（电机与电器专业论文）永磁同步电机无位置传感器控制研究.pdf

江苏大学项士学位论文 a b s t r a c t i nt h em o d e r ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , t h ee l e c t r i cm o t o ra n di t sc o n t r o ls y s t e mo c c u p ya p r o m i n e n tp o s i t i o n t od e v e l o pam o t o r sc o n t r o ls y s t e mt h a th a sah i g h e rr u n n i n gp r e c i s i o n ，l a r g e r s p e e d - r e g u l a t i n gr a n g e ，a n ds h o r t e ra d j u s t i n gt i m ei sap o p u l a rr e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h em o d e r n i n d u s t r i a lc o n t r o lr e a l m ，a n dt 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 ( p m s m ) i sg r a d u a l l y b e c o m i n gt h ee s s e n t i a lm o t o rf o r t h em o t o rs c r v os y s t e mb e c a u s eo f e x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c si t s e l f , s ot h er e s e a r c ha n dd e s i g no nt h ec o n t r o ls y s t e mo fp m s mw h i c he a r la d a p tr e q u i r e m e n t sf o r m o d e r ni n d u s t r i a lc o n t r o lh a sm o r ea n dm o r ep r a c t i c a ls i g u i f i e a n e e f i r s t l y , b a s e d0 1 1w i d e l yr e a d i n go fr e f e r e n c e sa n du n d e r s t a n d i n go fp m s mo p e r a t i o n a l p r i n c i p l e ，t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e l si nt h ed i f f e r e n tc o o r d i n a t e so fp m s m w e r e a n a l y z e d a n dt h ef o cs t r a t e g ye m p l o y i n gk = ow a sc h o s e n ，t h ec o n t r o ls c h e m eo fp m s ms e n ，o s y s t e mb ys v p w mi se s t a b l i s h e dw i t ht w o - c l o s e - l o o pr e g u l a t o r s t h es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l ti n m a t l a b s i m u l i n ka n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h e s ec o n t r o lm e t h o d sw a sv e r i 6 e d s e c o n d l y , t h et h e s i se m p h a s i z e st h ei l l u s t r a t i o no f t h ep r i n c i p l eo f t h ee k fa n di t sa p p l i c a t i o n i nt h es y s t e m ，d e d u c e dt h ee k fe q u a t i o n so fp m s mi nt h es t a t i cc o o r d i n a t es y s t e ma n dt h e r e v o l v i n gc o o r d i n a t es y s t e m t h ec o n t r o ld i a g r a mi sp r o v i d e d t h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h ev e c t o r c o n t r o ls y s t e mo fp m s mb a s e do nt