（电机与电器专业论文）永磁同步电机伺服控制系统研究.pdf

上海大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y ，h i g hp e r f o r m a n c es e r v o s y s t e m ， a sa n i m p o r t a n t d r i v e r o fi n d u s t r i a l e q u i p m e n t ，h a s e v e r i n c r e a s i n gd e m a n d s a sa ne x e c u t ec o m p o n e n to fs e r v os y s t e m ，p m s m p o s s e s s e sa d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，h i g hp o w e r d e n s i t y ，h i g h e f f i c i e n c y ，e a s yh e a td i s s i p a t i o n a n dm a i n t e n a n c e ，a n da r eb e i n g i n c r e a s i n g l yw i d e l ya p p l i e d s i n c ei t si m p o r t a n tt od e s i g np r o p e r c o n t r o ls y s t e mi no r d e rt ob u ii dh i g h p e r f o r m a n c ep m s ma cs e r v os y s t e m ， t h ew o r ko ft h i sa r t i c l em a i n l yf o c u so nt h er e s e a r c ho fp m s ms e r v oc o n t r o l s y s t e ma n di t sr e l a t e ds u b j e c t s f r o m t h er e a l i z a t i o no f h i g h p e r f o r m a n c et o r q u ec o n t r o l ， a c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dd i r e c tt o r q u e c o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e nc o n d u c t e di na c c o r d a n c ew it ht h ed y n a m i cd q m a t h e m a t i c a l m o d e lo f p m s m a c c o r d i n g t ot h er o t o rs t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep m s m ，t h ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yw i t hi d = oi s s e l e c t e df o rt h es e r v oc o n t r o ls y s t e mw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f1 i n e a r c o n t r o lt o r q u ea n dr e l a t i v e l ys m o o t ho u t p u tt o r q u e a tt h es a m et i m e ，a s a ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h es e l e c t e dc o n t r o ls t r a t e g y ，t h es p a c ev e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d ，a n dt h es i m u l a t i o n r e s e a r c hi sa l s oc o n d u c t e di nt h em a t l a bs i m u l a t i o np l a t f o r mf o rt h es e r v o c o n t r o ls c h e m e d e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h es y s t e ms o f t w a r ea l g o r i t h mb a s e do n f i x p o i n td s pc o n t r o l l e rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai sc o n d u c t e d ，i n c l u d i n