碍了它的进一步应用。目前的研究 现状是没有哪一种单一的无传感器控制技术能够在各种运行条件下有效地控制 所有类型的电机。比如，基于电机反电势的控制方法能够在中、高速区域提供 较高的磁场定向控制性能，但随着速度的减小，这种方法对参数的敏感性变得 越来越强。最后，导致在低速和零速下不能正常工作。另一种基于通过向电机 注入高频载波信号励磁来跟踪转子凸极的无传感器控制方法，由于它能提供在 低速，甚至于在零速下精确的位置和速度估计，而得到了学术界和工业界的极 大关注。但这种方法需要电机具有一定的凸极。 无传感器永磁同步电动机的位置和速度检测方法主要是基于电机参数和端 电压与电流的测量。按其适用范围通常分为两类：一类是仅适合在高速时运行 的无传感器控制技术：另一类是适用于零速和低速运行的无传感器控制技术。 适用于高速运行时的永磁同步电动机无传感器控制技术可以应用于内埋式 哈尔滨理t 大学工学硕 ：学位论文 永磁同步电动机( i p m s m ) 和面装式永磁同步电动机( s p m s m ) c p 。因为在电机高 速运行时，可以直接利用反电势信号估计出转子的磁极位置，而不需要利用电 机的凸极。这使得适用于高速时的无传感器控制技术比零速和低速无传感器控 制技术应用的范围更广，而且相对更简单。 早期的永磁同步电动机无传感器技术研究开始于1 9 8 9 年，在9 0 年代初得 到了发展，主要是集中在高速无传感器方法的研究上。以下介绍几种适用于高 速运行的无传感器控制方法。 1 ) 磁链位置估计法i l 卜】 永磁同步电动机的基本控制原理是磁场定向控制，其关键是如何根据测量 得到的电机电流、电压信号来估计电动机的转子磁极位置。这类方法可以通过 计算永磁同步电动机定子磁链空间矢量来估计电动机转子磁极位置。 例如，文献 1 5 1 提出了一种磁链位置估算方法。位置估算基于定子三相 a b c 参考坐标系下的数学模型。永磁同步电动机端电压和线电流用于估计电 机的磁链，电机的磁链是三相电流和磁极位置的函数。这种估计算法采用双环 结构，外环用于纠正位置，内环用于纠正磁链。该算法已应用到方波和正弦波 驱动的永磁同步电动机中。 这种算法的性能取决于估计的磁链和测量出的电压和电流值的质量和精确 性。其优点是计算量小，简单，易于实现，但在低速情况下估计精度下降。而且 此法对电动机的参数依赖性较大，例如，定子磁链和电压方程中，定子电阻会 随环境温度和电机温升而变化，等效同步电感是个动态电感，它与电机负载和 磁路饱和程度有关。当温度变化、磁饱和效应等导致电动机参数发生变化时， 调速精度也随之下降，鲁棒性差。应用这种方法时，最好结合电机参数的在线 辨识。 2 ) 反电动势法1 1 6 - 1 9 ! 由于电机反电动势口包含了转速位置信息，可以通过下式 玩= 乏r + 丢厶7 + 荟( 1 - 1 ) 根据定子电压和电流，得到电机反电动势p 从而计算出口。但这种直接方 法用到了电流微分，引入噪声，在数字控制器中难以准确实现。 目前大量使用的反电动势方法，则是利用如坐标系上的电压方程，得到 实际转子位置与估算转子位置的差a o ，进而修正估算位置。 3 ) 模型参考位置估计法1 1 9 - 2 2 1 该方法是基于假定转子位置的位置估计法，其主要思想为：先假设转子所 哈尔滨理下大学工学硕 ? 学位论文 - _ 皇暑_ 一i i , i 在位置，利用电机模型计算出在该假设位置时电机的电压或电流值，并通过与 实测的电压或电流比较得出两者的差值，该差值正比于假设位置与实际位置之 间的角度差。如果该差值减少为零，则可认为此时假设位置为真实位置。采用 这种方法估计的位置精度跟模型的选取有关。 文献【2 2 】介绍了基于电机电流模型的转子位置估算方法。位置和速度通过 实际电流和用电机模型计算出来的电流差值而估算出来。 这种假定旋转坐标法，保证其估计精度的核心是要能够准确估计位置偏 差，虽然数学模型是精确的，但估计精度仍然要受电机参数，如电阻和电感 变化的影响，同时要受电流检测精度的影响，虽然采用了闭环控制，但依然没 有完全摆脱对电机参数的依赖性。这种方法计算强度大，需要具有高速运算能 力的数字信号处理器。 4 1 基于状态观测器的位置估算i “冽 采用状态观测器也是一种进行永磁同步电动机转子位置和速度的估计算 法。美国麻省理工学院( m i d 电机工程系的学者，在1 9 9 2 年发表了采用全阶状 态观测器的无机械传感器永磁同步电动机调速系统的论文。 