（电力电子与电力传动专业论文）基于磁通轨迹法的高精度转速源研制.pdf

堕苎三些查兰堡! 兰些笙兰 垒! ! ! ! 竺! a b s t r a c t t h eb e n c h m a r kr e ve q u i p m e n ti sd e s i g n e dt op r o v i d es p e e dr e f e r e n c ef o rt a c h o g e n e r a t o r st e s t i n g ，w h i c hh a sh i g hv e l o c i t yp r e c i s i o n ，w i d es p e e dr a n g e a n d s t e p l e s s s p e e da d j u s t m e n t as y s t e mw i t hr e p m s m ( r a r e e a r t hp 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 ) a se x e c u t i n gm o t o ri sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h eh a r d w a r ep l a t f o r m f o rt h ea c s p e e dr e g u l a t i n gs y s t e mi sb a s e d o nt m s 3 2 0 f 2 4 0d s pc o n t r o l l e ra n d u s e si p m ( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d e l ) a st h ep o w e rd e v i c ei nt h ei n v e r tc i r c u i t a f t e r s t u d y i n gt h e t r a i t sa n d o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h er e p m s m ，as p e e d a d j u s t i n gs c h e m ec o m b i n i n g t h ei n p h a s ev a r i a b l e - f r e q u e n c ys p e e da d j u s t i n gw i t ha s p e e d c l o s e dl o o pi si n t r o d u c e ds p e c i a l l y t og e t a h i g hp r e c i s i o nr o t a t es p e e d ，t h e s y s t e mh a sr e a l i z e dt h er e s p e c t i v ec o n t r o lo f l p m si n p u td cv o l t a g ea n do u t p u t v o l t a g ew a v ef r e q u e n c y c o n s i d e r i n g t h es y s t e m sw i d e s p e e dr a n g ea n d i p m s s w i t c h i n gf r e q u e n c y st o pl i m i t ，t h ev a r i a b l ef l u xl i n k a g el o c u ss t r u c t u r ec o n t r o lh a s b e e ne x e c u t e di nt h ef u l ls p e e da d j u s t i n gr a n g e b a s e do nt h et h e o r yc r e a t i o no f s p a c ev o l t a g e v e c t o r sp o l y g o n a lf l u xl i n k a g e l o c u s ，f r e e w i l lp a r t i t i o no f t h e i d e a lf l u xc i r c l ei sr e a l i z e db yt h es o f t w a r em e t h o d f u r t h e r m o r e ，d i f f e r e n tp o l y g o n a lf l u xl i n k a g el o c u s sf l u e n ts w i t c h i n gp o i n ti sa l s o f o u n d ，w h i c ho v e r c o m e st h em o t o r s w i t c h i n g f a i l u r ea n d i m p r o v e s t h es p e e d a d j u s t i n gd y n a m i cp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：d s p c o n t r o l l e 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 s p a c ev o l t a g e v e c t o r p o l y g o n a l f l u x l i n k a g e l o c u s 西北工业大学顺十学位论文 第一帝绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 本课题是为某飞机设计研究所设计的基准转速源，用于对测速发电机的校 准。