（电力电子与电力传动专业论文）基于μcosⅡ的永磁同步电机直接转矩控制系统的研究.pdf

一 垩蔓盔兰塑圭堂垡堡壅 a b s t r a c t i nt h i st h e s i st h ea u t h o rm a k e sap r o f o u n da n db r o a ds t u d yo ft h et h e o r yo ft h e d i r e c tt o r q u ec o n t r o li nt 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 ) i no r d e r t oi m p r o v el o ws p e e dp e r f o r m a n c e ，an e wt a c t i co fv e c t o rs u b d i v i s i o nd i r e c tt o n u e c o n t r o lb a s e do ns p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ni s p r o p o s e d l o wp e r f o r m a n c eo fd t c s y s t e m i si m p r o v e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a nh o l dd y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h eb a s i cd t c ，i m p r o v et h et o r q u ea tl o ws p e e da n dw e a k e nt h e t o r q u er i p p l e f u r t h e r m o r e ，t h em e t h o di sv e r ye a s yt or e a l i z ea n dh a v ei m p r o v e d a c c u r a c yo ft h eo b s e r v a t i o n i na d d i t i o n ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ea d v a n t a g eo fu s i n gt h er e a lt i m ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e muc o s i ii nam i c r op r o c e s s o rs y s t e m a l s o ，t h ea u t h o rh a sp a i d m o r ea t t e n t i o nt ot h ec o n f i g u r a t i o na n dk e r n e lc o d eo fuc o s t i c o m b i n i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fd s pa n du c o s i i ，t h ep a p e rr e p l a n t st h er e a lt i m ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m uc o s 一1 ii nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7s u c c e s s f u l l y s o m ed e t a i l e dc o d e s o f s e v e r a lf i l e si nr e p l a n t i n gh a v eb e e np r o v i d e di nt h e p a p e r ， a tl a s t ，t h em o s ti m p o r t a n tp u r p o s ei st oa c h i e v ean e w s y s t e mw h i c ha d o p t st h e d s pa sh a r d w a r ep l a ta n dg c o s r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma ss o f t w a r e p l a t s o m em o d u l e so fh a r d w a r ea r ed e s i g n e di nt h ep a p e r i nt h ep a r to fs o f t w a r e ， s o m en e wc o n t r o l l e ra r i t h m e t i ci si n t r o d u c e d t h er e a lt i m es o f t w a r ei sc o m p i l e db yc l