h ee k fi se s t a b l i s h e da n dt h ea p p l i c a t i o no ft h es e n s o r l e s si n m o t o rc o n t r o li ss u c c e s s f u l l yr e a l i z e d t h er e a s o n a b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ee k fp r o g r a m m e ri n t h em o t o rc o n t r o lh a v eb e e nt e s t i f i e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s l a s t l y , o nt h eb a s i so ft h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r m b a s e do nt h eh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 c 2 812a n di n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e ( i p m ) w a se s t a b l i s h e d t h ee l e c t r i c a lc i r c u i t ss u c ha sp o w e rs u p p l y , s a m p l i n g ， p r o t e c t i o na n dd r i v ec i r c u i t sa n dt h ep d n c i p l e so ft h e s ec i r c u i t sw e r ei n t r o d u c e d s e p a r a t e l yf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e m o r e o v e r , t h es o f t w a r e s t r u c t u r ea n df l o wo fs v p w mw a sd e s c r i b e di nd e t a i l ，r e a l i z i n gf u l ld i g i t a lc o n t r o lo f s v p w ms y s t e m k e yw o r d s ：p m s m ，s e n s o r l e s sc o n t r o l ，e k f , m a t l a bs i m u l a t i o n ，d s p , s v p w m 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 书。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权 不保密。 学位论文作者签名：f 邓。 导师签名： 革z 躲 签字日期护扣年月j 弓1 7签字日期：如f 口年乡月厂细 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，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。 学位论文作者签名：j 虱参1 江苏大学项士学位论文 第一章绪论 电机调速技术是- - f 比较复杂的交叉技术，它涉及电机、电力电子技术、控 制理论、d s p 技术以及计算机控制与仿真等几个方面。随着电机调速技术的日趋 成熟，其应用领域也日益拓宽。 1 1 本课题研究的目的和意义 对于小容量的调速系统，多采用结构简单的永磁同步电动机( p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r - p m s m ) 。电动机的转子采用永磁材料，定子绕组为分 布绕组。与传统的电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单，运行可靠，体积小， 质量轻，损耗少，效率高，电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点【l 】。而永 磁同步电机与感应电机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，同 时减少了电阻损耗和转子涡流损耗，具有易于维护、效率高、功率因数高、力能 密度高等多方面的优点。永磁同步电机的调速控制系统能够实现高精度、高动态 性能、人范围的速度和位置控制，已逐渐成为数字控制调速系统主流。 电机的控制系统主要由电动机本体、控制电路和电子开关线路三部分组成， 因此电力电子器件、新材料、新型电机的开发和先进控制理论的出现都会推动永 磁同步电机的发展。 近年来，随着电力电子技术的迅猛发展和器件价格的不断降低，变频器和交 流电动机组成的交流调速系统获得了广泛应用。在交流电动机中，永磁同步电动 机的转速在稳定运行时与电源频率保持恒定的关系，这一固有特性使得它可直接 用于开环的变频调速系统。