（电力电子与电力传动专业论文）基于直接转矩控制的永磁同步电机伺服系统研究.pdf

学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。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。 作者( 签字) ：升物 日期： 加口年月矿日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：身中房 曰期：- 7 , o 口年；月护日 导师( 签字) ： 拯忱 - , i o l o 年弓月，汐日 哈尔滨t ：稃大学硕十学位论文 摘要 表贴式永磁同步电动机( s p m s m ) 具有转速与转矩特性线性度良好、低噪 声、效率高、功率密度大、体积小、重量轻、低速性能好、力矩波动小、可 靠性高以及非弱磁情况下调速范围大等优良特性，使其在各种电力拖动的场 合广泛应用。因此，对表贴式永磁同步电机驱动系统的控制策略进行研究具 有重要意义。 首先，本文研究了永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型，并且 在电机理论的基础上通过向量图的方法对表贴式永磁同步电机的各种工作状 态进行了深入分析的前提下，深入研究了表贴式永磁同步电机的直接转矩控 制策略，并且采用引进空间电压矢量调制技术的方法改进传统直接转矩存在 的不足。在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台上建立了直接转矩控制( d t c ) 和基于电压 空间矢量调制直接转矩控匍j ( d t c s v m ) 的系统仿真模型，在对仿真实验结果 进行了对比分析的基础上，确定了控制系统采用基于d t c s v m 的控制策略的 研究方案。 其次，对表贴式永磁同步电机位置伺服控制系统进行了硬件和软件方面 的设计。硬件电路以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片为控制核心，外围电路包括电流检测 电路、过电流保护电路、过压保护电路、外部输入输出接口电路、i g b t 驱动 电路。并重点对硬件电路保护进行了设计。主电路电路采样大功率直流稳压 电源直接供电。系统控制程序的编写采用模块化的编程结构，利用c c s 3 1 开 发环境，采用c 语言进行开发。程序由主程序和中断服务子程序构成，主体 工作由中断服务程序完成，包括相电流检测、数据处理、采样滤波、零点补 偿等。详细分析了各个程序模块的数据处理方法。 最后，采用控制系统程序设计的步骤对系统进行了测试，并做出了实验 结果分析。实验结果表明，本设计已经完成表贴式永磁同步电机位置伺服控 制系统的软件和硬件设计。 关键词：表贴式永磁同步电动机；直接转矩控制；d t c s v m ；m a t l a b s i m u l i n k 仿真 哈尔滨i ：程人学硕十学伉论文 a b s t r a c t s u r f a c em o u n t e dp 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 ( s p m s m ) d r i v e s y s t e mi sw i d e l yu s e di ne l e c t r i c a ld r i v ea p p l i c a t i o nf i e l d ，b e c a u s eo fi t sf i n es p e e d v s t o r q u ep e r f o r m a n c e ，l o wn o i s e ，h i 曲e f f i c i e n c y ，h i 曲p o w e rd e n s i t y ，s m a l ls i z e a n dw e i g h t ，g o o dl o w - s p e e dp e r f o r m a n c e ，s m a l lt o r q u ef l u c t u a t i o n ，h i 曲r e l i a b i l i t y a n dw i d es p e e dr e g u l a t i o na b i l i t yw i t h o u tw e a k e n i n gm a g n e t i c s o ，t h er e s e a r c h o nt h ec o n t r o ls t r a t e g i e so ft h es p m s mc o n t r o ls y s t e mh a ss i g n i f i c a n tm e a n i n g f i r