（电力系统及其自动化专业论文）直接驱动永磁同步电机控制策略仿真研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a bs t r a c t t 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 a c h i n e ( p m s m ) h a sc o m et ot h ed i r e c t d r i v es y s t e md e v e l o p e r s a t t e n t i o nf o rt h e i rm e r i t ss u c ha sl o wv o l u m e ，h i g h p o w e rf a c t o r , h i g he f f i c i e n c ya n ds i m p l em a i n t e n a n c e r o t o r - f l u x f i e l d - o r i e n t e d v e c t o rc o n t r o la n dd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) s y s t e mh a v eb e e nr e s e a r c h e d ，a n d t r a c t i o nf e a t u r e so fe l e c t r i cv e h i c l eh a sb e e ns i m u l a t e db vd t cm e t h o dw i t h s i m p l es t r u c t u r ea n df a s td y n a m i cr e s p o n s ei nt h i sp a p e r b a s e do nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fp m s mi nt h ed r i v es y s t e m t h et h e s i s r e s e a r c h e st h ed e s i g nm e t h o da n dc o n t r o ls t r a t e g yi nd e t a i l t h ec o n s t i t u t eo fp m s mi si n t r o d u c e d a n dt h em a t h e m a t i c sm o d eh a sb e e n e s t a b l i s h e d t h et h e o r yo fr o t o r - f l u x 。f i e l d o r i e n t e dv e c t o rc o n t r 0 1a n dd t co fp m s m h a s b e e na n a l y z e d o nt h eb a s i so fp r i n c i p l ea n a l y s i s ，t h es i m u l a t i o ns y s t e m so f p m s ma r ee s t a b l i s h e db ym a t l a b s i m u l i n k t r a c t i o nf e a t u r e so fe l e c t r i cv e h i c l ea r ed e s c r i b e d ，s i m u l a t i o ns y s t e mi n e l e c t r i cv e h i c l ea p p l i c a t i o ni se s t a b l i s h e d ，ac o n s t a n ts p e e dc o n t r o l l e rb a s e do n d o u b l e h y s t e r e t i cb a n da d j u s t m e n ti sd e s i g n e d t h r o u g ht h es m o o t h l ys w i t c h i n g s t r a t e g y , t h ei m p u l s i o n so ft o r q u ea n df l u x a r ea v o i d e dd u r i n gt h es w i t c h i n g p r o c e s s a n dt h et r a c t i o nf e a t u r e sa r er e a p p e a r e db a s e do nd t c o fp m s m a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h et h e o r ya n ds i m u l a t i o n ，at w o l e v e l l a b p l a t f o r mi se s t a b l i s h e d ，t h eh a r d w a r ea n dc o n t r o lc i r c u i t sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ， a n dt h ec o n t r o ls y s t e mu s i n gt