但是，使用通用变压变频( v v v f ) 变频器来驱动没 有阻尼绕组永磁同步电动机开环运行时，有时电机的运行频率超过某一频率，系 统就会变得不稳定，导致系统失步，或出现转子温升过高的现象。这是因为在永 磁电机的转子上没有阻尼绕组，用小信号分析法可知，当运行频率超过某一值后， 永磁电机系统矩阵中转子部分的极点会移动到s 平面复平面右半平面，即不稳定 区域【2 】。所以，必须让永磁同步电动机闭环运行才能保证控制系统稳定。为了实 时得到永磁转子的磁极位置，可以在电机转子上安装位置传感器，如使用光电编 码器( e n c o d e r ) 或旋转变压器( t g 有人称作解算器r e s o l v e r ) 测量转子的位置， 江苏大学硕士学位论文 并提取转子的速度信息。但是安装传感器后，加大了电机转子的空间尺寸和体积， 增加了电机与控制系统之间的连接线和接口电路，使系统易受干扰；而受机械传 感器使用条件( 如温度、湿度和振动) 的限制，调速系统不能广泛适用于各种场 合：整个系统既易损坏，又笨重，而且价格昂贵，同时也减小了它的耐用性和可 靠性。 较好的解决办法是采用成本合理、性能良好的无位置传感器控制技术，通过 检测电动机的电流、直流母线电压等可测量的物理量进行位置和速度估算以取代 机械传感器，再利用矢量控制技术，实现最大输出转矩、输入功率因数为l 或直 轴电流为零等最优控制，完成闭环控制；不但克服了控制系统的不稳定现象，而 且具有不改造电机、省去昂贵的机械传感器、降低维护费用和不怕粉尘与潮湿环 境的影响等优点。 永磁同步电动机交流伺服系统是机电一体化产品，是多学科技术相结合的产 物。它的驱动、控制更是和电子技术息息相关。因此，进行永磁同步电动机控制 系统的研究对于我国工业现代化建设有着重要的意义。永磁同步电动机虽然已经 发展到相当成熟的阶段，但是对其无位置传感器控制系统的研究还有待于进一步 深入，存在着比较大的发展空间。本系统实现后能大大减少系统成本，提高系统 可靠性，减少系统维护的工作量。 同步电机传动系统需要对其速度和位置进行控制。高精度的电机系统对速度 控制和位置控制提出很高的要求，相应地对传感器的要求提高。目前，传感器向 小型化、低成本和高分辨率、多功能两个方向发展。电机系统中传感器的存在阻 碍了电机向高速化、小型化发展。因此，无传感器技术的研究在高速电机、微型 电机的控制和一些特殊场合具有重要的意义。 本课题既需要进行控制理论的研究又需要解决实际的技术问题，并且最终实 现了具有较高性能的无位置传感器永磁同步机控制系统，具有较高的理论意义和 应用价值。 1 2 永磁同步电机矢量控制研究现状简介 1 2 1 矢量控制的发展 矢量控制是高性能的永磁电机伺服驱动系统中主要采用的控制方法。交流电 2 江苏大学硕士学位论文 机的矢量控制是1 9 7 1 年由德国b l a s c h k e 等人提出的【3 】，它从理论上解决了交流 电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，很快被移植 到同步电机。事实上，在永磁同步电机上更容易实现矢量控制。因为同步电机在 矢量控制过程中没有感应电机中的转差频率电流而且控制受参数主要是转子参 数) 的影响也小。目前，矢量控制技术在永磁同步电机中得到了广泛地应用，其 地位超过了该控制方式在异步电机中的地位。 矢量控制的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，它可以分别通过控制其电枢电流和励磁电流来达到控制电机转矩的目 的。矢量控制的最终目的是改善电机的转矩控制性能，而实施仍然落实到对定子 电流的控制上。矢量控制通过电机磁场定向将定子电流分为励磁分量和转矩分 量，分别加以控制，从而获得良好的解耦特性。因此，矢量控制既需要控制定子 电流的幅值大小，又需要控制定子电流空间矢量的相位。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，因此，永磁同步电机的矢量控制为自控运行的矢量控制。 1 2 2 矢量控制对定子电流的控制模式 在矢量控制中定子电流的控制模式是多种多样的，且电流控制模式和转子的 几何结构影响着永磁同步机的性能和变换器的容量。 v o j it a k e d a 4 】等人提出了永磁同步机矢量控制的四种电流控制模式，并定义 了四项性能指标：电机端压比k = 负载端电压空载端电压、去磁系数孝= 厶厶尹i 、 功率因数c 0 s 缈、凸极系数p = 厶厶。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、功率因数和电枢 反应的去磁效应等方面的因素来综合确定。在永磁电机矢量控制中，四种电流控 制模式为直轴电流i d = 0 模式、功率因数模式c o s 缈= i 、转矩线性模式和恒磁通模 式。其中，i , f 0 模式应用较多。该控制方式突出的优点是没有电机直轴电枢反应， 不会引起永磁体的去磁现象，且可以同时实现隐极式电机每安培最大转矩控制。 不足之处是电机端电压随负载增大而增大，因而要求逆变器输出电压高、容量较 大。根据前面所述四种标准综合评判，永磁电机中定子电流控制方式的选取原则 如下：对于p l 时以转矩线性控制方 3 江苏大学_ 硬士学位论文 式和电枢磁链保持恒定为佳。当然还有其它的控制方法正在研究之中。 