gs c a l i n g t r a n s l a t i o na n dp e ru n i tm o d e l i n go ft h ev a r i a b l e so fp m s m ，t h eo v e r a l l s t r u c t u r ea n dr e l a t e dm o d u l e so fm o t o rc o n t r o la l g o r i t h m f o rt h er e a l i z a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c es e r v oc o n t r o ls y s t e m ，t h e t o r q u er i p p l ei n d u c e db y “d e a dt i m ee f f e c t o fv o l t a g e f e dp w l v li n v e r t e r i sa l s oa n a l y z e d ，a n dt h ea n a l y s i ss h o w st h er e l a t i o nb e t w e e np m s mr o t o r v l 上海大学硕士学位论文 p o s i t i o na n de r r o rv o l t a g ev e c t o rc a u s e db y t h ed e a dt i m ee f f e c t i n v e c t o rc o n t r o ls y s t e m t h r o u g ha p p lie dap r a c tic a ld e a dti m ec o m p e n s a tio n t e c h n i q u e ，t h et o r q u er i p p l ew a sr e d u c e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e mw a si m p r o v e d f i n a ll y ，t h es e r v oc o n t r o ls y s t e misd e b u g g e do nt h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r m ，l o t so fe x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e da n dr e s u l t sw e r ea n a l y z e d a c c o r d i n g l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dp m s ma cs e r v oc o n t r o l s y s t e mi sr e l i a b l ea n dh a se x c e l l e n ts p e e dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：p m s m a cs e r v of o cs v p w md e a dt i m ec o m p e n s a ti o n v 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：覃嗵导师签名：崔豇日期： 上海大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 自二十世纪八十年代后期以来，随着现代工业的迅猛发展，伺服系统在数控 机床、机电一体化、工业机器人、航空航天和柔性制造系统等传统与高科技领域 都得到越来越广泛的应用。同时，作为工业装备的重要驱动源之一，现代工业对 伺服系统的性能也提出了越来越高的要求。 伺服系统亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它是用来控制被控对 象的转角或位移，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律，对 伺服系统的性能要求主要体现在对位置和速度给定的追踪能力上。对于交流伺服 系统，虽然具体的性能指标会因应用场合不同而所有侧重，但都包含了反映系统 追踪性能的技术指标：调速范围，即伺服系统所能达到的最高转速和最低转速之 比；静差率( 转速变化率) ，即电动机在一定转速下运行时，负载由理想空载变到 满载时所产生的转速降落与理想空载转速之比值；控制精度，即伺服系统最终定 位点与指令值间的静态误差；响应能力，即伺服系统的输出量能在多大程度上快 速追踪给定值的能力；稳定性，则是指伺服系统必须能安全可靠的运行等。 得益于近年来电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、稀土永磁材料、 传感器技术与电机控制理论的快速发展，伺服技术也取得了长足的进步，并使得 设计制造高性能的全数字交流伺服系统成为现实。因此，近年来，世界各国在高 精度速度和位置控制场合，都已经由交流电力传动取代电液和直流传动。 