m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7a n dt m $ 3 2 0 v c 3 3i ss e tu p ，t h e s o f t w a r ef l o w c h a r to fp m s mc o n t r o l i sd e s i g n e d a n dt h ed t cs c h e m eo fp m s m i sp r o v e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：d i r e c t d r i v e s y s t e m ；p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m a c h i n e ( p m s m ) ；e l e c t r i cv e h i c l e ；r o t o r - n u x f i e l d o r i e n t e d v e c t o rc o n t r o ls y s t e m ；d i r e c t t o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ；c o n s t a n ts p e e dc o n t r o l ；d o u b l e - h y s t e r e t i ca d j u s t m e n t 西南交通大学曲南父遗大字 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：二丝3 、节 卜一r 日期：口 2 j ) 指导老师签名： 童妒毛 日期：知p 禾，7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 喾警论文凭者签名：五小弗 日期：叫7 一 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 直接驱动技术发展综述 1 1 1 直接驱动技术及其特点 现代电动汽车传动系统是通过齿轮传动装置将动力传递给轮轴来驱动汽 车。电动汽车齿轮传动装置主要由主电机、齿轮箱、齿轮箱固定装置、齿轮 弯曲轴万向接头、轮轴、车轮组成。 电动汽车采用齿轮箱装置后，驱动系统结构变得复杂、其体积增大、重 量也随之增加，而且由于传动齿轮的存在，系统成本变高、其运行噪声大、 传动效率变低。随着电动汽车技术领域对维修方便、节约能源、降低噪声等 越来越高的要求，传统的传动系统已很难得到更大的改善效果，因此，人们 已经开始致力于无齿轮箱的直接驱动系统的研究。直接驱动是将驱动电机与 其负载车轴直接连结起来，电机产生的转矩不经齿轮而直接传递到车轮 上【1 1 。与齿轮传动系统相比，无齿轮箱的直接驱动系统具有如下优点： ( 1 )无传动齿轮箱的费用； ( 2 )无传动齿轮箱中的能耗； ( 3 )无传动齿轮箱的维修费用： ( 4 )无油损耗； ( 5 )无传动齿轮的振动和噪声； ( 6 )提高了设备的安装精度，控制精度和传动效率。 1 1 2 直接驱动电机的现状与发展趋势 采用无齿轮箱的直接驱动系统省却了齿轮传动装置，但是为了达到电动 汽车牵引的要求，必须按传动比相应增大牵引电机的转矩。牵引电机额定转 矩的大小对电机体积、重量有着决定性的影响。所以，直接驱动式牵引电机 有转矩大、重量轻、结实可靠等性能特点。 随着科技的发展，对驱动电机的要求越来越高。新技术、新材料、新工 艺的不断出现，大大推动了直接驱动电机的研究与应用，归纳起来，这类电 机的发展趋势主要体现为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 1 ) 无刷化 由滑环和碳刷组成的机械换向器一直是电机的隐患，它使得电机噪声变 大、可靠性下降，寿命缩短，电磁兼容性差。随着电力电子和控制技术的不 断发展，用电力电子换向电路来替代机械换向器是技术进步的必然趋势。无 刷电动机经过几十年的研制开发，已取得显著成果并己进入商品化生产。 ( 2 ) 永磁化 随着电机逐步走向无刷化、电子化，永磁材料在控制电机中的普遍应用 已是必然趋势。高性能永磁材料的使用还能减小电机体积，减轻重量，提高 效率，降低制造成本等等。我国稀土资源丰富，稀土永磁的产量和性能都己 处于国际先进水平，为永磁电机的发展提供了良好的条件。 ( 3 ) 低振动、高效率、低噪声 作为驱动电机，特别是用于电动汽车传动系统中的直接驱动电机，对电 机性能有严格要求。低振动使得电机运行平稳，从而保证系统的精度，其关 键是抑制电机输出转矩的脉动。高效率是为了节能和降低运行成本，在当下 能源不断紧缺时，显得格外重要。 ( 4 ) 数字化、智能化 数字化是指在其控制单元中采用数字控制芯片，并综合现代控制理论、 电力电子技术、微电子技术，从而实现对电机的控制。目前，电动机控制的 模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器、f p g a c p l d 、通用计算机、 d s p 等现代数字处理芯片的数字控制系统得到了快速发展。随着数字芯片运 算速度不断提高、外设功能不断增强、控制理论不断进步，电机控制系统正 朝着高精度、高性能、信息化、网络化、智能化方向发展。 ( 5 ) 一体化( 模块化) 体化是指通过多台电机组合、电机和传感器的组合、电机和其他机械 组合、电机和控制器组合，直至将电机、控制器和传感器等构成一体，形成 一套电动控制系统，从而明显提高系统的精度和可靠性。 