（电力电子与电力传动专业论文）多相永磁同步电机调速系统智能控制研究.pdf

多相永磁同步电机漏速系统智能控制研究 a b s t r a c t f o r m u l t i p h a s ep e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) f r e q u e n c y c o n v e r s i o ns p e e dc o n t r o ls y s t e mh a sh i g hr e l i a b i l i t y , s oi tb e c o m e so n eo fr e s e a r c h e m p h a s e si nt h ef i e l do fe l e c t r i ct r a n s m i s s i o n t h ep e r f o r m a n c eo fa cv a r i a b l es p e e d d r i v es y s t e mh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l ys i n c ef i e l d o r i e n t e dc o n t r o li sa p p l i e d t h i s p a p e re x p a t i a t e s a n da n a l y s e st h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fm u l t i p h a s ep m s m ， a n a l y s e st h ei m p o r t a n c eo fi n t e l l i g e n tc o n t r o lu s e di nm u l t i p h a s ep m s ms p e e dc o n t r o l s y s t e m a f t e rt h ef i e l d o r i e n t e dc o n t r o l o f t h r e e - p h a s ep m s md r i v es y s t e m i s i n t r o d u c ei nb r i e f , am a t h e m a t i c a lm o d e lo fm u l t i p h a s ep m s m ，t a k i n gas i x p h a s e p m s mw i t had u a l - s t a rw i n d i n gf o re x a m p l e ，i sd e r i v e db yc o o r d i n a t e st r a n s f o r m a t i o n a n dt h ec o n t r o lp i c t u r ei sd e s i g n e d i nt h i sp a p e r , i n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o d sa p p l i e d i nm u l t i p h a s es p e e dc o n t r o ls y s t e ma r ed e e pi n v e s t i g a t e d i na l l u s i o nt ot h en o n l i n e a r i t ya n ds t r o n gc o u p l i n go fm u l t i p h a s ep m s m ，f u z z y v e c t o rc o n t r o lm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r df i r s ti nt h ep a p e r s i m u l a t i o ni sd o n eo nt h e m u l t i p h a s es y s t e mw h i c hi sb u i l tp r e v i o u s l y t h e nf u z z yv e c t o rc o n t r o li si m p r o v e d a n dg e tb e t t e rp e r f o r m a n c e s e c o n d l y , c o n s i d e r i n gt h er e s p e c t i v ea d v a n t a g e so fp ic o n t r o la n df u z z yc o n t r o l ， ad o u b l em o d ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p r o p o s e dm e t h o dc o m b i n e st h es t r o n g p o i n to fp 