（电力电子与电力传动专业论文）基于单神经元的永磁同步电动机控制系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s tr a c t r e c e n t l y ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f h i g hp e r f o r m a n c ei np e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a l s ， e l e c t r i cp o w e r , a n dc o n t r o lt h e o r i e s ，t h ea p p l i c a t i o n so f p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) b c 顽啦m o r ea n dm o r ew i d e l y ，a n dt h ed e v e l o p m e n ta n ds t u d yo f p m s mi sg e t t i n gm o r ea t t e n t i o n 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 rs p e e dc o n t r o l s y s t e mh a sb e c o m eo n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t so f t h ea c d r i v es y s t e m f i r s t l y , i nt h i sp a p e rt h eb a s i ct h e o r yo f v e c t o rc o n t r o lo np m s m i sa m l y z e d o nt h i s b a s et h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s ma r ei l l u s t r a t e d 1 1 1 ef i e l do r i e n t a t e dc o n t m ia n d v e c t o rc o n t r o lw h i c h b a s e do n s p a c ev e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i sc h o s e n a st h ec o n t r o ls c h e m eo f t h i ss y s t e m t h e n , s i n c et h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rw h i c hc a n tr e g u l a t et h e c o n t r o lp a r a m e t e r sa u t o m a t i c a l l y , s i n g l en e u r o nc o n t r o lt h e o r yw a sa p p l i e dt ot h et r a d i t i o n a l p i dc o n t r o l l e rs oa st om a k eu pas i n g l en e u r o na d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r t h e nu s et h e i m m u n ef e e d b a c km e c h a n i s mt oj o i ni nt h es i n g l en e u r o na d a p t i v ep i dc o n t m 眠s ot h a t t h ec o n t r o l l e rc a ng e ta a d j u s t a b l eg a i n e s t a b l i s ht h es y s t e mm o d e li nm a t l a b s i m u l i n k e n v i r o n m e n t , a n df i n i s ht h ee m u l a t i o ne x p e r i m e n t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s i n e # n e u r o na d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rh a sas i m p l es 锄l c t i l r e ，s t r o n gs e r f - l e a r n i n ga n d a d a p t i v ea b i l i t yo ft h ec h a m c t e r i s t i c sa n dt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c ei ss u p e r i o rt o t h e t r a d