文献【2 3 】介绍了基于状态观测器的转子位置估算方法，其中运用了带有如 轴变换的线性观测器方法。在状态观测器中，输出被定义为一个混合状态量， 并且这个输出与等效的实际电机的测量输出相比较，两个信号的差值用于修正 观测器的状态轨迹。 基于状态观测器的位置估算方法动态性能好，稳定性高、参数鲁棒性强， 适应面广等特点。缺点是在低速段调速效果依然不是很理想，而且算法复杂，计 算量很大。基于各种观测器技术的无位置传感器技术目前主要的研究方向是在 原有基础上对观测器进行改进，降低对电机参数变化的敏感性，提高系统动态性 能和在低速时的性能。 5 ) 基于卡尔曼滤波的无传感器方法【2 9 3 3 】 卡尔曼滤波是对电机速度和转子位置进行在线估算的行之有效的方法【2 9 1 ， 其可行性是因为描述永磁同步电动机动态特性的数学模型是公认的，转子位置 可以为基于测量的电压和电流所决定。测量的电压和电流可以转换成静止坐标 系的分量，用状态方程和卡尔曼滤波器，转子位置和速度可以估算出来。 同其它观测器一样，扩展卡尔曼滤波器的输出也能够跟踪系统的状态，但 与一般观测器不同的是，它是非线性和随机的，不仅具有优化和自适应能力， 还可以更好地抑制测量和扰动噪声。基于e k f 观测器，可以直接得到定子磁 链矢量和转子位置的估计值。由于e k f 不需要准确的初始条件即可实现观测 哈尔滨理t 大学t 学硕l j 学位论文 器的稳定收敛，因此可以较好实现无传感器的直接转矩控制。 卡尔曼滤波的关键是选择系数值以获得可能的最好的位置估计性能。卡尔 曼滤波方法计算强度大，依赖于模型和电机参数的精确性。 1 4 课题的来源及主要研究内容 本课题来源于国际整流器公司0 r ) 大学计划，受哈尔滨工业大学深圳网络 信息实验室资助，针对国内外永磁同步电机调速系统的研究状况制定了永磁同 步电机矢量控制系统的方案。在前人研究的基础上着重研究基于i r m c f 3 4 1 芯片开发研究了一套低成本永磁同步电机无传感器驱动控制系统。 本文主要包含以下几方面内容： 1 主要介绍了永磁同步电机矢量控制方法和无位置传感器控制方法的发展 历程、研究现状及发展趋势。简要介绍了几种常用的无位置传感器控制方法。 2 主要介绍了在不同坐标系下永磁同步电动机的数学模型和相互的转换关 系。矢量控制及电压空间矢量脉宽调制( s w w m ) 的原理及实现。 3 主要介绍了基于转子磁链估计的永磁同步电动机无位置传感器方法。分 析了定子电阻变化对估计误差的影响及校正器结构。并对使用无位置传感器方 法的永磁同步电动机常用的三段式起动策略进行了研究。 4 首先简要介绍了i r m c f 3 4 1 电机控制芯片的结构和特点。然后介绍了 主要电路的设计。最后着重分析了本系统中采用的低成本的单电阻电流采样策 略。 5 建立实验平台，对永磁同步电机采用磁场定向控制，使用基于母线电流 检测的无位置传感器控制方法估算电机的转子角度以获得速度波形，电流波形 和转子电角度波形。采用磁编码器检测电机的实际转子角度，并与无位置传感 器芯片估算出的转子角度波形对比分析。 哈尔滨理t 大学t 学硕l 学位论文 _ i i i | , i n i _ i _ _ _ _ _ l - _ l _ i _ - i _ 第2 章永磁同步电机结构及控制方法 近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳 定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加 上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永 磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用3 4 1 。 2 1 永磁同步电机的结构与分类 永磁同步电动机的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：一种为正弦波；另一种为梯形波。习惯上把正弦波永磁同步电 动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机( p m s m ) 调速系统；而由梯形 波( 方波) 永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机 系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机( b l d c m ) 调速系统。 