1c o n t r o la n df u z z yc o n t r o lp e r f e c t l y a n dt h er e s u l t si sf a m o u s b e c a u s ei t sg o o dr o b u s t n e s sa n di n d e p e n d e n c eo nt h em o d e lo fp l a n to ff u z z y c o n t r o la n dg o o ds e l f - l e a r n i n ga b i l i t yo fn e u r a ln e t w o r k ，g a u s sf u z z yn e t w o r ki s p r e s e n t e d i ta l s or e c e i v e sg o o ds i m u l a t i o nr e s u l t f i n a l l y , m u l t i p h a s ep m s ms p e e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nb - s p l i n eb a s i sf u n c t i o n n e u r a ln e t w o r ki sp r e s e n t e d t h i si n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o dc o m b i n e st h eb e t t e rl o c a l c o n t r o lp e r f o r m a n c eo fb s p l i n eb a s i sf u n c t i o na n dg o o dr o b u s t n e s sa n di n d e p e n d e n c e o nt h em o d e lo fp l a n to ff u z z yc o n t r 0 1 i ts h o w se x c e l l e n ts p e e dc o n t r o lr e s u l t t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h e s ef o u ri n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m sh a v eb e t t e r p e r f o r m a n c eo v e rt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la n dg e n e r a lf u z z yc o n t r 0 1 t h ec o n t r o l s y s t e mh a sq u i c kr e s p o n s e 、 n 0o v e rs h o o ta n dg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cb e h a v i o r sa s w e l 】a sr o b r l s t n e s s n 硕士学位论文 k e yw o r d s ：f i e l d - o r i e n t e dc o n t r o l ；m u l t i p h a s ep m s m ；f u z z yc o n t r o l ；d o u b l e m o d ev e c t o rc o n t r o l ；f u z z yn e u r a l ；b - s p l i n eb a s i sf u n c t i o n i l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名： 啵易如日期：游弓月羽 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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：峨刁如 导师签名：钐湘磊林 ，、， o 日期：确年3 月讴日 日期：幽年3 月强日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在过去的2 0 年里，多相系统因为其高可靠性引起学术界和工程界的广泛兴 趣。多相电动机的应用侧重于军事以及高可靠性及大功率场合，如：核电站循环 水电动机、电动混合燃料车辆、航天航空和舰船推进等。1 9 8 1 年t m j a h n s 申请 了欧洲发明专利，采用1 5 相感应电机，蓄电池供电，以三相为子集构成多相系统， 每个三相子集都采用三相半桥逆变器六拍变频，应用于潜艇驱动系统。