（电力电子与电力传动专业论文）永磁同步电机直接转矩控制方法研究.pdf

a b s t r a c t t h i sa r t i c l er e v i e w st h ed e v e l o p i n gh i s t o 巧o ft h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g y s e t s u pt h e m a t h e m a t i c sm o d e lo ft h es y n c h r o n o u sp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r s y s t e m a t i c a l ly ，e x p l a i n si n d e t a i l t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1p r i n c i p l ea n d 沱s e a r c h p r o f o u n d l yt h ed y n a m i ca n ds t a t i cp e r f b m l a n c e t br e s t r a i nt h et o r q u ea n dc u r r e n t r i p p l e st h ei n t e l l i g e n c em e t h o di sa p p l i e dt ot 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 d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( p m s md t c ) s y s t e m ：a nf u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt or e p l a c e t h es w i t c h i n gt a b l ea n dt w oh y s t e r e s i sc o n t r o l l e r sa n dt h ef l u xe m 3 ra n dt h et o r q u e e r i o rw e r eb o t hp r o p e r l yd i v i d e di n t os e v e r a lf u z z ys u b s e t s ；an o v e lr a d i a lb a s i s f u n c t i o n ( r b f ) n e u r a ln e t w o r k se s t i m a t o ri sd e s i g nt ot h ev a l u eo ft h ef l u xli n k a g e ， a n dt h en e u r a ln e t w o r k ss t n l c t u r ed e s i g n ，l e a m i n gs a m p l e sa n d 仃a i n i n ga l g o r i t h m sa r e e x p o u n d e d o nt h eb a s i so fi n d e p t ha n a l y s i so fp m s mm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h em o d e l sa n d s i m u l a t i o no fc o n v e n t i o n a ld t ca n dd t cu s i n gi n t e l l i g e n c em e t h o df o rp m s mi s c a l l r i e do nb ym a t l a b s i m u l k ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef e a s i b i l i 妙o ft h ed i r e c t t o r q u ec o n t r o l i sf i n e ，c o n t r o ls t r u c t u r ei ss i m p l e ，d y n a m i cr e s p o n s ep e r f b m a n c ei s i d e a l t h ei n t e l li g e n c ed t cs t r a t e g y w h i c hi sd e s i g n e db a s eo nt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ep m s m ，i sa b l et oa c h i e v em o r es u p e r i o ro p e r a t i o np e 怕n n a n c et h a nt h a to ft h e c o n v e n t i o n a id t c t o r q u er i p p l e i sr e s t r a i n e do b v i o u s l y t l l l es y s t e mc o n t