r o ys c o l b y l 5 】等人提出了一种针对表面贴装式永磁同步电机( s p m s m ) 的 最优效率运行控制方式。s p m s m 较感应电机和磁阻电机有好的效率优势，在低 功率电机中倍受关注。该控制方式的优点是从减小定子铜耗和铁耗两方面考虑， 通过电机损耗( 铜耗和铁耗) 模型使电机运行在电机总损耗最小的最优工作点上。 一般控制方式只能减小定子铜耗，并不能减少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 l 6 等人在i p m s m 电机上对该控制方法作了一系列研究。这种控制方式 能充分利用电机转矩中凸极效应分量，使定子输入电流能产生最大的电磁转矩。 该控制方式有利于电机重载运行和改善动态响应。 1 3 无传感器控制策略产生的背景与发展现状 1 3 1 问题的提出 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高。和直流电机 相比，它没有机械换向器和电刷；与异步电机相比，它不需要无功励磁电流，因 而功率因数高，定子电流和定子电阻损耗小，且转子参数可测、定转子气隙大、 控制性能好。正因为永磁同步电动机具有如此优异的特性，它的问世，引起了国 内外专家、学者的关注，成为一个热点。近年来，随着永磁材料性能的不断提高 和完善，以及d s p 技术的突飞猛进，p m s m 的矢量控制系统能实现高精度、高 动态性能、大范围的速度和位置控制，尤其在数控机床和机器人等对高精度、高 动态性能以及体积小的伺服驱动的需求不断增长，p m s m 数字控制系统逐渐成 为主流。 p m s m 的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制 定子电流或电压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制 方法相似，可以得到很高的控制性能。对于p m s m ，转子磁通位置与转子机械 位置相同，这样通过检测转子的实际位置就可以得知电机转子的磁通位置，从而 使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。如何获得精确的 转子位置和速度信号就成为实现磁场定向和速度控制的关键1 7 。 p m s m 控制系统中，一般需要在转子轴上安装机械式传感器，测量电动机 4 江苏大学硕士学位论文 转子的速度和位置。这些机械传感器主要包括编码器( e n e o d e r ) 、解算器 ( r e s o l v e r ) 和测速发电机( t a c h o m o t o r ) 。机械传感器提供了电机所需的转子 位置信息，但也给调速系统带来了一些问题： 1 环境适应性不强。不宜用于高温( 高于6 0 0 ) 、低温( 低于4 0 。) 环境或强震 动的场合。 2 机械传感器增加了电机转子轴上的转动惯量，加大了电机空间尺寸和体积， 机械传感器的使用增加了电机与控制系统之间的连接线和接口电路，传感器 的输出信号容易受到各种扰动信号的污染，且传送距离受到限制。 3 机械式传感器及其辅助电路增加了调速系统的硬件成本，某些高精度传感器 的价格甚至可与电机本身价格相比。 4 安装在电机主轴上的传感器有碍于机械传动，使得系统的鲁棒性降低。 传感器造成了矢量控制系统在工业应用中的局限性，如果能取消传感器无疑 能扩大矢量控制系统的应用范围，同时也可提高系统的可靠性以及环境适应性。 在这种情况下，就提出了无位置传感器的矢量控制。近一二十年来，各国学者致 力于无位置传感器控制系统的研究，利用检测电压、电流等易测量进行转子速度 和位置的估计以取代位置传感器。由于无传感器技术不需要检测硬件，免去传感 器安装和维护的不便，提高了系统的可靠性，降低了成本，因而引起广泛的研究 兴趣。永磁同步电动机的无位置传感器控制成为国内外较为热门的研究课题。 1 3 2 永磁同步电动机无位置传感器控制的发展现状 前面已经提到，由于使用传感器给永磁同步电动机系统带来很多问题，所以 无传感器的控制系统越来越引起人们的重视。无传感器控制系统是指利用电机绕 组中的有关电信号，通过适当方法估计出转子的位置和转速，取代传感器，实现 电机的闭环控制。同步电机无位置传感器技术是在数字信号处理器( d s p ) 出现 后得以发展的。d s p 的高速信息处理能力使无位置传感器控制技术的复杂算法能 得以实现。在无位置传感器技术方面，很多学者作出了研究，提出了切实可行的 方法。将众多方法归类如下： l 、基于p m s m 基本电磁关系估算位置和转速的方法 由于这种方法直接基于电机得物理模型进行估算，因而具有计算简单，动态 响应快的优点，然而它对电机参数特别是定子电阻特别敏感，随着电机运行状态 5 江苏大擘硬士学位论文 的变化例( 如温度升高) ，电机参数会发生一定的变化，导致估计的转速和位置 收敛于错误的值。 2 、基于对电机特殊特性分析基础上的估计方法 电流谐波分析法、高频注入法或根据磁路结构和磁饱和特性，通过测量转子 空间凸极来得到转子位置的方法等是这类方法的代表。 3 、基于各种观测器技术的位置辨识方法 该方法首先将输出变量定义为观测器的状态量，观测器的输出与实际电机检 测值作比较，用其误差来纠正观测器的估计值。常用的有全阶状态观测器降阶观 测器、滑模变结构观测器、卡尔曼滤波器等。这种方法动态性能好，稳定性高、 参数鲁棒性强，然而算法复杂，计算量很大，受到计算机和微处理器计算速度的 限制。