测速发电机与航空发动机相连，为了精确测得航空发动机的转速，需要测 试测速发电机的转速和输出电压对应曲线，这就要求有电动机驱动系统对其提 供精确速度驱动。作为基准的转速源要求有很高的速度精度、较宽的调速范围， 能够实现平滑的无级调速。 系统要求调速范围5 0 9 0 0 0 r p m ，调速精度l r p m ，输出转矩0 1 n m 动态指标没有严格要求。 1 2 现代交流调速技术的发展现状 电机调速系统可分为直流调速系统和交流调速系统两大类，而交流调速系 统按电动机型式不同又可分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。长 期以来，直流调速系统以其优良的调速性能，在调速传动中占统治地位；然而 随着生产技术的不断发展，其薄弱环节逐步显现出来。 自2 0 世纪6 0 年代以来，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，交流调速技术得到了迅猛的发展，具备了宽调速范围、高稳速精 度、快速响应特性以及四象限运行等优良的技术性能，并实现了交流调速装置 的系列化。交流调速系统可与直流调速系统相媲荚，正在逐步取代直流调速系 统。 1 2 1 电力电子技术方面 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。2 0 世纪5 0 年代术出现 西北工业人学坝一 ：学位论文第一章绪论 了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代 旋转变频机组实现了交流变频调速。然而，晶闸管属于半控型器件，只能由门 极控制导通而不能控制关断因此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必 须附加强迫换相电路，增加了系统成本和复杂度。 2 0 世纪7 0 年代以后，电力电子半导体技术突飞猛进，出现了开或关都能 控制的全控型电力电子器件( 亦称可关断器件) ，如可关断晶闸管( g t o ) 、功 率晶体管( g t r ) 。8 0 以来，微电子技术与电力电子技术在各自发展基础上相 结合又产生了高频化、大功率的全控型功率集成器件，主要有功率m o s 场效 应管( p o w e r - m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、 静电感应式晶闸管( s i t h ) 及m o s 控制晶闸管( m c t ) 等。 目前，电力电子器件正向大功率、高频化、模块化、智能化的方向发展。 8 0 年代以后出现的功率集成电路( p o w e ri c p i c ) ，将功率开关器件、驱动电 路、保护电路和接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，具有很优越的 使用性能。当今已广泛应用于交流调速领域的智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e - - i p m ) ，采用i g b t 作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、 短路、超温、欠压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智 能功能。即减少了体积、成本、重量，又提高了可靠性，使用维护更加方便， 是功率器件的重要发展方向。 1 2 2 变频器方面 随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得了飞速的发展。以普通 晶闸管构成的方波形逆变器被全控型高频率开关器件构成的脉宽调制( p w m ) 逆变器取代后，s p w m 逆变器及其专用芯片得到了普遍应用。磁通跟踪型p w m 逆变器以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹 一理想磁通圆( 又称理想磁链圆) ，即用空间电压矢量方法决定逆变器的开关状 态，形成p w m 波形。由于控制简单，已经在逐步替代传统s p w m 逆变器。 电流跟踪型p w m 逆变器为电流控制型的电压源逆变器，兼有电压和电流 西北t 业大学硕卜学位论文第一审绪论 控制型逆变器的优点，滞环电流跟踪型p w m 逆变器更因其电流动态响应快、 实现方便，受到重视。目前，随着器件开关频率的提高，并借助于控制模式的 优化以消除指定谐波，已使p w m 逆变器的输出波形非常逼近正弦波。但在电 网侧，尽管以不控整流器取代了相控整流器，使基波功率因数接近于1 ，然而 电流谐波分量大，总功率因数仍很低，消除对电网的谐波污染并提高功率因数 已构成变频技术不可回避的问题。为此，p w m 整流技术的研究、新型功率因 数变频器的开发，在国外已引起广泛关注。 p w m 逆变器工作频率的进一步提高会受到开关损耗的限制，特别是大功 率逆变器，工作频率不取决于器件开关速度而受限于开关损耗；并且电磁干扰 也随着高频化而变的突出出来。近年研究出的谐振型逆变器是种新型软开关 逆变器，由于应用谐振技术使功率开关在零电压或零电流下进行开关状态转换， 开关损耗几乎为零，使功率提高、体积减少、重量减轻、成本降低，是很有发 展前景的变频器“1 。 1 2 3 电机控制理论方面 在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破性进 展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转 矩控制要困难得多。2 0 世纪7 0 年代初，德国学者提出的矢量控制理论解决了 交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经 过转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解 耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。