a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g e t h er e s e a r c ho fd i g i t a lr e a l i z a t i o na n dt h es o f t w a r e d e s i g na r ec a r r i e do u td e e p l y k e y w o r d s ：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 ( p m s m ) ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ，s e n s o r - l e s st e c h n o l o g y ，d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，uc o s 一1 i ， r e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密l 翊。 学位敝储繇弓嘲、导师虢参 签字同期：卫们。年 月) 7 同 签字r 钒年莎具 ) 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。 学位论文作者签名：猕 日期：妒；年6 月y 3 - , 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 直接转矩控制技术是继矢量控制之后又一高性能的交流变频调速技术。1 9 8 5 年德国d e p e n b r o c k 教授首次提出了基于六边形磁链轨迹的直接转矩控制的理 论，并在电力牵引机车上获得应用。1 9 8 6 年同本学者高桥熏提出了基于圆形磁 链轨迹的直接转矩控制，接着在1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速的范围。它在很大 程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电机参数变化的影向以及实际 性能难于达到理论分析结果等一些重大问题。它摒弃了矢量控制中电流解耦的控 制思想，去掉了p w m 脉宽调制器和电流反馈环节，通过检测母线电压和定予电 漉，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁 链和转矩的解耦控制。直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简 洁明了的系统结构，优良的静、动念性能受到了普遍的关注和迅速的发展。 与经典的矢量控制相比，直接转矩控制有以下几个主要特点： 1 ) 直接转矩控制在定子坐标系下分析电机的数学模型，控制电动机的磁链和转 矩。它不需要像矢量控制那样将交流电动机与直流电机比较、等效和转化，它省 掉了矢量旋转变换等复杂的计算。园此，它所需要的信号处理工作特别的简单。 2 ) 直接转矩控制使用定子磁场定向，经典的矢量控制是转子磁场定向，而观测 转予磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大的减少了矢 量控制技术中控制性能易受电机参数变化影响的问题。 3 ) 直接转矩控制采用空问电压矢量的概念，并将控制策略与逆变器相结合。它 不是通过控制电流、磁链等量柬间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控制量， 直接控制转矩。因此，它强调的是转矩的直接控制效果。 4 ) 直接转矩控制技术是对转矩实行直接控制。其控制方式是通过对转矩的滞环 比较。把转矩波动限制在一定的容差范围内容差的大小由滞环调节器来控制。 因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否够简化，而是取决于转矩的实 际情况，它的控制既直接又简单。对转矩的这种直接控制方式也称为“直接自控 制”。这种“直接自控制”的思想不仅用于转矩的控制，也用于磁链的控制，但 以转矩为中心来进行综合控制。 江苏大学硕士学位论文 综上所述，直接转矩控制在很大程度上克服了矢量控制的复杂性，它的系统 结构简单，控制思路新颖，并具有良好的控制性能，已经成为交流传动界的研究 热点。 1 2 本课题相关技术、国内外研究与应用现状 1 2 1 同步电机直接转矩控制的研究现状 直接转矩控制技术是现代先进的电机控制技术之，它的优秀的动态性能以 及对电机参数的鲁棒性，引起了国内外电力电子技术界和产业界的热切关注。由 于浚控制方法理论的不完备和对计算机处理速度的要求，直到1 9 9 5 年瑞典a b b 公司第一台采用直接转矩控制方案的异步电机高档变频器才面世，他们认为直接 转矩控制将是下一代交流电机的最优秀的控制方式，并宣称以后a b b 公司只发 展这个系统。由此可见，该控制方法科学意义和巨大的经济价值。尽管直接转矩 控制在异步电机上获得了如此重大的成功，但是，该项技术始终没有及时应用到 同步电机上，其原因何在? 主要是出于同步电机和异步电机运行机理有本质的不 同。