近年来随着微型计算机技术的发展尤其是高性能d s p 的出现，大大推动 了这一方法在无速度传感器矢量控制系统中的应用。 4 、人工智能理论基础上的估算方法 进入2 0 世纪9 0 年代，人们提出了基于人工智能的无传感器控制方法，它们 不需要系统精确的数学模型，并且可被应用于非线性系统。虽然这些方法对参数 变化和测量噪声具有较强的鲁棒性，但是复杂的算法、繁重的计算量及对系统控 制所需的专家知识却大大限制了这些方法在实际中的应用。 1 3 3 永磁同步电动机无位置传感器控制中需解决的问题 无传感器技术的应用给永磁同步电机带来了起动问题。机械式位置传感器能 探知电机静止时转子磁极位置，使电机和逆变器配合工作于自控同步状态，因而 电机起动不会失步。无传感器技术无法在电机静止时从电机的电气特性知道转子 的初始位置。只有电机起动到一定的转速后，电机才能正常运行于无位置传感器 状态下。因此，电机初始转子位置检测和起动问题是同步电机实现无位置传感器 运行的一大问题。 目前，无位置传感器技术应用在永磁同步电机矢量控制中的应用现状如下： 基本上省去了电机系统的传感器部分，达到无传感器运行；算法复杂，需要具有 高信息处理能力的d s p 支持；受电机参数影响大；起动问题尚未找到完美的答案； 低速运行还存在问题。 6 江苏大学项士学位论文 1 3 4 卡尔曼滤波算法介绍 随机控制系统区别于确定性控制系统的主要点在于前者有不能忽略的随机 因素。确定性控制系统是一个理想系统，它假设输入信号、模型参数和系统的响 应等都是确定性的。事实上，任何工程、经济和交通的控制系统都不可避免地受 到各种随机因素的扰动，系统的随机性因素表现在：( 1 ) 系统的数学模型的不确 定性；( 2 ) 输入信号的不确定性；( 3 ) 观测信号的不确定性。 由于系统存在不确定因素，随机最优控制需解决如何利用被污染的观测信号 y ，尽可能精确地得到状态变量x 的信息的问题，即状态估计问题。为解决上述 问题，要通过最优滤波器得到状态变量的估计。所谓滤波，是尽量消除信号中混 杂的噪声，将有用的信号选取出来。如果信号和噪声是确定性的，并且它们的频 谱分布在不同的频段，可以用一般的滤波网络( 如r c 网络) 滤掉噪声，保留有 用信号。对于状态和噪声都是随机性的情况，上述方法就不能奏效，需要用统计 方法得到状态的最优估计。因此，对含有随机状态噪声的系统的滤波，实际上是 一种估计。估计大致经历了三个重要发展阶段；约2 0 0 年前，高斯( g u a s s ) 提 出了参数估计最小二乘法，它利用一系列观测数据y ( 1 ) ，y ( 2 ) ，y ( 3 ) ，使它与估 计值之间的误差平方和最小，最小二乘法使用简便，在一些简单的估计问题中， 仍得到广泛应用。1 9 4 0 年左右，维纳( w i e n e r - h o p f ) 和柯尔莫格洛夫首次用统 计方法研究随机系统，提出了最优线性滤波维纳滤波。维纳滤波是在最小均 方误差准则下，导出一个维纳一霍夫积分方程，求解此方程得到维纳滤波器的传 递函数。维纳滤波理论奠定了用统计方法研究随机控制问题的基础。但是，求解 上述积分方程比较困难，并且要求得到全部历史观测数据，致使存储量和计算量 过大，限制了它的使用。1 9 6 0 年左右，卡尔曼( k a l m a n ) 和布西( b u o y ) 在维 纳滤波的基础上提出了最优线性递推滤波卡尔曼滤波。卡尔曼滤波实际上是 一种数据处理的递推算法，它克服了维纳滤波需要整段数据的缺点，根据前一时 刻的估计和现在的数据可以由递推方程得到新时刻的估计，使存储量和计算量大 大减少。它不仅适用于平稳随机过程，也能推广到非平稳随机过程，在线性系统 中的应用已经很成熟，对于非线性系统可以采用近似方法求解。由于卡尔曼滤波 的上述优点，它在航天技术、导航、通信和经济管理等方面得到了广泛应用。 7 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文的主要研究内容 l 、介绍了永磁同步电机矢量控制的发展和控制模式，以及无传感器控制策 略产生的背景与发展现状以及需要解决的问题。 2 、对永磁同步电机的基本结构和特点进行了介绍，并借助坐标变换思想得 到在a p o 和由0 坐标系上的p m s m 的数学模型。 3 、介绍了永磁同步电机矢量控制原理和电流控制策略，并详细分析了空间 矢量脉宽调制控制方法，在s i m u l i n k 环境下进行了仿真，并对仿真结果进行了 分析。 4 、给出了永磁同步电机的无位置传感器算法的基本原理，并通过 m a t l a b s i m u l i n k 仿真验证该算法的可行性。 5 、介绍了基于s v p w m 的永磁同步电机矢量控制数字实现的软硬件设计。 6 、本文结尾则对全文工作做了全面的总结和展望，指出了今后有待继续深 入研究的一些问题。 江苏大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机数学模型 由永磁同步电机的电磁关系可知，其磁链方程和电压方程是一组变系数微分 方程，微分方程的系数随着定转子的相对位置变化而变化，是时间的函数，是一 个高度非线性、强耦合的多变量系统，对其直接进行分析求解是极其复杂的。