i t i o n a lp i dc o n t r 0 1 f i n a l l y ，t h ed e s i g no ft h em a i nc i r c u i t , c o n t r o lc i r c u i ta n de x t e r n a lc i r c u i tw a s a c c o m p s h e db a s e du p o nt i se x c l u s i v ed s p ( t m s 3 2 0 f 2 81 2 ) f o rm o t o r c o n t r 0 1 b a s e d o nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ea u t h o rf i n i s h e dt h ec o m p 峨a n dd e b u g g i n go ft h ep r o g r a m u n d e rt h ec c s2 0 0 0e n v i r o n m e n t , s u c ha st h ev e c t o rc o n t r o la l g o r i t h mo fp m s m , t h e g e n e r a t i o no fs v p w m , t h ei n t e m l p t i o ns a m p 1 1 9o f c u r r e n t , s p e e da n dp o s i t i o n ，a n ds o o i l a f t e rr t m n i n gt h ep r o g r a m , w eg e tt h ee x a c tp w mw a v e f o r mw h i c hc a ns u c c e s s f u l l y c o n t r o lt h eh a r d w a r ec i r c u i t i no t h e rw o r d s i ts h o w st h a tt h ed e s i g nw a sr i g h ta n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：p m s m ；v e c t o rc o n t r o l ；s v p w m ；s i n g l en e u r o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：畜眦 日期：潮7 年丐月乒日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 母往授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：奄汤也导师( 签字) ：矿以 袁钦 日期：必穸年；月弘日汹绰弓月日 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 从电动机问世以来，电力传动技术的研究和开发从来没有间断过。近3 0 年来，交流调速系统的发展非常迅速，已逐渐取代了直流调速系统的垄断地 位。交流调速系统的日益发展中，以永磁同步电动机调速系统尤为突出，目 前已经与直流电动机调速系统，异步电动机调速系统组成最主要的三大类调 速系统。 直流电动机虽然具有优良的控制性能，但其复杂的结构限制了直流电动 机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨 损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。 由于直流电动机存在结构上的固有缺陷，限制了直流电动机向高转速、高电 压、大容量方向发展。而交流电动机相对而言，结构简单，坚固耐用，便于 维修，价格便宜，特别是上世纪7 0 年代，随着电力电子技术、微电子技术和 现代电机控制理论的发展，使得交流传动逐步具备了宽调速范围、高稳速精 度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，取代直流电动机调速传 动已是必然的发展趋势。 永磁同步电动机由于取消了励磁绕组、集电环和电刷，所以结构简单、 体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换 向器和电刷等缺点，不仅提高了可靠性和维护性，其效率也有了较大提高。 和其他类型交流电动机相比，它由于没有励磁电流，因而效率高，功率因数 高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗小，且转子参数可测、控制性 能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。在上世纪7 0 年代以前电力传动中，很少采用同步电动机，其主要原因是同步电动机不能 在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为 零。自上世纪7 0 年代后，人们利用变频电源这种从前只停留在想象的设备， 解决了同步电动机的起动和调速的问题。