美国军方 于1 9 9 0 年1 月开始了潜艇新型电力推进系统研制计划【l 】，1 9 9 4 年8 月在那不勒 斯海军水下系统中心进行海试，其推进用电机为大功率永磁多相电机，主要参数 为：功率1 8 m w ，电压型逆变器，六相，极对数1 2 ；英国海军以多相感应电机为 对象，研制大功率综合全电力推进系统应用于未来的护卫舰和航空母舰等大型舰 船。 相对于多相系统而言，目前电工理论和实践多集中在单相和三相系统，电工 学科传统的研究内容是直流电以及工频三相正弦波交流电，主要研究电流、电压 的变化规律，对频率、相位、相数和波形等参数的研究是不充分的。现代电力电 子技术的崛起，将对电能的上述几大参数进行综合调控，特别是超过三相的多相 电机和多相变换系统的实现成为可能，相应的工作原理，设计理论将引起广泛的 兴趣和注意。 1 2 多相系统的优点 相比较三相系统，多相系统存在以下突出的优点【2 l ： ( 1 ) 用低压器件实现大功率。以往受到电源的限制，电动机都是三相的。三 相系统中，较大容量的电机都是高压的，调速系统对应的是高压的变频器。而多 相系统可以将供电电压降下来，功率一定时，相数增加，保持相电流不变，供电 电压下降。 ( 2 ) 在供电电压受限时，可用单管实现大容量。在战车、电动机车等应用场 合，供电电压受到限制，为了得到较大功率的变频调速设备，每相输出电流幅值 较高，实际运用中往往采用多管并联的方法。多相系统中，相电流幅值减小，单 管就可满足要求。 ( 3 ) 转矩脉动减小，系统动、静态特性提高。三相系统中，气隙磁势的5 次 谐波与基波交互作用而产生的6 次谐波转矩脉动，破坏系统的动、静态性能。随 多相永磁同步电机调速系统智能控制研究 着系统相数的提高，脉动频率提高，转矩脉动幅值大幅度下降。 ( 4 、系统整体可靠性提高。当系统有一相或几相退出工作时，系统只需降载 运行而不必停车。这非常适用于某些重要的不允许中途停车的场合。 ( 5 ) 转子谐波损耗( ，2 r ) 减小，每安培转矩输出增加。 正是由于多相系统上述诸多优点，各国科技人员从多个方面对其展开了研究。 对多相电机变频调速系统的研究方兴未艾。我国是稀土永磁材料丰富的国家，永 磁材料制造处于世界领先水平。因此研究多相永磁同步电动机变频调速系统的控 制理论和方法，具有重要的理论价值和工程实际意义。 1 3 多相电机调速系统的研究历史 r h n e l s o n 和p c 。k r a u s e 在二十世纪七十年代初首先对3 0 0 相位角的6 相电 机进行了计算机仿真【3 】，结果证实消除了通常存在于3 相电机中的6 次谐波转矩 脉动，但定子谐波电流幅值增大，针对这一问题，e a k l i n g s h i r n 研究了适用于多 相电动机的谐波滤波器，可有效抑制指定的谐波，对基波的阻抗为零1 4 j 。l x n 等 1 5 1 则在双三相定子绕组中插入磁环，增加相邻两相定予的互感，有效抑制了定子 谐波电流。2 0 世纪八十年代初，t m j a h n s 提出了相冗余的概念，指出一个适当 冗余的多相系统，在损失一相定子绕组后，不显著影响电机的平衡激励，相数越 多，影响越小【引。e a k l i n g s h i r n 采用对称分量法第一次比较完整地从理论上阐述 了多相电机系统的优点，并分析了其缺点，如定子谐波电流较大的原因，并认为 多相系统的优点的发挥和缺点的抑制需通过合适的控制算法来解决 l l 引。 e e w a r d 等以五相电机为对象，从理论上证实，分别采用六步和十步法供电，其 它条件相当时，5 相电机转矩脉动幅值是三相的三分之一，但定子三次和高次谐 波电流较大，其中三次谐波幅值达到基波的7 3 ，导致电机定子侧损耗增加【9 】， m a a b b a s 等采用广义的两相正交实变换建立了双y 相移3 0 0 的6 相感应电机的 等效电路和电压方程，从理论分析和试验证实转矩脉动和转子铜耗的幅值受限于 定子侧的电阻和漏抗，平均转矩脉动为三相的1 3 。k n p a v i t h r a n 1 0 】通过建立基 于复对称分量的5 相电机数学模型，结合原型电机调速系统进行对照研究，证实 5 相p w m 调速系统具有理想的性能。r h n e l s o n 等则以对称绕组为子集，n 个 子集构成的对称和不对称的多相系统( 如双三相，9 相等) 进行了研究，建立了 电机模型。模型的建立，为多相电动机的研究提供了理论依据。国内，许实章分 析了双三相感应电机和m 相对称绕组电机基波与空间谐波作用产生的谐波磁势 ”“，苏少平等对双三相感应电机的建模及参数测定和谐波分析进行了研究，结果 与【1 0 相同。 在二十世纪9 0 年代，随着电力电子器件与技术的发展，微机控制技术的迅速 进步以及微机处理突飞猛进的发展，使得复杂的电机调速方法得以实现，使得多 硕士学位论文 相电机调速系统向实用化迈出了坚实的一步。m o h a m e d 等人将一台普通的三相鼠 笼电机定子重新绕制，使其成为1 个双丫移3 0 0 的6 相电机，并用一台6 步法电 压型变频器驱动，通过试验证实，6 次谐波转矩脉动得到消除【l “，但定子谐波电 流较大，h a m i dt o l i y a t 等人针对变频器输出电压是方波而创造性地设计了集中绕 组呈矩形分布的感应电机，仿真和试验结果证明，这种形式的电机，不仅铁心利 用率提高，而且单位电流产生的输出转矩较大【13 】【l ”。