二 十世纪2 0 年代，由r h p a r k 采用由0 坐标变换【8 】将同步电机定子坐标系下的各 个变量等效变换为转子坐标系下的变量，消除了同步电机数学模型中的时变系 数，建立了著名的p a r k 方程，从而为研究和分析永磁同步电机提供了理论基础。 2 1 永磁同步电机的基本结构和特点 2 1 1 永磁同步电机的基本结构 永磁同步电机是由绕线式同步电动机发展而来的，其结构与绕线式同步电动 机基本相同。除了具有一般同步电动机的工作特性外，还具有效率高、结构简单、 易于控制、性能优良等优点。永磁同步电机已经广泛应用于军事装备、计算机外 围设备、办公机械、仪器仪表、数控机床、汽车电器、家用电器等领域，品种繁 多、使用量大、应用面广。 永磁同步电机主要由定子和转子组成。定子由三相绕组及铁心构成，并且电 枢绕组常以j ，型连接；在转子结构上，用永磁体取代电励磁，从而省去了励磁线 圈、滑环和电刷，主要作用是在电机的气隙内产生足够的磁感应强度，并同通电 后的定子绕组相互作用产生转矩以驱动自身运转。为了便于控制，定子绕组一般 都采用短距分布绕组，气隙磁场设计为正弦波，以产生正弦波反电势。与普通电 动机相比，永磁同步电机还必须装有转子永磁体位置检测器，用来检测磁极位置， 并由此对电枢电流控制以达到对永磁同步电机伺服控制的目的【9 1 。 永磁同步电动机的转子结构按定、转子的内外关系来看，可分为外转子结构 和内转子结构。而对通常使用的内转子结构而言，又可分为三种：表面式、内置 式和爪极式，由于爪极式结构通常只用于低性能的永磁同步电动机，这里不予赘 述。表面式转子结构中的永磁体通常呈瓦片形状，位于转子铁心的外表面上，提 供磁通的方向为径向；而内置式转子结构中的永磁体通常为条状，位于转子铁心 9 江苏大学硕士学位论文 的内部，提供的磁通方向和转子具体的结构形式有关。表面式和内置式的内转子 结构分别如图2 1 和图2 2 所示。 ( a ) 表面凸出式( b ) 表面插入式 图2 - 1 永磁同步电机表面式内转子结构 表面式内转子结构永磁同步电机的特点： ( a ) 表面突出式：交直轴磁阻、电感基本相等，转子惯量小。磁钢与转子 铁芯用胶粘接，强度差，为此常用玻璃纤维缠绕磁钢后用树脂固化。表面凸出式 转子结构具有结构简单、制造成本较低等优点，而且其永磁磁极易于实现最优设 计，使之成为能使电机气隙磁密空间分布趋近于正弦形的磁极形状，可以显著提 高电机的性能。 ( b ) 表面插入式：交轴电感、磁导小于直轴。表面插入式转子结构可以充 分利用转子磁路不对称所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，动态性能较凸 出式有所改善，制造工艺也较为简单，但漏磁系数和制造成本都比凸出式大。 ( a ) 内置径向式( b ) 内置切向式( c ) 内置混合式 图2 - 2 永磁同步电机内置式内转子结构 内置式内转子结构永磁同步电机的特点： ( a ) 内置径向式：磁钢或者放在磁通轴的非对称位置上或同时利用径向和 l o 江苏大学须士学位论文 切向充磁的磁钢以产生高磁通密度。该结构的优点是漏磁系数小、转轴上不需采 取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易 变形等。 ( b ) 内置切向式：转子有较大的惯性矩，用在电动车等场合可直接驱动。该 结构的漏磁系数较大，制造工艺和成本较径向式有所增加。其优点是一个极距下 的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。尤其当电机极数较多、 径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势就显得更为突出。此外， 采用该结构的永磁同步电机的磁阻转矩可占到总电磁转矩的4 0 ，对提高电机的 功率密度和扩展恒功率运行范围都是很有利的。 ( c ) 内置混合式：该结构集中了径向式和切向式的优点，但结构和制造工 艺都比较复杂，制造成本也比较高。 对于采用稀土永磁材料的电机来说，由于永磁材料的相对可逆磁导率接近 1 ，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极结构，d 、q 轴上磁阻相等，即 厶乩口；而表面插入式转子由于相邻两磁极之间有磁导率很大的铁磁材料，所以 在电磁性能上属于凸极转子结构，d 、q 轴上磁阻不等，即上础口。该结构因转子 表面无法安放起动绕组，无异步起动能力，因此不能用于异步起动的永磁同步电 机。本文以隐极式永磁同步电机为研究对象。 内置式结构的永磁体位于转子内部，永磁体表面与定子铁心内圆之间有铁磁 材料制成的极靴，极靴中可以放置铜条笼或铸铝笼，起阻尼或起动作用，动、稳 态性能好，广泛用于要求有自起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。在该结 构中，永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称所产生的磁阻转矩也有 助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁扩速。 