r o l p e r f o n n a n c ei si m p r o v e d o nt h eb a s eo ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h ，t h ep m s md t cd i g i t a l c o n t r o ls y s t e mi si m p l e m e n t e ds u c c e s s f u l l y ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s pi su s e da st h e c o r e - p r o c e s s i n gc h i po ft h ed i g h lc o n t r o ls y s t e m ，a n di n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( 1 p m ) i su s e da st h ep o w e rs w i t c hc o m p o n e n t t h eh a r d w a r ep l a 仃o r n lo ft h es y s t e mi s d e v e l o p e d ，a n dt h er e a lt i m es o f t w a r ei sd e s i g n e db a s e do nc o m p i l i n gl a n g u a g e m o r e o v e r ，t h ed t cs y s t e mi se x p e r i m e n t e do n3 0 0 0 wp e n n a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ，t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep m s md t c f o rt h e i n t e i l i g e n c em e t h o dc a na c h i e v eh i 曲s 诅t i ca n dd y n a m i cp e 晌啪a n c ew i t hp r e f e r a b l e p r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：p e n n a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ， f h z z yc o n t r o l l e r ，r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t 、 ，o r k s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：泰移留 签字日期： 2 口口扩年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨叠盘堂有关保留、使用学位论支的规定。 特授权苤盎蠢堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孑髟岔参多 导师签名 签字日期：zc i 谚年 月日签字日期：叫汐占年万月f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 直接转矩控制的发展概况 直流电气传动和交流电气传动在十九世纪先后诞生，二十世纪的大部分年代 里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机， 而约占电气传动总容量8 0 的不变速传动则采用交流电动机。这种分工在一段时 期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统虽然早已有多种调速方案问世并 己获得一些实际应用的领域，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。 交流电机相对于直流电机而言，具有结构简单、维护容易、对环境要求低等 优点，已经被广泛应用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。随着 电力电子技术、微电子技术、控制理论的高速发展，交流调速技术也得到了长足 的发展。1 9 6 8 年d a n n s t a d e r 工科大学的h a s s e 博士初步提出了磁场定向控制( f i e l d o r i e n t a t i o n ) 理论，之后在1 9 7 1 年由西门子公司的f b l a s c h k e 对此理论进行了总结 和实现，并以专利的形式发表，逐步完善并形成了现在的各种矢量控制方法。使 一直被认为是天经地义的交直流传动按调速分工的格局终于被打破了。 矢量控制技术的出现，标志着交流传动技术从理论上解决了交流调速系统在 静动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术就是通过坐标变换和按转 子磁链定向，把交流电机模型等效成直流电动机模型，模仿直流电动机的控制， 实现了对交流电动机的转速和磁链控制。