s t ，al o to fs t u d i e so fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) s t r a t e g yo nt 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 rh a v e b e e nd o n e ，o nt h eb a s i so ft h e r e s e a r c hi nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mi nt w o - p h a s es t a t i o n a r yc o o r d i n a t e s y s t e ma n dt h ea n a l y s i so fd i f f e r e n tw o r k i n gs t a t e su s i n gt h ev e c t o rd i a g r a m s s i m u l a t i o n so fd t cs y s t e ma n dd t cs y s t e mb a s e do ns p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o nf o rs p m s m ( d t c s v m ) h a v eb e e nd o n e ，a n da l s od e c i d et oa d o p t d t c - s v mc o n t r o ls t r a t e g yf o r t h es p m s ms e r v oc o n t r o ls y s t e m ，b a s e do nt h e c o n t r a s ta n da n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s a n dt h e n ，ad e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h es p m s m p o s i t i o n s e r v oc o n t r o ls y s t e mi sm a d e t m s 3 2 0 f 2 812i su s e da st h ec o r eo fh a r d w a r e ， p e r i p h e r a lc i r c u i t si n c l u d i n gc u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t , o v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n c i r c u i t ，t h ee x t e r n a li n p u ta n do u t p u ti n t e r f a c ec i r c u i t ，i g b td r i v i n gc i r c u i t d i r e c t d cp o w e rs u p p l yi su s e da st h em a i nc i r c u i t a n de m p h a s i so nt h ed e s i g no f p r o t e c t i o nc i r c u i tb a s e do nh a r d w a r ei sp u t t e d t h ep r o g r a mo ft h es p m s m p o s i t i o n s e r v oc o n t r o ls y s t e ma d o p t sm o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，r e a l i z e di nc l a n g u a g ei nc c s 3 id e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h es o f t w a r ei n c l u d i n gm a i n p r o g r a ma n di n t e r r u p ts e r v i c ep r o g r a m ，m o s tw o r ki sd o n ei ni n t e r r u p ts e r v i c e s p r o g r a m ，i n c l u d i n gp h a s e c u r r e n td