（电力电子与电力传动专业论文）永磁同步电机数字交流伺服系统的研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e r c ho n t h ed l g l t a ls e r v os y s t e mf o r t h e 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 m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i ca n d p o w e rd r i v e n a m e ：t a os h e n s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r = p r o f e s s o ry a n r uz h o n gs i g n a t u r e l e c t u r e ry a n p i n gx us i g n a t u r e ： a b s t r a c t h ig l lp e r f o r m a n c ea cs e r v os y s t e m s ，w i d e l yu s e di nv a r i o u sa r e a s ，a r ed e m a n d e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e mj n d u s t r i a l i z a t i o n a cs c r v os y s t e r n sh a v ea d v a n t a g e so v e rd cs e r v o s y s t e m s ，s oi t i sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o ph i 曲p e r f o r m a n c ea n dh j 曲r e l i a b i l i t ya cs e r v o c o n t r o ls y s t e m s i nt h i sp a p e r , t h ec o n t r o lm e t h o do ft 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 “p m s m ) a n d i t sm a t h e m a t i cm o d e la r ef u l l ys t u d i e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fp m s ma n dc l o s e 1 0 0 p c o n t r o lm e t h o d so fp m s mc u r r e n t 、s p e e da n dp o s i t i o na r ed e t a i l l yd i s c u s s e db a s e do nt h e p m s mm a t h e m a t i c a lm o d e l si nt h e d i f f e r e n tr c f e r e n c ef r a m e s t h c nt h ep o s i t i o ns e r v os y s t e m i ss i m u l a t e db ym a t l a b s i m u u n k t h ec o n t r o lm e t h o di sp r o v e dc o r r e c tb yt h es i m u l a t i o n r e s u l t m o r e o v e rt h et h e s i sp r e s e n t sah i g h f r e q u e n c ys i g n a li n i e c t i o nm e t h o dt oo b s e r v er o t o r p o s i t i o nb a s e do 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 rm o d e l s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w i ti sa d i u s t i n ga n de f f e c t i v et oe s t i m a t er o t o rp o s i t i o n i t sp r o v e ds u c c e s s f u lo np m s m ss e w oc o n t r o lb a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r f d s p ) c h i pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 i n c l u d i n gc u r r e n t 、s p e e da n dp o s i t i o nc o n t r 0 1 n ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s p r o v em a tt h i ss e r v os y s t e mh a sv e r yw i d er a n g eo fr e g u l a t i n gs p e e da n dh a sg o o dd y n a m i c a n d s t a t i cb e h a v i o r s m o r e o v e rs o m ef u n c t i o n so fs c r v os y s t e ma r ea c c o m p l i s h e d s o ，t h es e r v o s y s t e mc a nm e e tt h ed e m a n do fh i g hc o n t r o lp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：a cs e r v o ；h i g h - f r e q u e n c ys i g n a l ；v e c t o rc o n t r o l 2 兹学 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：i 盘渣蛰口7 年月日 学位论文使用授权声明 本人j ! 幽渣在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研耳的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：也渣导师签名年笋月卫日 第1 章绪论 1 绪论 目前，随着电力电子技术、微电子技术、电机制造技术、现代控制理论和计算机技术 的发展，伺服控制系统在机电一体化、工业机器人、柔性制造系统等等许多高科技领域中 得到了广泛的应用人们对伺服控制产品的性能、功能及性价比要求越来越高。因此，研 究与开发高品质的交流伺服控制系统，具有极其重要的现实意义n “。 1 1 伺服系统简介 “伺服( s e r v o ) ”一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”做成个 得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求两动作。伺服系统的准确定义指物体的位置、 状态等输出被控量能够跟随输入给定值的任意变化的自动控制系统。伺服系统的主要任务 是按照控制命令的要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的力 矩、速度及位置都能得到灵活方便的控制“。 伺服系统的结构如图卜1 所示，它是具有信号反馈的闭环控制系统，主要包括位置反 馈部分、误差放大部分、执行机构和被控对象。 图卜1 伺服控制系统结构 f i g i 一1s t r u c t u r eo f $ e i w os y s t e m 1 2 交流伺服控制系统的发展概况 电机控制系统按控制方式主要分速度控制和位置控制两大类。传统的电气传动系统一 般指速度控制系统，对于位置控制( 伺服) 系统，一般功率较小，并有定位要求和频繁起 制动的特点。 伺服系统的发展紧密的与伺服电机的不同发展阶段相联系，迄今为止主要经历了三个 阶段： ( 1 ) 液压伺n ( 6 0 年代以前) ：主要以步进电机驱动液压伺服马达或者以功率步进电 机直接驱动，响应时间短，外型尺寸小但是发热大、效率低、易污染环境、不易维修且不 能满足高性能要求； ( 2 ) 有刷直流伺服( 6 0 - 7 0 年代) ：这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时 代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服 系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电 动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。但是有刷直流电机换向器、 西安理工大学硕士学位论文 电刷易磨损，需要经常维护，换向器会产生火花，限制了电动机的最高转速和过载能力， 且无法直接应用在易燃易爆的工作环境中； ( 3 ) 第三阶段是二十世纪8 0 年代至今，以机电一体化发展为背景。由于伺服电机结 构及永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流电机、交流伺服电机等许多新型 电动机，同时电力电子技术、微处理器的迅速发展引发伺服驱动装置经历了模拟式、数字 模拟混合式和全数字化等几个发展时期1 。 自2 0 世纪8 0 年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备的重要驱动 源之一的伺服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能交流伺服系统成为国内外的 共识。