2 1 2 永磁同步电机的特点 在前一小节，可以看到各种永磁同步电机的转子结构差异很大，但是由于永 磁材料的使用，永磁同步电机具有以下几种特点： ( 1 ) 电机转速与电源频率始终保持准确的同步关系，控制频率就能控制转 速； ( 2 ) 永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载变化而引起的电机转 矩的扰动具有较强的承受能力； 江苏大争硕士譬、位论，文 ( 3 ) 永磁同步电机转子上有永久磁铁无需励磁，因此电机可以在很低的转 速下保持同步运行，调速范围宽。 与其它电机相比，永磁同步电机具有以下优点： ( 1 ) 电机电磁转矩纹波系数小，运行平稳，动态响应快，过载能力强。永 磁同步电机比异步电机对电压和转矩扰动具有更强的承受能力。异步电机负载转 矩发生变化时，要求电机转差也跟随变化，也就是转速发生变化，但系统转动部 分的转动惯量阻碍转速的相应变化，降低了响应频率。而永磁同步电机的负载转 矩发生变化时，仅需要电机的功角适当改变，而转速维持在原来的同步转速不变， 则转动部分的转动惯量不会影响电机转矩的快速响应，瞬间最大转矩可达到额定 转矩的三倍以上，使永磁同步电机非常适合在负载转矩变化较大的场合下运行： ( 2 ) 永磁同步电机具有高功率因数和高效率，显示出明显的节能效果。永 磁同步电机用永磁体代替电励磁，无励磁损耗，由于定、转子同步，转子铁心没 有铁耗，因此永磁同步电机的效率较电励磁同步电机和异步电机高，且不需要从 电网吸取滞后的励磁电流，从而节约了无功功率，提高了电机的功率因数。永磁 同步电机在2 5 0 o , - - 1 2 0 额定负载范围内均可保持较高的功率因数和效率，使轻载 运行时节能效果更为显著，在长期使用过程中可大幅度地节省电能； ( 3 ) 稀土永磁同步电机较异步电机尺寸大大减少，重量较轻，且转子结构 大大简化，提高了电机运行的稳定性； ( 4 ) 结构多样化，应用范围广。由于转子结构的多样化，衍生出许多特点 和性能各异的品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航天，从 简单电动工具到高科技产品，几乎处处涉及； ( 5 ) 永磁同步电机没有电刷，结构简单，系统的可靠性高。 2 2 永磁同步电机的数学模型 2 2 1 常用的坐标系 l 、a - b c 坐标系 永磁同步电机的定子中有三相绕组，其轴线分别为a 、b 、c ，且空间上彼 此间互差1 2 0 电角度。由a b c 轴系构成的轴系也称为自然坐标系或者定子坐 标系。当定子通入三相对称交流电时，就产生了个旋转的磁场。三相定子坐标 1 2 江苏大学硕士学位论文 系定义如图2 3 所示。 a 2 、a 1 3 坐标系 定子静止直角坐标系即n p 坐标系如图2 3 ，其口 轴与a 轴重合，b 轴超前i f , 轴9 0 0 。如果在仅p 轴组 成的两相绕组内通入两相对称正弦电流时也会产生 一个旋转磁场，其效果与三相相绕组产生的一样。 。 p 1 2 护 、a ( 因此可以由两相坐标系代替三相定子坐标系进行分 图2 - 3a b c 坐标系与n p 坐标系 析，从而达到简化运算和分析的目的。 3 、d q 坐标系 转子旋转坐标系固定在转子上如图2 - 4 ，其轴位于转子轴线上，q 轴超前d 轴，空间坐标以d 轴与参考坐标a 轴之间的电角度0 来确定如图2 5 。该坐标系 和转子一起在空间以转子速度旋转，故相对于转子来说此坐标系是静止的，因此 d q 坐标系又称为同步旋转坐标系。 l i p哩 图2 - 4 d - q 坐标系 图2 - 5 二相静止和旋转坐标系 2 2 2 坐标系的变换关系 l 、a b c 坐标系与a p 坐标系的坐标变换 三相定子坐标系到定子静止直角坐标系的变换通常称为c l a r k e 变换，这里 定义c 3 以，为坐标系到a p 坐标系的变换阵，由线性代数知识可以得到： c 3 m ，= k ll 1 - 。2 。- - 2 。 o 鱼一鱼 22 1 3 ( 2 - 1 ) 江苏大学硕士学位论文 其中k 为待定系数。确定k 值的主要依据有：在变换前后，每一相功率不变， 总功率变化。即三相系统和两相系统每相的电压、电流有效值相等。如果维持变 化前后合成气隙磁势不变，两相电机每相绕组匝数要增加3 2 倍，气隙磁通减小 2 3 倍，将影响电机参数变化。故此时k = 2 3 。在变换前后，总功率保持不变。 两相电机的相电压和相电流有效值为三相电机相电压和相电流的影2 倍，因此 两相电机每相功率比三相电机每相功率大3 2 倍。如果维持变化前后合成气隙磁 势不变，两相电机每相绕组匝数要增加4 3 4 3 顾倍，气隙磁通保持不变。故此时 k 芦2 3 。在总功率保持不变的情况下，变换关系为： 匝。 c 3 ，1 2 j2 飞f 了 yj 一一巨。 i , - , 2 s 3 s 一i yj 11 l 2 。_ i - 2 。- o 笪一鱼 22 1 0 l 压 22 三括 2 2 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) c 2 m 。就是从弘p 坐标系到a - b - c 坐标系的变换阵。 2 、a p 坐标系与d - q 坐标系的变换 邳坐标系到a - q 坐标系的变换称作p a r k 变换，在这里我们定义c 2 ，胁，c 2 m ，为 那坐标系到如坐标系和品9 坐标系到邳坐标系的变换阵： - i f ：i n 0 秒：l ( 2 4 ) 屹，2 ，sc o s 秒i 旺4 ) 笔黝 协5 ， 2 2 3 数学模型 关于永磁同步电机数学模型的推导，目前许多论文上都已给出比较详细的论 1 4 江苏大学硕士学位论文 述，在本节主要讲述永磁同步电机在d - q 坐标系下的数学模型。 