然而实际上，由于转子磁链很难准确观 测，并且系统特性受电动机参数的影响较大以及在模拟直流电动机控制过程中所 用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果，这也 是矢量控制技术的不足之处。 直接转矩控制技术( 简称d t c ) 是继矢量控制之后又一高性能的交流变频调 速技术，该技术最早是由德国教授d e p e n b r o c k 和日本学者t a k a h a s h i 分别提出的， 此开创性方案虽然在理论推导和实现方法上有所不同，但是基本思想是一致的， 即：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子电流，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。与矢量控制技术相比，它具 有转矩响应速度快，控制结构简单，易于实现全数字化等优点【2 】。 直接转矩控制方法自提出以来就备受关注，传统d t c 采用的是转矩、磁链滞 第一章绪论 环比较器和定子磁链位置信号，以此按一定规则从预制的开关表中选取合适的电 压空间矢量对电机转矩、磁链进行直接控制，以达到控制所需要的高性能。分析 表明此种选择电压矢量的方式无法同时满足系统对转矩和磁链的双重要求，会导 致d t c 系统出现较大的磁链、转矩脉动【3 j ；此外当电机状态发生改变时，常规d t c 方式可能出现滞环比较器输出和定子磁链位置信号在多个采样周期内保持不变 的情况，导致在该采样周期内逆变器的开关状态相同，这就意味着系统开关频率 容易发生变化并且不恒定，功率器件的容量无法得到充分的利用。为了减小直接 转矩控制中的转矩脉动，学者们经过2 0 多年的研究，主要在以下几个方面进行了 有益的尝试： 1 把电压空间矢量应用到直接转矩控制当中去 文献 4 采用改进的空间电压矢量开关表以期选择最合适的电压矢量进而得 到更准确的转矩、磁链控制；文献 5 采用基于恒定开关频率空间矢量调制直接 转矩控制，提出并深入分析了一种采用空间电压矢量调制、实现简单的解决方式， 即采用电压调制获得空间电压矢量的优化组合，实现转矩、磁链误差的精确补偿， 进而达到高性能的直接转矩控制效果，同时保证功率器件开关频率恒定。 2 从控制的硬件方向入手，使直接转矩系统总体上有所提高 文献 6 7 引入了多电平逆变器以增加可选电压空间矢量的数量，获得了转 矩、磁链的精确控制，但需更多开关器件，增加了系统硬件结构的复杂性。高性 能的数字处理芯片d s p 的出现，快速高效地实现复杂的控制规律，同时便于进行 故障监视、诊断和保护，增强了系统的可靠性，确保系统的高速响应性。 3 随着现代控制理论的发展，智能方法逐步引入到直接转矩控制系统中。 为了提高系统的动态性能和鲁棒性，伴随着功能强大的数字处理芯片d s p 的 出现，许多以前无法实时实现的方法都可以应用到实时控制系统中。如最近研究 十分活跃的自适应控制、变结构控制、模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络 控制、非线性控制等都能通过d s p 来实现。文献 8 9 引入了模糊逻辑控制器对 空间电压矢量的选择条件做了细化，文献 1 0 引入了小波网络，应用在直接转矩 控制系统定子电阻的精确辨识中。智能方法的引入对提高直接转矩性能提供了新 的重要的理论依据。 1 2 永磁同步电机发展概况 永磁同步电动机的转子由永久磁钢构成。在电机的发展中，世界上第一台电 动机就是永磁电机，它是由b a r l o w 于1 8 3 1 年发明的。但是，由于早期的永磁材料 性能很差，永磁电机做得很笨重，因而被电励磁电机所取代。到上世纪2 0 年代， 第一章绪论 美国g e 公司利用铁氧体磁钢研制出一批微型永磁同步电动机，但功率很小。到 了六七十年代，第一代和第二代稀土钴永磁材料s m c 0 5 、s mc o l 7 相继问世，其 优异的磁性能使得永磁电机的发展呈现出新的繁荣生机。但是，钴为稀有金属， 价格昂贵，给实际广泛的应用带来了困难。1 9 8 3 年，日本住友特殊金属公司，美 国通用汽车公司分别研制成功稀土钕铁硼永磁材料( n d f e b ) ，国际上称为第三 代稀土永磁材料。n d f e b 磁钢磁能积高，性能优越，而且原材料丰富，价格较便 宜，尤其我国是稀土大国，总储量占世界总储量的7 5 。因此，研制、开发n d f e b 永磁电机更具有得天独厚的条件。从1 9 8 4 年起，各工业发达国家竞相研制高性能 永磁电机。日本住友公司和美国通用公司分别批量制造用于计算机外存储器的音 圈电机及n d f e b 永磁汽车起动电机；德国西门子公司经是多年努力，采用多种结 构，研制成功用于化纤工业的高速永磁电动机和用于交流调速系统的i u a 3 系列 永磁同步电动机。与传统异步电机相比，稀土永磁同步电动机的优点在于： 1 省去了励磁绕组和附加的直流励磁电源，减少了电机的用铜量，降低了铜 耗，从而使电机的体积缩小、重量减轻、效率提高。 2 无需电刷和滑环装置，这不但减少了机械和电器损耗，而且还不会产生电 刷火化，对无线电没有干扰，电机的机械结构简单牢固，运行可靠，便于制造和 维修。 3 具有严格的转速同步性和宽调速性，对于要求多台电机同时运行的调速系 统有突出的优点，而且变频电源可实现开环控制，调速控制方便，并在所有频率 范围内均能稳定运行。 4 效率和功率因数高。 