g w m c l e a n 采用了傅立叶 级数对3 相9 相2 7 相电机在方波电压供电下的定子和转子损耗以及电机的效率进 行了研究，结果表明，当9 相和2 7 相电机采用了整矩方波绕组时，它具有与三相 电机正弦供电时相当的损耗与效率。逆变器供电的具有整矩方波绕组的多相电机 系统也成为之后的研究热点之一。k ，o g u c h i 等提出了一种新型的6 相逆变器系 统，通过连接于直流母线的单相辅助逆变器在直流母线上注入6 倍于输出频率的 纹波电压，在6 相电机上得到6 0 步的相电压波形，使逆变器实现了低开关频率下 近似正弦电压输出。该系统特别适用于高速大功率的多相感应电机调速系统【”l 。 采用何种p w m 控制方法来减少定子谐波电流也是这一时期的主要研究方 向。k g o p a k u m a r 对基于空间矢量的p w m 的逆变器供电的双三相感应电机进行 了研究，实验结果表明，它具有比三相电压更高的母线电压利用率，而且可以通 过选择更靠近期望轨迹豹矢量来得到尽可能低的谐波f l 引，y z h a o 等则从空间矢量 解耦的角度出发，通过空间分解得到d q 能量转换平面和2 个只产生谐波的零序 子空间，提出多相电机空间电压矢量选择方法，并采用拓展的矢量控制方法对双 三相电机系统进行控制，不但达到了高性能的控制效果，而且使得定子谐波电流 为最小。这是多相电机调速系统期望的目标【l7 1 。对于多相电机调速系统，交频器 相数增多后，从空间电压矢量调制的角度看，能够输出的电压矢量数目呈几何级 数增加，如5 相变频器有3 2 个空间电压矢量，6 相交频器有6 4 个空间电压矢量， 1 5 相变频器则有3 2 7 6 8 个空间电压矢量。空间电压矢量数目的增加，使得将电机 磁链控制得更加接近圆形，减小了转矩脉动，就更加有利于获得传动系统的快速 响应和平衡的静态特征。早期的多相电机p w m 算法中，较多地移植了在三相逆 变器的p w m 方法，文献 1 9 j 1 9 1 提出的多相逆变器p w m 算法研究中，提出了一种 基于载波调制的p w m 算法，该算法能够实现在线选择不同机理的p w m 算法， 比如当要求降低电机电流瞬变和系统损耗时，可以采用多相s p w m 算法，而在要 求提高母排电压利用率，保证系统获得最大转矩时，可以采用s v p w m 算法，这 种算法具有简单，便于微机实现的特点。 多相电机调速系统比三相系统具有更高的可靠性，对多相电机故障运行的分 析和采取何种控制策略来实现无扰运动的研究也成为这一时期重要的研究内容。 y i f a n z h a o 利用空间矢量解耦的方法，对因定子绕组开路而造成的不对称多 相感应电机调速系统进行了数学建模数字仿真2 0 】1 2 lj 。t h l i u 等2 2 1 对三相电机交 多相永磁同步电机调速系统智能控制研究 一直一交变频器供电缺一相时的运行状念进行了研究，为了实现剩余两相的独立 控制，需要有中线，把缺相后减小的磁势通过增大其他相的电流来补偿以保持总 的m m f 不变，其研究结果表明缺一相时，采用合适的控制方式可以保持恒定的 m m f ，但剩余两相的电流要增至1 7 3 2 倍，且中线上有较大的电流。j r f u 1 ， h a t o l i y a t 等1 2 4 】将t h l i u 对三相电机研究方法推广到多相电机。由于相数的冗 余，多相电机在缺相时不需要中线，可通过剩余相的电流幅值和相位的调整保持 m m f 不变，保持磁势m m f 不变的剩余各相电流值不是唯一的。j r f u 给出了 种以电流幅值最小，即i2 r 损耗最小为最优目标函数的算法。国内陈林运用对称 分量法分析了十五相感应电机在定子绕组多相开路时的稳态电流和转矩特性，建 立了多相感应电机在缺相时的稳态等效电路，采用数值求解方法获得了多相定子 绕组开路时的稳态向量 2 5 1 1 2 6 1 。 1 4 交流电机调速系统的智能控制 二十世纪九十年代后期，随着智能控制理论的发展，其研究成果也逐渐运用 到交流电机变频调速系统中，t o n g l i u 等1 2 7 儿2 8 1 1 2 9 】f 3 0 1 将基于神经网络的模型参考 自适应系统用于电机调速系统的位置和速度估计，b k b o s e 等1 3 1 】【3 = 2 1 将网络的参 数在线估计技术用于消除交流电机的转矩脉动。将模糊控制技术和神经网络技术 同传统的p i d 调节技术相结合构成的新一代调节器也运用到了交流电机的调速系 统中，迸一步提高了交流电机调速系统的性能，智能控制技术在交流电机变频调 速系统的应用研究方兴未艾 3 3 1 _ 3 9 l 。微处理器( d s p ) 和大规模可编程逻辑器件 ( c p l d 等) 的迅速发展，使得它们被广泛应用于高性能的交流电机调速 4 0 1 4 n ， 多相调速系统的应用研究也完全融入其中。4 h x u t a 2 l 等用t m s 3 2 0 c 3 2 d s p 对五相 电机系统分别采用转子磁场定向控带t j ( r f o c ) 和将模糊控制与直接转矩控锘j j ( d t c ) 相结合的方法进行研究，实验证明系统具有非常好的稳态和动态性能。 