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也 不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面 贴装式和内置式。如图2 1 所示。表面贴装式为隐极式同步电机，永磁体通常 呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上。电机转子直径较小从而降低了转动惯 量，动态性能较好。一般的永磁同步电动机多采用这种结构。内置式为凸极式 同步电机，采用内置式结构的永磁同步电动机由于永磁体位于转子内部机械强 a ) 表面贴装式b ) 内置式 图2 1 永磁同步电机的转子结构图 f i g 2 - lr o t o rf l a n l eo fp m s m 度高，磁路气隙小，此种结构的转子磁路具有不对称性，产生的磁阻转矩有助 于提高电机的过载能力，更适合进行弱磁控制。 2 2 永磁同步电机数学模型 永磁同步电机和带转子励磁绕组的同步电机数学模型是相似的，为了简化 永磁同步电机的分析过程，本文做如下假设1 3 习： 1 ) 忽略磁饱和，不计铁心的涡流损耗和磁滞损耗，认为磁路是线性的； 2 ) 定子绕组三相对称，各相绕组的轴线在空间上互差1 2 0 0 电角度； 3 ) 电机定子电枢绕组的空载电势是正弦波； 4 ) 定子绕组电流在气隙中只产生正弦分布磁势，忽略磁场的高次谐波； 5 ) 转子上无阻尼绕组； 6 ) 永磁体的电导率为零。 2 2 1 永磁同步电机静止三相坐标系( 口6 c ) 模型 u + 1i ! 。l r 艺l + p 豳 ， 其中，吒、分别为定子三相绕组电压，乞、t 分别为定子三相绕组 电流，虬、虬分别为定子三相绕组总磁链，疋为定子绕组电阻，p 为微 i h 毫潍 + 以 ( 2 - 2 ) 其中，虻、“、为转子磁链在定子三相绕组口，b 、c 上的交链，即转子磁 链在定子坐标系_ l i 筝i 投影。乞、厶、t 分别为定子三相绕组的自感，m 为定 子绕组间互感。对于表面贴装式隐极永磁同步电动机绕组自感和互感不随转子 位置变化，即厶= 厶= t = 厶。又定子绕组采用星型连接，乞+ + = o 。因 此式( 2 - 2 ) 可改写为 荔 = 孝兰兰 差 + 以 “ 其中，三= 厶一m 。对于永磁同步电动机转子磁链在各相绕组中的交链为 彤 “ 2 vf c o s ( o ) c o s ( 臼一争 c o s ( 目一等) 其中，吩为转子永磁体磁链幅值。将式( 2 4 ) 代入式( 2 1 ) 整理得 三； = 孑+ p 正 ；+ p 曼+ p 正 参 一缈，缈ls l n ( 0 一了2 7 ) s m ( 曰一了4 7 1 ) 2 2 2 静止三相坐标系( a b c ) 至l j 静止两相坐标系 柳变换 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 永磁同步电机静止三相坐标系到静止两相坐标系的变换简称c l a r k e 变换。 首先定义c 3 ，：为静止三相坐标系到静止两相坐标系的转换矩阵。图2 2 为静止 三相坐标到静止两项坐标系的转换关系图。 8 6 j i 、 f k 严l 一一。a ? n ，n c 图2 - 2 静i 七三相坐标到静止两项坐标系的转换关系图 f i g 2 - 2t h r e ep h a s es t i l lc o o r d i n a t e sa n dt w op h a s es t i l lc o o r d i n a t e s 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 设3 、2 分别为静止三相坐标系和两相坐标系下电机每相绕组的有效匝 数，则： 整理得 l 一三一1 22 o鱼一鱼 22 ( 2 7 ) 显然c 3 ，：是一个奇异阵，为了能通过求逆得到g ：的反变换，引入一个与 口轴和轴都垂直的0 轴，并定义 2 i o = 戤+ 弛+ r q i 。 ( 2 - 8 ) 其中k 为待定系数。又由于变换前后电机的功率保持不变所以要求 岛= c 弓：。