有些努力已经取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能， 改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式”上存在 从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法”估计转 子转速和位置的“无速度传感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技术改进永磁同步电 机( p m s m ) 转子结构和性能，以削弱因齿槽转矩所造成的p m s m 转矩脉动对系统性能的影 响；采用基于现代控制理论为基础的具有较强鲁棒性的滑模控制策略以提高系统对参数摄 动的自适应能力；在传统p i d 控制基础上引入非线性和自适应设计方法以提高系统对非 线性负载类的调节和自适应能力；基于智能控制的电机参数和模型识别，以及负载特性识 别。与直流伺服系统相比：交流伺服控制系统没有换向器和电刷，坚固耐用，维护量小， 却具有类似于直流电机的控制性能；与异步伺服系统相比：它容易制动、无转子损耗、控 制简单，能够很好的满足快速、准确、精密的位置控制场合的要求；与无刷直流伺服系统 相比：它转矩脉动小，低速性能好。 根据国外资料，早在2 0 世纪7 0 年代末之8 0 年代初就推出了永磁同步交流伺服系统。 1 9 7 8 年汉诺威贸易博览会上西德的m a n n e s m a n n 公司i n d r a m a t 首先正式推出h a c 永磁交 流伺服电机系列及其驱动系统。 随着微电子、电力电子技术、永磁材料技术和交流可调速驱动技术的发展，永磁交流 伺服技术有着长足的进步。国外著名电器( 气) 公司相继推出并不断完善、更新各自的交 流伺服系统。目前，高性能伺服系统大多采用永磁同步交流伺服电动机，控制驱动器大多 采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。其中k o l l m o r g e n 公司i n d u s t r i a ld r i v e 工业 驱动分部自矿金系列”( g o l d l i n e ) 代表了当代永磁交流伺服技术的最新水平，其推出了几个 系列的交流伺服电动机和驱动器，其中伺服放大器b s d 5 具有代表性，它采用1 6 位微处理 器，具有“电子齿轮箱”的功能，当位置分辨率取为1 2 位时，最大速度为8 0 0 0 r m i n ，调 速范围高达1 5 0 0 0 0 0 0 ：1 ，位置分辨率为5 2 7 弧分，定位精度为1 8 弧分。 综合交流伺服系统的发展与现状，展望其未来，全数字化、微型化、高性能化和智 能化将是交流伺服系统今后发展的必然趋势。主要表现为： ( 1 ) 伺服技术将继续迅速地由直流伺服系统转向交流伺服系统； ( 2 ) 交流伺服系统将向两大方向发展：一个方向是简易低成本的交流伺服系统将迅 2 第1 章绪论 速发展，应用领域进一步扩大：另一个方向是向更高性能的全数字化、智能化、软件化伺 服方向发展，以满足高精度数控机床、机器人、特种加工设备精细进给的需要，这是交流 伺服系统发展的主流，反映了交流伺服系统发展的水平和主导方向； ( 3 ) 交流伺服系统内采用数字电路、数字信号处理器，实现全数字化、软件伺服技 术，增强交流伺服系统设计与使用的柔性； ( 4 ) 由于高速数字信号处理器用于交流伺服系统，现代控制理论、人工智能、模糊 控制、神经元网络等新成果将应用于交流伺服系统研究中： ( 5 ) 交流伺服系统中所用的电力电子器件将不断向高频化方向发展，智能功率集成 电路将进一步得到普遍应用，逆变器也将逐渐转变为高频化、小型化的无噪声逆变器。 1 3 交流伺服控制系统的性能要求 作为高性能的伺服系统，其主要控制目标就是迅速跟踪指令值的任意变化。虽然因应 用场合的不同，其性能指标会有所侧重和差异，但都包含反映系统跟踪性能的技术指标。 对伺服控制系统来说，伺服系统必须具备可控性良好、稳定性高和响应快等基本性能。判 断控制性能好坏主要有以下几个方面： ( 1 )调速范围：伺服系统的速度控制应当具有足够宽的速度控制范围。即电机所能 提供最高转速，l 一和最低转速以。之比； ( 2 )静差率：即电机以某一转速运转时，由空载增加到额定负载时转速降落与空载 转速之比； ( 3 )控制精度：定位精度是评价位置伺服系统位置控制准确度的性能指标。系统最 终定位点与指令目标值间的静止误差定义为系统的定位精度； ( 4 )快速性：输出量是否快速而准确地响应控制命令，响应速度、跟踪控制命令的 能力如何； ( 5 )稳定性：伺服系统是否稳定，稳定是系统正常工作的前提。 1 4 本课题的研究背景、意义及主要研究内容 1 4 1 本课题的研究背景及意义 资源短缺是人类面临的共同难题。目前，全世界一半以上的电能是消耗在交流电机的 驱动上，而且基本上采用恒速工作方式。只要将低成本、高效率的交流伺服技术应用到这 些系统上，便可极大的提高电机的运行效率，得到显著的节能效果。而且，高性能的交流 伺服系统作为一个高技术产品，在宇航、军事、机器人及精密数控机床等领域具有十分重 要的地位。 永磁同步电机交流伺服系统由于其控制简单、性能好，在高性能的交流伺服系统领域 占据了很重要的地位。 