e t e c t i o n , d a t a p r o c e s s i n g ，p ir e g u l a t o r ， s a m p l i n gf i l t e r , z e r oc o m p e n s a t i o na n d s oo n ad e t a i l e da n a l y s i so ft h ev a r i o u s p r o g r a mm o d u l e sf o rd a t ap r o c e s s i n gm e t h o di sd o n e f i n a l l y , t e s t sh a v eb e e nd o n eu s i n gt h es t e p so ft h ed e s i g no ft h es y s t e m ，t h e jfjjjffijjffiiiiifjlijffijjff r e s u l t sa n da n a l y s i so fe x p e r i m e n t a li sg i v e n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t m es o f 撕a r e 锄d 眦d e s i g n o ft h ep m s ms e r v oc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e n c o m p l e t e d k e yw o r d s ：s p m s m ；d t c ；d t c - s v m ；m a t l a b s i m u l i n k 哈尔滨1 ：稗大学硕+ 学何论文 目录 第1 章绪论：1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 国内外发展现状及发展趋势3 1 3 论文的主要内容及结构安排4 第2 章表贴式永磁同步电动机的研究6 2 1 表贴式永磁同步电机( s p m s m ) 数学模型6 2 1 1 两相旋转坐标系s p m s m 数学模型7 2 1 2 两相静止坐标系s p m s m 数学模型8 2 2 表贴式永磁同步电动机运行分析9 2 2 1 永磁同步电机工作模式9 2 2 2s p m s m 位置伺服制动分析1 2 2 3 表贴式永磁同步电机磁链观测器模型1 3 2 3 1 电压积分型磁链观测器1 3 2 3 2 基于转子位置检测的表贴式永磁同步电机磁链观测器1 5 2 3 3 影响磁链观测的因素分析1 7 2 3 4 永磁同步电机伺服控制磁链模型比较与选择1 7 2 4s p m s m 初始位置检测原理1 8 2 4 1u 、v 、w 信号初始定位原理18 2 4 2 改进型u 、v 、w 信号初始位置检测1 9 2 5 转速计算原理19 2 6 本章小结2 0 第3 章直接转矩控制仿真与d t c s v m 控制仿真2 1 3 1 永磁同步电机直接转矩控制原理2 1 3 2d t c s v m 原理2 3 3 3 永磁同步电机直接转矩控制的m a t l a b 仿真模型2 5 3 4d t c s v m 控制系统的m a t l a b 仿真模型2 8 3 5 仿真实验结果及其分析2 9 哈尔滨翻雩火学硕十学位论文 i i 昌宣；i 暑i i i i i i i 葺i i i i 一i i i l 薯lj i i 宣宣宣置暑 3 5 1 基于传统直接转矩控制的永磁同步电机速度控制仿真2 9 3 。5 2 基于d t c s v m 的永磁同步电机调速系统仿真3 3 3 5 。3 基于d t c s v m 的永磁同步电机位置伺服系统仿真3 6 3 6 本章小结3 8 第4 章s p m s m 位置伺服系统硬件电路设计3 9 4 1 位置伺服系统硬件总体结构3 9 4 2 逆变主电路设计4 0 4 3 控制电路设计4 1 4 3 1 电流检测电路4 l 4 3 2 位置和速度检测电路设计4 3 4 3 3 过电流保护电路4 5 4 3 4 过电压保护电路4 5 4 3 5 母线电压检测电路4 6 4 3 6i r 2 1 1 0 驱动电路4 8 4 3 7 扩展模数转换器a d 7 6 5 6 电路5 0 4 3 8 串口通信电路51 4 4 本章小结。