多相电机变频调速具有广阔的发展空间，但在我国对多相电机调速系统的研 究刚刚开始，在许多相关领域还是一片空白，特别是多相电机调速系统的智能控 制方法，到目前为止都未能提出有效的多相电机离线和在线参数辨识的方法，这 是提高调速系统性能的严重障碍【43 1 。因此开展对多相电机调速系统的智能控制方 法研究，具有重要的理论价值和工程实际意义。 1 5 课题研究背景 多相变频调速系统的主要应用领域有三个：一是系统可靠性要求很高的场合， 如宇航、潜艇的动力系统、核电站水冷却系统和战车等。二是低压大功率的传动 场合，如城市轻轨的牵引。三是大功率的精密传动场合，如轧钢等对速度控制精 - 缸 硕士学位论文 度要求很高的场合。多相变频调速系统的可靠性是其突出的优点，尽管三相拖动 系统为提高系统的可靠性，从软、硬件方面作了大量工作，但是系统一旦出现缺 相故障时必须停车。解决的方法往往是预备两套系统，在其中一套系统退出运行 时，立即将另一套投入工作。这样做十分不经济，在大功率传动场合尤其如此。 因此随着多相技术的逐渐完善，其应用必将日益广泛。 多相电动机变频调速系统主要可以分为两大类，多相感应电动机和多相同步 电动机，虽然目前国内外学者对多相电机的变频调速系统做了诸多研究，但绝大 部分研究对象都是多相感应电机，而对于多相永磁同步电动机则很少涉及，几乎 是一个空白。而我国是一个稀土资源丰富的国家，稀土矿的存储量是世界所有其 他国家存储量的4 倍左右，稀土矿和稀土永磁材料的产量均居世界前列，钕铁硼 磁性材料制造水平处于世界先进水平【4 ”。永磁同步电动机相比交流感应电机具有 体积小、惯性低、功率因数高、转矩密度大和动态响应特性好等突出优点。永磁 同步电动机变频调速系统也是交流传动领域重点的发展方向之一【4 5 】f 4 。研制将多 相系统的优点和稀土永磁同步电动机优良性能相结合的多相永磁同步电动机调速 系统，可以将我国的稀土资源优势转化为技术优势，具有广泛的运用前景。本研 究课题对多相永磁同步电机数学模型的建立，对多相永磁同步电机调速系统提出 了几种智能控制方法并进行了深入的研究，从而对多相永磁同步电动机变频调速 系统的发展起到积极的推进作用，填补了国内空白。 1 6 主要研究内容 本文以多相永磁同步电机为控制对象，对多相永磁同步电机变频调速系统的 智能控制方法开展了全面、深入的研究，全文的主要内容有： 首先介绍了矢量控制的原理并对三相永磁同步电机进行建模和仿真，在此基 础上，以双y 移3 0 0 六相p m s m 为研究对象，推导出了多相永磁同步电机的数学 模型；接着针对多相永磁同步电机调速系统的非线性、时变性、时滞性、不确定 性等特点，研究了多相永磁同步电机的控制算法，提出了多相永磁同步电机调速 系统的模糊矢量控制算法，并对此控制方法做了改进，设计了改进模糊矢量控制 方法。接着又提出了双模矢量控制算法、模糊高斯基函数神经网络控制算法及b 样条基函数神经网络控制算法，并对上述几种智能控制算法做了仿真分析研究。 多楣永磁同步电机调速系统智能控制研究 第2 章矢量控制原理和永磁同步电机数学模型 2 1 矢量控制的发展和基本原理 类似于电力系统中有交流供电与直流供电方案之争一样，在现代电机调速中， 长期以来就存在交流调速和直流调速方案之争，最后因多相交流电的发明，电力 系统的交流化获得胜利，从而使交流调速在电力拖动系统中拥有一席之地。在交 流调速控制中，也有标量控制和矢量控制。标量控制基于交流电动机的静态数学 模型，只对电机的电压、电流大小进行控制，因而不能获得理想的动态控制性能， 要想获得理想的动态性能指标必须寻找新的控制策略。 众所周知，直流电机的励磁电路与电枢电路相互独立，其励磁电流和电枢电 流可单独调节，从而使其励磁磁通、电磁力矩和转速也可分别调节，因此直流电 机具有良好的控制性能。然而交流电机中励磁电路与电枢电路不再独立，这导致 交流调速系统的静态性能和动态性能没有直流调速系统理想，因此探求一种与直 流电机尽可能相同的交流电机控制方案，是从事电力拖动的工作者多年向往的奋 斗目标，也是交流电力拖动系统控制的关键技术问题之一。1 9 7 1 年西德f e l i x b l a s c h k e 等人首先提出矢量变换控制( t r a n s v e c t o r c o n t r 0 1 ) 理论，成功解决了这 一难题，由此开创了交流电机等效直流电机控制的先河。其基本思路是以产生同 样的旋转磁场为准则，通过坐标变换，建立三相交流绕组电流、两相交流绕组电 流和在旋转坐标系中正交绕组直流电流之间的等效关系，把定子电流分解为两个 正交分量转矩分量和励磁分量，实现交流电机磁链和电磁力矩的解耦控制， 从而可按照直流电机的控制规律来控制交流电机，获得与直流电机一样良好的动 态调速性能。 随着现代控制理论的发展，交流电机控制技术的发展方兴未艾，无转速传感 器矢量控制、直接转矩控制、自适应控制、模糊逻辑控制及神经网络控制等各种 新型控制策略不断涌现。