时至今日，永磁同步电动机调速系 哈尔滨工程大学硕十学位论文 暑；暑；i i ；i i i ；i i ；i ；i ；i 宣；i ；i ；i i i 宣；i ；i i ；i 宣；i ；i ；i i i 皇；置i i 一i i i i ； i 统的控制技术己取得了长足的进步，采用先进控制策略的永磁同步电动机控 制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，在医疗器 械、化工、轻纺、数控机床、工业机器人、计算机外设、仪器仪表、微型汽 车和电动自行车等领域中都获得应用【t l t 2 1 。 我国稀土资源丰富，稀土储量占世界的8 0 ，研究和开发高效稀土永磁 同步电动机替代普通异步电动机和电励磁同步电动机，不但可以可改变目前 我国电能浪费严重的现状，带来可观的节能效果和显著的经济社会效益。还 可大面积推广应用我国资源丰富的钕铁硼永磁材料，变资源出口为高附加值 产品出口，并促进稀土永磁材料行业、电机行业、风机水泵行业和石油化工 行业的产品结构调整和更新换代，产生以科技为先导的新的经济增长点，并 促进一些重工业行业电机拖动方面的节能改造f 3 】。 1 2 课题研究的国内外发展现状 国内外都很重视对高效永磁同步电动机的开发。在国外，研制开发高效 永磁电动机已有二十多年的历史。1 9 7 8 年，法国c e m 公司推出i s o s y n 系 列0 5 5 - - 1 8 5k w 稀土钴永磁同步电动机，效率比一般异步电动机高2 8 ，功率因数提高了0 0 5 0 1 5 ，堵转转矩为1 6 2 2 倍。随后英国、前苏联、 美国等也相继推出类似系列产品，但功率普遍不大【4 】。 随着高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发，以及电力电子元件 的不断发展和改进，使得稀土永磁同步电动机的研究开发进入了一个全新的 阶段，目前正向超高速、大功率、大转矩、微型化、高功能化方向发展【5 】。永 磁同步电动机无励磁绕组，结构简单，材料的矫顽力高，气隙长度可以取较大值 从而使大幅度提高转速。目前已制成2 0 0 0 0 r m p 3 0 0 0 0 r p m 的超高速电机，例如 美国通用电气公司研制的外转子型用于电动车的7 2k w 、2 70 0 0 r p m 的永磁 同步电动机。耐热、高磁性能钕铁硼永磁材料的成功开发，使得大功率永磁 同步电动机的研究开发得到很大进展。运输业和工业中诸如电动汽车、混合 动力汽车、列车、电梯、机床、机器人等，对大功率电动机的需求正在增长。 船舶推动电机要求低速大转矩。例如最大功率为4 0 m w 、转速1 5 0 r p m 的永 磁同步电动机用于s i e m e n s 公司和s c h o t e l 公司联合生产的s s p 吊舱式电力推 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 进系统。由于钕铁硼永磁材料的最大磁能积很高，特别是能制成超薄型的永磁 体，从而使过去难以制作的超微型和低惯量电动机得以实现。现己制成外径 o 8n l l l l 、长1 2r l l l n 的世界上最小的永磁电动机【7 】【8 】【9 】。在高温、高真空度或空 间狭小等特殊场合难以使用传统电机，而稀土永磁电机可以耐高温，且体积 小，台皂满足这些特殊要求。已开发的有1 5 0 w 、30 0 0r r a i n , 工作在2 0 0 3 0 0 c 高温和1 3 3 3 x 1 0 击p a 真空度环境下的三相四极永磁电动机，直径1 0 5m m 、长 1 4 5m i l l ，采用高温特性好的s m 2 c o l 7 永磁体【- o l 。 我国十分重视对高效永磁电机的研究开发，许多高校及相关研究所都相 继进行高效永磁电机的研制开发，取得了许多成果，设计的一些高效、高起 动转矩永磁同步电动机样机，成功地解决了起动转矩高、节能效果好、高温不 退磁和成本合理互相制约的矛盾。例如，化纤机械使用的高效、高牵入同步 钕铁硼永磁同步电动机与现有电机相比，其功率因数、效率和最大转矩倍数都 有不同程度的提高，失步转矩是原有的3 5 9 倍，牵入转矩提高了3 倍。机床主 轴使用的7 5k w 恒功率调速比的钕铁硼永磁同步电动机，其调速系统的调速 范围为0 4r m p 90 0 0r m p ，恒功率调速比达到1 ：6 。电动汽车使用的永磁同步 电动机和驱动系统。开发的7 5k w 轻微型电动客车用永磁同步电动机系统， 电机重量为4 5k g ，磁体用量为o 9 2 蝇，额定转速为30 0 0r m p ，最高转速55 0 0 r m p v - j 。批量生产的0 8k w 纺织专用永磁同步电动机，效率高达9 1 ，功率 因数高于0 9 5 ，节电率高达1 0 以上。目前在我国已有较大容量永磁同步电 动机的开发。上海电机厂开发的1 1 0k w 和北京重型电机厂开发的2 5 0k w 高 效钕铁硼永磁同步电动机，以及首钢机电电机厂开发的3 0 0 k w 稀土永磁电 机，在启动性能、电机效率、功率因数、过载倍数等各项指标都达到预期的 良好效果【1 2 】。 永磁同步电动机的应用和发展是随着电机制造技术、永磁材料制造技术、 传感器、电力半导体器件、微处理器件和控制技术水平的提高而不断发展【1 3 1 。 ( 1 ) 永磁材料。 转子使用的永磁材料的性能会对永磁同步电动机的设计产生非常重大的 影响。现今比较常用的永磁材料是钕铁硼，随着永磁材料的制造技术的发展， 永磁同步电动机呈现价格下降趋势，应用会越来越普遍。 ( 2 ) 电力电子技术。 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 i 暑i ；i ；宣i ；i ；暑；i ；i ；宣ii l l li mjj li ；i ；i ；i 宣i 墨；暑i i i i i ；i 薯 电力电子技术是现代电机系统实现的主要途径和基础。而电力电子技术 又是由电力电子器件的发展带动的。电力电子器件经历了从整流二极管、晶 闸管、g t o 、g t r 、p m o s f e t 、i g b t 到现在高性能控制系统中主要采用的 智能功率模块( i p m ) 的过程，并且还在不断的推陈出新，在性能、功率和集成 度上不断提高。 ( 3 ) 特殊功能控制芯片 近年来，很多公司都为永磁同步电动机设计专用控制芯片，例如t i 公司 为电机控制方面的要求设计了t m s 3 2 0 f 2 0 0 0 系列的特殊功能d s p 。该系列 d s p 采用哈佛结构，具有d s p 固有的运算速度快的特点为复杂算法提供可能； 又为电机控制的特殊要求提供了特殊功能模块，方便了使用者。它经历了从 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的过程，内部资源和运算 速率都不断的增加。 ( 4 ) 控制理论。 电机控制技术的发展每一次变革都是伴随新的控制理论的提出或者是旧 的理论赋予新的内容。1 9 7 1 年，德国西门子公司f b l a s c h k e 发明了基于交流 电机坐标变换的交流电机矢量控制原理( 称v c ) ，矢量控制的本质特征是通过 坐标变换将交流电机内部复杂耦合的非线性交量变换为相对坐标系为静止的 直流变量。实现交流电动机像直流电动机那样对磁场和转矩控制的完全解藕。 在经过3 0 年的产品开发和工程实践，矢量控制原理日趋完善，大多交流电机 变频调速控制系统均采用矢量控制，使交流电机调速达到并超过传统的直流 电机调速性能。随着人工智能技术的发展，电气传动控制系统中运用智能控 制技术以成为必然的发展趋势【1 4 】。其中单神经元作为神经网络的最基本单位， 具备了神经网络的优点，而且结构简单易于实现。将单神经元控制在永磁交 流调速系统中，首先它可以代替传统的p i d 控制器，由于实际的矢量控制效 果对传动系统参数很敏感，而传统p i d 控制器的参数无法根据系统实际状况 来进行自适应调整，可将单神经元用于电机参数的在线辨识、跟踪，并对磁通 及转速控制器进行自适应调整。其次，电机矢量控制需要知道转子磁通的瞬 时幅值与位置，无速度传感器矢量控制还需要知道转速，单神经元可被用来精 确估计转子磁通幅值、位置及转速。结合模型参考自适应控制，将单神经元控 制器用于自适应速度控制器中【”1 1 1 6 1 。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 论文主要工作 分析永磁同步电动机的工作原理和数学模型，控制过程以及实现方法， 分析将单神经元控制策略应用于永磁同步电动机矢量控制系统中的意义。针 对传统p i d 控制器参数无法在线自调整的问题，将单神经元自适应p i d 控制 器运用在永磁同步电动机速度控制环节中，代替传统p i d 速度控制器。并对 采用了单神经元自适应p i d 控制器的永磁同步电动机矢量控制系统基于 m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境进行仿真。采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片作为数 字控制器的核心，辅以相应的外围电路，设计相应的软、硬件，进行软、硬 件调试，通过实验结果对理论进行验证。 本课题的主要研究如下内容： ( 1 ) 建立永磁同步电动机的数学模型，对矢量控制理论进行研究，采用 空间电压矢量( s v p w m ) 控制技术，建立了永磁同步电动机矢量控制系统的数 学模型； ( 2 ) 将免疫反馈机理结合单神经元自适应原理，建立了自适应型免疫单 神经元p i d 控制器，替代传统p i d 控制器； ( 3 ) 基于m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下对s v p w m 矢量控制系统迸行 方针研究，并对自适应型免疫单神经元p i d 控制器，传统p i d 控制器永磁同 步电动机控制系统进行了对比研究； ( 4 ) 以t i 公司的d s p 控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为c p u ，设计主电路、 功率驱动电路、电流采样电路，转速检测电路等硬件电路的原理图和p c b 板 图，建立系统调试的硬件环境； ( 5 ) 在c c s 3 1 开发平台下，完成了系统软件的设计。主要包括主程序， 中断服务子程序，s v p w m 波产生子程序，位置转速检测子程序和电流采样 子程序等部分； ( 6 ) 对所设计的硬件电路和软件程序进行调试。