5 2 第5 章s p m s m 位置伺服系统软件设计一5 3 5 1s p m s m 位置伺服系统软件框图5 3 5 2 程序模块化及相关数据处理5 4 5 2 1 比例积分( p i ) 控制数据处理模块5 4 5 2 2a d c 模数转换数据处理模块5 5 5 2 3 初始位置检测数据处理模块5 6 5 2 4 位置和速度数据处理模块5 7 5 2 5 磁链和转矩数据处理模块5 8 5 2 6 定子电压空间矢量数据处理模块5 8 5 2 7s v p w m 信号占空比数据处理模块5 9 5 2 8s v p w m 信号调制模块6 1 5 3 永磁同步电机伺服控制系统控制流程图6 l 5 3 1 主函数m a i n 流程图6 1 哈尔滨丁程人学硕士学何论文 5 3 2 主中断服务程序m a i ni s r 一6 2 5 3 3 转子位置校正中断程序流程6 4 5 3 4 时间采样中断服务程序流程6 5 5 4 本章小结6 5 第6 章硬件系统调试和实验结果分析6 6 6 1 硬件电路调试6 6 6 2 实验结果及分析6 8 6 2 1 系统所有环路开环工作测试6 9 6 2 2 速度和转矩闭环系统测试7 1 6 2 3 位置、速度和转矩闭环工作7 6 6 3 本章小结7 8 结论7 9 参考文献81 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 5 致谢8 6 附录8 7 哈尔滨j i 稃大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着科学技术的发展，特别是电机制造技术、电力电子技术和计算机控 制技术取得的巨大进步，使得伺服控制系统在数控机床、机器人控制、雷达、 航空航天以及柔性制造系统等许多高科技领域得到非常广泛的应用。 电机制造技术的发展：电机分析与设计的理论已经比较完备，所以新材 料的出现对于电机制造具有重要的意义。自从上世纪六十年代以来磁性材料 磁性能的三次重大突破都发生在稀土永磁材料领域。1 9 6 8 年，b u s c h o w 研制 出s m c 0 5 稀土永磁体，其磁性能为：b r _ 0 8 4 t ，i - i c = 1 2 5 7 k a m ， ( b h ) m a x = 1 4 7 k j m 3 ，是永磁材料磁性能的第一次突破，标志着稀土永磁材料的 诞生。第二代稀土永磁材料的标志是，1 9 7 7 年o j i m a 等人用粉末冶金法研制 出( b h ) m a x 为2 3 8 k j m 3 的s m ( c o ，c 。，f 。，z r ) 7 2 永磁体。1 9 8 3 年美国的c r o a t 、k o o n 等人制造出以n d 2 f 。1 4 b 为基体的n d f 。b 系烧结永磁材料，标志第三次永磁 材料的重大突破1 。2 0 0 2 年，德国v a c 公司实验室制造出磁能积为4 5 1 k j m 3 的高性能烧结n d f 。b 永磁材料忙1 。目前我国在稀土磁性材料生产方面已经走 在世界的列，现在的产品的( b h ) m 瓤己达到4 0 0 k j m 3 ，接近国际先进水平p 1 ； 我国已经能够批量生产在2 2 0 下长期使用的剩磁达1 2 6 t 的钕铁硼材料h 。 由于永磁材料技术及电子技术的发展，上世纪7 0 年代末期才出现了实用 化的p m s m 芦】。高性能稀土永磁材料，特别是钕铁硼永磁材料的问世，电力 传动发生了重大变化，高性能永磁电机成为许多高新技术产业的基础。高性 能化是永磁电机的突出优点，它具有运行精度高、运行噪声小、平稳性好、 过载能力大等特点1 。例如，数控机床用稀土永磁伺服电机的调速比可以高 达l ：1 0 0 0 0 ；永磁电机可以实现精密驱动控制，转速控制精度可达到0 1 ； 永磁电机可以实现低速大转矩运行，并且负载转矩下直接起动。高效节能是 永磁同步电机的一个重要特点，永磁同步电机在水泵、风机、家用电器以及 汽车、宇航等领域大量应用，具有显著的节能效果。 电力电子技术的发展：对于永磁同步电动机而言，由高性能电力电子开 关器件组成的逆变电路是永磁同步电机有效利用的不可缺少的必要条件，电 哈尔滨一f ：稃入学硕十学伊论文 力电子器件是弱电与强电之问功率变换的接口。自1 9 5 8 年世界上第一个功率 半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件己经历了第一代半控式晶闸管， 第二代有自关断能力的半导体器件( 包括大功率晶体管g t r 、可关断晶闸管 g t o 等) ，第三代复合型场控器件( 包括绝缘栅功率晶体管i g b t 、m o s 控制 的晶体管m c t 等) ，以及第四代集成功率模块i p m p l 。半导体开关器件性能 的不断提高，并且成本大大降低，极大地推动了各类电动机控制技术的革新。 微处理器技术的发展：处理器运算速度大大提高，为各种数字控制算法 得以完成，各种先进的控制理论得以实现提供了必要条件捧“引，有力地促进了 电机控制技术的发展。例如，异步电机空间电压矢量控制和直接转矩控制的 应用产品的出现。