这样使交流调速系 统达到了与直流调速系统同样优良的静动态性能。 2 0 世纪8 0 年代提出的直接转矩控制理论，其思路是把电机与逆变器看作 一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通 过磁通跟踪型p w m 逆变器的开关状态直接控制转矩。这种方法不需要坐标变 换，也不需要依赖转子的数学模型，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简 单，便于实现全数字化，已经进入应用阶段。 西北工业人学坝士学位论文第一章绪论 近十年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，取得了大量的 研究成果，在实验室已经制成了性能指标相当高的样机。无速度传感器是指利 用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算以取代速度传感器。 其关键在于在线获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制要 求。目前常用模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法来实现无速度传感器控制。 无速度传感器技术不需要硬件检测部件，也免去了传感器带来的环境适应性、 安装维护等麻烦，因而提高了系统可靠性，降低了成本。 随着现代控制理论的发展，非线性解耦控制、人工神经网路自适应控制、 模糊控制、专家系统等新的控制策略正在应用于交流电动机控制领域，交流调 速技术必将展现更为广阔的应用前景。 1 2 4 微控制器方面 微控制器，是大规模集成技术发展的产物，它的广泛应用从根本上改变了 传统控制系统设计思想和设计方法。一方面，微控制器的应用促进了模拟控制 系统向数字控制系统的转化( 数字化技术) ：另一方面，从前必须由模拟电路或 数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用微控制器通过软件方法实现( 微 控制技术) “1 。数字化技术和微控制技术给交流调速技术的发展带来了革命性的 变革。 微控制器的应用使得复杂的矢量控制得以实现，大大简化了硬件，降低了 成本，提高了控制精度，而且自诊断功能和自调试功能的实现有进一步提高了 系统可靠性，节约了大量的人力和时间，操作、维修都更加方便。电机控制领 域的许多常用功能，如p w m 的生成和调制、桥式电路的死区、s p i 、s c i 、a d 、 w a t c h d o g 等，现在都可以通过软件方法方便地实现。高性能电机微控制器的出 现，为非线性解耦控制、智能控制和模糊控制等各种新的控制策略在交流调速 领域的应用提供了可能。 随着大规模集成电路技术的发展，近年来出现了多种新型用于电动机控制 的专用单片微控制器。目前具有代表性的有：美国i n t e l 公司的8 x1 9 6 m c 系列， 4 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 日本n e c 公司的p d 7 8 3 3 6 系列，同本日立公司的s h 7 0 0 0 系列，t i 公司的 t m s 3 2 0 c 2 4 x d s p 控制器系列。其中t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x d s p 控制器是当 前最为流行的电机控制器芯片，它以强大的运算能力和丰富的软硬件资源获得 了广大交流调速系统设计者的青睐。 总之，随着电力电子器件和微控制器芯片的不断推陈出新、电机控制理论 的同臻成熟、计算机技术和微电子技术的飞速发展，现代交流调速技术越来越 广泛地应用于社会生产生活的各个方面，正展现出更为广阔的发展前景。 1 3 论文的主要工作 1 根据系统的性能要求，选取正弦波永磁同步电动机作为执行电动机，并 对电动机特性做了理论上的分析，找到了精度较高的电机参数解析公式。 2 ，研究永磁同步电动机的各种控制方式，找出其控制规律和控制的关键技 术，确定了以他控式同步变频调速为主、转速闭环调节为辅的系统调速方案。 3 确定了逆变器直流侧电压和输出波形频率分开调节的控制策略，实现了 了商精度、宽转速调节范围下的变磁链结构的调速方法。 4 对磁通跟踪型p w m ( 又称电压空间矢量p w m ) 原理进行了深入研究， 找到了生成任意多边形磁链轨迹的软件算法，并对任意多边形磁链轨迹的转矩 脉动进行了软件仿真和分析；实现了不同磁链轨迹结构的软件平滑自动切换方 法，进而实现了同步方式下的转速快速调节。 5 确定了以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 做为主控制器的控制系统，所有硬件电 路的设计和器件选型，p c b 版的设计、焊接与调试。 6 整个系统的软件设计与编程，性能优化，各种参数调试，使动态性能和 稳态性能满足项目要求。 7 系统的箱体设计、机械绘图和安装调试。 8 各种技术文档、用户手册的编写。 西北二r = 业大学硕k - 学位论文第二二章系统的总体方巢设计 第二章系统的总体方案设计 现代电动机调速技术的飞速发展，给调速系统设计者提供了多种方案选 择。电动机调速系统从电流型式上分为直流调速和交流调速两大类，交流调 速系统又分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。这三种调速系统 各有优缺点，其中异步电动机和同步电动机调速系统占主导地位。根据系统 的性能要求，比较三种调速系统的性能特点，确定了以永磁同步电动机为控 制对象的同步电动机调速系统方案。 2 。1 电动机的选型 电动机作为整个调速系统的执行机构，在很大程度上决定了系统的性能 指标、调速方法以及控制策