由此可以解得 麓= 后，k = 击 所以由静止三相坐标系到静止两相坐标系的变换矩阵即c l a r k 变换矩阵为 = 店 c l a r k 变换的逆变换矩阵为 l一三一三 。鱼一鱼 22 lll 正压五 厅 c 2 1 32 c m r 。括 l 一一1 1 2 4 2 l压1 22 2 1压1 一互一丁万 ( 2 - 9 ) ( 2 - l o ) 将( 2 1 ) 式和( 2 3 ) 式两端左乘c l a r k 变换阵，便可以得到两相a p o 坐标系下 - 犯 丝3 切一3| ；丝3 m 簿饵3 地 雪 狁一3 | ； 堡3 蜀 w 扭 + 以 垤 m m m m i i r-j 乞_ l 哈尔滨理工人学t 学硕j ：学位论文 圣 = g ，： 爹 孚 小：雕 潮叫纠 ， 删蚂： 三mj 虻 蟛 l ，： ( 2 - 1 2 ) 去掉0 轴分量，整理得 之 = 孑+ 础r 0 + 以 芝 + p 荔 c 2 - 3 ， 肌阱啦册”居， 2 2 3 两相静止坐标系 历到两相旋转坐标系( d - q ) 变换 永磁同步电机两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换简称p a r k 变换。 定义c ，为转换矩阵。 由图2 3 可以看到口轴与d 轴的夹角为0 ，是随时间变化的0 = 颤0 t ，缈为 转子旋转电角速度。两个坐标系存在着以下关系： 沪i a c o s 0 + i p 咖9 ( 2 - 1 4 ) l = ts i n o + i p c o s o 、7 由两相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换矩阵即p a r k 变换矩阵为 图2 3 两相静止坐标到两相旋转坐标系的矢量关系图 f i g 2 - 3t w op h a s es t i l lc o o r d i n a t e sa n dt w op h a s er o t a t i n gc o o r d i n a t e s 哈力 浜理i 大字【字坝1 ：字位论又 - i i ii i 鼻i _ l _ 叫= 耋纠 弘 其逆变换矩阵为 叫嚣嚣l c ，萨ls i i l 9c o s 口i q 。1 6 ) 将式( 2 1 3 ) 两端左乘p a r k 变换阵，得到如坐标系下得电子电压方程： 阱眯埘乏+ 埘帆，陶 p 整理得 刚：儿最册制 改写成分量形式 j 铲甄+ 肌卅( 2 - 1 9 ) 【= 墨+ p + 彩 在正g 坐标系下电机磁链方程 2 厶屯+ 蜘( 2 - 2 0 ) 【2 电机的转矩方程 i = 号只( 一) = 号己【沙，+ ( 厶一) 】 ( 2 2 1 ) 其中，只为转子磁极极对数。 显然电机的转矩由两项组成，第一项是由定子旋转磁场和永磁磁场相互作 用所产生的电磁转矩；第二项是由凸极效应引起的磁阻转矩。对于隐极电机由 于厶= 厶，此时只有电磁转矩而不存在磁阻转矩。此时转矩方程为 z = 吾只竹( 2 - 2 2 ) 哈尔滨理工人学t 学硕l j 学位论文 2 3 永磁同步电机的磁场定向控制 永磁同步电机是一个多变量，非线性，强耦合的系统。为了达到较好的控 制效果必须对其中的控制参数进行解耦。磁场定向方法是目前应用最多的一种 解耦控制方法。矢量控制的基本思想源于对直流电机的严格模拟。通过将定子 电流分解为励磁分量和转矩分量，分别加以控制达到类似直流电机的控制性 能。下面将对矢量控制的基本原理和实现方法进行理论分析。 2 3 1 永磁同步电机的矢量控制策略 根据永磁同步电机的具体应用要求不同，可以采用的控制方法主要 有：l = 0 控制、c o s t l ) = l 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 3 6 1 。 以上提到的几种电流控制模式各有特点，适用于不同的场合。本文设计的 系统将采用相对比较简单的直轴电流= 0 控制模式。 对p m s m 进行屯= 0 控制时，电子电流中只有交轴分量。电磁转矩中只有 永磁转矩而不包含磁阻转矩，定子磁场与转子磁场正交。采用该方法时，电枢 反映没有直轴去磁分量，因此不会出现因退磁使电机性能变坏的现象。能够保 证电磁转矩与电枢电流成正比。控制系统简单，转矩特性好。对于隐极式永磁 同步电动机，采用这种控制模式可同时每安培电流最大转矩控制。 