d s p ( 数字信号处理器) 是用于数字信号处理领域的芯片，但 由于它具有极强的数据处理能力，所以被用于电机控制领域完成日益复杂的 电机控制算法。近年来t i 、m o t o r o l a 、a d 等大公司在内的许多d s p 厂 商都相继推出了一系列电机控制专用d s p 处理芯片，例如如t m s 3 2 0 系列、 d s p 5 6 f 8 0 x 系列等。此类芯片都以d s p 处理器为核心，同时在片内集成了 a i d 转换器、事件管理器、以及各种通信接口等在内的电机控制接口电路， 不仅简化了电机控制系统硬件电路，而且提高了电机控制系统的可靠性和性 价比1 。 自2 0 世纪8 0 年代末以来，交流伺服系统得到了飞速发展，已具备了宽 调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等高性能，所以交流伺 服系统逐步取代直流伺服系统已成为一种趋势。永磁同步伺服系统以其高位 置分辨率，高定位精度，宽调速范围，低速稳定运行，无爬行现象，力矩波 动小，响应速度快，峰值转矩高，过载能力强，能承受频繁起停、制动和正 反转，电机无电刷，可靠性高，可工作于恶劣的环境等优点，已成为当代高 性能交流伺服控制系统的主要发展方向2 。 永磁同步电动机分为：梯形波直流无刷电动机( b l d c m ) 与正弦波永磁同 步电动机( p m s m ) ，而p m s m 又可分为：表贴式p m s m ( s p m s m ) 与内嵌式 p m s m ( i p m s m ) 。由于表贴式永磁同步电动机( s p m s m ) 系统广泛应用于工农 业中，尤其广泛应用于直接驱动的场合。例如：直驱曳引系统、工业机器人 关节驱动、低噪音节能家电及低成本高性能生产工具等。并且s p m s m 能够 提供线性度很高的转矩、高效节能、噪音低、不需要弱磁调速就可以得到很 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 宽的调速范围等性能3 1 ，所以本文主要研究s p m s m 的驱动问题。 1 2 国内外发展现状及发展趋势 当日订国际上的交流调速技术发展很快，高性能的交流伺服控制需要电子 器件和控制软件的支撑。电子器件的发展主要是国外如a d 、t i 、a b b 、西 f - j t ：、e u p e c 、三菱、i r 等大的电子器件生产厂商推出的高性能电力电子器 件、传感器以及d s p 处理器”4 1 。目前市场上已经可以买到3 5 k a 电流范围、 6 5 k v 电压范围的i g b t 和最大工作电流3 k a ，最大工作电压5 5 k v 的i g c t 等大功率驱动单元。还有一些低电压大电流的集成驱动芯片朝着微型化方向 发展，控制系统的集成度越来越高，市场上已经可以看到大量高度集成的一 体化p m s m 电机控制系统引。 在经济发达的国家，交流伺服系统已遍布电力、铁路、化工、民用等各 个领域。国外各大伺服驱动厂商和电机制造商均有自己的高性能永磁同步伺 服电动机产品，并且在大功率、高性能、高精度交流伺服系统开发方面取得 巨大成就，国外产品正向着专用化、智能化伺服发展。例如，德国西门子、 施耐德，r 本安i f 、东芝、松下等公司都有自己的成熟产品；日本安门f 电机 公司的大容量伺服驱动器作为机械的必要部件，充分发挥其优越的性能 及便捷的操作性，可为大型设备实现节能、省空间及高效率提供强大支援； 施耐德电气( s c h n e i d e re l e c t r i c ) 推出的l e x i u m0 5 型伺服控制器是真正的机电 一体化产品，其智能化、小型化以及特殊的结构设计理念在世界处于领先地 位。 我国自上世纪7 0 年代开始p m s m 控制系统方面的研究工作q ，对矢量 控制刀、直接转矩控制8 1 以及位置传感器技术卅等进行了深入的研究。目前， 国内许多科研单位和高校都投入了大量的人力和技术力量，并取得了一定的 进展，哈尔滨工业大学已经生产出转矩达2 0 0 0 0 n m 的低速力矩p m s m ，还 为某些特型仿真转台提供了直径达1 6 m 的低速力矩p m s m 驱动系统( 包括同 尺寸高精度位置传感器) 旺0 1 。沈阳工业大学王凤翔教授领导的课题组报导的 6 0 0 0 0 r r a i n 的p m s m 代表了我国的先进水平口。国内交流伺服领域基本是 在引进吸收国外同类产品的基础上，实现技术的消化和再吸收。但是仍然存 在可靠性低、性能不稳定等缺点，至于高性能和国产化的产品尚在研究阶段。 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 i i i i n 由于资金和技术的限制，国内的研究和产品多集中在低价位、性能较差的直 流无刷电动机上。