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章永磁同步电动机的数学模型和控制理论 2 1 永磁同步电动机的基本结构 永磁同步电动机由定子，转子和端盖等部件构成，定子与普通电励磁三 相同步电动机的定子基本相同，转子用永磁体代替了绕线式同步电动机转子 中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，无电励磁电动机的励磁 损耗和转子发热问题，同异步电动机相比，也没有因为滑差而引起的损耗， 很大地提高了效率和功率因数旧。 永磁同步电动机与其他电机的最主要的区别是转子磁路结构，按照永磁 体在转子上位置的不同，常用的永磁同步电动机的转子磁路结构一般可以分 为三种：凸装式、嵌入式和内埋式。凸装式转子永磁体安装在转子外表面上， 提供径向磁通。凸装式转子永磁体的几种几何形状如图2 1 所示。其中图2 1 ( a ) 为圆套筒型，图2 1 ( b ) 为瓦片型，图2 1 ( c ) 为扇状型；嵌入式转子永磁体嵌在 转子表面下面，永磁体的宽度小于一个极距，相邻永磁体间的铁心构成了一 个大“齿”；内埋式转子永磁体埋装在转子铁芯内部，每个永磁体都被铁心 所包容。这种结构，机械强度高，磁路气隙小，所以与外装式转子相比，更 适用于弱磁运行【1 l 】。永磁材料的磁导率与空气几乎相等，所以凸装式转子结 构在电磁性能上属于隐极转子结构，而嵌入式转子的相邻两磁极之间有磁导 率很大的铁磁材料，因此在电磁性能上属于凸极转子结构。凸装式和嵌入式 结构可使转子做得直径小、惯量低，特别是若将永磁体直接粘接在转轴上， 还可以获得低电感，有效改善动态性能。此外，永磁同步电动机就整体结构 而言，分为内转子和外转子式；就磁场方向来说，有径向和轴向磁场之分； 就定子结构论，有分布绕组和集中绕组，以及定子有槽和无槽的区别【1 9 1 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 弋 。 4 - - 上 ( a ) 圆套筒型( b ) 瓦片型( c ) 扇状型 图2 1 表面式永磁同步电动机转子截面图 2 2 永磁同步电动机数学模型 2 2 1 数学模型的建立 永磁同步电动机的定子和普通电励磁三相同步电动机的定子是相似的。 如果永磁体在电枢绕组产生的感应电动势与励磁线圈产生的电枢绕组感应电 动势一样，也是正弦的，那么永磁同步电动机的数学模型就与电励磁同步机 基本相同f 2 0 】 本系统采用的是正弦波永磁同步电动机，且转子上没有阻尼绕组。其物 理模型如图2 2 所示。妙，是永磁磁极产生的与定子交链的磁链，幺是转子磁 链与定子彳相绕组轴线之间的电角度。 图2 2 永磁同步电动机的物理模型 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 永磁同步电动机运转时其定子和转子处于相对运动状态之中，永久磁极 与定子绕组，定子绕组与绕组之间的相互影响，导致永磁同步电动机内部的 电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，给建立电机的精确数学 模型带来了很大困难。为了得到简化的永磁同步电动机数学模型，通常作如 下假设【z 】 ( 1 ) 忽略磁路中铁心的磁饱和： ( 2 ) 不计铁心的涡流和磁滞损耗； ( 3 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用； ( 4 ) 永久磁铁在气隙中产生的磁势为正弦分布，也无高次谐波，即定子 的空载电势为正弦波。 ( 5 ) 永磁材料的电导率为零。 永磁同步电动机的基本方程包括电机的电压方程、磁链方程和转矩方程 等，这些方程是永磁同步电动机数学模型的基础1 2 2 ( 1 ) 永磁同步电动机定子电压方程： l = 足+ p g 月 = b 屯+ p g s ( 2 1 ) = k b + l z 。lj 【= 墨i c + p 其中：欠。定子绕组相电阻； 纷、三相绕组的磁链； p = d 衍微分算子。 ( 2 ) 磁链方程： 每相绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它互感磁链之和。 v a = l o a 七m a b i 8 + ma c i c + v 趣 i 吵口= 厶8 l b + ，跗+ f 8 c 毛+ 归 ( 2 2 ) i ，c = l 。0 c + m 巴乒a + m c 毒b + v 犯 由于三相绕组互为1 2 0 。，且认为每相间的互感是对称的，则有： m 4 丑= m 删，m c = 蚝，m 粥= 。对于每一相绕组来说，它所交 链的磁通是互感与漏磁通之和，因此定子各相自感为： l s 2 l 从2l b 8 = i - c c2l 9 0 + l s l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 定子间互感为： m = m 肋= = 鸭c = c o s 呼刀) = 一去k ( 2 3 ) ， 1 j么 另外，永磁磁通对定子侧产生的磁链为： = g s c o s 8 归= 吩c o s ( 乡一万) 力= 缈，c o s ( 臼+ 詈万) 由电机y 型接法，三相电流满足： + 如+ j c = 0 把式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 代入式( 2 2 ) ，得磁链方程为： ( 2 4 ) ( 2 5 ) = ( 岛一m ) i a + 沙= 三+ 吩c o s 秒 = ( 岛一m ) i b + = 三如+ 纷c o s ( 臼一詈万) ( 2 - 6 ) = ( 岛一m ) i c + = + 纷c 。