在交流传动伺服中，除了逆变器和控制系统之外，主要由三种执行元件：感 应电动机、无刷直流电动机和永磁同步电动机。感应电机结构坚固、制造容易、 价格低廉，因而具有很好的发展前景，但感应电机交流伺服系统还存在低速运行 时效率低、发热严重等有待克服的技术问题瞳3 。随着永磁材料价格的下降、材料 磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现为永磁无刷电机的应用提供了基础。无 刷直流电机与永磁同步电机同属于永磁无刷电机系列，其利用电子换向取代机械 上海大学硕士学位论文 换向，从而弥补了有刷直流电机因为电刷机械换向带来的缺点。无刷直流电机一 般采用方波电流控制，电机和逆变器以及控制方法都比较简单，成本较低，但由 于其原理上的固有缺陷，使无刷直流电机存在转矩脉动较大和铁心附加损耗大的 缺点，从而限制了其在高精度和高性能要求伺服驱动场合的应用口1 。而永磁同步 电机，具有结构简单、功率密度高、效率高、易于散热及维护保养等优点，采用 高性能的控制策略可以实现高功率因素、高转矩电流比、快速动态响应和转矩输 出平稳等性能。因而在中小功率、高精度、宽调速范围的伺服系统应用中，永磁 同步电机受到研究开发人员的青睐h 刊。 随着微电子技术和计算机技术的发展，计算能力强大的d s p 和以m o s f e t 、i g b t 和i p m 为代表的门控功率器件的出现，为永磁同步电机交流伺服系统的数字化提 供了契机，采用全数字实现的永磁同步电机交流伺服将实现高速、高精度、快速 响应和高效节能的运动控制，应用到更为广阔的领域。因此，研究开发高性能的 永磁同步电机交流伺服控制系统，具有重要的现实意义口3 。 本课题来源为特种电机研究室承接的浙江省重大科技项目永磁同步电 机交流伺服系统，研究目的是为设计制造出商用的永磁同步电机交流伺服系统打 下基础，本论文则主要涉及永磁同步电机伺服控制系统设计实现。 1 2 永磁同步电机伺服控制系统的国内外发展研究概况 伺服系统的发展与作为其执行元件的电动机的发展是分不开的，上世纪六十 年代以前，伺服系统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，其响应时间短、外形尺寸小，但发热大、效率低、易污染环境、维修复杂 且性能较低。从上世纪六十年代以来到七十年代之间，是直流伺服电动机的全 胜发展时期，由于当时直流电动机较之交流电机更易于控制且调速性能好，在工 业以及相关领域得到广泛应用，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，永磁式有刷直流电动机占据了统治地位，其控制 电路简单、无励磁损耗且低速性能较好。但有刷直流电机采用机械换向，其换向 器和电刷易磨损，需要经常维护且换向过程中会产生火花，限制了有刷直流电机 的高速、过载能力和可靠性，且无法直接应用在易燃易爆的工作环境中。 2 上海大学硕士学位论文 二十世纪八十年代以来，随着永磁材料、电机技术、现代电力电子技术、控 制技术、微电子技术和计算机技术的快速发展，大大推动了交流伺服技术的进步。 出现了无刷直流电机、永磁同步电机等许多新型电动机，并且在先前一直困扰着 交流电机的控制复杂和调速性能差等问题上取得了突破性的进展，使得交流电机 采用矢量控制技术或者直接转矩控制技术，并利用新型功率半导体驱动，可以达 到与有刷直流电机调速系统相媲美的性能，驱动装置也从模拟式，模拟数字混合 式发展到现在的全数字化实现阻1 。 自从西德的曼内斯曼一力士乐( m a n n e s m a n nr e x r o t h ) 公司的i n d r a m a t 分部 在1 9 7 8 年在汉诺威贸易博览会上正式推出m a c 交流伺服电机及其驱动系统，这 标志着新一代交流伺服技术已经进入实用阶段，到二十世纪八十年代中后期，国 外相关公司都已有完整的系列产品，几乎整个伺服装置市场都转向了交流伺服系 统，主要包括：日本的安川、法奴克( f a n u c ) 、三菱电动机、东芝精机、三洋电 气、德国的m a n n e s m a n nr e x r o t h 的i n n d r a m a t 分部、西门子、博世( b o s c h ) 、 美国的g e t t y s 、a b 、科尔摩根( k o l l m a r g e n ) 的工业驱动分部i d ( i n d u s t r i a l d r i v e s ) ，以及韩国的三星公司。我国国内伺服驱动市场大部分为以上外国公司 所占据，经过国内相关行业单位的不断努力，国内的华中数控，广州数控，北京 机床研究所，西安微电机研究所，中科院沈阳自动化研究所，兰州电机厂等单位 都推出了交流伺服系统，并不断向高端伺服领域发展。 现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字闭环控制已得到广 泛应用，硬件系统也发展为采用新型功率半导体器件、高性能的d s p 加f p g a 构 架，甚至伺服专用模块( 如i r 推出的伺服控制专用芯片) 。国际厂商的伺服产品 每五年就会更新换代，新的功率器件每两年就会更新一次，新的控制算法的发展 也日新月异，也就是说，伺服产品的生命周期会越来越短。