稀土永磁同步电机的定子结构与三相异步电机相同，主要由硅钢冲片叠成的 铁心、置于铁心槽中的三相对称绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。 永磁同步电机从转子结构上大致可以分为两大类：一类是表面式永磁同步电 机s p m s m ( s u r f a c ep e n n a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ) ，它又可以分为凸出式 和插入式两种；另一类是内埋式永磁同步电机i p m s m ( i n t e r i o rp e n n a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ) ，如图卜1 所示。对采用稀土永磁的电机来说，由于永磁材 料的相对回复磁导率接近1 ，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结 构；而表面插入式转子的相邻两永磁磁极间有着导磁率很大的铁磁材料，故在电 磁性能上属于凸极转子结构，表面式永磁同步电机定子与转子之间磁路分布均 匀，基本上与转子位置无关。内埋式转子具有明显的磁极，定子与转子之间磁路 是不均匀的，与转子的位置有关。表面式永磁同步电机结构上较简单，转子直径 较小，从而降低转动惯量；它有较大的磁路气隙，若将永磁体直接粘在转轴上还 可以获得低电感，利于电机动态性能的改善。一般p m s m 多采用这种形式的转 第一章绪论 子结构。内埋式永磁同步电机是将永磁体装于转子铁心内部，制造工艺较为复杂， 但机械强度高，一般用于弱磁控制的高速运行场合。 凸出式插入式内埋式 图1 1 永磁同步电动机转子结构 由于永磁同步电机转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可 分为正弦波和梯型波( 方波) 两种。因此转子旋转时，在定子上产生的反电动势 波形也有两种：一种为正弦波，另一种为梯形波，这样就造成两种同步电机在原 理、模型以及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电机，一般 把产生正弦波磁场的永磁同步电机称为正弦型永磁同步电机( p e m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r p m s m ) ，它的转子磁钢形状呈抛物线形，在气隙中产生磁通 密度尽量成正弦分布，定子电枢绕组采用短距分布绕组，能最大限度的消除谐波 磁动势；而产生梯形波磁场的永磁同步电机称为梯形波型永磁同步电机，由于其 原理与控制方式上基本与直流电机类似，所以又成为无刷直流电机( b m s h l e s sd c m o t o r b l d c m ) ，它的转子磁钢的形状为弧形( 瓦形) ，磁极下定转子气隙均匀， 气隙磁通密度成梯形分布，定子电枢绕组多采用整距集中式绕组。 1 3 永磁同步电机直接转矩控制现状 直接转矩控制技术是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的新技术。它是继矢量技术 之后，且与之并行发展的一种新型的高性能的交流调速传动控制技术，目前该项 技术己经成功应用在电力牵引中的大功率交流传动上。但直接转矩控制技术大部 分是用在异步机上，国内外关于直接转矩控制技术在同步机上的应用较少。与异 步机相比，永磁电机有更好的效率和更高的功率因数，鉴于此，从上世纪9 0 年代 中期开始，人们将研究热点转到永磁同步电机直接转矩控制中来，并取得了一些 成绩。但也面临着很多的困难：在永磁同步电机中由于转子永磁磁通一直存在， 使用零电压矢量虽能控制定子磁链走走停停，无法控制转矩瞬间减小，此时必须 第章绪论 采用反电压矢量来实现，这样必然增加转矩的脉动；在永磁同步电机d t c 传统应 用方法中，直接转矩控制在每个采样周期内，根据电压、电流的采样值计算出实 际的转矩和磁链，分别与给定转矩和给定磁链进行比较，将误差输入到滞环比较 器中，然后根据滞环比较器的输出确定该控制周期逆变器的开关状态。在滞环比 较器的作用下，电磁转矩总是处于增加或减小状态，从而导致转矩始终在给定值 上下波动；此外由于直接转矩控制本身的特性，定子电阻的值会随环境及运行情 况的变化而变化，这样会造成磁链的畸变，对转矩控制造成很大影响，在低速时 尤为明显，因此永磁同步电机直接转矩控制脉动转矩的抑制问题尤为突出。针对 以上缺陷，人们也提出些有意义的改进方法：绝大多数学者用模糊控制器替代 传统方法中的滞环比较器1 1 | j ；部分学者集中在对运行中的定子电阻进行在线补偿 氇也有学者把包含零矢量的控制策略应用到了永磁同步电机直接转矩控制系统 中【1 3 j ，但这些措施只是相应的弥补一个产生脉动的因素，并不能有效地全面地解 决问题，所以转矩的脉动依然存在，并没有得到明显的抑制。 1 4 本课题研究的背景和意义 直接转矩控制技术越来越受到人们的关注，其控制思想是把电动机与控制器 看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系中进行磁通、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。免去了复杂解耦、坐标 变换计算。控制结构简单，便于实现数字化。