1气 c = 三只( 一) = 三只【，+ ( 乙一厶) 乙】 ( 2 - 2 1 ) 二二 由式( 2 2 1 ) ，对于永磁同步电机采用的屯= 0 控制模式，只要控制交轴电流 t 的大小就可以线性地控制电机转矩。控制系统结构如图2 _ 4 所示。 首先，通过转子位置速度反馈单元得到电机转子的转速刀和电角度日。给 定速度疗耐与反馈速度的偏差经过速度调节器得到交轴电流的参考值o ，而 直轴电流参考值o = 0 。定子电流i o ，之经过c l a r k 和p a r k 变换，得到直 轴分量和交轴的电流分量，乞作为电流反馈信号。电流误差经过电流调节器 获得控制量材。和蚴，再经过p a r k 逆变换和s v p w m 产生六路p w m 信号，经 过逆变器控制电机的转速和转矩。 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 _ i _ i i ii _ _ _ i _ - _ _ - 目l l 皇_ l _ _ l _ i 一 图2 4 矢量控制系统结构图 f i g 2 - 4c o n t r o ls y s t e md i a g r a m o ff i e l do r i e n t a t i o n 2 3 2 电压空间矢量脉宽调制技术 作为电力电子装置的核心技术，脉宽调制( p w m ) 技术被广泛地应用于变频 调速电机的运动控制中。p w m 技术中应用最为普遍的有正弦脉宽调制( s p w m ) 和电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 。相比s p w m 而言，s v p w m 不仅使得电 磁转矩脉动降低，电流波形畸变减小，直流电压利用率高，而且易于数字化的 实现，是现代伺服系统理想的调制技术。 经典的正弦波脉宽调$ i j ( s p w m ) 的目的是使逆变器的输出电压尽量接近正 弦波。但是电流波形会受到负载电路参数的影响，控制电机的最终目的是产生 圆形旋转磁场从而产生恒定的电磁转矩。如果基于这一目标把逆变器和电机视 为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制p w m 电压。这样的控制方法就是磁链 跟踪。控制磁链跟踪的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的所以又称电压空间矢 量脉宽调制( s v p w m - s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t e ) p 儿。 电压空间矢量是按照电压所加绕组的空间位置来定义的。图2 5 中三相定 子相电压“。、虬分别施加在三相绕组上，电压按正弦规律变化，幅值为 阢彼此相差2 , 4 3 。 u a = u s i n ( a g ) = u s i n ( o z 一2 ) ( 2 - 2 3 ) 致= u s i n ( 硝- 4 ) 哈尔滨理t 人学丁学硕j ：学位论文 _ 一i 一 i i 。l r i _ _ _ 一 图2 5 电压空间矢量 f i g 2 - 5v o l t a g es p a c ev e c t o r 定子相电压形成三个电压空间矢量元、玩、玩。它们的方向始终在各自的 轴线上，即： 吃= 甜口e o = u c o s ( a t e 7 0 玩= p ，2 = uc 。s ( c o t 一2 ) e ，2 ( 2 2 4 ) 玩= p ，4 彳= uc 。s ( c o f 一4 ) p ，4 它们的合成矢量为 玩= 吃+ 瓦+ 玩 ( 2 - 2 5 ) 整理得： 厅： 胴+ iue(2-26) 玩= ，、 儿”十7 2 ) z 即厅是一个幅值为每相电压1 5 倍的以缈旋转的空间矢量。同样还可以定 义电流和磁链的空间矢量7 和痧。因此有： 玩= r 7 + 譬 ( 2 2 7 ) “f 其中，7 定子三相电流合成矢量，妒为定子三相磁链合成矢量。当转速不是很 低时，定子电阻压降较小，式( 2 2 6 ) 可以简化为 玩华 ( 2 - 2 8 ) 材。 t z 。z 舀j 口l 这表明电压矢量的方向与磁链的运动方向是一致的。电压矢量的运动轨迹 与磁链圆重合。这样电机旋转磁场的形状问题就转化为电压空间矢量的运动轨 迹的形状问题。当电机通以三相对称正弦电压时电机内部产生圆形磁链， 哈尔滨理t 大学工学硕 ：学位论文 s v p w m 正是以此圆形磁链为基准，通过逆变器的不同开关状态产生有效的电 压矢量来逼近基准圆，即用多边形来逼近圆形。 