以下对异步电机直接转矩控制原理作简要的介绍： 同本的高桥熏【5 】针对异步电机提出了直接转矩控制，并推导出转矩与转差的 关系式如下： 丁珠= l 1 1 0 啪毗( 洲= 竽 竽k ：“一l r e ( i t i t = o ) s i n n r ) 型善。i 。( 6 ，+ 仳) 一 z l ( 1 ，1 ) l i ol m ( i i l ：o ) c o s o 。f ) p 一恐7 n 式中，；：瞳+ ( 6 ，) 2 7 2 ，a = t a l l - i ( 6 。1 r 2 ) 和r e 代表复数的实数部分，t i l t = 0 表示 i l 在t = 0 时的初值。式( 1 1 ) 表示在定子磁链幅值保持恒定的条件下，在6 。发生阶 跃变化时电机转矩变化的规律。 同时，文献 5 】还推导转矩增长率为： 瓤。= 等- l 2 1 0 小郇m = 0 ) 】睡- r ：i r a ( i l l t = 0 ) ( 1 2 ) 江苏大学硕士学位论文 转差越大，转矩越大，转矩随转差角频率的增长而增长。说明异步电机的转 矩和转矩增长率都可以通过控制定子磁场对转子的转差角频率来控制。异步电机 直接转矩控制是建立在对电机转差角频率控制的理论基础上的，而同步电机中从 宏观上来讲不存在这种电机的转差角频率。因此，直接转矩控制技术应用于同步 电机中首先需要解决其控制的理论问题。针对这一要求，文献【2 】提出了基于永 磁同步电机的直接转矩控制理论，初步实现了永磁同步电机直接转矩控制方案， 并且成功地拓展到了弱磁恒功率范围【“，为同步电机直接转矩控制丌创了新的一 页。 直接转矩控制技术虽然具有前面所述的诸多优点，但是目前在理论上还尚不 成熟、不够完善：目前对永磁同步电机直接转矩控制的研究和改进主要集中在以 下几个方面： 1 低速转矩脉动的抑制。 转矩的控制是直接转矩控制的直接目的，而对转矩脉动的抑制方法的研究主 要集中在三个方面：开关表的改进、空问矢量细分、构造新型的d t c 实现方案a 如何构成优良的电压空间矢量选择表是目静国内外的研究热点，国内在这方面的 文章不少。文献 7 】针对永磁同步电机运行特点，提出零矢量在控制中的作用， 并加入到控制中重新定义丌关表，改善控制效果。文献【9 提出了基于空问矢量 细分的d t c 控制，细化磁链和转矩的调节，提高精度和控制效果。 意大利d o m e n i c oc a s a d e i 等学者认为电压空1 1 日j 矢量的有限数目，转矩、磁链 滞环的大小以及空间电压矢量的选择方法是造成电流和转矩纹波的重要原因。控 制系统必须能够在每个采样周期内产生任意的空间电压矢量。如果控制系统能够 产生比传统的d t c 系统更多的空问电压矢量，将更加接近上述要求。通过复合 出更多的空间电压矢量，并根据不同的转速范围，构成更为精细的空间电压矢量 开关表。实践证明，这种方法使得电流纹波和转矩脉动与传统d t c 系统相比明 显降低，而且使系统的稳念性能大为改善，这代表着一种新的d t c 控制发展方 向。 目前还出现了多种新型的d t c 实现方案。构造新型的d t c 实现方案以克服 传统d t c 的缺陷，已成为当前国际上最新的研究热点。有资料指出由于定子磁 江苏大学硕士学位论文 链和转矩的估计延迟，无法真j 下提高传统d t c 的丌关频率，因外有不少学者尝 试采用瓤的逆变器结构，目的是为产生更多的空间电压矢量。例如，有部分研究 分别采用双三相逆变器和双三电平逆变器来产生更多的空间电压矢量。但这些方 法增j j w t 功率电路的复杂性，一般用于大功率场合，在中小型功率场合很少应用。 实验证明这些方法确实可以大为改善系统性能，不足之处是新型逆变器需要两倍 于传统逆变器的功率开关和驱动电路。 2 磁链观测的改进 磁链观测是实现高性能电机传动系统的关键环节。目前常见的定子磁链的j 1 ： 环计算方法主要是用“一i 模型、，一脚模型和u 一脚模型。在“一i 模型中，定子磁 链通过对反电势的积分计算得到，只需要用到电机的定子电阻而且不需要电机 的转速信息，因此该方案获得广泛的应用。此方案的优点是仅需要电机的定子电 阻足，而且计算简单。缺点是纯积分器存在着误差积累以及直流偏移的问题， 这些问题在电机运行予低速时变得非常严重。此外，在低速运行时定予电阻的设 定偏差将会产生严重的不良影响。 i 一模型克服了积分器的不良影响，但是严重依赖电机的参数，需要精确 检测电机转速或者位置，而速度传感器的安装又大大地降低了传动系统的可靠 性。由于该方法属于丌环估计的方法，因而电机参数的变化和转速估计的偏差所 产生的影响仍然很大。 “一卯模型是综合了以上两种模型，并实现了两种模型的平滑切换，在低速 时采用i 一曲模型，高速时切换到“一i 模型，这种模型实现复杂且存在平滑切换 等问题，而且不能够摆脱i - 模型固有的缺陷，因此实际应用的比较少。 由此可见，采用上述方法尚不能根本解决d t c 系统的定子磁链观测问题。 如何解决上述问题，目前主要有两个发展方向：第一个方向是对定予电阻进行在 线辨识，通过提高定子电阻的辨议精度，来提高传统t g i 模型对定子磁链的观测 精度。第二个方向是探讨新的磁链观测方法，摆脱对电机参数的严重依赖，提高 磁链观测的准确度。 