现在直接转矩控制在异步电动机上 的应用越来越得到肯定，人们开始将直接转矩技术应用于同步电动机上，这是近 年来直接转矩控制发展的一个方向。 永磁同步电动机应用广泛。该类电动机的特点是结构简单、运行可靠、易维 护或免维护、体积小、质量轻、损耗少、效率高，在中小功率系统中得到了广泛 应用。目前，稀土永磁同步电动机的开发和应用进入一个新阶段，一方面，原有 研发成果在国防、工农业和日常生活等领域获得大量应用，另一方面，正向大功 率化、高功能化和微型化方向发展，扩展新的电动机品种和应用领域。随着永磁 材料的迅速发展，电力电子技术和控制技术的进步，稀土永磁电动机将越来越多 地替代传统电动机，应用前景非常乐观。 在这样的背景下，研究直接转矩控制技术在稀土永磁同步电动机上的控制方 法和策略并仿真分析论证该方法和策略的正确性和可行性，可为直接转矩控制技 术在稀土永磁同步电动机奠定理论基础。 第一章绪论 1 5 本文研究的主要内容 为了抑制传统永磁电机直接转矩控制系统产生的转矩和磁链脉动，提高永磁 同步电机直接转矩控制系统的动静态性能，尤其是低速时脉动大的问题，本课题 在传统方案的基础上将智能方法运用到了直接转矩控制中，对产生脉动三个因素 进行了同步的全面地抑制，具体包括下列内容： 1 建立永磁同步电机的数学模型，在此基础上重点阐述了传统的永磁同步 电机直接转矩控制的原理，搭建相应的仿真模型，分析传统方法中引起脉动的各 种因素。 2 描述分析模糊控制和神经网络控制的原理，并在传统的永磁电机直接转 矩控制的基础上，尝试将两种智能方法应用到永磁电机直接转矩控制系统中去， 完成智能方法与永磁电机直接转矩控制的相融和，从根本上提高系统的性能。 3 用m a t l a b s i m u l 烈k 对传统方法和改进方法分别进行仿真，通过对 传统方法和智能方法的两种系统之间进行对比，进一步验证应用智能方法的永磁 同步电机直接转矩控制系统的有效性。 4 搭建实验平台，对永磁同步电机直接转矩控制系统成功地进行了数字化 实现。采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 作为控制系统的核心处理单元，采用智能功率 模块作为系统的功率开关元件，组建了控制系统的硬件平台。基于d s p 的汇编语 言开发了永磁同步电机直接转矩控制系统的实时软件，并在一台3 0 0 0 w 的永磁同 步电机上进行了实验。 第二章永磁电机直接转矩控制 第二章永磁电机直接转矩控制 本章首先介绍了永磁同步电机的数学模型，包括定子电压方程、电磁转矩方 程、运动方程和状态方程。以模型为基础阐述了永磁电机直接转矩控制方法的原 理，以及重点分析了传统的永磁电机直接转矩控制系统中存在问题，明确了解决 这些问题的重要性，最后在m a t l a b 中进行了建模。 2 1 永磁电机数学模型 正弦波永磁同步电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，定子绕组通三相交 流电，与永磁转子的磁场相互作用产生电磁转矩带动电机转动。与异步电机不同 的是，当定子电流频率固定时，转子转速与其保持严格同步【1 4 】，如公式( 2 1 ) ： 6 0 厂 刀= 二 p n ( 2 - 1 ) 其中，伪定子电流频率，砌为电机极对数，”为同步转速。 永磁同步电机的定子与普通电励磁同步电机的定子一样都是三相对称绕组。 通常按照电动机惯例规定各物理量的正方向。在建立学模型的过程中需做如下假 设： 1 忽略铁心饱和，认为磁路线性，电感参数不变； 2 忽略电机绕组漏感： 3 转子上没有阻尼绕组； 4 永磁材料的电导率为零； 5 不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的； 6 转子永磁磁场在气隙空间分布为正弦波，定子电枢绕组中的感应电势也为 正弦波。 基于以上假设，分析并建立三相永磁同步电动机的数学模型，由于本文主要 研究永磁同步直接转矩控制系统，故在下述中只重点给出两相旋转d q 坐标系下 的永磁电机模型，以及由此模型所推出的按定子磁链定向的x y 坐标系下的数学 模型。其它坐标系下的模型方程可在d q 坐标系方程的基础上通过坐标变换得 到。图2 1 给出了各个坐标系之间的关系。 第二章永磁电机直接转矩控制 图2 1 各种坐标系相对分布图 2 1 1 永磁电机在正交参照系d g 中模型 正弦波永磁同步电机一般没有阻尼绕组，转子磁通由永久磁钢决定，恒定不 变。选用两相旋转d q 坐标系，d 轴与转子磁链重合，q 轴超前d 轴9 0 。，把p m s m 各参数都转化到d q 坐标系，得到定子电压、定子磁链和转矩方程用公式( 2 2 ) 到( 2 5 ) 表示【1 5 】： 驴r + 誓一q = r + 警+ q = r + 弓产+ q 阡降删+ 嘲 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) z = 见( 一乇) 亍仇 缈厂+ ( 厶一厶) 乞 ( 2 5 ) 式中 材d 、甜。定子电压矢量的d 、q 轴分量； 屯、定子电流矢量的d 、q 轴分量； 、虬定子磁链的d 、q 轴分量； 厶、。定子绕组d 、q 轴电感； 杪，转子永磁体在定子上的耦合磁链； r 。定子电阻； 第二章永磁电机直接转矩控制 国，转子角频率； 见电机极对数。 2 1 2 永磁同步电机在正交系x y 中模型 若忽略定子电阻，定子磁链与转子磁链间的夹角6 就是功角。