西安理工大学硕士学住论文 1 4 2 本课题的研究目的 ( 1 ) 掌握永磁同步电机的结构特点、数学模型及运动规律； ( 2 ) 熟悉数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的编程环境，将基于磁场矢量定向控制方 法应用到交流伺服系统中； ( 3 ) 熟悉数字永磁同步电机交流伺服系统主电路及控制电路； ( 4 ) 完成永磁同步电机伺服系统电流环、速度环及位置环的实验； ( 5 ) 改善测速方法，提高伺服系统的调速范围； ( 6 ) 完成伺服系统功能的软件编程，并对软件进行测试。 1 4 3 论文的主要内容 论文章节内容安排如下： 第一章是绪论，简单阐述了伺服系统的结构组成及发展概况，介绍了当前交流伺服系 统的研究现状及发展趋势，以及课题的意义和本文的主要研究内容。 第二章建立了基于磁场定向控制的永磁同步电机的数学模型，为了便于系统实现数字 化控制，建立了相应的标幺值模型。 第三章主要介绍了永磁同步电机服系统矢量控制原理以及本伺服系统所采用的控制 方案，在建立其模型的基础上进行了仿真验证。仿真结果表明，该系统稳态运行平稳，动 态响应较快。同时详细阐述了基于高频信号注入法的转子位置检测原理，并建立了相应的 仿真模型，实现了对高频信号的处理并提取出了转速和位置信息。仿真结果证实了这种方 法的可行性与有效性。 ， 第四章介绍了永磁同步电机伺服系统的硬件设计，主要包括d s p 最小系统、d s p 的外 围电路、主回路及保护电路的设计。 第五章主要介绍了永磁同步电机伺服系统的主要部分软件流程及部分相关算法的推 导及实现。 第六章主要介绍了全数字永磁同步电机伺服系统实验结果及分析，验证了理论和软硬 件设计的正确性。 第七章总结了本文所做的工作，并对下一步的工作展望。 4 第2 章永磁同步电机的结构与数学模型 2 永磁同步电机的结构与数学模型 2 1 永磁同步电机的发展概况 1 9 世纪2 0 年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但 当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石( f e 3 0 4 ) ，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞 大。不久被电励磁电机所取代。 铝镍钴永磁的矫顽力偏低( 3 6 1 6 0k a m ) ，铁氧体永磁的剩磁密度不高 ( 0 2 0 4 4 d ，限制了它们在电机中的应用范围。一直到2 0 世纪6 0 年代和8 0 年代，稀 土钴永磁和钕铁硼永磁( 二者统称稀土永磁) 相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、 高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入 一个新的历史时期。 永磁同步电机具有电磁转矩纹波系数小、动态响应快、运行平稳、过载能力强等优点， 非常适合在负载转矩变化较大的情况下使用：而且它的功率因素高，在轻载运行时节能明 显，长期使用时可以大幅度节省电能；另外电机体积小、重量轻、结构多样化，因而应用 范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。 2 。2 永磁同步电机的结构 永磁同步电机( p m s m ) 与普通同步机在定子结构上是一致的，由三相绕组及铁心构成， 且电枢绕组通常为星型连接。在转子结构上，是用磁体取代普通同步机的励磁绕组，从而 省去了励磁线圈、滑环和电刷。p m s m 按永磁体在转子上安装位置的不同，可分为三类： 表面式、嵌入式和内埋式。前两种结构转子直径较小，从而降低了转动惯量，一般p m s m 多 采用这两种形式的转子结构。内埋式转子是将永磁体装于转子铁心内部。它的机械强度高， 磁路气隙小，适于弱磁控制。本文讨论表面式永磁同步电动机。 ( a ) 表面式 ( b ) 内埋式( c ) 内嵌式 图2 - 1 永磁同步电机转子结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo f p m s m r o t o r 2 3 永磁同步电机的数学模型“7 阳 为了分析永磁同步电机的数学模型，我们做出如下假设： ( 1 ) 定子绕组y 形连接，绕组电流为对称的三相正弦波电流； ( 2 ) 定子磁场呈正弦分布，不考虑谐波与饱和； 5 西安， l y - - 大学硕士学位论文 e ! 。 呈】医 + p 匿三二三攀】【耋】+ p 匿；! 】 c 2 t ， 妒甜、妒归、妒j c 为永磁体磁链在各绕组中的投影5 m 、m 4 c 、m “、j l f 肼、m d 、m a 为三相绕组之间的互感。 6 t 识 戚一l 杪 拍。 0 图2 2 永磁同步电机矢量关系图 f i g 2 - 2r e l a t i o n s h i p so f p m s m v e c t o r 口似) 第2 章永磁同步电机的结构与数学模型 2 3 2 叩坐标系 d 秽坐标系是一个在空间具有相对固定不动正交轴线的坐标系统，不随转子旋转面转 动，属于静止坐标系。它的口轴与三相坐标系的a 轴重合，口轴超前口轴9 0 度电角度。 如图2 2 所示。 a b c 坐标系到筇坐标系的坐标变换为： 其逆变换为： l一三一三 压压 0 竺一坐 22 111 压压压 王0 1 压 1 压 1 压 式中，f o 为电机的零序电流分量，乇一击( + + 七) - o ( 2 2 ) ( 2 3 ) 2 3 3 幻轴坐标系 将坐标系固定在转子上，坐标系随转子以同步速旋转，q 轴超前d 轴9 0 度电角度， 就构成了由轴坐标系，它是坐标轴旋转的等效两相坐标系。