国内外学者对定子电阻的在线辨识_ 丌展了大量的工作。文献【1 1 1 提出了基于 模糊控制的在线定子电阻观测器，观测器把定子电流、转速卯，和运行时恻t 作 4 江苏大学硕士学位论文 为输入，以定子电阻的变化氓作为输出。文献 1 7 采用神经网络观测器对定子 电阻进行观测。文献【2 l 】更进步将p i 控制和模糊控制结合起来，改造了定子电 阻观测器。 本文认为，由于“一i 积分观测器所具有的积累特性，虽然采用定子电阻辨识 的方法能够在一定程度上提高系统的性能，但是还是不能从根本上解决问题，必 须另辟蹊径。 3 无速度传感器的研究 同步电机传动系统需要对其速度和位置进行控制。高精度的电机控制系统对 速度控制和位置控制提出很高的要求，相应地对传感器的要求提高了。目前，电 机控制系统中传感器的存在阻碍了电机向高速化和小型化发展。因此，无传感器 技术的研究在高速电机和微型电机的控制上具有重要的意义。 同步电机无速度传感器技术是在数字信号处理器d s p 出现后得以发展的。 d s p 的高速信息处理能力使无速度传感器控制技术的复杂算法得以实现。在无速 度传感器技术方面，很多学者作出了研究，提出了切实可行的方法。如：磁链位 置估计法、状态观测器的位置估计法，r l s ( 最小方差) 、m a r s ( 模型参考自 适应) 、卡尔曼滤波和神经网络等。 然而当电机的转速接近零速或者经过零速时，大多数方法的性能都有所降 低，并导致控制系统低速性能的下降。机械式位置传感器能探知电机静止时转予 磁极位置，使电机和逆变器配合工作于自控同步状态，因而电机起动不会失步。 无位置传感器无法在电机静止时从电机的电气特性知道转子的初始位置。只有电 机起动到一定速度后，电机才能正常运行于无位景传感器状念下。因此起动问题 是同步电机实现无位嚣传感器运行的一大问题。 目前，国内外关于在直接转矩控制中采用无速度传感器的文献不多见。文献 f 2 5 用基于定子磁链的速度估计器，在d t c 中实现了速度观测，该方法速度估 算的准确度严重依赖于电机参数的准确程度，并且需要实时计算反余弦函数，运 算量较大。此外由于该方法仍然采用积分器进行计算定予，因而在低速时实现磁 链的准确观测是很困难的。文献 2 6 】在采用上述方法实现无速度计算的同时，采 用模型参考自适应的方法对定转子电阻进行了在线辨识，虽然在一定程度上提高 江苏大学硕士学位论文 了系统性能，但是其实现过程过于复杂繁琐。文献【2 8 直接将在矢量控制中采用 的自适应速度辨识方法应用于直接转矩控制中，进行了仿真研究。 上述研究表明，目前的无速度传感器技术的缺陷在某种程度上是很相似的， 这是因为它们都是根据相同的基本模型推导出来的，主要区别仅在调节方式和实 现方法上。工业应用中最适用应当是硬件结构简单、整体性能优良的系统。 1 2 2 微处理器在直接转矩控制系统中的应用情况 由于科学技术的飞速发展和半导体工艺的不断成熟，微处理器的性能和速度 比几年前有了极大的提高。现在的处理器大量采用新技术，更改系统内部结构( 一 般为哈佛结构) ，使用流水线技术提高处理器的并行处理能力提供在线仿真( 般用j t a g 接口) ，同时在片内还集成大量外设接口，大大增强了系统的功能 也减小了硬件平台的体积。 a r m 是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低 的r i s c 处理器，适用于多种领域。a r m 提供一系列内核、体系扩展、微处理 器和系统芯片方案。由于所有的产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软 件可在所有产品中运行( 理论上如此) d s p 芯片也称数字信号处理器，是一种适合于数字信号处理运算的微处理 器，其处理速度比最快的c p u 还要快1 0 5 0 倍。在当今数字化时代的背景下， d s p 已经成为视频处理、可视电话、通信、计算机、消费类电子产品等领域的基 础器件，被誉为信息社会革命的旗手。d s p 的优异性能使其应用范围越来越广泛， 已经扩展到各行各业。 本课题我们选用t i 公司2 4 x 系列中的款d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( 以下简称 l f 2 4 0 7 ) ，它是定点d s p c 2 0 0 0 平台系列中的一员。专门为电机控制与运动控制 数字化优化实现而设计，特别适合于三相电动机的高性能控制。它集c 2 x x 内 核增强型t m s 3 2 0 设计结构及适用于电机控制的低功耗、高性能、优化外围电路 于一体，c p u 内部采用增强型哈佛结构，四级流水线作业，几乎每条指令都可 在3 3 n s 内完成，而与浮点d s p c 3 x 系列相比，价格便宜性价比更高。 l f 2 4 0 7 作为2 4 0 x d s p 家族的成员，结构上与传统c 2 4 x 类似，但在处理性 能及其片内外设上有了很大的进步，主要包括算术逻辑单元( a l u ) ，寄存器单 江苏大学硕士学位论文 元程序、数掘存储单元，乘法器，累加器，事件管理器( 包括通用定时器、比 较单元、捕获编码单元) ，外围存储器扩展接口单元，c a n 总线接口单元通 用i o 口单元，内部a d 转换器，串行口s p i 、s c i 等部分。