由于矢量控制中包含大量坐标变换、矢量运算以及非线 性的复杂运算，必须对交流瞬时值进行高速运算和实时控制，所以它对控制器的 运算速度、处理能力等性能要求较高f 4 7 1 。它的应用曾一度因处理器性能低而受到 制约，但1 6 位单片机8 0 1 9 6 m c ，尤其是d s p 的出现促进了它的飞速发展和广泛 应用。 硕士学位论文 2 2 坐标变换 直流电机的数学模型比较简单，丽交流电机在三相静止坐标系中的数学模型 很复杂，它是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，难于采用传统的控制方 法进行交流调速，因此有必要采用矢量控制 可能的简化，使其数学模型类似于直流电 机的数学模型。 三相系统的矢量控制中常用以下三种 坐标变换：三相二相变换( 3 s 2 s 变换) 、二 相，二相旋转变换( 2 s 2 r 变换) 和三相- - 相 旋转变换( 3 s 2 r 变换1 ，且后者是前两者的 合成。在磁动势和功率均不变的原则下， 由图2 1 可得3 s 2 r 变换对应的变换矩阵为 l 4 8 ： c o s ( # 一1 2 0 0 ) 一s i n 一1 2 0 0 ) l 2 即通过坐标变换将其数学模型做尽 图2 1 三相系统坐标变换示意图 e o s ( + 1 2 0 。1 一s i n ( 妒+ 1 2 0 0 ) l 4 2 c 矿 l s 厄i n 8s i n ( o 压- 1 2 0 * ) s i n ( 8 压+ 1 2 0 。) l ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 _ 3 ) 对应的逆变换矩阵为： c ：。，= c 3 。，7 ( 2 4 ) 记x ，= h 工。r ，x 2 r = k 。x q r ( 其中上标r 表示矩阵转置，z 可取 电压“、电流f 或磁链) ， 石2 ，= c 3 m ，。x k 屯j = c i r ，h x 2 ， 则存在如下变换关系。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 2 3 永磁同步电机概述 永磁同步电机分为采用正弦波电流驱动的永磁同步电机( p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r ，简称p m s m ) 和采用方波电流驱动的无刷直流电机( b r u s h l e s s ? 呷万 匡忪 一一 如 c 多相永磁同步电机调速系统智能控制研究 d cm o t o r ，简称b d c m ) 。和线绕式同步电机一样，永磁同步电机也是由定子和 转子两大部分组成，而定子又由定子铁心( 由冲有槽孔的硅钢片叠压而成) 、定子 绕组( 在铁心槽中嵌放电枢绕组) 组成。其基本结构如图2 2 所示。 从转子结构上分类，永磁同步电机主要有： ( 1 ) 凸极式永磁同步电机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 sm o t o r ) ( 2 ) 隐极式永磁同步电机i p m ( i n t e r i o r p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ) 根据转子极对数不同，永磁同步电机又可分为单极电机和多极电机。一对极 永磁同步电机的结构示意图如2 2 。 凸极式永磁同步电机由于结构不对 称，气隙磁场分布不均匀，其绕组间的互 感不仅仅是角位移的函数。与之相反，隐 极式永磁同步电机结构对称，气隙磁场分 布均匀，绕组间的互感仅与角位移有关。 为简单起见，本文主要以正弦波电流驱动 的隐极式永磁同步电机作为研究对象。 永磁同步电机具有以下特点： 图2 2 永磁同步电机结构示意图 ( 1 ) 电机转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控 制电机的转速。 ( 2 ) 永磁同步电机具有较硬的机械特性，对负载扰动有较强的鲁棒性。 ( 3 ) 永磁电机采用永磁体代替电励磁，无励磁电路，故定子倒不需提供励磁 电流，而只需提供力矩电流，同时转子无励磁损耗和铁损，故相对异步电机而言， 其效率和功率因数都较高，能在极低转速下保持同步运行，且调速范围宽；相对 直流电机而言，由于省去了电刷和端环，从而降低了故障发生率，减少了维护时 间。 ( 4 ) 转子结构大大简化，提高了电机运行的稳定性，并使其尺寸大大减少， 重量减轻，成为高能量密度，商效率的电机。 ( 5 ) 转矩惯性比商。 2 4 永磁同步电机的数学模型 为了分析方便，我们认为三相p m s m 为理想电机，即它满足下述假设【4 9 】1 5 0 】： ( 1 ) 忽略饱和、涡流、磁滞及趋肤效应的影响； ( 2 ) 感应电动势及气隙磁场均按正弦分布，且不计磁场的各次谐波： ( 3 ) 永磁体磁动势恒定，即等效的励磁电流恒定不变； ( 4 ) 三相定子绕组在空间呈对称星形分布，定子各绕组的电枢电阻相等：定子 各相绕组的电感相等； 培- 硕十学位论文 ( 5 1 转子上无阻尼绕组； ( 6 ) 不考虑频率和温度对电机参数的影响。 