一些院校和研究所的永磁同步电动机多为特殊设计，应用 于航天、国防等特殊场。9 0 年代开始，华中科技大学、沈阳工业大学、北京 机床研究所、广州数控设备厂和西安电动机研究所等开始研究并推出了交流 伺服系统。例如华中数控h s v 1 6 d 、h s v 1 8 d 等系列驱动器，广州数控 d a 9 8 伺服驱动器等系列产品，投入市场后赢得一定的市场份额，但与国外 相比都未形成规模，不具有与国外产品竞争的绝对能力。进入2 1 世纪后，我 国在交流伺服系统研究方面取得了长足的进步，其中北京中宝伦自动化技术 有限公司于2 0 0 0 年1 1 月成功研发的p a c p 系列数字化位置型交流伺服系统 和华中数控公司于2 0 0 1 年自主研发的g k 6 、g k 7 全系列永磁同步交流伺服 电机等一些性能优良的伺服系统产品已经占据了较大的市场份额，打破了国 外厂家在国内市场绝对垄断的局面。并且近些年一些有实力的厂商不断涌入 市场。例如：利德华福、森兰、南京埃斯顿等公司已经在中低端市场中占据 领先优势。 虽然我国目前在交流伺服控制方向上发展很快，但是大功率的电力电力 电子器件、先进的传感器元器等高性能电子器件还是主要依靠进口，并且受 到价格、技术等方面受到限制，国内往往遭受国外尖端技术的技术封锁，所 以和国际上高性能伺服控制系统的发展水平还存在很大差距。 1 3 论文的主要内容及结构安排 全文共分六章： 第l 章为绪论。介绍了课题研究的背景及意义，国内外的发展现状及交流 调速相关技术的发展。 第2 章为表贴式永磁同步电机的研究。根据电机理论和坐标变换理论，建 立了永磁同步电机的数学模型，重点分析了永磁同步电机各种工作状态时的 向量图。并且介绍了与本文相关磁链观测、初始位置检测和速度检测的原理。 第3 章为永磁同步电机控制系统仿真及其仿真结果分析。搭建了永磁同步 电机d t c 和d t c s v m 控制系统的仿真模型，并且对仿真实验结果进行了分析 对比。 第4 章为永磁同步电机位置伺服系统的硬件电路设计。设计完成了小功率 4 哈尔滨一i ：程大学硕十学位论文 表贴式永磁同步电动机控制系统的硬件平台。 第5 章为永磁同步电机位置伺服系统的软件设计。在小功率永磁同步电机 硬件平台的基础上编写模块化的控制程序，系统的分析了各个模块的数据处 理及位置伺服控制系统程序的流程。 第6 章为试验结果和分析总结。从硬件调试和程序编写流程的角度，分析 了不同工作状况时的实验结果。 最终，初步完成表贴式永磁同步电机的位置伺服控制系统开发的硬件和 软件平台。 哈尔滨下挥大学硕十学位论文 第2 章表贴式永磁同步电动机的研究 2 1 表贴式永磁同步电机( s p m s m ) 数学模型 由交流电机理论分析得到永磁同步电机的向量图如图2 1 所示。 图2 1p m s m 分析用的坐标系及向量图 图中a 、b 、c 坐标是定子三相静止坐标系，其中a 轴定义在a 相定子绕 组的轴线上；口、坐标是定子两相静止坐标系，6 轴和a 轴重合，轴超 前于口轴9 0 。；d 、q 坐标是转子两相旋转坐标系，其中d 轴定义在转子的永 磁体轴线上，g 轴超前于d 轴9 0 。x 、y 坐标是定子磁链定向的两相静止坐 标系，其中x 轴定义在定子磁链上，y 轴超前于x 轴9 0 。；图中y ，为p m s m 转子永磁体的磁链矢量；秒为d 轴与6 轴的央角：虮为定子的磁链矢量；t 为 定子电流矢量；西为定子磁链与转子磁链矢量之间的夹角，定义为转矩角； 屯、f 。分别为投影到d 、q 轴的定子电流的直轴分量和交轴分量；f ，、f ，分别 为投影到x 、y 轴的定子电流分量：，为投影到x 轴的定子磁链分量；y 扑 虬分别为投影到d 、q 轴的定子的磁链直轴分量和交轴分量；l d 、l q 分别 为d 、q 轴电感，可知表贴式永磁同步电机中t 厶= l q ：r ，为定子相电阻： 国为转子旋转的电角速度；p 为微分算子，尸为极对数。儿、y 口分别为投 6 哈尔滨i ：稃人学硕十学位论文 影到口、轴的定子的磁链分量；f c r 、如分别为投影到口、p 轴的定子的电 流分量2 2 脚删1 。 2 1 1 两相旋转坐标系s p m s m 数学模型 电压方程式： u d = p 一功虬+ r 屯( 2 - 1 ) u q = p t l l q + 国+ r ( 2 - 2 ) 式子中，u d ，u 。为定子电压空间矢量在转子两相坐标系中d 、q 的分量， 分别称为直轴电压分量和交轴电压分量； 磁链方程式： = 少，+ 厶屯( 2 - 3 ) 虬= z q i q ( 2 4 ) 电磁转矩矢量方程为： 疋= 尸痧，xt ( 2 5 ) 如图2 1 所示，用d ，q 轴分量分别表示定子磁链和电流矢量缈，、f 。时 可以得到： 吵，= d + _ ，5 f ，。