如图2 2 所示。 a b c 坐标系到由坐标系的坐标变换为： 州詈孕警 窿ib】。v爿。co。sp(0+-。120。，)一-豳sn够(o+-，1加20。，)ino委1 i c o s 占s产 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 7 笪2 鱼2 1 2 l 一2 一 一 西安理工大学硕士学位论文 式( 2 4 ) 中，0 为d 轴与a 轴之间的夹角。 由坐标系到。咿坐标系的坐标变换为： c 咖o s 口0 - 删s i noj：】id 其逆变换为。 窿】。【一c 。o 妯s o 口。s i 。n 。o 口j l 【f i ，】 在二相旋转坐标系( d 一口) 下的电压、磁链方程分别为； u a 等一唧。+ 矗 产一o ，妒4 + 也b 口l 。 誓+ 砷，+ 髓。言+ 砷t + r o 妒一l f i d + 妒， 妒_ - l _ i g t 。号p d i 口一妒，) - 吾p 【妒，i 口+ d 一工口n i 。】 机械运动方程为： ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) j d e ”，m t 一瓦一曰n k ( 2 1 3 ) “ 其中，。，i ，l ，妒为定子电压、电流、电感及磁链；r ，为定予电阻；为电机转子极 对数j 妒，为转予永磁体产生的磁链；为电机电磁转矩：瓦为电机负载转矩；i ，为转动 惯量；为转子角速度；一p n k 为转子电角速度；下标d ，q 为各物理量在d ，口轴上 的分量；b 为摩擦系数。 由式( 2 6 ) ( 2 1 1 3 ) ，可得永磁同步电机的状态方程为； 奶 出 啦 出 d 出 一舍p 。 r | p 1 i f 叶一t i o ! 堕旦 】j l h f l 瓦 | ( 2 1 4 ) 由公式( 2 1 4 ) 可以看出，方程中包含有机械角速度和幻坐标系定子电流分量、 的乘积，因此永磁同步电机具有多变量、非线性的特点。 8 静止两相坐标系( 筇坐标系) 下电压、磁链和转矩可以表示为： 譬如肼嘶【= 】 哮4 2 洳。一r l i 。 t 八一足p ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 第2 章永磁同步电机的结构与数学模型 t 一丢p ( 妒。一妒，) ( 2 1 8 ) 2 4 标幺值的选取 在以电机为执行机构的控制算法中，所牵涉的各个量，它们的数值大小差别很大，比 如直流母线电压为o 3 0 0 v ，电机转速为o 2 0 0 0 r m i n ，然而系统的采样周期为0 0 0 0 2 5 s ， 将控铜算法离散化后，采用微处理器运算时，如直接将这些量的实际值代入运算。处理起 来非常困难，且容易发生运算结果溢出，造成很大的计算误差。 在本文的研究中，采用t i 公司的定点d s p - t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为数字化电机控制系统的 微处理器，如将电机参数与状态变量按照基值进行归算，利用电机数学模型的标幺值公式 进行运算，就能把系统控制算法计算得到的变量都限制在一定的范围内，这样就能够尽量 避免运算过程中产生的结果溢出情况，并有利于减小计算过程中产生的误差。 通常选取相电压、相电流的峰值作为电压、电流的基值，即 瓯砜 ( 2 1 9 ) 厶一2 ， ( 2 2 0 ) 式( 2 1 9 ) 及( 2 2 0 ) 中，、l 为电压、电流的基值，、为相电压、相电流的 额定值。 鸭一2 万五一2 z 厂一2 万 一q ( 2 2 1 ) 式( 2 2 1 ) 中，为角频率的基值，a 为电流频率，l 为电机额定频率。 由上述三个基值可以推导出电机其他变量的基值。其他永磁同步电机数学模型各变量 的标幺值基值计算公式如式( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 所示： 磁链基值计算公式： 妒。一= 上 ( 2 2 2 ) 转矩基值计算公式： 瓦- 警吼 ( 2 2 3 ) 式( 2 2 3 ) 中，垆。为磁链基值，瓦为转矩基值- 9 西安理工大学硕士学位论文 3 永磁同步电机的矢量控制原理及仿真分析 永磁同步电机通常有两种控制方式：电流控制和电压控制。电流控制主要应用在模拟 控制，有快速的动态响应。电压控制是基于空间矢量p i l l 控制，能提高逆变器的电压输出 能力，且开关频率固定，适合于数字控制。 磁场定向矢量控制技术有良好的转矩响应，精确的速度控制，零速时可以实现全负载， 系统调速范围较宽，而且矢量控制技术已经成熟，目前已广泛应用在伺服和机器人领域。 永磁同步电机矢量控制的基本思想是模仿直流电机的控制方式，具有转矩响应快、速度控 制精确等优点。矢量控制是通过控制定子电流的转矩分量来间接控制电机转矩，所以内部 电流环调节器的参数会影响到电机转矩的动态响应性能。而且为了实现高性能的速度和转 矩控制，需要准确知道转子磁链矢量的空间位置，这就需要电机额外安装位置编码器。 3 1 转子磁链定向矢量控制的原理n 在交流电动机中，励磁磁场和电枢磁势间的空间角度不是固定的，它随负载变化而变 化，这将会引起磁场间十分复杂的作用关系，因此不能简单的如直流电动机般通过调节电 枢电流来控制电磁转矩。 