如图2 6 三相电压源型逆变器由六个功率开关器件组成，口、b 、c 分别代 表三个桥臂的开关状态。因为逆变器的上桥臂和下桥臂的开关状态互逆，所以 只用上桥臂的三个功率开关器件来描述逆变器的工作状态就足够了。如果把上 桥臂的功率开关器件的导通状态用l 表示，关断状态用0 表示那么上桥 臂的功率开关器件的开关状态共有八种组合构成了对应的电压空问矢量分别表 示为v l ( 1 0 0 ) 、k ( 11 0 ) 、巧( 0 1 0 ) 、v 4 ( 0 11 ) 、v s ( 0 0 1 ) 、圪( 1 0 1 ) 、v o ( o o o ) 和 巧( 1 1 1 ) 。其中v o ( o o o ) 和k ( 1 1 1 ) 开关状态下逆变器输出电压为零，称为零矢 量，其余的六个电压矢量称为有效矢量。 不难推出，三相逆变器输出线电压【吃比吃r 与开关矢量【口bc 1 7 的关 系，如式( 2 2 9 ) 所示。 蓬 = t 三一三一o 三 ( 2 2 9 ， 电压空间分割成如图2 7 所示的六个扇区。其中，形= 姜p “1 与( r = l ，2 v z ：。6 0 以及零矢量的作用时间疋、z 二矿r o 来合成输出电压矢量。本系统采 哈尔滨理t 大学工学硕卜学位论文 圪( o j l )v l o o o ) 图2 7 基本电压空间矢蕈不恿图 f i g 2 - 7d i a g r a mo fb a s i cv o l t a g es p a c ev e c t o r 用的是目前最常用的七段式调制方案，它由3 段零矢量和4 段相邻的两个非零 矢量组成。3 段零矢量分别位于p w m 的开始中间和结尾，开关顺序为 r o ( 0 0 0 ) ，圪，圪埘，巧( 1 l1 ) ，k 棚，匕，v 。( o o o ) ，作用时间分别为7 0 4 ，瓦2 ， 砷2 ，r o 2 ，瓦砷2 ，乏2 ，t o 4 。 以第1 扇区为例，口为合成电压矢量与k 的夹角，i 为p w m 周期。各 电压矢量的作用时间为 互：盟：! 堕! 么二竺1 瓦：塑挲型( 2 - 3 0 ) 瓦= 瓦一互一正 由于式( 2 - 3 0 ) 中含有合成矢量的相角0 ，给计算造成不便，文献【3 7 】提出了 使用合成矢量在口轴和上的分量圪和对式( 2 - 2 9 ) 化简的方法。在图2 - 8 中根据三角形关系有 lk r 臣兰 倍3 - ， 【t a n 哈尔滨理丁大学工学硕 j 学位论文 将式( 2 3 将式( 2 3 2 ) 写成矩阵形式为 一笪以) 2 j 厅1 施 v ，1 图2 - 8 第1 扇区电压矢量分解图 f i g 2 - 8 is e c t o rv o l t a g es p a c ev e c t o r 同理可以得出其他扇区的矩阵表达式如表2 1 。 表2 1 各扇区矢量作用时间转换矩阵 t a b l e2 1v e c t o ra c t i v et i m eo f e a c hs e c t o r 1 8 - ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 墨立u 川五 疋，rj、il 3 2 0 。l 王五瓦 -。l i 扇区i i 扇区扇区 3矗。3压一0 压 2222 3压 0压3 压 一 2 2 2 2 扇区 v 扇区扇区 。3压 。3 历。0 矗 2222 3 历 0 一压 3压 22 一2 2 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 ip ii - - i a b c a b c 各个扇区s v p w m 波形如图2 - 9 所 a b 不o a b c o o oi o oi - oi i il i ol ( 3 0 00 0 00 1 01 1 01 l l1 1 00 1 0 仰 a ) i 扇区 a b c b ) 扇区 i1 0 0 0o l oo l il i io l l o l o o g o0 0 0 0 0 1o l i1 1 io l l0 0 1o o o c ) i h 扇区 a b c d ) i v 扇区 i 咖o o i1 0 1 1 1 1 1 0 1 o o i 0 0 0 0 0 0i 0 01 0 1i l i1 0