( 2 6 ) f ，= i d + j i 。( 2 - 7 ) 将( 2 6 ) 和( 2 7 ) 带入式( 2 5 ) 推导得到电磁转矩方程式可以表示为： 疋= p ( y d i q 一。屯) ( 2 8 ) 将式子( 2 3 ) 和( 2 4 ) 带入上式，电磁转矩可以表示为： z = p + ( l d 一厶) 屯】( 2 - 9 ) 图2 1 可以看出i d = tc o s f l ，i q = s i n ，带入式( 2 - 9 ) 得到： 瓦= p 眇，te o s f l + 0 5 ( l d l q ) i s 2s i n 2 f l 】 ( 2 1 0 ) 表贴式永磁同步电机厶= 厶，所以由式子( 2 一1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 9 ) 可以得到转 子磁场定向的两相旋转坐标系中数学模型为嘲嘲： u d = 厶p i d o ) z q i q + b f d ( 2 11 ) = 乞p + 缈盼+ 国厶易+ 足 ( 2 1 2 ) 瓦= 尸，( 2 1 3 ) 7 哈尔滨1 ：样人学硕十学位论文 i | i | 2 1 2 两相静止坐标系s p m s m 数学模型 甜口= ( r ，+ 皿，) i o r o g t 厂s i n0 u b = 0 rs + p l 3 i p 七c o q f c o s0 杪。口= i ( u ，口- r ，t 。) a t + 少血o l ；，s b 2p 。8 - r s i , b ) d t + 沙f p o 川= 2 + 杪妒2 v 。x = ls i 。+ vfc o s 6s f l ，s v2l s ls v vfs i n 6 玎 r c 式子中：t 为永磁同步电机的同步电感； 如图2 1 所示，由于x 轴定位于定子磁链方向上， 分量值。= o ，故可以得到式子( 2 2 1 ) - l s i y 一妒fs i n 6 呼= 0 由式子( 2 2 1 ) 推导得到： 1 1 y27 - vfs i n 6 唾 f 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 但- 2 0 ) 所以定子磁链的y 轴 ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) 图2 2 永磁同步电机定子、转子以及气隙磁链的关系 永磁同步电动机与电励磁同步电机的内部电磁关系类似，所以可以用双 反应理论研究表贴式永磁同步电机，永磁同步电机定子、转子以及气隙磁链 的关系如图2 2 所示弘6 1 。由电机理论得知电磁转矩由气息合成磁链与定子电 哈尔滨t 释大学硕十掌何论文 流决定，可表示为： 瓦= c 陟。l i , s i n 么( 缈，) ( 2 2 3 ) 由图2 2 可以得到： 陟。恢i s i n 么( 。，i s ) = f 。f s i n z ( 杪。，) ( 2 - 2 4 ) 所以电磁转矩可以表示为： ， 疋= c p ，i l i , l s i n 么( y ，t ) = i 尸眵，妙，s i n 妨( 2 2 5 ) 厶l j 式子( 2 2 5 ) 中，c 为转矩系数，y 。为气隙磁链矢量，f ，为定子电流矢量。 上式说明，由于永磁同步电机中永磁体的磁链基本恒定，当控制永磁同 步电动机的定子磁链恒定的情况下，永磁同步电机的电磁转矩只与转子磁链 与定子磁链之间的夹角大小有关。选择不同的电压空间矢量就可以达到改变 西，达到改变定子磁链空间矢量相位的目的，从而达到改变电机电磁转矩输 出的效果。 l s 口l ；，s d 图2 3 口、坐标系下定子磁链与电流的关系 如图2 3 所示的口、坐标系中定子磁链与定子电流的向量图可以得到 如下关系： s i n 么( 虬，i s ) = s i n 么( ，一) = s i n 么缈，c o s l f , 一c o s z g ，s i n l i ，( 2 - 2 6 ) 将式子( 2 2 6 ) 带入( 2 2 5 ) 可以得到口、坐标系中电磁转矩的表达式为： 气 正= 丢p ( 如一屯) ( 2 2 7 ) 二 2 2 表贴式永磁同步电动机运行分析 2 2 1 永磁同步电机工作模式 由于表贴式永磁同步电机直轴和交轴对称，所以交轴电感等于直轴电感， 而且漏感非常小，故电枢反应电抗等于同步电抗b 2 1 。永磁同步电动机永磁体 9 哈尔滨1 ：程大学硕十学何论文 ；i i - i ；i ；i i i 篇 磁势t 以同步转速切割电枢绕组，电枢绕组内对应感应出的三相电势，每相 励磁电势为毛。电枢电流，产生的电枢磁势为c ，气隙合成磁势为b 。电 枢绕组切割气隙合成磁场感应出的三相电势每相为乓。 