1 2 直接驱动永磁同步电机的特点与应用 与直流电机和异步电动机相比，永磁同步电机具有极对数多、转矩密度 高的特点，因此其体积和质量可以大幅度减小。近年来，随着高性能永磁材 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 料的使用，以及电力电子技术和电机控制技术的发展，永磁同步电机成为了 直接驱动式牵引电机研究领域的热点。 现代稀土永磁同步电机具有向大功率、高转矩和微型化方向发展的趋势， 如在瑞典和德国已分别研制出了功率为5 0 0 k w 的永磁同步电机幢，。 永磁同步电机的技术特点有口1 ： ( 1 ) 高功率因数、高效率。与异步电动机相比，永磁同步电机没有无功 励磁电流，因此可得到更高的功率因数，低速时该优势更为突出，进而得到 相对较小的定子电流和定子铜耗：并且由于永磁同步电机在稳态运行时无转 子铜耗，从而可以因总损耗降低而减小冷却风扇容量甚至去掉冷却风扇。它 的效率比同规格的异步电动机可提高2 8 。此外，由于永磁同步电机在 2 5 , - - 一1 2 0 额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，使其在轻载运 行和长时间运行中节能效果显著。 ( 2 ) 体积小，重量轻。随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电机 的功率密度得到很大的提高，比起同容量的直流电机和异步电机，其体积和 质量都有较大的减少。而且由于电机损耗小，可省却庞大的通风冷却系统， 使其在相同功率下，体积比异步电机的小近1 3 。 ( 3 ) 控制简单，可靠性高。有源转子永磁同步电机能够在没有变流器和 控制参与的情况下，通过备用制动电阻按自然特性进行制动，这在一定的前 提下有助于保证车辆制动安全，提高了车辆的可靠性。并且永磁同步电机与 直流电机和电励磁同步电机相比，没有电刷，结构简单，系统的可靠性自然 也要高。 ( 4 ) 可作为全封闭牵引电机。永磁同步电机因转子发热相对较少，能源 效率较高，较容易采取全封闭自冷方式，这样可大幅降低电动机附近的噪声； 同时由于取消内部通风和不需要更换润滑油，有效阻止了灰尘对牵引电机的 污染，可以得到减少维护的效果。 1 3 直接驱动永磁同步电机的控制策略 1 3 1 磁场定向矢量控制 矢量控制最早是在1 9 7 1 年由b l a s h k e “1 等人针对异步电动机提出的，其 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 基本思想源于对直流电机的严格模拟。直流电机本身具有良好的解耦性，可 以通过分别控制其电枢电流和励磁电流达到控制电机转矩的目的。在永磁同 步电机矢量控制系统中，转子磁极的位置用来决定逆变器的触发信号，以保 证逆变器输出频率始终等于转子角频率。 一般电机控制策略的选取是根据电机转矩和电流之间的线性度、控制过 程中电机端电压的允许变化程度、功率因数和调速范围等进行综合考虑来确 定。在永磁同步电机矢量控制中，常用的控制模式有直轴电流= 0 模式、功 率因数c o s ：1 模式、转矩线性模式和恒磁通模式隋1 。其中= 0 模式应用最多， 该控制方式突出的优点是没有直轴电枢反应，不会引起永磁体的去磁现象， 且可以实现隐极式电机最大转矩电流比控制。不足之处是电机端电压随负载 增大而增大，因而要求逆变器具有较高的输出电压和较大的容量。根据前面 所述四种标准综合评判，永磁同步电机中定子电流控制方式的选取原则如下： ( i ) 对于凸极率小于1 ，采用0 = 0 和总磁链恒定的方式较好；( 2 ) 对于凸极 率大于l ，以转矩线性控制方式和电枢磁链恒定模式为佳。当然还有其它控 制方式的研究在继续进行中。 r o y s c o l b ve t a l 提出了一种针对表面贴装式永磁同步电机的最优效 率控制方式旧，。该控制方式从减小定子铜耗和铁耗两方面考虑，使电机运行在 总损耗最小的最优工作点上，而一般控制方式只能减小定子铜耗，并不能减 小定子铁耗或电机总损耗。 此外，每安培最大转矩控制方式也是永磁电机一种控制方式。s h i g e o m o r i m o t o e t a l 等人在内置径向式永磁同步电机上对该控制方法作了一系列研 究一h ”。这种控制方式能充分利用电机转矩的凸极效应分量，使一定的定子输 入电流产生最大的电磁转矩，有利于电机过载运行和动态响应的改善。 在永磁同步电动机控制系统的设计中，最关键而又最困难的问题是如何 针对变化、复杂及具有不确定性的被控对象和环境做出有效的控制策略。为 提高永磁同步电机调速系统性能，避开负载或参数变化对电机动态性能的影 响，自适应控制、滑模变结构控制、神经网络、模糊控制等现代控制方法也 在永磁同步电机矢量控制系统中得到了广泛的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 2 直接转矩控制 直接转矩控制变频调速技术，即d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) ，是近年来 继矢量控制技术之后发展起来的种新型的具有高性能的交流变频调速技 术。 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术理论上解决了交流系 统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电动 机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转 速和磁链控制的完全解耦。