矢量变换控制是7 0 年代前西德b l a s c h k e 等人首先提出来的。这是对交流电动机提出 的一种新的控制思想和控制技术，是交流电动机的一种理想调速方法。矢量变换控制应用 于永磁同步电机的基本思想，就是利用电动机外部的控制系统，即通过外部条件对定子磁 动势相对励磁磁动势的空间角度和定子电流幅值的控制，从而将永磁同步电机模拟为它励 直流电动机。 采用固定于转子的幽旋转坐标系来分析系统的性能十分方便，如图2 - 2 所示。图中， 乏为定子电流空间矢量，设芦为云在由轴系中的空间相角，则其大小决定于t 在由轴上的 两个分量和。如果已知了和，那么不仅确定了卢角，同时也确定了定子电流空间矢 量i 的幅值。也就是说，矢量控制就是通过对两个电流分量的控制来实现的。 矢量控制是控制幻电流，必须转换为三相电流，这就要进行由轴系到a b c 轴系的坐标 变换。采用矢量变换，要利用转子的位置信息，所以必须实时取得转子位置晓。可通过在 电动机的非负载端安放编码器，检测转子位置。 3 2 永磁同步电机矢量控制方案分析 由永磁同步电机的运动方程式( 2 1 3 ) 可见，电机动态特性的调节和控制完全取决于动 态中能否简单而精确的控制电机的电磁转矩输出。由式( 2 1 2 ) 可以看出，永磁同步电机的 电磁转矩基本上取决于交轴电流和直轴电流，对转矩的控制最终可以转化为对交轴电流和 直轴电流的控制。在输出转矩为某一值时，对交轴电流和直轴电流的不同组合的选择，将影 响电机和逆变器的输出能力以及系统的效率、功率因素等。如何根据给定转矩确定交轴电 流和直轴电流，使其满足转矩方程构成了永磁同步电机电流环的控制方案问题。 1 0 第3 章永磁同步电机的矢量控制原理及仿真分析 永磁同步电机电流环的控制方案主要有：( 1 ) i d 一0 控制；( 2 ) 转矩电流比最大控制； ( 3 ) c o s 妒一1 控制；( 4 ) 恒磁链控制等。 ( 1 ) i d 一0 控制是一种最简单的电流控制方法，该方法由于电枢反应没有直轴去磁 分量而不会产生去磁效应，不会出现永磁电机退磁而使电机性能变坏的现象，能保证电机 的电磁转矩和电枢电流成正比。其主要的缺点是功角和电动机端电压均随负载而增大，功 率因素低，要求逆变器的输出电压高，容量比较大。另外，该方法输出转矩中磁阻反应转 矩为0 ，未能充分利用永磁同步电机的转矩输出能力。 ( 2 ) 转矩电流比最大控制在电机输出转矩满足要求的条件下使定子电流最小，减小 了电机的铜耗，有利于逆变器开关器件的开关工作，逆变器损耗也最小。同时，运用该控 制方法由于逆变器需要的输出电流小可以选用较小额定电流的逆变器，使系统运行成本下 降。在该方法的基础上，采用适当的弱磁控制方法，可以改善电机高速时的性能。因此， 该方法是一种较适合永磁同步电机的电流控制方法。缺点是，功率因素随着输出转矩的增 大下降较快。 ( 3 ) c o s 舻一1 控制方法使电机的功率因素恒为l ，逆变器的容量得到充分的利用。 但是在永磁电机中，由于转子励磁不能调节，在负载变化时，转矩绕组的总磁链无法保持 恒定，所以电枢电流和转矩之间不能保持线性关系，而且最大输出转矩小，退磁系数较大， 永磁材料可能被去磁，造成电机电磁转矩、功率因素和效率的下降。 ( 4 ) 恒磁链控制方法就是控制电机的定子电流，使气隙磁链与定子磁链的幅值相等。 这种方法在功率因素较高的情况下，一定程度上提高了电机的最大输出转矩，但仍存在最 大输出转矩的限制。 以上各种电流控制方法各有特点，适用于不同的场合。对于本系统的凸极式永磁同步 电机来说，转子磁路对称，磁阻转矩为零，屯一0 控制就是最大转矩电流比控制。因此， 在本系统中应用也一o 控制不但简单易行，而且能满足系统高性能的要求。 3 3 本伺服系统采用的控制策略分析 当- 0 ，定子电流的d 轴分量为0 ，磁链和转矩方程可以简化为： 钆- 妒， ( 3 1 ) 妒4m l 4 i q ( 3 2 ) 1气 t 一乙- 吾p 妒d 一 ，妒， ( 3 3 ) 二二 于是，电磁转矩仅仅包括永磁转矩，定子电流合成矢量与口轴电流相等，这就与 直流电动机的控制原理变得一样，只要能够检测出转子位置，使三相定子电流的合成电流 矢量位于q 轴上就可以了。 一0 转子磁链定向矢量控制的永磁同步电机伺服系统的原理如图3 - 1 所示，是一个 位置、速度、电流闭环的三闭环系统。控制方案结构明了，主要包括定子电流检测、转子 位置检测、速度环调节器、c l a r k e 变换、p a r k 变换与逆变换、电压空间矢量p w m 控制等 西安理工大学硕士学位论文 几个环节。工作原理简介如下：位置检测单元获取电机转子的角位置，把当前位置与给定 位置的差值送给位置控制器，其输出为速度给定值。测速单元根据转子不同时刻的角位置 计算出电机的转速，把当前转速和给定转速的差值送给速度调节器，速度调节器的输出为 表示转矩大小的电流给定值，该值为标量。由于我们采用了- 0 的矢量控制方法，速度 调节器输出的电流指令值和电流矢量在口轴分量的幅值相等，因此q 轴给定电流的值f 。 就等于速度调节器的输出值。电流检测单元获取电机定予三相绕组的瞬时相电流，然后对 相电流进行坐标变换，计算出电流空间矢量在d 轴和q 轴的上的等效电流分量、屯。