稳态运行时， 功角为一个常数，定子磁链、转子磁链同步旋转。在过渡过程中，6 是变化的， 由于电气时间常数与机械时间常数相比很小，因此定子磁链的旋转速度比转子磁 链的旋转速度容易改变。从( 2 5 ) 式可以看出p m s m 电磁转矩取决于定子交、直 轴电流分量，未达到完全解耦。通过下面的变换矩阵，可将d q 旋转坐标系的矢 量变换到以定子磁链方向为直轴的x y 旋转坐标系中。 反变换矩阵为： 其中 s i n 万 - 乞 c o s 万j 【- j s i n 万 e c o s 万j 【j 乏 为g d 参照系中的二维向量 乏 为x y 参照系中的二维向量 把公式( 2 7 ) 代入公式( 2 - 4 ) 中可得 ( 2 8 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 器茹爿阡叫篇 厶s i n 2 万+ 厶c o s 2 万忆i 7l _ s i n 万l 由于采用定子磁链定向，即将x 轴方向固定在定子磁链上，可得2 0 ，且虮2 虬 则 s i n 如尚一妨2 尚 式中帆为定子磁链。 ( 2 9 ) c 善湖 o 一 l = 1j c l 万万m c s 。l = 1j c l _l pl l i i i 励 历 万此 易厶 裂厶咖 虬 第二章永磁电机直接转矩控制 把公式( 2 6 ) 和( 2 9 ) 代入公式( 2 5 ) 中可得 再将眠2 0 代入公式( 2 - 8 ) 得到 z = 吾眺 = 丝竺拦趔型 再将公式( 2 1 1 ) 代入公式( 2 - l o ) 得到转矩方程 乏= 业堕茅丝幽 ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 从公式( 2 1 2 ) 可以看出电磁转矩由两部分组成，第一部分是由永磁磁链产 生的励磁转矩，第二部分是由电机的凸极性引起的磁阻转矩。故永磁同步电机的 输出转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值及定转子磁链夹角万的正弦值有关。在 实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值以充分利用电动机铁心，永磁同步电 机转子磁链幅值一般为恒值。要改变电动机转矩的大小，可以通过改变定转子磁 链夹角的大小来实现，这就是直接转矩控制的指导思想【l 6 - 。 2 2 永磁电机直接转矩控制原理 直接转矩控制技术就是用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下，计算与 控制电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节b a n d b a n d 控制， 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制以获得转矩的高动态性能。 永磁同步电机的直接转矩控制系统如图2 2 所示。通过检测逆变器输出的三 相相电流以及逆变器电压，利用数学模型可计算出电机的电磁转矩和静止坐标系 下的定子磁链。速度调节器根据转速给定值和实际转速确定转矩给定值，并与反 馈转矩相比较，将转矩误差经滞环比较器得到转矩的控制信号。同理得到磁链的 控制信号，磁链和转矩的控制信号再加上定子磁链当前位置信号，经过电压开关 矢量表，确定出适当的开关状态，控制逆变器进而驱动永磁同步电机【1 7 】。 第二章永磁电机直接转矩控制 图2 2 永磁电机直接转矩控制原理图 2 2 1 空间电压矢量生成 逆变器供电时电机绕组与逆变器开关器件连接如图2 3 所示，电压型逆变器 一般为l8 0 。导通型，这样三个开关信号品、& 、& 就可控制六个器件的通断，当 任何一相开关信号s 为“l ”时，表示此相上桥臂元件导通，反之表示下桥臂元件 导通。由分析可知该逆变器共有六个有效电压矢量与两个零电压矢量。设电枇 相相电压以单独作用时电压空间矢量位于定子三相坐标系a 轴上，则不同开关状 态下逆变器输出电压空间矢量作如下表示1 1 副： ：昙( 眈+ p 孛+ u p ；2 ) ( 2 1 3 ) 式中：“。为电压空间矢量“、阢、阢表示不同开关状态时的三相电压，2 3 为合成 系数。 图2 3电机绕组与逆变器连接原理图 第二章永磁电机直接转矩控制 由以上叙述可得到用开关状态表示的逆变器输出电压空间矢量图如图2 4 所 示，其中六个有效矢量矾玩在空间互差6 0 。，两个零矢量矾、坼位于中心位置。 图2 4 电压空间矢量图 2 2 2 空间电压矢量对定子磁链控制 逆变器输出电压直接加到永磁同步电机的定子上，得到定子电压为“，。定子 磁链虮与定子电压的关系由下式确定： 虮= 且一足渺 ( 2 1 4 ) 若忽略定子电阻尺，上压降的影响，定子磁链虮可直接用电压空间矢量的积分表 示： v s = n s d l ( 2 1 5 ) 这表明定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间近似为积分关系，这样定子磁 链空间矢量顶点的运动方向和轨迹，对应于相应的电压空间矢量的作用方向，少。 的运动轨迹平行于指示的方向。只要定子电阻压降足够小，那么这种平行就能 得到很好的近似。 为方便电压空间矢量的选择，应将空间矢量平面分为如图2 5 所示的六个区 域。