它的提出具有划时代的重要意义。然而，实际上 由于转子磁链难于准确观测，由于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。这是矢量控制技术在实践上的不足。 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k t 教授首次提出了直接转矩控制 的理论，不同于矢量控制技术，直接转矩控制技术有着自己的特点。 直接转矩控制技术正是弥补了矢量控制技术之不足，它避免复杂的坐标 变换，减小了对电机参数的依赖性，以其新颖的控制思想、简洁明了的系统 结构、优良的动静态性能受到了人们的青睐，得到了迅速的发展。 直接转矩控制技术直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控 制电动机的磁链和转矩。所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它 观测出来。采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制器 各物理量，使问题变得简单明了，强调的是转矩的直接控制与效果。用空间 的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子 磁场定向，借助于离散的两点式调节产生p w m 信号，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，是一种具有高动、静态性能 的交流调速方法。 1 4 论文选题的意义与主要研究内容 综上所述，由于永磁同步电动机自身的特点，它越来越被人们关注。从 某种程度上说，在从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，再到下一步即将开 展的电动汽车直接驱动系统中，永磁同步电机作为主要的驱动电机出现，其 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 应用前景会越来越明显。因而永磁同步电机控制策略的研究成为一个新的热 点。不管是矢量控制技术还是直接转矩控制技术，近年来在异步电机的控制 中得到了快速的发展并日趋完美，但在永磁同步电机的控制上还是不成熟的 领域，有待更进一步的探索研究。同步电机中从宏观上来讲不存在异步电机 拥有的转差角频率。因此，控制技术应用于同步电机中首先需要解决其控制 的理论问题。本文主要对现有的一些永磁同步电机的控制方式进行概括分析， 并根据永磁同步电机的控制方案，建立一套仿真和实验平台，为进一步研究 直接驱动永磁同步电机的控制提供基础。 本论文分为五章。 第一章介绍论文的研究背景和意义。从直接驱动系统和永磁同步电机的 特点着手，分析了永磁同步电机的突出特点和在直接驱动系统中应用的优势， 阐明了永磁同步电机用于电动汽车传动系统是下一代直接驱动系统的发展方 向。在对永磁同步电机发展概况和永磁同步电机传动系统发展概况综述的同 时，对永磁同步电机转子磁场定向控制方法、直接转矩控制方法等控制策略 进行了全面综述。 第二章从三相永磁同步电机的基本结构出发，建立电机在三相静止坐标 系( a b c ) 、定子两相静止坐标系( a p o ) 、转子两相旋转坐标系( d q o ) 以及磁场 旋转坐标系( m t ) 下的数学模型。为后续永磁同步电机的两种高性能控制策略 直接转矩控制和矢量控制的研究奠定了数学基础。 第三章分析了永磁同步电机磁场定向矢量控制的基本原理、逆变器的数 学模型以及电压空间矢量、空间矢量脉宽调制原理，并且在理论分析的基础 上对永磁同步电机磁场定向控制系统进行实现并在m a t l a b 环境下进行建 模和仿真结果分析。 第四章分析了永磁同步电机直接转矩控制的基本原理、磁链分区以及开 关表的确定，并且在理论分析的基础上对永磁同步电机d t c 系统进行实现并 在m a t l a b 环境下进行建模和仿真结果分析。 第五章分析了电动汽车传动系统恒转矩启动，恒功率运行的牵引特性， 设计恒速控制器取代传统的p i 调节器，并且利用永磁同步电机直接转矩控制 的仿真来模拟再现电动汽车传动系统牵引特性。 第六章介绍了永磁同步电机直接转矩控制系统的硬件系统和软件系统实 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 验平台。并在实验平台上实现了永磁同步电机直接转矩控制系统的空载闭环 实验，从而验证理论分析的正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 引言 第2 章永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机是由电励磁同步电机发展而来的，它用永磁体代替了电励 磁系统，从而省去了励磁绕组、集电环和电刷，而定子与电励磁同步电机基 本相同。 本章将从三相永磁同步电机的基本结构出发，建立永磁同步电机在三相 静止坐标系( a b c ) 、定子两相静止坐标系( a p o ) 、转子两相旋转坐标系( d q 0 ) 以及磁场旋转坐标系( m t ) 下的数学模型。为后续永磁同步电机矢量控制和直 接转矩控制策略的研究奠定数学基础。 2 2 普通同步电机 2 2 1 同步电机的基本原理 同步电动机是一种交流电动机，其主要特点是电动机转速与电动机定子 电流频率以及电动机极对数存在着严格不变的关系。