把 、和电流给定值、乞的差值分别送给电流调节器，电流调节器输出空间电压矢 量在d 轴和q 轴上的等效电压分量和h 。，经过坐标变换后送给s v p w m 波形发生器，控 制逆变器产生三相定予绕组电流。 位 给 图3 - 1 永磁同步电机伺服系统原理图 f i g 3 - 1b l o c kd i a g r a mo f p m s m $ e i v os y s t e m 3 4 矢量控制的s i m u l i n k 仿真 在前面对永磁同步电机数学模型及控制策略分析的基础上，利用m a t l a b s i m u l i n k 建立伺服系统速度闭环和位置闭环的仿真模型，以便对整个系统的性能做进一步的分析， 为下一步的实验调试做准备。 3 4 1m a t l a b 简介1 1 1 n 2 1 m a t l a b 软件是m a t h w o r k 软件公司推出的，适于矩阵分析和计算，并且使用方便，人 机界面直观，输出结果可视化。 目前，m a t l a b 已经成为一种非常流行的软件，除了传统的交互式编程，它还提供了 丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图象处理、方便的w i n d o w s 编程等便利工 具，出现了各种以姒t l a b 为基础的实用工具箱，广泛应用于自动控制、图象处理、信号 1 2 第3 章, k r - 盏n 步电机的矢量控制原理及仿真分析 分析、系统建模、优化设计等领域。对于电气工程领域主要的工具箱包括控制系统、系统 辩识、鲁棒控制、多变量频率设计、神经网络、最优化、信号处理、模糊控制、小波分析 工具等。 为了准确的把一个复杂的控制系统模型输入给计算机并对之进行分析与仿真， m a t h w o r k 公司为m a t l a b 使用者提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具一 s i m u l i n k 。s i m u l i n k 是一个用于对动态系统建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、 离散及混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。 s i m u l i n k 工具箱包括了专门用于电力电子与电力传动学科进行仿真的电气系统模块 库( p o w e rs y s t e mb l o c ks e t ) 。电力系统模块库主要由以下六个子模块库组成： ( 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 ) 基本元件库：包括串联r c l 负载、串联r c l 支路、并联r c l 负载、基线性变压 器、饱和变压器、互感、断路器、单相型集中参数传输线路和浪涌放电器等； ( 3 ) 电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、g t o 、m o s f e t 和理想开关等。为满足 不同的仿真要求并提高仿真速度，还包括晶闸管简化模型； ( 4 )电机模块库；包括激磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同步电动机及 其简化模型和永磁同步电动机等； ( 5 ) 测量模块库：包括电流测量和电压测量模块； ( 6 )附加电气系统模块库，包括均方根测算、有功与无功功率测算、傅立叶分析、 可编程定时器、同步脉冲发生器以及三相库等。 3 4 2 矢量控制仿真n 3 儿“1 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型，如图3 2 所示。 图3 - 2 永磁同步电机矢量控制仿真模型 f i g 3 - 2s i m u l a t i o nm o d e l o fp m s mv e c | o tc o n t r o l 西安理工大学硕士学位论文 各个模块功能如下：模块i d 和模块s p e e d 分别给定电流i d 和速度的参考值；模块 s p e e d p i 是速度p 1 调节器，实现速度闭环控制，该调节器设置了输出限幅；模块i q p i 及i d p i 是电流p i 调节器，构成电流闭环控制，输出定予电压由轴分量参考值u 由；电 机模型得到转子的机械角度t h e t a m ，经电机极对数模块p o l e s 可以得到转子电角度t h e t a e ； 模块由a l b l 实现p a r k 逆变换，输出定子电压a 筘轴分量u 筇；模块s v p w m 实现电压 空间矢量调制；模块v d c 模拟直流母线电压给定；电压型逆变器i n v e r t e r ；永磁同步电 机模块p m s m ；模块s t e p 提供负载转矩。 仿真所用永磁同步电机参数为：转子磁极对数p - - 4 ，电枢电阻尺= 2 8 7 5 0 ，转子永磁 磁链妒，- 0 2 4 w b ，直轴电感乙= 8 5 m h ，交轴电感l o = 8 5 m h ，额定相电u = 2 0 0 v ，额定 相电流i - 9 4 a 。 在给定转速n - - 4 0 0 r a d s 时，速度给定为阶跃信号，仿真波形如图3 3 所示。