并按如下惯例选取坐标系的正方向： f 1 1 电压、电流的正方向符合电动机惯例； ( 2 ) 正电流产生正磁链； ( 3 ) 转子的旋转f 方向为逆时针方向。 在上述前提下，三相静止坐标系中永磁同步电机定子侧的磁链方程和电压方 程分别为： y 3 ，= l 。i 3 。+ p r b 。( 0 ) “h = r 如i 3 ，+ p j 式中： 卜 3 ，= l 口l ， l 。j ( 2 7 ) ( 2 8 ) 氏= 咆，b 篡：翠卜 对( 2 7 ) 进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换，即： c 3 。，。= g 。，l 。c 3 。，- i c 3 。，+ 盼c 3 。，e ，徊) ( 2 9 ) s i n ( o 一1 2 0 。) c o s p 一1 2 0 。) l 4 2 i ；i 】 m i 口i = c 3 m ，i b l i o j s i n ( o + 1 2 0 。、 c o s ( 8 + 1 2 0 。) i 1 j s i n ( 0 1 2 0 。) c o s p 一1 2 0 0 ) 1 4 2 0 0 1 5 l 。3 + l n 0 0 l f 3 j 1 0 5 一o 5 7 0 51 0 5 0 5 0 51 s i n ( 8 + 1 2 0 0 ) c o s ( 0 + 1 2 0 。、 1 4 2 1lj ) ) o o o 0口坦他 n 一 +s 疗口 ( ( n n s s 。l | | ) 伊 ( 3 f 1j 口 c ” ” 。l 一一 h “ 1，j hbk l = k ， 妒 一， 他 “ 岛 “ k j h陬k k 又 目曰 |l：枷甲万 围悟 怕妇|l：鲫甲万 。l 污 1 o 0 。l 3 已 m o o e5i ，l = 墨塑查丝旦垄皇丝塑塞至竺笪璧丝型型! 塞：一。! 妒，c 3 s 2 r e ，( 口) ”d 举咖s i n ( o o - 1 2 0 。”) s 咧i n ( o 掣+ 1 2 2 0 叼。) l 万西 万 f 话 l 0 j 记l d 3 = 1 5 l 。3 + 皓，3 = 1 5 k 3 + 上妇，l 0 3 = 厶3 即经过坐标变换后，由口坐标系下定子侧的磁链方程为 f 荔 ： 3 丢耋， i + 霉 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) _=xas i n o + x q c o s o + 去2 2 1 ( x 取甜、f 和_ f ，) ( 2 1 3 ) 将( 2 1 3 ) 代入( 2 1 2 ) 并整理得： u d r i d p 妒d + s 妒, q ) s i n o + ( u q - r i q p t ；，q 一( - 0 s d ) c o s 0 + 一1 ， 、u o r i 。一p ) = 0 ( 2 1 4 ) 由于( 2 1 4 ) 对任意p 值都成立，因此以下三式都必须成立： i u d = r i d + p 中d s 妒q 越q = r i 口+ p y 9 + ；d ( 2 1 5 ) i “。= r i o + p 。 由机电能量转换及电机统一理论【5 1 1 1 5 2 1 可知，电机的电磁力矩为： r = 一p t i n ( i f 5 i 4 + ) ( 2 】6 ) 式中i m 表示取虚部，+ 表示取共轭复数。 由于零序分量“不涉及机电能量转换，故只需考虑由坐标系下的直轴分量和 交轴分量，即： j ：2 妒。+ ，妒。( j 为虚数单位) li i j + j i q 。 由( 2 1 6 ) 及( 2 1 7 ) 可得： 疋= 一p i m ( g 。i ”) ( 2 1 7 ) l川玎 旷舻曰心挖 n 一 + 酊徊够 n 拄 一 旧p x 硕士学位论文 = 一p i m “y d + j e 。) ( 一j i q ) ) = p 眵。i 。一；f ，。) ( 2 1 8 ) 故：t = p 盯却，+ ( 三。，一l q 3 ) i 。i 。) ( 2 ，1 9 ) 在磁动势和功率均不变的原则下，由( 2 1 1 ) 、( 2 1 5 ) 及( 2 1 9 ) 可得，啦坐标系 下三相永磁同步电机定子钡8 的电压方程、磁链方程及电磁力矩方程依次如下： ? 2 譬：舭：吐乡 ( 2 2 0 ) 【甜= 月+ p g t 口+ t o i d 、。7 慨5l ，a 3 ? “1 5 7 ( 2 2 1 ) i = 三9 3 1 q 、 t = p n l 5 q ，i g + ( 上d 3 一上。3 ) 屯i ，j ( 2 2 2 ) 其中：、。为以q 轴定予磁链分景； 屯、屯为以g 轴定子电流分量； 厶3 、工。，为以母轴电感分量： 、“。为从口轴定子电压分量； 最尸分别为定子电阻和极对数； 国，、，、p 分别为同步电角速度、转子永磁体磁链和微分算子州西。 由力学知识可知，电机的机械方程： j p t o = t 一互一b t o( 2 2 3 ) 其中：脚为转子机械角速度，且国= 国p 了、矸和口分别为转动惯量、外加负载力矩和阻尼系数。 