普通同步电动机由定子 和转子两大部分组成，电动机定子由定子铁心、定子绕组和机壳组成。电动 机转子有凸极式和隐极式两种结构形式，隐极式转子做成圆柱形且其气隙均 匀，而凸极式转子的磁极明显凸出且气隙不均匀，极弧底下气隙较小，极间 部分气隙较大。一般而言，当同步电动机转速较小时，可采用结构简单的凸 极式转子结构。同步电动机的励磁绕组套在转子磁极铁心上，而经由电刷和 集电环引入的励磁电流应能使转子磁极的极性呈现n ，s 极交替排列【1 2 1 。 同步电动机的工作原理，就是电动机定子的旋转磁场以磁拉力拖着电动 机转子的同步地旋转。电动机定子三相绕组接入三相电流而产生的旋转磁场 与电动机转子励磁绕组接入直流电流而形成的转子磁场相互作用。同步电动 机的转速表达式为：刀= 仇= 6 0 z p 。式中，z 为电源频率；p 。为电动机的极 对数；刀为同步转速u 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 2 电励磁同步电机与异步电机的区别 与异步电动机相比，电励磁同步电动机的主要区别在于： 1 ) 异步电动机的磁场是靠定子供电产生，而同步电动机是在转子侧 有独立的励磁； 2 ) 交流电动机的同步转速与定子电源频率有确定的关系 蛾：2 万厂p 。异步电动机运行时的转速总是低于同步转速，二者 之差不等于零，同步电动机的转速就是同步转速，不存在转差； 3 ) 异步电动机永远在滞后的功率因数下运行，而同步电动机的功率 因数可以通过改变励磁电流来调节； 4 ) 同步电动机和异步电动机的定子三相绕组是相同的，而转予绕组 则不同。同步电动机除直流励磁外，还可能有一个自身短路的阻 尼绕组； 5 ) 异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极式与凸极式 之分。隐极式的气隙磁阻是均匀的，凸极式的气隙磁阻不均匀。邮j 2 3 永磁同步电机的基本结构 与传统电机一致，永磁同步电机由定子和转子两大部分组成。与传统同 步电机定子结构基本相同，永磁同步电机定子主要由冲有槽孔的硅钢片、三 相y 型连接的对称分布在槽中的绕组、固定铁芯的机壳及端盖等部分组成。 三相永磁同步电机的基本结构如图2 1 所示。如果在三相空间对称的定子绕 组中通入三相时间上也对称的正弦电流，那么在三相永磁同步电机的气隙中 会产生一个在空间旋转的圆形磁场，其转速为，z ：刀。：6 0f p 。式中，f 为电 源频率；p 。为电动机的极对数；以。为同步转速。 永磁同步电机的转子通常由转子铁心、永磁体磁钢和转子转轴组成。目 前，永磁同步电机常用的永磁材料是钕铁硼合金( n d f e b ) 和钐钴合金( s m c 0 5 ， s m c 0 1 7 ) 。从永磁体安装方式上，转子分为表面式、内嵌式和内埋式三种， 如图2 2 所示e 1 4 。图2 2 的前两种转子结构的永磁体通常呈瓦片形，并位于转 子铁心的表面上，提供径向的磁通，可减小转子直径，从而降低了转动惯量。 若将永磁体直接粘在转轴上还可获得低电感，有利于电机动态性能的改善。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 内埋式转子结构的永磁体通常为条状，位于转子铁心内部，机械强度高，磁 路气隙小，提供的磁通方向与转子的具体结构有关。由于此种转子磁路结构 具有不对称性，产生的磁阻转矩有利于提高电机的过载能力和功率密度，适 用于弱磁控制的高速运行场合。 对于永磁同步电机，其定子绕组电流为正弦波。为了使电机具有恒力矩 输出，电机应具有正弦波反电势，以保持电磁转矩恒定。通过合理的设计， 表面式、内嵌式和内埋式转子均可使电机实现正弦波反电势。 图2 1 三相同步电机的基本结构 n 固 z ，则取巧= 互乖i i f , + 互) ，互= 互木z ( 互+ 互) 。 表3 - 1 互、互赋值表 扇区 1 23456 t i zyzxx y t 2 y xxz- yz ( 3 ) 给三个全比较单元比较寄存器c m p r x ( x = l ，2 ，3 ) 分别赋值， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 f t a o n = ( 乃一互一互) 4 t b o n = t a o n + z 2 lt c o n = t b o n + z 2 ( 3 1 4 ) 按表3 - 2 给c m p r x ( x = l ，2 ，3 ) 赋值。 在每个p w m 周期中，根据控制系统给出的虬、，执行上述步骤， 可得对称空间向量p w m 信号。 表3 - 2 c m p r x 赋值表 扇区号 123456 c m p r _ i t b o nt a o nt a o nt c o nt c o nt b o i l c m p r 2 t a o nt c o nt b o nt b l o nt a o nt c o n c m p r 3 t c o nt b o nt c o nt a o nt b o nt a o n 3 3 永磁同步电机矢量控制的实现 在直接驱动控制系统中，其中一个关键的问题是实现交流电动机瞬时转 矩的高性能控制。对于电动机转矩的控制要求可以归纳为：响应快、精度高、 脉动转矩小、系统效率和功率因数高等。对永磁同步电动机的输出转矩的控 制可归结为对交轴电流和直轴电流的控制。交轴电流和直轴电流的不同组合， 将影响控制系统的效率、功率因数以及转矩输出能力等。