通过总结国内外伺服 厂家的技术路线和产品路线，结合市场需求的变化，未来交流伺服系统主要朝着 以下方向发展n 叫： ( 1 ) 高效率化，从节能和环保的观念出发，这也是伺服系统一直不断提高 的部分，尽管这方面的工作早就在进行，但依旧需要不断加强。包括电机本身效 率的提高，如永磁材料性能的改进和更加优化的结构设计，也包括驱动系统的高 3 上海大学硕士学位论文 效率化，如减小逆变器电路的损耗，实现能量再生制动，以及应用更好的冷却方 式等。 ( 2 ) 直接驱动，包括采用盘式的转台伺服驱动和采用直线电机的线性伺服 驱动，消除中间传递误差，从而实现高速化和高定位精度。直线电机容易改变形 状的特点可以使采用线性直线机构的各种装置实现小型化和轻量化。 ( 3 ) 高速、高精度和高性能化，采用更高分辨率的位置检测设备( 每转百 万个脉冲级别) ，更高的电流采样精度和数据位数，速度更快的微处理器，无齿 槽效应的高性能旋转电机和直线电机，辖之以自适应、人工智能等各种现代控制 策略，从而不断提高伺服系统的性能指标，达到纳米级别的控制精度。 ( 4 ) 通用化，通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的功能菜单，使用户 在不改变硬件配置的条件下能方便的设置成不同电机和不同控制模式的驱动器， 可以适应不同的传感器类型，实现从无位置传感器控制到高精度的拥有速度和力 矩反馈的高精度全闭环控制。 ( 5 ) 智能化，现代交流伺服驱动器都具备参数配置、记忆、故障自诊断和 分析功能，绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的 还可以自动识别电机的参数，自动测定编码器零位和自动进行振动抑制。将电子 齿轮、电子凸轮、同步跟踪、插补运动等控制功能和驱动结合在一起， ( 6 ) 网络化的模块化，将交流伺服电机驱动器、运动控制卡、上位控制计 算机通过网络连接在一起，构成系统的解决方案，并通过网络进行高速数据传输， 可以实现分布式控制管理。分布式交流伺服系统已经走向市场，如罗克韦尔的 s e r c o s 、伦茨的s y s t e mb u s 以及r s 4 8 5 c a nb u s 、p r o f i b u s 、i n t o b u s 、d e v i e n c t 均可用于永磁同步电机交流伺服系统中。 ( 7 ) 小型化和大型化，无论是永磁无刷电机还是步进电机都积极向更小的 尺寸方向发展，如2 0 m m 的外径；同时也在发展成为更大功率的机种，已经出现 5 0 0 k w 永磁伺服电机，体现了两极化发展的倾向。 当然还有其他一些发展动向，如发热抑制、静音化、清洁技术等。 4 上海大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要工作 为设计出高性能的永磁同步电机伺服控制系统，本文同时从理论和实验的基 础上出发，依次对以下一些相关内容进行了研究： 第二章介绍了永磁同步电机的动态d q 轴数学模型，并在此基础上讨论了永 磁同步电机的几种高性能的控制策略。然后，通过比较几种控制策略的特点确定 了i d = o 的基于转子磁场定向的矢量控制为本伺服控制系统所应用的控制方案， 并对该控制方案的重要组成部分空间矢量调制技术( s v p w m ) 的原理进行了说明。 最后在m a t l a b 仿真平台上搭建了仿真模型，对伺服系统进行了仿真研究。 第三章主要阐述了伺服系统的软件设计，详细分析了针对1 6 位定点d s p 控 制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的程序设计特点，建立了电机的标幺值模型，解决了变量 的定标问题，并介绍了电机控制程序的总体结构以及相关模块的详细设计过程。 第四章研究了电压源p w m 逆变器的死区补偿技术，并将其应用到本伺服控制 系统中，通过仿真和实验对死区补偿技术有效性进行了验证，结果表明本伺服控 制系统所应用的死区补偿技术基本上消除了p 删逆变器的死区效应引入的转矩 脉动，提高了伺服系统的性能。 第五章详细介绍了伺服系统的实验测试装置，以及系统调试过程。实验结果 表明，通过对变p i 参数的双闭环系统的调试，使伺服系统具有了优良的调速性 能。 5 上海大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机数学模型及其控制策略研究 2 1 永磁同步电机的数学模型 三相永磁同步电机是由绕线转子同步电机发展而来，它用永磁体替代了电 励磁系统，从而省去了励磁绕组、集电环和电刷，而定子与绕线转子同步电机基 本相同。按转子上永磁体的安装形式分类，永磁同步电机可分为面装式，插入式 和内装式三种，不同的转子结构各有其特点，但都具有一个基本特征，即按正弦 分布的气隙磁场。 从永磁同步电机的电磁关系来看，其数学模型可以通过具有时变电感的微 分方程来描述，但这种模型往往非常复杂，影响了永磁同步电机的分析和控制。 2 0 世纪2 0 年代，p h p a r k 提出了一种新的电机分析理论来解决这个问题，他 设计了一种变量的变化规则，即用同步旋转的假想绕组的变量来代替与同步电机 定子绕组关联的变量( 电压，电流，磁链) 。本质上，他将定子变量归算到一个 固定在转子上且随转子同步旋转的参考坐标系上，通过这种变换( 又称p a r k 变 换) ，可以看到，因电路相对运动和磁阻变化所引起的时变电感得以全部消除n 刳。 