s 够+ ；万) 其中，三= 三岛一尬= 三+ 岛。 把式( 2 6 ) 代入式( 2 。1 ) 得定子电压方程为： u a = r o a + l p i a 一妒f ss i n 8 9 甜口= r 岛+ 助一纷s i n ( o 一詈万) ( 2 - 7 ) j 9 u c = r 3 c 七l p t c l ；，f ss i n ( o + 专r e ) 2 2 2 永磁同步电动机的坐标变换 坐标变换是用新的坐标系统替换原来的坐标系统，使在原来坐标系统各 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 个变量及其相互关系变换成在新坐标系统的变量及其相互关系。约束条件有 功率不变或磁势不变。常用的坐标系有两大类：坐标系放在定子上的静止坐 标系，主要有a b c 和筇坐标系；坐标系放在转子上随转子一起旋转的由 坐标系【2 3 】。 对于永磁同步电动机来说，定义祁坐标系的抗轴与定子彳相绕组重合， 轴逆时针超前反轴9 0 0 空间电角度，由于仅轴固定在彳相绕组轴线上， 故筇坐标系为静止坐标系。定义由坐标系的d 轴与转子磁极轴线重合，g 轴 逆时针超前d 轴9 0 0 空间电角度，d 轴与彳相定子绕组的夹角为统，该坐标 系在空间随同转子以电角速度( 1 9 ，一起旋转，故为旋转坐标系。各坐标系关系 如图2 3 所示。 图2 3a f l d q a b c 坐标变换图 永磁同步电动机三相定子交流电主要作用就是产生一个旋转的磁场，然 而，两相相位正交的对称绕组通以两相相位差9 0 。的交流电时，也能产生旋 转磁场。两个互相垂直的绕组通以直流电，产生合成的磁动势，如果人为地 让两个绕组的整个铁心旋转，同样产生了旋转的磁场。 根据功率不变的约束条件，可以建立面坐标系和三相静止坐标系之间 的变换关系1 2 4 1 l o 哈尔滨- 丁程大学硕士学位论文 胖 盼 c o s 口c o s ( 臼一等) 痂t n ( 伊一等) 压店 c o s p c o s ( 秒一等) c o s ( 秒+ 等) c o s ( 臼+ 等) - s i n 0 “n ( 伊一等) “n ( 秒+ 等) 筇坐标系与三相静止坐标系的变换关系： 陆 盱 io l l ( 2 8 ) 引 q - 9 2 2 3 永磁同步电动机在由轴旋转坐标系中的基本方程 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 基于功率不变约束条件的坐标变换公式，永磁同步电动机的电压、磁链、 转矩、运动方程以及状态方程如下【2 5 1 ： 垒3 - r 一 一 - 秒l 二卜r h层 n团一 再一厅忆厅怔 ，一2历一22 笪2 厅虼正忆厅怔厅怔 l = 匕忱 。o污一 。 历一2压一2 一2，2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 电压方程： iu d = 咫岛+ p 一q 【u q = r 屯+ p + c o a u a ( 2 ) 磁链方程： 1 = 乞易+ 吩 l 2 厶岛 ( 3 ) 转矩方程 m，、 。2 岛妒d l g 一幻) 式中，见为转子极对数。 ( 4 ) 运动方程 印q = z 一陋一乏 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 悟=iu：d二+j鼍uq=足+!+q妒。c26， ( 5 ) 状态方程 以凸装式转子结构的永磁同步电动机为对象( 厶= 乞= 三) ，假设磁路不 饱和，不计磁滞和涡流损耗影响，空间磁场呈正弦分布的条件下，摩擦系数 b = 0 ，得由坐标系上的永磁同步电动机的状态方程为： rp 岛、 ij i 。i 。 p ，) 一鼍咿r q ，、 r sp 即f 一风q 一言一千uu 0 墨丝0 j 1 2 卧 蚴 三 三 一瓦 j ( 2 - 1 7 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 永磁同步电动机的矢量控制方法 2 3 1 矢量控制的基本原理 电动机调速的关键是转矩控制。由于直流他励( 带补偿绕组) 电动机具有 乃= c 卅织的转矩特性，当励磁电流不变时，转矩与电枢电流厶成正比。采 用补偿绕组后，电枢反应很小，不考虑磁路饱和的影响，主磁通只和励磁电 流屯成正比。由于电磁转矩中的两个可控量屯和t 是相互独立的，所以转矩可 以快速响应的变化，控制好电流乞就等于控制好转矩乃，因此，良好的动 态性能是比较容易实现的。 在交流电机控制中，励磁磁场与电枢磁势间的空间角度不是固定的，两 个磁动势互不垂直，又相互影响，要想控制好转矩，不但要控制好定、转子 电流的幅值，还要控制好定转子电流失量之间的夹角，因此不能简单地像直 流电机通过调节电枢电流来控制电磁转矩。1 9 7 1 年德国西门子公司的 b l a s c h k e 提出了交流电机的矢量控制理论，从理论上解决了交流电机转矩的 高性能控制问题。矢量控制基本思想是在普通交流电动机上设法模拟直流电 动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励 磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直，彼此独立， 然后分别进行调解。