如何根据给定转矩 确定交轴电流和直轴电流构成了永磁同步电动机的电流控制策略问题。永磁 同步电动机矢量控制系统中常采用的电流控制方法主要有= 0 控制； c o s 够= 1 控制；最大转矩电流控制等，各种控制方法有其独自的特点，适用 于不同的运行。 0 = 0 控制又叫磁场定向控制，是一种比较简单的电流矢量控制方法，该 方法电流算法计算量小；在要求产生转矩一定情况下，所需定子电流最小， 可以大大降低铜耗，提高效率；另外，该方法没有直轴电枢反应，不会导致 永磁体去磁，目前比较常用。按转子位置定向的矢量控制系统的基准旋转坐 标系的水平轴位于电动机转子轴线上，这时静止和旋转坐标系之间的夹角就 是转子位置角，可直接从装于电动机轴上的位置检测器获得。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 屯= 0 控制实现了p m s m 的解耦控制，最简单也最实用。控制系统的结 构如图3 7 ： l g i ：= 0 图3 7 永磁同步电机= 0 控制系统框图 系统采用双闭环结构，对速度、电流分别进行控制。其中，电流环作用 是提高系统快速性，并且及时抑制电流环内部干扰，使得实际电流跟随目标 值，并限制最大电流，使系统具有大的加速转矩，从而保障系统安全运行； 速度环则是增强系统抗负载扰动，抑制速度波动，保证系统稳态精度和动态 跟踪性能，这将直接关系到交流调速系统的稳定和高性能运行。对于控制器 的设计，首先设计好电流调节器，把电流环看成转速环中一个环节，再设计 转速调节器。从而使得整个系统的稳定性和可靠性有了较大的保证，当电流 环的某些参数发生变化或受到扰动时，电流反馈能对其起到抑制作用，因而 对速度环影响极小。 根据前面的叙述，采用永磁同步电机矢量控制的双闭环控制系统模型如 图3 8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 图3 8 永磁同步电机矢量控制系统框图 永磁同步电机矢量控制系统主要由以下几部分组成【冽： 1 )电机速度检测部分； 2 )速度环、电流环控制器； 3 )坐标变换模块； 4 )s v p w m 模块。 永磁同步电机矢量控制系统控制过程： l 、测量定子两相电流l 、厶，经a b e 坐标系到d q 坐标系的变换，得到 电流检测值厶、l 。 2 、检测到的电机实际转速和给定转速相比较，经p i 调节可以输出交轴 电流给定。 3 、控制直轴电流给定，把交直轴电流给定值分别与实际值相比较，然后 分别经电流p i 调节器，输出交直轴电压值、眈，再经过坐标变换，生成 a p o 轴系上的电压值、虬。 4 、确定、玑的合成矢量位于空间电压矢量所围成6 个扇区中的哪一 个扇区，并且计算该扇区内两相邻电压矢量及零矢量各自所占时间，最后给 d s p 的3 个全比较单元的比较寄存器赋值，输出逆变器驱动控制信号。 永磁同步电动机磁场定向控制系统当= 0 时，从电动机端口看，相当于 一台他励直流电动机。定子电流中只有交轴分量，并且定子磁动势空间矢量 与永磁体磁场空间矢量正交，定子电流矢量于d 轴的夹角为9 0 。，电动机转矩 中只有永磁转矩分量，其值为乙= p g ，= p u ，。速度的指令值，与实际速 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 度比较后作为速度控制器的输入。速度控制器的输出值即为转矩的指令值， 转矩的实际值可由公式z = p 少厂= p y ，得到。采用了两个串联的闭环分别 实现电机的速度和转矩控制。实际转矩信号与转矩指令值的差值经过转矩控 制器和矢量逆变换后，即可得到电动机三相电流的指令值，再经过电流控制 逆变器便实现电动机的控制。 3 4 永磁同步电机矢量控制系统的仿真 3 4 1 仿真模型 图3 - 9 永磁同步电机矢量控制系统仿真模型 仿真参数如f ： 永磁同步电机的参数为：电机的定子电阻r 。= 1 8 8 q ，交直轴的等效电感 厶= 厶= 1 4 4 2 m h ，转子磁链y ，= o 2 w b ，转动惯量，= o 0 0 0 7 9 7 k g m 2 ，粘滞系 数召= o ，极对数n p = 2 。后面的仿真中，若不加特殊说明，运用这一组电机 参数。 3 4 2 仿真结果 3 。4 2 1 启动过程仿真 设电机负载转矩为2 n m ，电机转速从零转速加速到1 2 0 0 r r a i n ，并保持 此转速运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 4 3 芒 1 4 0 0 2 0 0 量 o - 2 0 0 ( a ) 转速 00 n 0 4 0 00 80 t ( s ) 转矩 000 2n 0 400 60 呻0 1 t ( s ) ( c ) a 相电压 ( d ) a 相电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 5 s0 = 里 - 5 00 0 20 0 40 0 60 0 80 10 1 20 1 4 0 1 6o 1 80 2 l ( s ) ( e ) d 轴电流 ( f ) q 轴电流 ( g ) 电机定子磁链轨迹 图3 1 0 电机起动时仿真结果 从仿真结果可知，在起动过程中，转速响应比较平稳的上升，并且启动 时间很短。定子相电流有较好的正弦性。定子磁链幅值恒定不变，有较好的 圆形轨迹。 3 4 2 2 稳态运行负载突变仿真 当负载发生变化时，转速是否有较高的调节性。给定转速为1 2 0 0 r m i n ， 电机带2 n m 的负载起动。