同时，由p a r k 变换得到的电机的动态d q 模型也能准确反映的电机系统的瞬态行 为，从而为高性能的传动控制，如矢量控制和直接转矩控制打下了基础。 为简化分析，在建立数学模型之前先做如下假设n 副： ( 1 ) 忽略铁心饱和，不计涡流和磁滞损耗，磁路线性： ( 2 ) 电机定子绕组三相对称，各绕组轴线在空间上互差1 2 0 。电角度； ( 3 ) 转子上没有阻尼绕组； ( 4 ) 相绕组中感应电动势波形为正弦。 按照以上条件分析实际电机，所得结果十分接实际情况近，可以使用上述 假设对电机进行分析与控制n 副。由于动态d q 模型相对于静止三相坐标系和静 止两相坐标系下的模型对于永磁同步电机分析和控制上的优势，从而得以广泛采 用n 引。d q 坐标系是与转子磁场同步旋转的坐标系，取永磁体基波励磁磁场轴线 为d 轴( 直轴) ，顺着转子旋转方向超前d 轴9 0 。电角度为q 轴( 交轴) ，它的空 6 上海大学硕士学位论文 间坐标以d 轴与a 轴间的电角度e 来确定，如图2 1 所示。 9 顺着转子旋转方向超前m 轴9 0 度电角度为t 轴，u 和i ，分别为定子电压和电流 矢量，和炸分别为定子，转子磁链，p 表示转子位置，8 为电机的定子磁链 睁l 础e o s o , “c o s 竹( o , - 2 2 x 棚3 ) ，荔矧 汜， i ；，d = d + 哕f 弋 。 【2 厶 铲警一国+ 足屯 = 等+ 国+ 鼬 7 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 上海大学硕士学位论文 电磁转矩矢量方程可表不为： z = 见f j ( 2 4 ) 用d q 同步旋转坐标系下的磁链和电流分量表示为： 虬= + 鹏 ( 2 5 ) = + 羁 ( 2 6 ) 将式子( 2 5 ) ( 2 6 ) 代入( 2 4 ) 可得转矩方程： z = 见( 乇一) = 见( 吩+ ( 厶一厶) 岛) ( 2 7 ) 由p m s m 矢量图2 - 1 有= c o s y ，= s i n y ，将其代入式( 2 7 ) ，则可得： z ：以 吩s i n 7 + 委( 厶一厶) i ，2s i n 2 z ( 2 8 ) 式( 2 1 ) ( 2 8 ) 中，、屯为a 、b 、c 电机定子三相绕组电流，厶、 乞分别为电机直轴和交轴上的同步电感，愿为定子电阻，见为定子绕组极对数， 、沙，分别为电机定子磁链和永磁转子磁链、为定子电流综合矢量，屯、分 别为定子电流在d q 同步旋转坐标系下的直轴与交轴电流分量，定子电流矢量与 永磁转子直轴之间夹角为7 。式( 2 7 ) 中第一项是定子电流与永磁体励磁磁场 之间产生的电磁转矩。第二项是由于转子凸极效应所产生的转矩，称磁阻转矩。 对内嵌式永磁同步电机，幺厶，在矢量控制过程中，可以利用磁阻转矩增加 电机输出转矩或者拓展电机的调速范围。 永磁同步电机的运动方程为： z = ，警+ 船+ 瓦 ( 2 9 ) 上式中，互、q ，、互、，、分别是电机电磁转矩、机械角速度、负载 转矩、电机轴联转动惯量和阻尼系数。 2 2 永磁同步电机的控制策略研究 现有的永磁同步电机的高性能控制策略主要有两种，分别为矢量控制及直接 8 上海大学硕士学位论文 转矩控制。为构成高性能伺服传动系统，首先要选择合适的控制策略。伺服传动 系统中，实际系统对伺服传动装置提出的要求较高，如要求伺服系统定位及跟随 误差小；响应速度快( 几十毫秒级) ；系统响应无超调；负载突变时，伺服系统 恢复时间短，且无振荡；伺服系统电机调速范围宽( 1 0 4 ：1 以上) ：低速时可输 出额定转矩甚至超过额定转矩；动态过程中能承受额定转矩几倍冲击负荷及加减 速力矩( 一般为三倍) 等，这些要求通过使用永磁同步电机配以适当的控制方法 都可以实现。 本节首先简要介绍矢量控制技术和直接转矩控制技术，并对其控制特性进行 比较研究，然后结合伺服系统具体要求及永磁同步电机自身特点，确定本设计中 的永磁同步伺服系统的控制方案。 2 2 1 矢量控制技术 1 9 7 1 年，德国学者b l a s c h k e n 7 1 发表了第一篇有关异步电机( i m ) 的矢量控制 ( v c ) 的方法。随后，经过不断地研究和发展，采用矢量控制技术可以使交流调速 获得与直流调速同样优良的控制性能，之后矢量控制技术被引入到永磁同步电机 的控制上来。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩 控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量 和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进 行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。 因此矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置( 频率和相位) 的控制。矢 量控制的目的是为了改善转矩控制性能，最终实施仍然是落实到对定子电流( 交 流量) 的控制上。