以定子磁链运行在区域i 中并按逆时针方向旋转为例，可选电压空间矢量醍 以增加磁链的幅值，选配来减小磁链的幅值。如定子磁链顺时针运转，则可选魄增 加磁链幅值，选队减小磁链幅值。通过这种方式，可选择适当的空间电压矢量来控 制永磁同步电机定子磁链幅值1 1 9 1 。 第二章永磁电机直接转矩控制 图2 5空间电压矢量控制磁链原理图 2 2 3 空间电压矢量对转矩控制 由公式( 2 1 2 ) 可知，当保持定子磁链为恒值，电机的电磁转矩随着与定转子 磁链夹角的变化而变化。因此，尽可能快的改变这个夹角可得到快速的转矩响应。 但在直接转矩控制中，永磁同步电机的电压矢量选择与异步电机的有所不 同。对于异步电机而言，气隙磁通由定、转子电流共同建立，但却由定子电压唯一 确定。当选择零电压矢量时，定子电压为零，磁链增量为零，定子磁链矢量将保持 在原位置不动，转子电流及电磁转矩快速衰减，因此可通过选用零电压矢量在保 持磁链幅值不变时瞬间减小转矩。但在p m s m 中情况则不同，选用零电压空间矢 量虽能使定子磁链保持原位置不动，但它与一直存在的转子磁极永磁磁场相互作 用，转矩并没有明显变化，因此在p m s m 直接转矩控制中零电压矢量的应用有效 性受到局限，而较多使用反电压矢量来减小转矩。这是异步电机直接转矩控制与 永磁同步电机直接转矩控制的最大区别，也是永磁同步电动机直接转矩控制的难 点所在f 2 0 】。 如前述，当电机实际电磁转矩小于给定时，选择使磁链沿原方向旋转的电压 矢量。由于电机的机电时间常数远大于电磁时间常数，使得定子磁链瞬时转速变 得比转子转速大，造成定转子磁链之间夹角瞬时增加，转矩迅速变大；反之亦然。 这样在永磁同步电机直接转矩控制中，通过空间电压矢量选择，使得定子磁链不 停地进进退退，瞬时改变功率角，使转矩得到快速动态控制。 2 2 4 开关电压矢量选择表 在控制系统中，实际磁链、转矩与其相应的给定值之差经滞环比较器可得到 o 、1 两值控制信号，分别减小或增加磁链及转矩值。为使系统达到最优控制性能， 必须综合考虑当前磁链幅值与转矩的要求。仍以图2 5 来说明，磁链矢量运行于 区域i 并以逆时针运转为例，如磁链滞环比较输出为1 ，表示要求增大磁链值，可 选醍和既，若此时转矩滞环比较器输出为0 ，表示要求减小转矩，可选玩和弘，综 第二章永磁电机直接转矩控制 合考虑时，发现满足增大磁链并减小转矩以实现逆时针运行的电压空间矢量酰。 根据这种考虑方式，分别在每个区域内根据电压矢量对磁链和转矩的控制作用进 行讨论，可以导出在各个扇区内转矩、磁链不同情况时空间电压矢量的选择信号 表，即开关电压选择表，如表2 1 所示。该表原则上有四个输入：旋转方向信号， 转矩信号丁，磁链信号少和扇区信号护( 矽= f = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 。为了讨论方便， 我们假定定子磁链矢量一直是逆时针旋转，省去了旋转方向信号；另外开关表还 有3 个输出就是三个开关信号& 、& 、& ；帅丁表示磁链与转矩滞环比较器输出 值，其中，当丁= 1 时表示要求增加转矩，丁= 0 表示减小转矩，= 1 表示要求增 加磁链，缈= 0 表示减小磁链；9 ( f = l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 与图2 5 中的i 六个扇区 相对应，喊示所选择的电压矢量【2 1 】。 表2 1开关电压矢量选择表 电压 输入量 输出量 矢量 丁 l 臼s s 、 s 、 u 11 11o u ， 10 舅 01 o 玑 o11 0 1 以 o 0 0 o 1 玑 11010 玑 10011 玑 o1 岛 100u oo 1 0 1 玑 11011 乩 1 0 0o1 玑 o 1 色 110 u oo1oo 【， 11001 u ： 10101 以 o1 以 010 u ， o011o u 11101 以 1o100u 01 色 0l1 u o o010 11 10 7 0 u ， 10 眈 11 o u o1 0o1 u ； oo 0 11 u 。 第二章永磁电机直接转矩控制 2 3 传统永磁电机直接转矩系统仿真模型 基于上述永磁同步电机的直接转矩控制原理，利用m a t l a b s i m u l 烈k 仿 真工具，建立了系统的仿真模型，整体仿真模型如图2 6 所示。根据模块化建模 思想，将控制系统分割为各个功能独立的子模块，其中主要包括：永磁同步电机 模块、磁链计算模块、磁链区间位置判别模块、开关电压矢量表模块和逆变器模 块。各个模块的仿真模型分别由图2 7 到图2 1l 给出【2 2 】： 图2 6 永磁电机直接转矩系统仿真模型 图2 7永磁电机仿真模块 第二章永磁电机直接转矩控制 c o n s t a n t 图2 8 磁链计算模块 图2 9 磁链区间位置判别模块 1 6 第二章 永磁电机直接转矩控制 图2 一l o 开关电压矢量表模块 图2 1 1 逆变器模块 - 1 7 第二索永磁电机直接转矩控制 2 4 传统方法中存在的问题 最近十年，由于直接转矩控制技术的优良特性，使它在永磁电机中的应用发 展很快，其中一些较为关键的技术已得到了很好的解决，但是在启动和运行当中 的转矩脉动依然存在，而且速度越低脉动得影响越大，这直接影响了整个系统的 性能，本节主要从原理和应用上说明传统的直接转矩控制系统中产生转矩脉动的 主要因素，为以后解决问题提供理论基础。 