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流 电动机相似了。因此矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置( 频 率和相位) 的控制。 永磁同步电动机的矢量控制方法主要有：i d = 0 控制、最大转矩电流比 控制、c o s 0 = 1 控制、恒磁链控制、弱磁控制等1 2 6 1 1 2 7 j 。c o s t 妒= 1 控制方法使电 机的功率因数恒定为1 ，逆变器的容量得到充分的应用。但该法在同等电流 下输出转矩较小，且存在最大转矩限制的问题。恒磁链控制的方法是控制电 机定子电流，使气隙磁链与定子交链磁链的幅值相等。这种方法在功率因数 较高的条件下，一定程度上提高了电机的最大输出转矩，但仍然存在最大输 出转矩的限制。下面就i d = 0 控制进行分析。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 3 2 屯= o 控制 易= 0 控制称为磁场定向控制。该控制方法简单，计算量小，没有电枢反 应对电机的去磁问题，使用比较广泛汹1 。 将磁链方程( 2 1 3 ) 式代入永磁同步电动机转矩方程( 2 1 4 ) 式得， 乃= 以i 竹屯+ ( 岛一厶) 乞l ( 2 1 8 ) 从式可( 2 1 8 ) 可以看出，永磁同步电动机的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，故采用转子磁链定向方式来控制永磁同步电动机。 采用转子磁链定向的永磁同步电动机矢量图如图2 4 所示。当沪o 时， 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， 且定子电流矢量位于g 轴，无d 轴分量( 铲o ) ，定子磁动势空间矢量与永 磁体磁场空间矢量正交，定子电流全部用来产生转矩，永磁同步电动机电磁 转矩方程为： 乙= 成少， ( 2 - 1 9 ) 岛= e 鬈 图2 4 易= o 控制时永磁同步电动机矢量控制图 幻= 0 控制条件时拓、岛之间没有耦合关系。只要能准确检测出转子d 轴的空间位置，控制逆变器使三相定子的合成电流矢量位于q 轴上就能使永 磁同步电动机的电磁转矩只与定子电流的幅值成正比。即直接控制定子电 流幅值来控制转矩。 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 3 3 矢量控制系统结构及原理 采用屯= 0 转子磁场定向矢量控制的永磁同步电动机调速系统的原理如 图2 。5 所示。调速系统由以下四部分组成： ( 1 ) 位置和速度检测模块。 ( 2 ) 电流环、速度环p i d 控制器。 ( 3 ) 坐标变换模块。 ( 4 ) s v p w m 模块和逆变模块。 控制过程为：给定速度信号与检测到的速度信号相比较，经速度p i 控制 器的调节后，输出交轴电流分量作为电流p i 调节器的给定信号镰厂。同时， 经坐标变换后，定子反馈电流变为幻，岛，控制直轴给定电流哳= o ，与变换 后得到的直轴电流f d 相比较，经过p i d 调节器后输出直轴电压疗给定交 轴电流岛与变换后的得到的交轴电流岛，相比较，经过p i 调节器后输出交轴 电压增p 然后经过p a r k 逆变换得到伉、轴电压。最后通过s v p w m 模块 输出六路控制信号驱动逆变器工作，输出可变幅值和频率的三相正弦电流输 入电动机定子。 图2 5 永磁同步电动机矢量控制系统结构图 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 2 4 电压空间矢量s v p w m 技术的基本原理 p w m 控制技术在电力传动控制中已获得了广泛的应用。p w m 控制技术 是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过 控制电压脉冲宽度或周期以达到变频、调压及减少谐波含量的目的的一种控 制技术矧。初期p w m 逆变控制的目标被定位在电压正弦变化：希望直流电 压利用率高而谐波含量低，在此目标下产生了电压型逆变电路。这种电路就 其输出电流而言是开环的，它可能远非正弦波，因为电压源逆变电路中，输 出电流的波形受到负载参数的影响。分析表明，电动机电流谐波不仅使损耗 增加，还会产生脉动转矩，影响电动机性能，据此才有电流型控制方式的出 现，它直接追求输出电流的正弦化，这比只着眼于输出电压是进了一步，然 而，就交流调速而言，电动机电流正弦化的目的是希望在空间建立圆形磁链 轨迹，从而产生恒定的电磁转矩。按磁链轨迹为圆的目标形成p w m 控制信 号成为磁链跟踪控制，由于磁链轨迹可借助电压空间矢量相加得到，故又称 电压空间矢量控制。 2 4 1 电压空间矢量与磁链矢量的关系 空间矢量的概念始于电动机分析，将外加电压分别定义于电动机三相定 予绕组上，由于电动机绕组在空间互差1 2 0 。分布，故电动机定子电压可用 空间矢量表示。当三相对称正弦波电源供电时，加到电机三相绕组上的三相 对称电压为： k = 砜c 。s 缈， 吻= c o s ( r t 一2 z 3 ) ( 2 2 0 ) 【u c = c o s ( c o t + 2 ，r 3 ) 其中心、u 屡、分别为三相定子绕组的相电压，叱为相电压的最大值， 国为电源频率。定义电压矢量u 。