另外采用高性能静 态c m o s 技术，使得工作电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗。l f 2 4 0 7 的推出 为现代交流调速装置控制器的设计提供了新的方案。 一般而言，评价一种电机控制专用控制器的性能指标有几个方面：第一处 理器频率和处理速度决定了实现复杂算法的快速性，系统适时性及保护功能的可 靠性。第二，处理器内部可读写的存储容量的大小。第三，中断功能的强弱。第 四，有无用于脉宽调制的硬件单元。第血，有无用于输入模拟信号的a d 转换 接口，减小了硬件设计的体积与复杂性。第六，有无用于外围通信的同步或异步 串行接口，为多处理器组合使用提供了条件。第七，芯片价格及开发环境的好坏， 决定了工程实用化的进程。就上面所述的指标，在直接转矩控制系统中l f 2 4 0 7 会是很好的选择。 1 3 课题的研究工作 1 3 1 课题的研究内容 本文研究的主要内容是实现一种以t i 公司d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为硬件平 台，以l a c o s 1 i 实时嵌入式操作系统为软件平台的实时数字控制系统，研究新方 案改善d t c 系统低速转矩脉动，并在此平台上实现永磁同步电机的直接转矩控 制，同时还设计了d s p 与p c 机的通信、s p i 串口驱动l e d 和液品显示等外围辅 助控制模块柬丰富完善控制系统的功能。具体研究内容如下： 1 在第二章中，建立永磁同步电机直接转矩控制的数学模型，并确定其数字化 实现方案。通过仿真和实验研究和验证了控制方案的性能。 2 在第三章中，针对传统d t c 控制低速性能方面的不足，分析和比较改进方 法，提出基于电压矢量细分的直接转矩控制，并进行分析研究。 3 在第四章中，分析u c o s 1 1 移植到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 中的一些需要注意的问 题，实现uc o s i i 在l f 2 4 0 7 上的稳定运行，以pc o s i i 来协调控制系统 中的各个功能模块。这样既可以充分发挥l f 2 4 0 7 作为数字信号处理器快速 江苏大学硕士学位论文 处理数据的特点，也可以利用uc o s i i 的多任务和管理功能使l f 2 4 0 7 更 好的进行事务管理。 4 在第五章中，实现永磁同步电机直接转矩控制的数字控制实验平台，设计 控制系统中电源、驱动、保护和通信等模块的硬件结构，并在uc i o s - 1 1 软 件平台下用c 语言和汇编语言。混合编程的方法，完成d s p 实时软件的编写 工作，实现对永磁同步电机的高性能控制。 1 3 2 课题的研究方法 由于整个控制思路与控制系统的设计涉及的知识面较广，研究内容繁多，因 此本课题的研究与设计大致分为四个阶段： 第一阶段，永磁同步电机直接转矩控制理论及改良控制方案的研究。 第二阶段，完成嵌入式实时操作系统uc o s 1 i 在d s pl f 2 4 0 7 上的移植并 使其稳定运行。 第三阶段，设计数字控制系统电源、驱动、检测、通信和保护等各个模块的 硬件构成，并用c 和汇编完成软件设计实现其相应功能，实现永磁同步电机的 直接转矩控制。 第四阶段，在uc o s i i 操作系统下，调试各硬件模块，协调各模块控制功 能，优化多模块多功能下的运行性能。 江苏大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机直接转矩控制理论研究 2 1 永磁同步电机直接转矩控制数学模型 永磁同步电机中磁链、电流和电压的矢量关系如同2 1 所示。d q 坐标系是固 定在转子上的旋转坐标系，其中转子磁链的轴向为d 轴的正方向，d 轴与a 相 绕组的必角为口，。x y 坐标系为固定在定子上的旋转坐标系，定子磁链的方向为x 轴的手方向。本文定义x 轴与d 轴的央角j 为转矩角，x 轴超前d 轴时转矩角 为f 。在忽略定子电阻的情况下，转矩角即为我们熟知的功角。当电机稳态运行 时，定、转子磁链都以同步遮疑转。因此，在恒定负载的情况下转矩角万为恒定 值。当电机瞬态运行时，转矩角则因定、转子旋转速度的不同而不断改变。 u d 幽2 1 定、转子参考坐标 在这里，我们仍然沿用理想电机模型的一系列假设，这样经过一系列推导可 以得到永磁同步电机的数学模型。可以描述如下： 定子电压方程： u d = r s i d 寺p 掣d 一。，v 。 = r + p + ， ( 2 1 ) us = 丽 定予磁链方程 江苏大学硕士学位论文 v d 2l d i d 七毕1 q = q i q 缈。= 踊 转矩方程： t = 专n p wd i q l f ，q i d ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中、u d 、u q 、i a 、i q 、l d 、l q 分别是定子绕组d 、q 轴的磁链、电 压、电流和电感。u 。、虬、r 。为定子端电压、磁链和定子绕组电阻；，为转 子磁钢在定予侧的耦合磁链：”。