在o 2 s 时，系统突负载至1 n m ，而在o 4 s 时又突 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 增至3 n m 。仿真结果如图所示。 ； ( a ) 转速 4 0 0 2 0 0 旨 o - 2 0 0 ( b ) 转矩 ) ( c ) a 相电压 ( d ) a 相电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 5 吾0 5 0 ( dq 轴电流 图3 1l 稳态运行负载突变时仿真结果 由仿真结果可知，在突减、突加负载时，电磁转矩能够较快跟踪负载转 矩。转速能较快稳定在给定速度。定子电流随负载变化而快速响应，并迅速 达到稳态。直轴电流保持为零，交轴电流能够很好反应转矩变化。 3 4 2 3 稳态运行速度变化仿真 电机带2 n m 的负载起动，给定系统开始时的参考速度为1 2 0 0 r p m ，在 0 1 s 时减至1 0 0 0r p m ，0 2 s 时增至1 5 0 0 r p m 。仿真结果如下图所示。 芒 芒 t ￥ ( a ) 转速 流菡桃d 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 - t 广1 4 。 2 0 0 喜 。 0 0 _ 0 0 4 2 一 0 一 t ( s ) ( b ) 转矩 ( c ) a 相电压 t ( s j ( d ) a 相电流 t ( s ) ( e ) d 轴电流 一e z 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 6 4 2 霉0 g 2 4 6 _ - _ 一h 一 _ _ l - - _ 一一l _ _ 一- 50 1 o 1 5o 2 t ( s ) ( f ) q 轴电流 图3 1 2 稳态运行速度变化时仿真结果 从上面的仿真结果可知，电机的速度能够较好的跟踪给定的速度。 通过以上的几种运行状况的仿真，结果验证了本文采用的永磁同步电机 的转子磁场定向的矢量控制方式在理论上的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 第4 章永磁同步电机的直接转矩控制系统 4 1 引言 直接转矩控制( d t c ) 技术是继矢量变换控制技术以后，在交流调速领域 出现的一种新型变频调速技术，直接转矩控制是利用b a n g b a n g 控制产生 p w m 信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而获得转矩的高动态性 能。直接转矩控制摒弃了传统矢量控制中的解耦思想，而是将转子磁通定向 更换为定子磁通定向，取消了旋转坐标变换，减弱了系统对电动机参数的依 赖性，通过实时检测电机定子电压和电流，计算转矩和磁链的幅值，并分别 与转矩和磁链的给定值比较所得差值，来控制定子磁链的幅值以及该矢量相 对于转子磁链的夹角，由转矩和磁链调节器直接输出所需的空间电压矢量， 从而达到磁链和转矩直接控制的目的。 本章主要通过对直接转矩控制原理和系统实现方案的分析，经过建模仿 真，验证了永磁同步电机直接驱动控制系统中直接转矩控制策略的可行性与 有效性。 4 2 永磁同步电机d t g 的特点 直接转矩控制不需要任何电流调节器、坐标变换和p w m 信号发生器。 它结构简单，并且能获得优良的动静态转矩控制性能。其主要特点如下： 1 、直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制 电动机的磁链和转矩。它不需要为解耦而简化电动机的数学模型，省掉了矢 量旋转变换等复杂的变换与计算。 2 、直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以 把它观测出来。因此直接转矩控制大大减小了矢量控制技术中控制性能易受 电机参数影响的问题。 3 、直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有两层意思： 直接控制转矩；对转矩的直接控制。 ( 1 ) 直接控制转矩：与矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁 链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此 它并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。相反， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果。 ( 2 ) 对转矩的直接控制：直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控 制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值做滞环比较， 把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小，由频率调节器来控制。 因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转 矩的实际情况。 