要实现对转矩线性化实现控制，就要对永磁同步电机转矩控制参数进行解 耦，另外，在分析永磁同步电机的数学模型时，为了分析简便，可以作适当的假 设，忽略一些次要因素： ( 1 ) 忽略铁芯饱和； ( 2 ) 不计涡流和磁滞损耗，认为磁路线性，并且可以用适当的原理来进行 适当的分析； ( 3 ) 感应电动势是正弦的，定子电流在气隙中只产生正弦磁势，并且忽略 高次谐波带来的影响。 根据以上条件来分析实际的电机，所得的结果与实际的情况十分接近，因而 可以使用上述假设对电机进行分析控制。因为本文研究的是表贴式永磁同步电 机，所以有l d = l 。叱，根据以上假设得出的电机模型为1 0 】： 电压方程： 二三：二：季 弦4 弹d ( 2 - 6 ) 磁链方程：f 2 ，? + 盼 ( 2 7 ) l 。气0 上式中，、定子d 、g 轴电压；厶、厶定子绕组d 、q 轴电 感；厶为电机电枢电感；、定子文g 轴电流；吩咏磁体基波磁场 在定子绕组中产生的磁链；定子直轴磁链，包括定子直轴电流产生的磁 链和永磁体产生的磁链；t 龇为电磁转矩；t l 为机械负载转矩；p 。为电机转子极 对数；j 为折合到电机轴上的转动惯量；b 为粘贴摩擦系数；q 为转子电角速度。 由上述公式，可得永磁同步电机的动态等效电路以及空间向量图如图2 - 6 所 示； 江苏大学硕士擘位论天 u d r s l d r s u q 图2 - 6 永磁同步电机的动态等效电路 输出电磁转矩为： 气气 i m 2 号坼( 一岛) = p ( 盼+ ( 厶一厶) 屯) ( 2 - 8 ) 机械运动方程为： t 眦- t l + b o o r + j p q ( 2 - 9 ) 在2 8 ，2 - 9 两式中，t 锄为电磁转矩；p 为电机转子极对数；t l 为机械负 载转矩；j 为电机转子和所带负载的总转动惯量；b 为粘贴摩擦系数；他为电机 转子的机械角速度。另外，吃为电角速度，它们之间的换算关系为： q = n p q ( 2 - 1 0 ) 由图2 3 可知，在d - q 坐标系下： j ? = i , c o s , a ( 2 - 1 1 ) k = s i n f l 综合2 8 式得出电磁转矩为： k = 兰坼( 吩s i nc a + 三( 厶一l q ) i , 2s i n 2 p ) ( 2 - 1 2 ) 在2 1 2 式中，第一项是由定子电流合成磁场与永磁体励磁磁场互相作用而 产生的电磁转矩，称作主电磁转矩；第二项是磁阻转矩，它是由电机的凸极效应 而引起的，且与两轴电感参数的差值成正比。 前面已提到，对于表贴式永磁同步电机，由于其凸极效应较弱，所以可近似 地认为l d = l 。= l s ，据此，永磁同步电机的电磁转矩方程可进一步化简为： t 锄= 丢坼吩s i n 夕 ( 2 一1 3 ) 输入总功率为： 1 6 江苏大学硕士学位论文 只= 云3 ( 砧d 。+ 材。) ( 2 1 4 ) 图2 7 永磁同步电机空间相量图 上图为永磁同步电机空间向量图，根据此图，我们可以得出，定子电流相量 与q 轴之间的夹角为口，定子电压相量虬与q 轴之间的夹角为夕，所以，电机 的功率因数可以表示为： c o s = c o s ( b - a ) ( 2 1 5 ) 2 3 本章小结 本章首先对永磁同步电机的基本结构和特点进行了介绍，并借助坐标变换思 想得到在a p o 和由o 坐标系上的p m s m 的数学模型。为接下来的永磁同步电机 控制系统及其软、硬件设计和仿真实验奠定了基础。 1 7 江苏大学硕士学位论文 第三章永磁同步电机矢量控制 矢量控制技术是交流调速的高性能控制技术，产生于2 0 世纪6 0 年代末，但 直到电力电子学、计算机控制技术和现代控制理论得到飞跃发展的2 0 世纪9 0 年代，矢量控制才得到充分应用。近二十多年来，矢量控制、直接转矩控制等技 术的问世和计算机人工智能技术的进步，使电机的控制理论和实际控制技术都上 升到一个新的高度。目前，永磁同步电机调速传动系统仍大多采用矢量控制技术。 3 1 永磁同步电机矢量控制原理 永磁同步电机伺服系统控制的关键是转矩控制，转矩控制的要求可以归纳为： 精度高、响应快、脉动小、系统效率和功率因数高等。对于由三相永磁同步电机 构成的伺服系统而言，除电磁转矩外无其它控制量可以影响电机的转速，因此如 果能快速准确地控制转矩，使得控制系统在负载扰动时能获得较小的动态速降和 较短的恢复时间，那么系统就具有较高的动态性能【l l 】。 永磁同步电机伺服系统进行矢量控制的目的就是为了改善转矩控制性能，最 终实施仍然是落实在对定子电流的控制上。由于在定子侧的各物理量( 电压、电 流、电动势、磁动势) 都是交流量，其空间矢量在空间上以同步旋转，调节、控 制和计算均不方便。因此，需借助于坐标变换使各物理量从静止坐标系转换到同 步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了停 止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的 几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所 需的被控矢量的各分量值即直流给定量。按这些给定量实时控制，就能达到直流 电动机的控制性能。由于这些直流给