、t 、珊，为电机极对数、电磁转矩和角频率。 由图2 1 可推出转矩角的表达式为 阳a n - w 一t a n l 孝岳， ( 2 4 ) 将d 、q 坐标系中物理量转换到x 、y 坐标系，可利用公式( 2 5 ) ： 讣篇魏列 眨s ， 其中，f 可代表电压、电流和磁链。 x 、y 坐标系下的定子磁链经推导后，可表示如下： 州笛鬈摭礞裂鬻埘吼鞠眨s ， 由于定子磁链定向于x 轴，有。= 0 ，则推出该坐标系下的定子电流如式 ( 2 7 ) 和( 2 8 ) 所示： i ：! 竺! 坐鱼二竖鱼刍! ! 当二刍! ! 竺! ! 堡 ( 2 7 ) j 一- ， 。 ( l 。一岛) s i n 2 6 。2 壶 2 9 t t l q s 耐制( 圳m 2 铂 2 8 由图2 1 可知转矩角和磁链的关系表达式为： 1 0 江苏大学硕士学位论文 s i n 6 = | ；f ，。j 帆 c o s 8 = 眠 帆 ( 2 9 ) 式( 2 3 ) 结合式( 2 7 ) ，再经式( 2 5 ) 变换后，得到x 、y 轴上的转矩表达 式，如式( 2 1 0 ) 7 2 扣s i n f i + f , c o s 6 ) 一州。c 。s 啊s i r w i i i , ( 2 1 0 ) 将式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 代入式( 2 1 0 ) ，得到电机的转矩表达式： 7 2 瓦3 i ) m 桫，厶s 砌一忱i ( l ，- ，) s i n 2 6 3 ( 2 1 ” 由电机的转矩表达式( 2 1 1 ) 可知，电机的转矩可分为两部分，时一部分为电 机的电磁转矩，它由电枢交轴电根反应产生，后一部分为电机凸极结构产生的磁 阻转矩。以下将分别讨论隐极式和凸极式永磁同步电机l l , j 转矩情况。 隐极式同步电机 对于隐极式永磁同步电机来讲，l d = l q = l 。，则转矩中的磁阻分量为零。转矩 表达式可表示为式( 2 1 2 ) ： 7 1 = 瓦3 h p ，w c ，= 瓦3 n p 川缈s i n ( 西+ 皖) ( 2 1 2 ) 式巾，s 为定子磁链相对于转子磁链旋转角速度，8 0 为转矩角变化前一时刻 的仞值。从式( 2 1 2 ) 可知，当定子磁链保持幅值恒定时，转矩角从一9 0 。变化到 9 0 。时，电机转矩随着转矩角增大而增大，且转矩角为9 0 。时，转矩达到最大。 对式( 2 1 2 ) 两边求导，电机转矩在t = o 时刻的增长率为： 百d tk 。= 鲁籼s 占 ( 2 1 3 ) 当转矩角在9 0 。 9 0 。( 电机稳定工作区，此时电动状态工作段为o 9 0 。) 范 围内变化时，式( 2 1 3 ) 中右式总为f ，表明转矩随着转矩角的增加而增加。 凸极式同步电机 由于永磁电机转子磁链幅值恒定，当定子磁链幅值被控制恒定后，电机的转 垩蔓盔堂堡圭堂垡鲨壅 _ - j _ _ _ - _ _ - _ _ _ 一 一 矩仅跟转矩角有关，对式( 2 1 1 ) 求导得到转矩变化与转矩角变化的关系表达式 如下： _ a 研t 3 4 厶t v 4 f 。2 ，8 c o s 6 - 2 ) 帆l ( 。一t ) c ；c o s 2 6 ( 2 1 4 ) = 3 4 j 工w ，, i 。i - 2 v c c o s 6 - 2 k i ( 1 - 1 p ) c o s 2 6 分 上式表明，电机的凸极系数影响电机转矩变化与转矩角变化之问的关系。当 p i 时，电机交轴电感大于直轴电感( l q l d ) ，磁 阻转矩为负向转矩。因此，可能会因为磁阻转矩的影响使得电机的总转矩跟转矩 角的变化趋势不一致。为了保证转矩和转矩角两者变化的一致性，要求下式成立： d t 一 一o ( 2r 1 5 ) 由式( 2 1 4 ) 9 1 ( 2 1 5 ) ，推出下列条件： 悱彘炉南 吃1 6 当凸极系数p 1 的永磁电机采用直接转矩控制时，定子磁链幅值给定需满足 式( 2 1 6 ) 的条件，以此保证电机输出转矩与控制的转矩角两者变化一致性，即 保证控制转矩角就可以有效地控制电机的转矩。 令堑d t = o 可求出最大转矩角的表达式为： 6 。= c o s 型粤砸 ( 2 1 7 ) 式中，口= v ，l o ( l q 一。1 因此，通常尽可能选取大的磁链幅值给定，以获得大的转矩输出和电机过载 能力。定子磁链幅值给定越大，最大转矩角越大但要使永磁同步电机直接转矩 控制系统正常工作，仍需对其定子磁链幅值进行限制且定子磁链幅值的取值在式 江苏大学硕士学位论文 ( 2 1 7 ) 限定的范围内。 由式( 2 1 3 ) 和式( 2 ，1 4 ) 可知，当定子磁链保持为一恒定值时，电机的转 矩因为转矩角的变化而变化。众所周知，电机机械时间常数远大于电机的电磁常 数，办即电机定子磁链的旋转速度较转子旋转速度容易改变，因而转矩角的改变 可通过改变定予磁链的旋转速度和方向得以实现。因此，永磁同步电机直接转矩 控制理论基础为：保持定予磁链幅值不变的情况下，控制定、转予磁链之间必角 即可以控制电机转矩。要获得快速的转矩响应就要快速改变转矩角。