、坼，其方向在各定子绕组周线上， 在空间互差1 2 0 。，其相加的合成矢量u 也为空间矢量且可表为： u = + u b + ( 2 2 1 ) 根据三相系统向两相系统变换功率前后不变的原则，定子电压的空间矢 1 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 量可以表示为： 【，= 吾( + 口+ ) = p 倒 ( 2 - 2 2 ) 式中等= 一如乎。 当电动机转速不是很低时，定子绕组电阻压降可忽略不计，电动机气隙 中磁链可表示为 矽：i u d t ：j l ue j t d t = u 彩mp 删：嘉p 删 协2 3 ， 由此可见，磁链矢量是一个落后于电压矢量9 0 。的旋转矢量。磁链矢量 的轨迹为圆，其半径为： ，：盟( 2 。2 4 ) 2 a f 这样，电动机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的 形状问题来讨论。由上式( 2 2 4 ) ，当供电电压与频率之比为常数时，磁链轨 迹圆的半径也为常数。这样随着的变化，磁链矢量的顶点的运动轨迹就形 成了一个以，为半径的圆形，即得到了一个理想的磁链圆，s v p w m 法就是 以此理想磁链圆为基准圆的1 3 0 1 。 2 4 2 基本电压空间矢量 u m 2 ： 乏+ 马岛马岛当奄一 乩。2 一芝一马神矿 图2 6 三相电压型逆变电路 1 7 设三相逆变器输出的线电压矢量【】1 ，用开关状态矢量 【邑& 】7 表示线电压的关系为： 篷 = 三： 茎 ( 2 - 2 5 ， 三相逆变器输出的相电压矢量 】2 ，用开关状态矢量 【邑s b & 】7 表示相电压的关系为： 姿 = 吾 三三； 茎 c 2 2 6 ) 表2 1 开关状态与相电压和线电压的对应关系 开关状态 s a 、s 8 、s c 巩阮口u b cu c a 0 0 0 000000 1 0 0 2 u d c 3- u i ) c t 3- u d c 汜【，施 0 u 施 1 8 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 0 1 0 u d c 32 踢c 3- u d c 3- cu d c o 1 1 0 u o c 3u d c 3- 2 u d c 3 0 u d c- u o c 0 0 1 - u o c 3- u o c 3 2 u o c 3 o 一酗贮 1 0 1 u o c 3- 2 u o c 3u o c 3 u o c u o c 0 0 1 1 - 2 u d c 3u o c 3u o c 3一u o c o u o c 11 1000000 表2 1 中的线电压和相电压值是在三相a b c 坐标系中。由于计算需要， 利用c l a r k 坐标变换将三相a b c 坐标系中的相电压转换到筇坐标系中。转 换式为： 阱店 1 1 。1 22 o 笪一鱼 22 ( 2 2 7 ) 根据式( 2 2 7 ) ，可将表2 1 中与八种开关函数相对应的相电压转换成筇 平坐标系中的分量，转换结果见表2 2 。 表2 2 开关函数与相电压在筇坐标系的分量的对应关系表 开关状态 u b矢量符号 s a 、s b 、s c 0 0 00o 1 0 0 昏蔸 0 u 厅 瓷 1 1 0 言 0 1 0 一咒瓷 万 0 1 1 一、片 0 配 yj 1 9 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 厅厅 0 0 1 一、吉一姓 虬 1 0 1 黯x 厅 一姓 饥 1 1 100阢 由表2 2 可以看出八种开关状态组成了八个基本电压矢量。根据从个 电压空间矢量旋转到另一个矢量的过程中，应当遵循功率器件的开关状态变 化最小的原则，即应当只有一个功率器件的开关状态发生变化。规定转换到 筇坐标系下的八个基本电压空间矢量的位置关系以及所对应的开关状态如 图2 7 所示，六个非零矢量组成个六边形，分为六个扇区，两个相邻的矢 斤 量之间夹角为6 0 。，六个非零矢量空间电压矢量的模值都为、片各矢量表 达式如( 2 - 2 8 ) 。两个零矢量、砜位于圆点。 e女2 = 指e 皓l 、2 、3 、4 、5 、6 )( 2 - 2 8 ) u ( o o d以0 0 1 ) 图2 7 基本电压空间矢量 2 4 3s v p w m 波的生成方式 如图2 7 所示，如果逆变器电压空间矢量的作用顺序为 u _ _ 叶以_ _ 砜，那么定子磁链旋转轨迹为正六边形，离圆形 哈尔滨工程大学硕十学位论文 旋转磁链轨迹相差甚远。为了得到近似圆形的定子磁链旋转轨迹，将圆形旋 转轨迹的每个扇区再等分成k 个子区，则每个扇区中将有k 段圆弧。s v p w m 控制的目的即通过开关状态的组合，将这8 个基本电压空间矢量进行合理的 组合，通过控制所选用的基本电压空间矢量的作用时间，使合成电压空间矢 量按给定参考值阢作圆形旋转，这样磁链空间矢量旋转轨迹就能更加地逼近 圆形1 3 2 1 。 每个扇区都有两个非零电压空间矢量相交，通过合理调控它们的作用顺 序和作用时间，就能使定子磁链轨迹逼近圆形。设某个时刻u ，转到某扇区中， 组成此扇区的两个非零电压空间矢量，按逆时针方向设为u 。、u 。，分别对 应的作用时间为、z ，组合得到按给定参考值以。u ，矢量可分解为： u ，乃= u 。t + u