2 4 1 定子电阻非线性问题 在永磁电机直接转矩控制系统中，定子电阻其实是一个非常重要的因素。一 般在系统中，定子磁链的观测是通过定子电压积分得到的，但这是在忽略定子电 阻的基础上得到的，从公式( 2 1 3 ) 到( 2 1 4 ) 就可以看出，这种近似直接造成 对定子磁链的估计不准确，对系统产生的影响就是使转矩产生脉动，而且速度越 低，这种脉动就越大。 而且在电机运行当中，定子电阻并不是一个恒定的数值，它的参数会随着永 磁电机的运行而改变，而且在转速较低时，表现得非常敏感。由于在电机运行当 中涉到定子电阻的运行状态是在不停变化的，如定子温度等。这些因素也导致了 对定子电阻控制的难度，从而不能很精确的估计出定子磁链值，进而使整个系统 只能在一个失真的状态下运行，其性能可想而知。 许多文章涉及到定子电阻的估计，其中最直接的就是通过测量电机中的磁 链、电压等参数值，从电机的基本模型中加以计算获得相应的电阻值，更经济的 方法就是通过模型参考自适应系统来预测定子电阻，还有学者应用观测到的转矩 和实测的电流来实时调整估计电阻值。但是由于定子电阻在电机运行当中表现出 较强的非线性，简单的计算不能有效地估测出实时电阻大小，故电阻作为电机运 行当中的不确定因素一直没有得到很好的解决。本文采用了智能方法中的神经网 络方法从整体上来训练定子磁链，绕过定子电阻问题，因为系统最终需要的是对 磁链的准确估计，通过应用智能方法，以期克服定子电阻的影响。 2 4 2 零矢量应用问题 永磁电机直接转矩控制系统与异步电机直接转矩系统最大的区别就是零矢 量对系统中的磁链和转矩的控制作用。 在异步电机中，转矩的变化和转差有关，转差是角度的微分。在施加零矢量 时尽管转矩角度变化不大，但它的微分可能变化很大，事实也是如此。定子磁链 因零矢量在空间停止不动但转子仍然按原转速惯性运动，异步电机的转差从一个 第二章永磁电机直接转矩控制 较小的正值突变成较大的负值，产生巨大的制动转矩而使电磁转矩快速下降。同 步电机中无转差的概念，转矩只和转矩角有关，不存在微分的关系，只要转矩角 度变化不大转矩就变化不大，所以在施加零矢量时，虽能使定子磁链保持原位置 不动，但它与一直存在的转子磁极永磁磁场相互作用仍将产生转矩，不能起到有 效减小转矩的作用。由于转矩角的改变可近似认为是零，即转矩基本保持恒定。 鉴于此，传统的永磁电机直接转矩控制系统中采用不包含零矢量的控制方案，使 用反电压矢量来减小转矩。 在不包含零矢量的控制方案中，当电机实际电磁转矩与给定值差距不是很大 时，由于没有零矢量，此时只能在个周期内连续施加反向的空间电压矢量，结 果使实际值与给定值总是有差距，使电机定子磁链进进退退，产生不能解决的转 矩脉动。并且在不同开关进行切换时，没有了向异步电机控制中的中间过渡的向 量，增加了逆变器开关次数。本课题改进了这种情况，采用含有零矢量的控制方 案。 2 4 3 滞环比较器选择开关信号问题 在传统的永磁电机直接转矩控制系统中，将磁链和转矩误差输入滞环比较器 当中，通过滞环比较器的输出来选择逆变器的开关信号。滞环比较器有两个控制 状态。在这两个控制状态允许的一定范围内，无论实际磁链、转矩和给定值的误 差差别多大，滞环比较器都具有相同的输出，这样造成的结果就是转矩和磁链肯 定时刻存在误差，必然造成转矩的脉动。虽然可以通过减小滞环的宽度来减小转 矩的脉动，但这将提高电压矢量的切换频率，导致开关器件的开关损耗增加。而 且滞环比较器还不能判定磁链和转矩哪个更需要优先满足，即两者的重要性没有 在滞环比较器中得到体现。 本文提出了一种基于模糊控制的永磁同步电机直接转矩策略，采用模糊控制 器取代磁链和转矩滞环比较器，并对模糊控制误差进行分级，根据转矩、转子磁 链误差大小和正负以及定子磁链所在的扇区来确定施加的电压矢量信号以减小 转矩、磁链脉动，提高系统的控制性能。 第三章永磁同步电机直接转矩智能控制 第三章永磁同步电机直接转矩智能控制 对于发展高性能p m s m 系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式”存在 的p m s m 、逆变器及相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因素的制约； 而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控制理论的发展， 尤其智能控制的兴起和广泛的应用，使得从通过改进控制策略的角度着手以提高 控制器性能进而提高p m s m 系统性能己成为广大学者研究的热点。 针对于传统的永磁电机直接转矩控制系统存在的问题，本章尝试将智能方法 应用到传统的控制系统中。用径向基神经网络完成对定子磁链的估计，采用模糊 控制器替代传统的滞环比较器，并且利用包含零矢量的空间电压控制方法构建新 的基于智能方法的永磁电机直接转矩控制系统。首先介绍了模糊控制和神经网络 控制原理，其中着重讲述了模糊控制器的设计、径向基神经网络估计模型的构成， 之后将两种控制方法同时应用于永磁同步机调速系统中，并基于 m a t l a b s i m u l k 建立了仿真模型，对该系统进行仿真，并与传统方法仿真 结果进行比较，进而验证其有效性。 3 1 控制系统原理结构 图3 1 系统原理图 基于模糊和神经网络控制的直接转矩控制系统，其原理如图3 1 所示，利用 电压和电流检测装置，检测电动机定子的三相电压和电流，转变成两相值，输入 第三章永磁同步电机直接转矩智能控制 神经网络磁链观测器