对表贴式永磁同步电动机定子每相进行分析得到稳定运行于同步转速时 的电压方程式： u = e o + 1 r ；七j l 七j ld x l a 七j lq x 玛= e o 七l rs + j ld xd + 1 lq xd q l _ - 2 8 ) 式中：厶为永磁同步电机气隙基波磁场所产生的每相空载电动势的有效 值( v ) ；d 为定子相电压有效值( 矿) ；，定子相电流有效值( 彳) ；r ，为定子绕 组的相电阻( q ) ；x 为定子漏抗( q ) ；l = l = 髟= x q 为直轴和交轴的 电枢反应电抗( q ) ；虬为直轴同步电抗；为交轴同步电抗；l ，l 为定 子电流有效值在直轴和交轴的电流分量( 彳) ：矿为，与鼠之间的夹角称为内 功率因数角；o o 为与c 之f 1 目j 的夹角称为功率角。 d 图2 4 功率因数等于l 的去磁状态电动运行 如图2 4 所示，定子相电流与定子相电压同相，所以电机工作于功率因 数等于1 。d 轴方向相电流分量为负值有去磁作用，导致气隙合成基波磁场 所产生的电动势b 的d 轴分量乓小于空载反电动势e o 。为每相定子绕组 所产生的磁链矢量，沙。超前于d 轴大于9 0 。的一定角度，所以电机工作于去 磁电动运行状态。 l o 哈尔滨广稃犬学硕+ 学位论文 i i i ；置宣i i ；暑；i i i i i ；i i 宣宣i i ；i i i i 高i i i ；暑；i i i i i i i ；i i ；嗣昌；i i 宣i ；萱昌i i 昌宣宣宣i i i i 葺， q j l d xd毛 1 譬j lq x 。 1 5 l ： e d 谍硅 l do 图2 5 功率因数小于1 的去磁状态电动运行 如图2 5 所示，定子相电流滞后于定子相电压，所以电机工作于功率因 数小于l 。d 轴方向相电流分量为负值有去磁作用，导致气隙合成基波磁场 所产生的电动势岛的d 轴分量岛小于空载反电动势或。眠超前于d 轴大于 9 0 。的一定角度，所以电机工作于去磁电动运行状态。 i - 毛 眠 - ，( 乞) d u 图2 6 功率因数小于l 的去磁临界状态电动运行 如图2 6 所示，定子相电流滞后于定子相电压，所以电机工作于功率因 数小于1 。此时电机d 轴方向相电流分量为零，正好工作于增磁和去磁的临 界状态，导致气隙合成基波磁场所产生的电动势b 的d 轴分量日等于空载 反电动势e 。眠超前于d 轴9 0 。，所以电机工作于增磁和去磁的临界电动运 行状态。 由如图2 6 可以得到如下方程： u c o s o o = 毛+ i r ， ( 2 2 9 ) u s i n o o = ，( x t + l ) = x , t ( 2 - 3 0 ) 所以由式子( 2 2 9 ) 和( 2 3 0 ) 可以推导出永磁同步电机工作于增磁和去磁的 临界状态的判别公式如下： 哈尔滨吲犟火学硕十学伊论文 皓晒一i r s(2-31) e d j ld x d e o v n 叭qd 。 o id 图2 7 功率因数小于1 的增磁状态电动运行 如图2 7 所示，定子相电流滞后于定子相电压，所以电机工作于功率因 数小于1 。d 轴方向相电流分量为正值有增磁作用，导致气隙合成基波磁场 所产生的电动势岛的d 轴分量岛大于空载反电动势e o 。超前于d 轴d 、于 9 0 。，所以电机工作于增磁电动运行状态。 2 2 2s p m s m 位置伺服制动分析 永磁同步电机控制系统的两种运行状态”“： 1 ) 发电机运行电机处于制动能量反馈工作模式，同时电容吸收反馈的 能量。这时气隙磁场中的超前b ，即b 与e 的夹角o o 0 。由于漏阻抗压 降很小，相量岛与d 之间的夹角很小，所以o o 为与b 的夹角，也是毛与 d 之间的央角，即& 与乓之间的夹角。 2 ) 电动机运行电机从电网吸收功率。这时气隙磁场中的t 滞后于易， 即皖 0 ) & & ( y y 2 0 ) ) m = a t a n 2 ( y a b s ：, x a b s ) ； e l s e i f ( ( x x = o ) ) m = p i - a t a n 2 ( y a b s , , x a b s ) ； e l s e i f ( ( x x o ) & & ( i y y o ) & & ( y y o ) ) m = p i 2 ； e l s e i f ( ( x x o ) & & ( y y = 3 0 ) & & ( x = 9 0 ) & & ( x = l5 0 ) & & ( x = 210 ) & & ( x 1 = 2 7 0 ) & & ( x 5 0a s 响应时间 5 0 0n s 带宽d c 2 0 0k h z 绝缘电压 2 5k v 由表4 1 可以看出t b c 0 5 p s 3 3 输入电流为