4 、直接转矩控制技术，用空间的分析方法，直接在定子坐标系下计算与 控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生 p w m 信号，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。 4 3 永磁同步电机d t g 的理论基础 直接转矩控制将电机与逆变器作为整体考虑，采用定子磁场定向，采用 电压空间矢量方法在定子坐标系内进行磁通、转矩的计算和控制，观测磁链 和转矩的实际值与参考值的误差，通过比较器滞环比较所得的信号及定子磁 链空间矢量的位置确定控制信号，从一个离散计算的开关表中选择合适的定 子电压空间矢量，来控制逆变器的开关状态，实现磁链和转矩的控制。直接 转矩控制不需要定子电流解耦复杂的矢量坐标变换，没有p w m 信号发生器， 直接采用电压矢量控制磁链和转矩，控制结构简单，受电机参数变化影响小， 能够获得极佳的动态性能。 4 3 1 永磁同步电机d t g 基本原理 定子电阻忽略不计时，定转子磁链之间的夹角万是负载角。当电机处于 稳态时，负载角万保持恒定，即负载转矩也保持恒定。当电机不处于稳态时， 定转子磁链分别以不同速度旋转，此时负载角万也是变化的。调节定子磁链 和转子磁链都可以改变负载角万，但对于永磁同步电机来说，调节定子磁链 比调节转子磁链更容易。因此，一般通过控制定子磁链来调节负载角万，从 而调节转矩 2 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 t 图4 1 永磁同步电机坐标系 通过图4 1 所示坐标系，可以得到从d - q 坐标系到m t 轴坐标系的转换 公式： 2 = 。一c o s s i n 6 万s c i n 。s 8 万j 。 c 4 一， 其逆变换公式： f 8 = c o s 8s i n 8 i f m 即， f 可以是磁链，电压或电流。 因为 s i n 扣尚 件3 ， c o s 扣尚 其中i 虮i 为磁链虮的幅值。 把公式( 4 2 ) 带入公式( 2 1 7 ) ，可得到： t e = 1 5 n ，( y m 讳一v t i m ) = 1 5 n pl y m l i t ( 4 4 ) 公式( 4 4 ) 表明，保持定子磁链幅值不变情况下，永磁同步电机电磁转矩 与电机电流y 轴分量成正比例关系。 把磁链公式转换到x y 坐标轴下可得： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 阱( l a c o s 28 + l qs i n 2 8)singcosg+lq s i n8 c o s g 蔷s i na 乳+ 0 5 q n c o s 咖彻+ 吩瞄s i n 8 j l蚧j(厶 2 2 占) l l j 。l 一 ( 4 5 ) 对于隐极永磁同步电机，因为厶= 乞= t ，因此公式( 4 - 5 ) 可简化得： 阱心啦m 捌 件6 ， 由于m 轴定义在定子磁链虬上，因此有= 0 ，从公式( 4 6 ) 得： = 缈，s i n g ( 4 7 ) 把公式( 4 7 ) 代入公式( 4 4 ) ，得： 互= 1 5 j j f l 吩s i n 万= 1 5 l l f l 吩s i n f ( 4 - 8 ) 其中c o s 为定转子之间的角速度。 公式( 4 8 ) 表明，当控制定子磁链虬幅值恒定时，并当控制负载角万在 一州2 到州2 之间变化时，电磁转矩随负载角万的增大而增大，其中在州2 时， 获得最大转矩。当保持定子磁链虬的幅值恒定，使定子磁链虮在空间尽可能 快地旋转，获得转矩最快响应。 对于凸极同步电机，由于厶乞，上述公式不再适用，但是m 轴仍然 定义于定子磁链虬上，依然有蚧= 0 ，根据公式( 4 5 ) ： 。壶脚，厶- s i n g v ：l ( l q 一讪洒2 万】 ( 4 母) 把公式( 4 9 ) 代入公式( 4 - 4 ) ，得到： 疋= 业咝 犁型 件 根据公式( 4 1 0 ) ，此时，转矩分为两个部分，一部分是永磁体产生的感应 转矩；另一部分是永磁同步电机的磁阻转矩。可以得出，对于凸极永磁同步 电机的负载角万不能简单地控制在一州2 到刀2 之间。 对公式( 4 1 0 ) 求导有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 坚：! ! 匣! 坚丝刍竺竺! 堡二三吆丛刍二鱼竺竺! 三塑! ( 4 - 1 1 ) d t 4 l d l o 其中为定子磁链相对转子磁链的旋转角速度，定3 lg ：刍；兰生为凸极 率。当f 0 时，磁阻转矩为负，因此，可能会因为磁阻转矩的影响，使得总 转矩和电磁转矩地变化不一致。为了保持总转矩和负载角的变化一致，要求 下式成立 乱d t 邳 l 。 、7 结合公式( 4 1 1 ) 可以推出 | 虬i 0 时，定子磁链幅值需满足公式( 4 1 3 ) 从而保证输出转矩和控制的 负载角两者变化保持一致，即保证控制角就可以控制转矩。 令乱玑求出最大负载角： 辅o s 一1 一) 洚 对于永磁l a 步电机直接转矩控制，其理论基础为，保持定子磁链幅值不 变的情况下，控制定转子磁链的夹角来控制电磁转矩。要得到转矩的快速响 应就应快速的改变负载角。 在直接转矩控制中，既要尽可能地增大磁链幅值以获得更大的转矩，又 要限定幅值大小，以保证转矩变化和负载角变化一致，同时也要限制电机的 最大转矩输出，使得电机的负载角限制在最大负载角范围内。 4 3 2 磁链分区以及开关表的确定 通过第二章的理论分析，我们知道，在控制定子磁链幅值一定的情况下， 可以通过控制定子磁链的旋转方向来控制转矩。为了得到合适