图3 - 3 ( a ) 为转速响应曲线，图3 3 为转速在上升到峰值时的放大图。由图3 3 ( b ) 可见，速度在0 0 3 s 达到峰值，超调量为1 0 r m i n ，在0 6 s 稳定于给定转速。图3 - 4 ( a ) 为电机阶跃起动时三相 电流波形。图3 - 4 ( b ) 为放大图。由图可见，瞬时电流最大达到3 3 a ，电流经过0 0 3 s 稳定 于2 a ，因此实验中为了减小起动电流，常采用斜坡指令起动。 n ( r a d s ) ： i ( a ) n ( r a d s ) ； ； ； i ! ： ； ； ： ： ： i ； ； ： ； ；、孓i ：i ：；i ： ； ； ； ； ：； ： ； ! lu啦u眄峙盯u ( b ) 图3 3 转速响应曲线 f i g 3 - 3s p e e dr e s p o n s ec u r v e 1 4 ( a ) 图3 _ 4 起动时电流波形 f i g 3 4c u r r e n tw a v ea ts t a r t 第3 章永磁同步电机的矢量控制原理及仿真分析 图3 5 为突加负载时转速波形，转速落差为1 5 r m i n ，经过o 6 s 进入稳态。图3 - 6 为 突加负载时电流波形，由图可见，电流幅值增加明显，且经过o o l s 进入稳态。图3 7 为 电机转矩响应曲线，由图可见，电机空载稳态时转矩约为1n m 。在3 s 时突加3n m 的 负载，转矩迅速增加，且有部分超调，经过0 2 s 稳定于给定值。 n ( r a d ，s ) 4 惦 枷 强 卸 铺 瑚 3 7 5 ，一， j ，一 iij 3& 13 23 3 3 4 图3 - 5 突加负载时转速曲线 t ( n m 、f i g 3 - 6 c u r r e n tw a v ew h e nt o r q u ei n c r e a s ea b r u p t l y 3 z 5 2 1 5 1 f 2 7 图3 7 转矩曲线 f i g 3 - 7e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ec l n v e 图3 - 8 为位置闭环时位置响应曲线，给定位置1 5 7 0 r a d 。图3 - 8 ( a ) 为整个过程中位置 响应曲线。图3 8 ( b ) 为到达给定位置时的放大图。由图3 - 8 ( b ) 可见，位置有0 2 r a d 的超 调。图3 - 9 为速度响应曲线。图3 9 ( b ) 为到达给定位置时转速的放大图，由图可见，在 到达给定位置蘸，转速迅速下降，由于采用的是p i 控制器，转速会降到负值。图3 l o 为电流波形，由图可见，到达位置给定前，电机转速迅速下降时，瞬态电流很大。到达给 西安理工大学硕士学位论文 定位置后，三相直流电流幅值一定， 疗( t a d ) 电机处于制动状态。 i t ( s ) 0 l ( r a d ) ； ； ； ； ： 壕曲携i蚯“ ( b ) 图3 - 8 位置响应曲线 ： i p o s i t i o nr e s p o n s ec u l n c i ； i； 图3 - 9 位置闭环时速度波形 f i g 3 - 9s p e e da ma tp o s i t i o nm o d e ( b ) 图3 - 1 0 电流波形 f i g 3 1 0c u r r e n tw a v ea tp o s i t i o nm o d e 3 4 3 结论 矢量控制是当前高性能交流伺服系统一种典型的控制方案。仿真结果表明，永磁同步 电机伺服系统采用矢量控制后，系统稳态运行平稳，动态响应快，抗干扰能力强。 第3 章, t a t 同步电机的矢量控制原理及仿真分析 3 5 基于高频信号注入的永磁同步电机转子位置检测 为了实现永磁同步电机高精度、高动态性能的速度和位置控制，一般都采用磁场定向 矢量控制或直接转矩控制。但是无论采取哪种控制方案，都需要实时获取转子的位置角来 实现磁场定向，一般是通过机械式传感器例如编码器、测速发电机等来实现。机械传感器 的引入使系统成本增加，运行稳定性降低，而且占用了较大的空间，制约了调速控制系统 的进步发展 1 5 1 1 1 6 1 | 1 7 | 。因此，如何实现无机械传感器控制，已成为电气传动领域的一个 热点问题。 无速度传感器技术的一般思想是通过对电机端部电压和电流信号进行分析与计算，在 线观测转子速度和位置信息。为了包括在零速在内的任何速度下都能够获得精确的转子位 置信息，一些文献提出了一种新的转子位置自检测方法，即转子凸极追踪法。这种方法要求 电机具有一定程度的凸极性，而且需要有持续高频激励，从而可以实现电机全速度范围内 转子位置的检测。由于这种方法追踪的是电机转子的空间凸极效应，因此对电机参数的变 化不敏感，鲁棒性好。可以看出，这种转子位置无传感器自检测方法学术思想新颖，其研 究具有重要的理论意义和工程实用价值。 基于高频信号注入的转子位置检测方法利用电机凸极对高频电流波形的影响来获取 位置信号，不依赖任何电机参数，能实现转子初始定位和低速段位置估计，具有精度高、 实现简单等特点。在建立永磁同步电机数学模型的基础上，详细阐述高频信号注入法的控 制原理，并利用m a t l a 旧工具仿真，实现了对高频信号的处理并提取出了转速和位置信 息。 3 5 1 基于高频信号注入法的无速度传感器控制原理 高频信号