基于转子磁场定向( f o c ) 控制是一种常用的解耦控制方法，应用 在异步电机上的矢量控制一般采用转子磁场定向，因此需要通过直接和间接的检 测方法来获得转子磁场位置，相比于异步电机，永磁转子磁场的空问位置易于检 测，所以基于转子磁场定向的永磁同步电机矢量控制策略更容易实现。 在之后的几十年里，永磁同步电机的矢量控制技术得到不断发展，1 9 8 8 年 c h a m p e n o i s 在文献 1 8 中提出了两种全数字实现的电流控制环的矢量控制系统， 前者为经典矢量控制策略的进一步发展，包括各相电流的独立控制，后者则通过 9 上海大学硕士学位论文 分别控制同步旋转坐标系下的直轴电流和交轴电流来实现。1 9 9 8 年，t a k e d a 和 h i r a s a 在文献 1 9 提出了一个包括电压源逆变器，转子位置传感器，电流传感 器的矢量控制系统，文中根据三种电机转子结构和其他规格，比较了= 0 的控 制，功率因数等于l 的控制和恒磁链控制三种电流控制策略的异同。对于嵌入式 转子结构的永磁同步电机( i p m ) 而言，为有效利用磁阻转矩，文献 2 0 中讨论 了控制电机的电枢电流以便有效利用磁阻转矩，实现最大转矩电流比控制，并根 据实验测试了该控制策略的性能。定子电流的最优控制只考虑了铜耗在电机损耗 中的影响，文献 2 1 中则以轻载条件下定子磁链的效率优化为目标，实现了基于 定子磁场定向的矢量控制策略。根据前人的研究成果，本节将对= 0 的矢量控 制，最大转矩电流比控制，基于定子磁场定向的矢量控制等矢量控制技术进行说 明。 2 311i d = o 的矢量控制 永磁同步电机的矢量控制通常被称为= 0 的控制，因为这种控制方式能使 永磁同步电机的磁阻转矩为零，电磁转矩与交轴电流成正比，而且实现起来简单。 由电磁转矩公式( 2 8 ) ，对于表贴式或面装式永磁同步电机，有厶= 厶，则： z = d 沙，is i n ，= 刀沙，f(210sin i u ) l t2p f3y 2p p f l q ) 从上式可以看出，永磁同步电机与直流电机具有相似的电磁转矩方程，只要 实现直轴和交轴电流的解耦控制，永磁同步电机也就可以获得与直流电机相当的 控制性能。直流电机通过机械换向，保证其励磁磁场与电枢磁场自然正交，而在 永磁同步电机中，电机通入三相交流电，相绕组彼此之间与转子磁场之间耦合， 流入电机的电流并不能全部用于产生转矩。而屯= 0 的矢量控制，依靠对定子电 流的转子磁场定向，独立控制直轴和交轴电流分量，实现了转子同步旋转坐标系 中的直轴和交轴解耦，对直流电机进行模拟，将直流分量控制为零，同时控制交 流电流幅值来实现对转矩的控制。 l o 上海大学硕士学位论文 2 3 1 2 最大转矩电流比控制 对于嵌入式或内埋式转子结构的永磁同步电机，其力学性能比较坚固，可允 许在更高的速度下运行，同时其同步电感要小于交轴电感，由式( 2 7 ) 可知， 磁阻转矩的大小与厶和乞的差值有关。为有效利用磁阻转矩，减少电流损耗， 优化电机效率，可采用最大转矩电流比控制策略汹，实现给定转矩的条件下，控 制定子电流最小。 在d q 转子同步旋转坐标系下，电机定子电流为： = 以+ 弓 ( 2 1 1 ) 借助式( 2 7 ) ( 2 1 1 ) 构造拉格朗日辅助函数： 日= 艺+ + f 互一岛 缈+ ( 厶一厶) 屯】) ( 2 1 2 ) 式中f 为拉格朗目算子。对上式分别对f ，求偏导，并令各式等于零 可得： 互= j 1 见纷( 1 + 2 o。 兰 - ， ：g o 0 0 ：1 ：w ：w ： 一， 一一”彳 - - - 2 01o0 西” 黎 ； - ： r ，r i。 j：； ： ： 图2 - 2 可获最大转矩电流比的定子电流矢量轨迹 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 上海大学硕十学位论文 由以上解析关系式，可得电机输出电磁转矩与交直轴电流的关系，如图2 2 所示。在控制系统中，根据给定转矩控制得到相应最小定子电流即可实现最大转 矩电流比控制策略。 1 3 1 3 基于定子磁场定向的矢量控制 针对嵌入式转子结构的永磁同步电机，由于其电枢反应较为强烈，为实现定 子磁链的控制，b k b o s e 在文 2 1 中提出基于定子磁场定向的矢量控制策略， 其将定子电流基于定子磁场定向，通过控制定子磁链的幅值和与定子磁链正交的 定子电流分量的大小来控制电磁转矩输出，从而获得到最优的转矩动态响应。 在转子同步旋转坐标系下的永磁同步电机的电磁转矩方程为： 互= 见( 一屯) ( 2 1 5 ) 定子磁链的幅值可表示为： 蚓= 诟+ 躬 ( 2 1 6 ) 式中： = 阮i c o s 万 ( 2 1 7 ) = i 虬i s i i l 万 ( 2 1 8 ) 由图2 1p m s m 矢量图可知，上式中、为定子磁链虮分别在d q 轴的分 量，万为定子磁链和转子磁链的夹角，m 轴与定子磁链方向一致，顺着转子旋 转方向超前m 轴9 0 。电角度为t 轴， 0 、分别定子磁链和定子电流在m t 轴的 分量，则有： = c o s 万一屯s i n d ( 2 1 9 ) 0 = 屯c 0 s 万+ 岛s i n 8 ( 2 2 0 ) 将( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 5 ) 可得： 互= 见i i ( c o s s - i ds i n a ) = 见l i ( 2 2 1 ) 上式所表示的转矩方程与前文所述的转矩方程是等同的，因为他们都是由基 1 2 上海大学硕上学位论文 本的转矩方程得到，因而上式表明，通过控制定子磁链的幅值和定子电流t 轴分 量，就可以控制电磁转矩。 “ 刁 j m l 一 图2 - 3 转矩与定子磁链关系图2 - 4t 轴电流给定与m 轴电流给定的关系 图2 5 基于定子磁场定向的矢量控制原理图 为提高电机轻载时的效率，可以得到效率优化的定子磁链及其相对应转矩的 设定曲线，为控制过程提供磁链给定，如图2 - 3 所示。同时可得对应的和0 的 给定e 和乇之间的关系，如图2 - 4 所示。其控制系统原理图如图2 5 所示，其中 转矩、磁链和转矩角分别由式( 2 2 1 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 得到，定子电流分别在 m t 轴分量则根据( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 得到。同时，坐标变换模块主要将经过调节 器输出的m 轴和t 轴电流，依次通过坐标变换和2 3 变换成为三相静止坐标系的 1 3 上海大学硕上学位论文 电流给定值输入电流滞环追踪p 删逆变器。 2 2 2 直接转矩控制技术 直接转矩控制( d t c ) 是德国学者d e p e n b r o c k 2 2 1 和日本学者t a k a h a s h i 2 3 】 在十九世纪八十年代提出的交流电机的高性能控制策略，它采用定子磁链定向和 空间矢量的概念，通过对定子电压进行积分，直接在定子坐标系下观测到电机的 磁链，转矩，并将此观测值与给定磁链和转矩值在两个滞环内比较，再依据当前 的定子磁链矢量的位置从预制的开关状态表中选择相应电压空间矢量，从而实现 对电机转矩的直接控制。自从a b b 公司在1 9 9 6 年首次报道异步电机( i m ) d t c 的工业应用之后【2 4 1 ，d t c 得到越来越多的关注，之后一些学者开始关注d t c 在 永磁同步电机中的应用及性能改进【2 5 】。永磁同步电机的直接转矩控制与感应电机 的直接转矩控制机理一致，但在永磁同步电机的直接转矩控制中，转子的初始位 置必须事先检测得到，以便于定子磁链初始值的计算，而在感应电机直接转矩控 制中不需要，而且在永磁同步电机属于同步电机，在转矩角的控制范围有一定的 限制，以免造成电机失步。下面将对直接转矩控制原理进行介绍。 将式子( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 表示的d q 轴坐标系下的定子磁链分量和，然 后将其带入式( 2 2 ) 可得： ：盼粤 ( 2 2 2 ) ：华 ( 2 2 3 ) 再将式( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 代入式( 2 7 ) 可得： z = 刿晰厶s i n s + ( 厶卅伽2 万】 ( 2 2 4 ) 对于面装式永磁同步电机，有幺= 厶= 厶，则： 互= 争川吩s i n 万 ( 2 2 5 ) 1 4 上海大学硕上学位论文 由上式可知，当保持定子磁链为恒值时，电机转矩随转矩角而变化。因电机 电磁常数小，电机定子磁场相比于永磁转予的旋转速度能更快速的改变，从而可 以方便的控制转矩角。因此，永磁同步电机直接转矩控制的基本思想是保持磁链 幅值不变，控制定、转子磁链间的夹角来控制电机的电磁转矩。 图2 6p m s w 直接转矩控制原理图 图2 - 6 为永磁同步电机直接转矩控制系统结构框图，这是一个速度和转矩的 双闭环控制系统。系统通过电流传感器得到电机定子三相电流，通过c l a r k 变换 将定子三相坐标系中的电流变换到筇两相静止坐标系上的屯和，电机电压矢 量则根据给定电压得到，然后将得到筇两相静止坐标系上的电压和电流信号输 入电磁转矩和定子磁链估计模块，该模块由下列式子组成： 虼= i ( 一r 屯h ( 2 2 6 ) 坳= ，( “芦- r i p ) d , ( 2 2 7 ) 川= 儿2 + 2 ( 2 2 8 ) z = 见( 儿绉一乞) ( 2 2 9 ) 将由电磁转矩和定子磁链估计器得到的定子磁链、转矩作为反馈量与磁链和 转矩的给定值相比较，得到的误差信号分别通过磁链调节器与转矩调节器的滞环 1 5 上海大学硕士学位论文 控制单元后，获得o 、1 控制信号，再综合由定子磁链角度得到的磁链所在区域， 通过电压开关矢量选择单元选择合适的电压开关矢量来控制转矩角，即可实现转 矩的直接控制。 在上述常规永磁同步电机直接转矩控制系统中，都是根据转矩和磁链两个滞 环控制器输出一个以6 0 。定子磁链角位置为基础的信号，从开关表中选择合适的 开关电压矢量对电机磁链进行控制。然而相互间隔6 0 。的离散电压矢量难以实现 更加准确的转矩和磁链的控制，文献 2 6 中将空间矢量调制( s v p w m ) 的概念引 入到直接转矩控制中，因为空间矢量调制策略可以在相同的系统硬件条件下得到 更多的，连续的电压空间矢量，从而实现对电机更加准确的控制，减小了电机转 矩和磁链的脉动。