在直接转矩 控制中，既要限制定了磁谜幅值，以保证转矩变化与转矩角变化一致关系，又要 限制电机最大转矩的输出，使转矩角限制在最大转矩角范围之内，以保证一定的 过载能力下电机的稳定运行。 2 2 永磁同步电机直接转矩控制中电压矢量的应用 在直接转矩控制中，电机的定子磁链是通过控制电机的端电压束加以控制 的。图2 2 是给三相电机供电的电压型逆变器的原理图。电机的端电压靠逆变器 开关管的导通或关断来切换的，该状念可理想化为三个丌关( s a s bs c ) 。当某桥 臂上管导通时，电机接入萨电源，则s ( s a s bs c ) 为l ；反之，下管导通时s ( s a s bs ( j ) 为o 。根据三个丌关的不同接通模式，逆变器输出电压空问矢量有8 组， 其中6 组u l ( 1 0 0 ) 、u 2 ( 1 1 0 ) 、u 3 ( 0 1 0 ) 、u 4 ( 0 11 ) 、u s ( 0 0 i ) 、u 6 ( 1 0 1 ) 为运动矢量， 2 组u o ( 0 0 0 ) 、u 7 ( 1 1 1 ) 为零矢量。零矢量表示电机三相同时接到正电源或同时接 到负电源，电机的端电压实际为零。逆变器电压矢量如图2 3 所示。六个矢量依 次相隔6 0 0 电角度。 u 如 幽2 2永磁同步电机电压州逆变器原理图 江苏大学硕士学位论文 u 电机的电压空间矢量可表示为 u 1 ( s ，s 日，s 。) ：u 出【s , 4 + s b e j 孚+ & g ，等】 ( 2 1 8 ) 出于定子磁链与端电压之阳有下列关系： 虬= 肌一r j ) d t ( 2 1 9 ) 在空间电压矢量作用的一段h , 1 p j a t 里，磁链的综合矢量可描述如下： ”缸隅蝇等即气咄脚帆。， ( 2 2 。) u j ( o l o ) q 一”( 1 1 0 ) 删。，么，u l ( 1 u 5 ( 0 0 1 )u 。( 1 0 1 ) 图2 3逆变器空间电压欠量幽 u 剀2 4磁链保持恒定的i uj k 久量示意幽 当输入电压为压为一非零矢量时且忽略定子电阻压降的影响，定子磁链将沿 输入空间电压矢量的方向，以币比与输入电压的速度移动。因此，适当地电机的 空间电压矢量，可以使磁链的运动轨迹近似为圆。如图2 5 所示，为了保持磁链 幅值恒定，可根据磁链偏差大小和磁链的具体方向，适当选取空川电压矢量达到 控制磁链的目的。逆变器的六个空间电压矢量相差6 0 。，通常将空间分成六个扇 区，本文用0 表示，i 为l 6 。不同扇区采用不同的电压矢量来增大磁链或减小 磁链。在实际控制中，可根掘磁链所在的区域和磁链的旋转方向列出保持磁链基 本恒定的丌关表，再根据实际运行条件随时选用。电压矢量的选取原则是该矢量 能使定予磁链在一个控制周期内改变尽可能大的角度，即转矩变化最大。 电压矢量分运动矢量和零矢量两种。只有运动矢量才有改变转矩角，从而改 江苏大学硕士学位论文 变电机转矩的作用。当加零矢量时，u = 0 ，因此，零矢量在同步电机直接转矩 控制中没有转矩减小的作用。但当电机重载且考虑定子电阻的压降时，定子磁链 幅值略有减少从而转矩也将略有减小。如果定子磁链幅值变化不大，可近似为 0 。由此得到，零矢量的作用是保持当前转矩不变。根据所选运动矢量和零矢量 的不同，同步电机开关表中的转矩可处于三种状态：增加、保持和减小。文献f 7 1 中提出了新的基于零矢量的控制方案。采用了如表2 1 所示的丌关表。表2 1 中 转矩状态量f 为i 表示控制系统需要增大转矩，r 为一l 时表示控制系统需要减小 转矩，r 为0 时表示控制系统保持转矩同理，磁链的状态量为1 表示控制系 统需要增大磁链，为0 时表示控制系统需要减小磁链。谚表示定予磁链所在空 白j 的扇区。 袭2 i 采h 零欠昔的开关表 由 l 0 l0 20 3 0 4 0 5 0 6 l u 2 ( 1 1 0 )u 3 ( 0 1 0 、u 4 ( 0 1 1 ) u s ( o o i )u 6 ( 1 0 i ) u i ( i o o ) l 0 u t ( 1 1 i )u o ( o o o )u 7 ( 1 1 1 )u o ( 0 0 0 )u 7 ( 1 1 i ) u o ( 0 0 0 ) 1 u d l 0 i )u 1 ( 1 0 0 )u 2 ( 1 1 0 )u 3 ( 0 1 0 ) u 4 ( 0 1 1 )u s ( 0 0 1 ) 1u3 ( o l o 、 u 4 ( 0 1 t ) u5 ( 0 0 i ) u 6 ( 1 0 l 、u 1 ( 1 0 0 ) u 2 ( i l o ) oo u o ( o o o )u 7 ( 1 1 1 )u o ( 0 0 0 ) u 7 ( 1 l i )u o ( 0 0 0 ) u ? f i l l ) iu5 ( 1 0 0 ) u 6 ( 1 j 0 )u k 0 1 0 ) u 2 ( 0 1 1 )u 3 ( 0 0 i ) u 4 ( 1 0 1 ) 不同扇区电压矢量的选择是根据定予磁链和转矩的偏差情况来综合选取。采 用式( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 来决定和r 的取值，其中和r 分别为定予磁链和 转矩给定值与实际值之问的偏差。