选、i a 、0 和国为状态变量，则电机的状态方程和输出方程为( 见一电角度) ： 五 易， p t o l d 3 s o 号乜。一，k ； 0。00辫10 一污半 8 一二 l + l 岛， 0 o 0 0 l 上9 3 o o f 2 2 4 ) 1j 甜材丁 l 10，0，llj 0 o 0 一， 等专也j 多相永磁同步电机调速系统智能控制研究 f g ， z d 乱 t o 1 o o p ( l d 3 一l q 3 ) i q 1 0 o o 4 i 3 p v , ， 2 5 三相永磁同步电机的仿真 潍 f 2 2 5 ) 本节将简单介绍本论文所用到的计算机仿真环境m a t l a b s i m u l i n k ， 并根据前面推导的数学模型建立仿真模型，利用它对三相永磁同步电机矢量控制 系统进行数字仿真，以便和后续章节的多相永磁同步电机做性能比较。 2 5 1m a t l a b s i m u l i n k 简介 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司开发的用于数学计算的套软件，它具有强大的 数值运算功能、丰富的工具箱、简便的绘图功能、可视化的仿真环境s i m u l i n k 。 s i m u l i n k 可以对非线性控制、电力系统、模糊控制等进行深入的建模、仿真和 研究。s i m u l i n k 由模块库、模型构造及分析指令、演示程序三部分组成。大多 数情况下，用户很少需要编写程序，只需用鼠标拖拉、连接其自带的图形化功能 模块，就可以直观地建立起被研究系统的数学模型，并进行仿真和分析研究。更 重要的是，s i m u l i n k 能够用m a t l a b 自身的m 语言或c 、f o r t 队n 语言， 按照s 函数的模版，编制用户自定义的功能模块。 s i m u l i n k 仿真工具箱中包括了用于仿真模糊控制系统的模糊工具箱( f u z z y t o o l b o x ) ，以及专门用于电力电子、电气传动系统仿真的电气系统模块库( p o w e r s y s t e mb l o c k s e t ) 。模糊工具箱主要包括模糊逻辑控制器，而电气系统模块库包括 以下八个子模块： ( 1 ) 电源模块：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和 可控电流源等。 ( 2 ) 元件模块库：包括串并联r c l 负载支路、变压器、互感器、断路器、 分布参数线路和电涌放电器等。 ( 3 ) 电力电子模块库：包括理想开关、m o s f e t 、二极管、晶闸管和g t o 等。 ( 4 ) 测量模块库：包括电流测量、电压测量模块。 ( 5 ) 连接模块库：包括地和中性点及各种连接器等。 ( 6 ) 电机模块库：包括异步电机、同步电机和永磁同步电机等。 ( 7 ) 附加电气系统模块库：包括功率测算、傅立叶分析、可编程定时器、同 步脉冲发生器以及三相库等。 2 5 2 三相永磁同步电机的仿真 硕士学位论文 基于转子磁场定向的三相p m s m 矢量控制系统仿真框图如图2 3 所示。图中 p i 模块为带饱和限幅输出的速度环p i 控制器，具体实现如图2 4 ，它根据电机实 际速度及给定速度来确定电流转矩分量；p w m 模块采用电流滞环控制( 如图2 5 ) ， 使电机实际电流跟随给定电流变化，具体实现如图2 6 ；模块d q 2 a b c 实现2 r 3 s 变换，具体实现如图2 7 ，其中函数模块f c n 、f c n l 和f c n 2 一起实现2 r 3 s 变换 公式f 2 6 ) ；m m d 模块为电机测量模块，它实时测量电机的速度、电流、转子位 置等信号：p m s m 模块为m a t l a b 提供的满足( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 的永磁同步电机模 型，它的具体实现如图2 8 2 1 2 。仿真参数如表2 1 ，当p m s m 外加图2 1 3 所示 负载时，系统仿真结果如图2 1 4 2 1 7 。 图2 3 三相永磁同步电机矢量控制仿真框图 e o m 口| 虚 图2 6p w m 模块具体实现 阿亘 i f 。” l 搿十母 m l 琳 f 曲1 夏 图2 7d q 2 a b c 模块具体实现 多相永磁同步电机调速系统智能控制研究 图2 8p m s m 模块具体实现 t 图2 9 m e c 模块具体实现 图2 1 0i q ，i d 模块 图2 1 1i q 模块具体实现 i q p r o d u c t 图2 1 2 i d 模块具体实现 o”1 ”h 留 “o ” 图2 1 3 外加负载曲线 ：妒 - f _ 纛震簇 o。出 “皿l o 甜。咕。睛 图2 1 4 速度响应曲线 爵继粤 田 帕 荸昌饕 6 2 a 言盖r#g 硕士学位论文 图2 1 5 交轴电流曲线 k i 艘l 淞 f p r 一b 柑电流 c 相电流 o”1”2