永磁同步电机的空间矢量调制直接转矩控制( s w ld t c ) 与常 规直接转矩控制的不同之处在于，s v md t c 用一个转矩p i 调节器，电压矢量估 计器和空间矢量调制模块替代了常规p m s md t c 的磁链和转矩的滞环比较器和开 关电压矢量选择表，通过连续的电压空间矢量的调节，减小了磁链和转矩的脉动。 2 2 3 本伺服系统控制方案的确定 实现电机动态转矩的高性能控制是永磁同步电机伺服控制系统的关键，为得 到动态响应快，精度高、脉动小和效率高的转矩控制，则必须选择适当的控制策 略。 上文主要对矢量控制技术和直接转矩控制技术进行了简要分析，在矢量控制 技术中，又分别介绍了基于转子磁场定向的矢量控制和基于定子磁场定向的矢量 控制，对于其它矢量控制策略，如功率因数等于1 的控制，恒磁链控制等，因其 不是以高性能转矩控制为目标，不适用于伺服控制系统，但各有其特点：功率因 素等于1 的控制方式因其功率因素较高，电机定子电流要求较小，对逆变器的容 量要求小，但其转矩的非线性输出特性使其不适合作为伺服系统的控制方案；恒 磁链控制方式是一种对于嵌入式或内埋式转子结构永磁同步电机的理想控制策 略，因其转矩的线性输出特性和对逆变器容量要求相对较小，但其限制了电机最 大转矩的输出。 1 6 上海大学硕士学位论文 对于直接转矩控制，其控制方法新颖，直接以定子磁链和转矩作为控制目标， 利用两个滞环控制器来对磁链和转矩进行控制，不需要反馈电流控制，矢量坐标 变换和传统的脉宽调制方法。近年来提出利用空间矢量调制的方法，利用连续的 开关电压矢量替代原先离散开关电压矢量，改善了直接转矩控制技术的控制性 能。但将直接转矩应用到永磁同步电机上，需要面对初始磁链估计，在低速下定 子磁链的估计不准，造成转矩脉动较大等问题。在文献 2 7 中直接应用绝对值光 电编码器来确定转子位置，定子磁链的估计则依旧依靠定子电压积分获得，在低 速时性能难以保证。文献 2 8 中所应用的空间矢量调制直接转矩控制技术( s v m d t c ) 中，其利用增量式光电编码器来获得转子位置信息，并通过坐标变换，得 到转子d q 同步旋转坐标系下的定子电流分量，利用式( 2 2 ) 计算定子磁链，得 到的定子磁链准确，获得了较好的控制性能，而此时的s v md t c 同样需要进行坐 标变换，因而其与基于定子磁场定向的矢量控制方式差别已经不大，同时也丧失 了直接转矩控制方式控制结构简洁的优势，相比于屯= 0 的基于转子磁场定向的 矢量控制方式，其控制结构复杂，转矩控制的动态响应快，但平稳性较弱嘲1 。 本伺服系统所用的永磁同步电机为本教研室研制，永磁转子采用具有偏心气 隙的内埋式结构，其厶厶，几乎没有磁阻转矩。通过上文对各种控制技术的 比较分析可知，对于这种电机，= 0 的矢量控制、基于定子磁场定向的矢量控 制和s v md t c 都可以达到较好的转矩控制性能，但由于后两者控制系统算法实现 较为复杂，所以本设计决定选用= 0 的矢量控制作为本伺服系统的控制方案， 其输出转矩平稳，具有较好的调速和启制动性能，这些性能都是伺服系统所需要 的，本设计中未考虑弱磁调速。 2 3 3 ii d = o 的矢量控制方式的实现 i d = o 的矢量控制方式的实现主要有两种方式：电压前馈解耦控制和电压反 馈解耦控制。前者实质上是对电机模型的逆向推导，没有电流闭环，系统受电机 参数影响很大，且因测量的精度和微处理器运算速度的影响，无法达到很高的控 制精度，但控制结构简单，容易实现。而后者则相对复杂，主要依靠对电流的闭 1 7 上海大学硕士学位论文 环控制，使电机实际直轴电流屯= 0 ，只要电流环响应速度够快，则可实现永磁 同步电机的近似线性解耦控制，且由于各闭环调节的作用，使得系统对电机参数 的依赖性要小很多，控制性能要优于前者。 ( 1 ) 静止坐标系下的电流控制方式 ( 2 ) 同步旋转坐标系下的电流控制方式 图2 - 7 电压反馈解耦控制的两种电流控制方式 对于电压反馈解耦控制方式，其实现过程中，主要有两种不同的电流闭环控 制方案啪1 ，它们的控制结构分别如图2 - 7 ( 1 ) ( 2 ) 所示，其中( 1 ) 为静止坐 标系下的电流控制方式，( 2 ) 为同步旋转坐标系下的电流控制方式。从图中可以 看出，前者直接以电机定子三相电流为控制目标，控制方法有：滞环电流控制、 斜波比较电流控制和预测电流控制剐2 3 等。 滞环电流控制是将电机定子电流控制在给定电流所限制的滞环范围内，若实 际电流在给定电流规定的范围内，逆变器开关管的工作状态不变，否则就改变响 应功率开关的状态。滞环电流控制器具有控制方式简单、精度高、动态响应速度 1 8 上海大学硕十学位论文 快和对电机参数不敏感等优点，但其逆变器开关频率变换范围很宽，太高时逆变 器会出现异常，影响系统可靠性，且电流谐波分量较大乜3 。斜波比较电流控制则 是将给定电流与实际电流的误差与载波比较产生逆变器开关信号，其开关频率恒 定，谐波分量固定，电流脉动和噪声小嘞1 。预测电流控制则是通过电机数学模型， 求出给定电流下应施加的定子电枢电压，由此产生相应的逆变器开关状态，该方 法开关频率较低、动态性能好，但必须以知道准确的电机参数为前提，对参数变 化鲁棒性较差且运算量很大。 由于近年来计算机技术的快速发展，逆变器功率开关性能也大大提高，矢量 控制策略普遍采用同步旋转坐标系下的电流控制方式，其便于全数字方法实现， 能够提高逆变器的电压输出能力，开关频率固定，且电压和