当实际转矩与给定转矩误差在给定误差环宽范 围内时，选用零矢量以保持转矩输出，减小电机转矩脉动，从而改善电机稳念性 能。 江苏大学硕士学位论文 f ( 尼) = 矿( 七) = l 0 1 1 l ；，：一中。 一咿| 2 庐( 七一1 ) l j 一妒。i s t i t 一 一 一 i 卜卜巧 江苏大学硬士学位论文 2 4 永磁同步电机直接转矩控制系统数字化方案 图2 s 所示为永磁同步电机直接转矩控制的系统控制框图。除检测部分和功 率电路部分由系统的硬件实现外，其他各功能均由d s p 软件编程完成。因此， 我们首先要实现控制算法的数字化。 直接转矩控制系统的控制过程如下：由传感器检测逆变器的直流母线电压和 电机的任意两相电流。检测出来的三路模拟信号，经过检测保护电路后送入d s p l f 2 4 0 7 中启动进行a i d 转换。然后在d s p 内部进行作软件控制程序处理，完成 控制系统各个流程的主要功能。山b s p 完成的系统控制各项功能如下：( 参照图 2 5 控制流程框图) 。 幽2 , 5 永融同步电机直接转矩控制系统框图 1 1 在a d d 转换后，对母线电压的数字信号进行处理- 由式( 2 2 3 ) 得出三 相电压的值。然后在静止定予坐标系下通过式( 2 2 4 ) 对电流电压进行三相两相 坐标变换。 江苏大学硕士学位论文 阱扛b 2 3 1 2 拈 2 1 2 滩i 1 2 拈 2 1 2 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 更咔l ，z 口 为定予电流、电压和定子磁链。当定子三楣对称时，z o 为0 。d q 系为定子静l 匕两相坐标系。 2 ) 通过u ( 、u 。和i 。、i 。，把式( 2 1 9 ) 离散化，估算定予磁链的值。k 时刻的定子磁链可通过对反电势的积分得到，具体计算如下： d ( 庀) = 肌1 + ( u 姒一l 一尺) i ( 2 2 5 ) ( 忌) = 】；f ，舭一l + ( u 目 一l 一尺) i ( 2 2 6 ) 帆( 七) = 肠丽 ( 2 2 7 ) 上式中t s 为控制采样周期，有k 一1 下标的变量表示时一个控制周期的变量值。 3 ) 根据估计的磁链和实测电流由来计算电机的瞬时转矩。在定子侧静l e 两 相d o 坐标系t ，转矩的表达式为： 7 ：n p ( 。雕) 0 ( 女) 一( 女) t 肚) ) ( 2 2 8 ) 4 ) 根据d o 轴定子磁链末判别其位置所在的扇区p 。由图2 1 可知， 喀d = 虬所以可由下式判断定子磁链所在扇区： 当0 时：如一j 3 _ t 9 8 了3 扇区1 如信巧了3 扇区2 如僖j 一j 3 扇区6 江苏大学硕士学位论文 当 0 时：如一j 3 蔓增巧 i 3 如培艿；3 如t 9 8 ：；：_ ，_ 。，i k 、 j 艺一? j ? 图27 定子磁链两坐标分鼙曲线幽 ，一 孓己一，”一 c 。 州。 卜寻_ - l ，。 _ _ j i 直_ 一q 。 - - l 1 1畸2 2 8 1 眦5 v ，婚m ： 幽2 8 相电流变化曲线 一 】f ：l _ ， j j 了寸订 。l - 删州州州叶州竹 lf t 瞧2 2 叼- ol i ：v 1柚0 m 譬 l t b $ 2 2 1 1 廿l z2 v 日o m 宣 拦2 9 速度跟随曲线 幽2 t 0 速度响应和转矩u 自应曲线 2 7 本章小结 本章介绍了永磁同步电机的恒磁链幅值控制的直接转矩控制理论基础：保持 定子磁链幅值不变情况下，控制电机的转矩角可以控制电机转矩。分析了直接转 矩控制中空间电压矢量的作用，提出了零矢量保持电机转矩不变的作用，并建立 了直接转矩控制新型控制方案。在同步电机直接转矩控制丌关表中转矩具有三种 状态，即增加、减小和保持。本章还通过仿真和实验验证了直接转矩方案的可行 性和电机系统优良的动态性能。 江苏大学硕士学位论文 第三章基于电压矢量细分的直接转矩控制的研究 3 1 传统直接转矩控制的局限性 直接转矩控制不需要复杂的磁场定向算法和电流内环控制就可以实现对磁 链和转矩的解耦控制，因而被认为是一种能够实现高精度和高动态性能的电动机 控制策略，鼠前一直是学术界研究的热点。但是其本身也仍旧存在一些不足，如 转矩脉动较大等。在第一章绪论中已经说明了影响传统d t c 控制低速性能的一 些主要原因。下面我们主要分析一下转矩脉动。 在全数字化的控制系统中，采样周期一股是固定的。直接转矩控制数字化策 略中，在一个采样周期内般只输出一个电压矢量电机输出转矩与给定值之叫 的误差大小与角速度甜，、负载和采样周期、有关。 图3 1 所示为低速时转矩脉动的仿真结果。这种脉动并不是一种单纯的交流 脉动，它还包含了直流的成份。另外一个值得注意的现象是转矩的锯齿形脉动现 象。时而是罔期性上行锯齿，时而是周期性下行锯齿，这些现象是由1 ：在一个采 样周期中转矩增加和转矩减少时的转矩变化率不同造成的。 7 图3 1 低速时转矩脉动分析图 由于电压型逆变器只有六个非零电压矢量可供选择，而这六个矢量在空i 刨上 是相隔6 0 “分布的，所以电压矢量的切换是不连续的，而磁通在旋转过程中其空 江苏大学硕士学