（电机与电器专业论文）永磁同步电动机控制系统及控制方法研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht 1 1 ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c 廿o n i c s ，t l l em o t o rm 鲫m a c t u r i n gt e c h n o l o g y a i l dt h cp r o g r e s so ft h e o r i e so fa cs p c e dr e g l l l a t i o ns y s t e ma n dn o v e lc o n 旬o l s t m t e 西e s ，m ep e m a l l e mm a g n e ts y n c l l r o n o u sm o t o rc o m r o ls y s t 锄s a r ew i d e l y a p p l i e di ne l e c 仃o m e c h a n i c a li m e g r a t i o n ，r o b o ta n da m o m o t i v ee l e c 订o n j c s f i r s t l y ，m ec o n 由ls t r a t e 西e su s e di nt l l ep m s mc o n 扭d ls y s t e ma r eg e n e m l i z e di n t h i sp a p e r b a s e do n 趾a l y s i so f 恤啦i 】c n 】r eo f 也ep m s mm a m 魁a t i c sm o d e lo f p m s mi ss e tu pa tb o t hs 协t i o i l a f yc o o r d i n a t ea n d 锕op h a s e t o rc o o 坩i n a t e 1 1 l c s v p w mc o n t 】r o l 眦t h o do fp m s mi sa n a l y z e di nd e 士a i l an o v e lh y b 耐s t m ：t u r e c o r l 缸d ls 乜e g yo fp m s mb p r e s e i l t e d 证也i sp a p e 【，w h i c hm a k e s 也ec o 曲ls y s t e m g e tq u i c k e rd ”l a m i cr e 罐0 n s e 趾db j g h e rs t 撕cp e r f - o r n l a n c e t h es i m l l l a t i o na 1 1 d e x p e r i i n e n t a lr e s u n ss h o wt h ev a l i d n yo f t l l i sm e t h o d b yc o m p a r i n ga i l d 眦l y z i n gs o m ed i 氐r c n tr o t o ri n i t “p o s i t i o nd e t e c 士王n g m e t l l o d su s e di 1 1t 1 1 ep m s mc o n t r 0 1s y s t e m ，an e w d e t e c t i l l gm e t l l o di sp r e s e n t e da n d 廿1 es c h e m eo f i ti s m 仃( ) d u c e d i t sv a l i d i t yi sp r o v e nb ys i m u l 商o na i l de x p e 血n e n t p i dc o n t r o l l e ri st l e k e yt o m ep m s mv e c t o rc o n 仃o ls y s t e 札ag o o d p e r f b n n a i l c ec a i lb ea c l l i e v e dw h e nm ep mc o n 订o i l e r sp a r a m e t c r sa r em a t c h 证g 、v i t l l 也ec o n t r o ls y s t e m t h ep 缸a m e t e r so fp i dh a v et ob ea 畦j u s t e dw h e n 也es y s t e m s p a r a l n e t e r sc h a l l g e t 咖p i dc o r 咖l l e r sc o m b i n e dw i t h 缸z yc o n 昀lo rc m a c n e u m ln e t 、v o r ka r ea p p l i e di nt b ep m s mc o n 廿d ls y s t e ms e p a i a t e l y 1 1 1 es i t n u l a t i o r e s u l 士su 工i 妇m a t 【a s i m l i n l 【e n v 油她睦n 主弘o 、，et h a tb e 越簟衄r m 戤i s 曲曲i n e d b yu s i n gm e 竹oc o m p o l m dc o m r o l l e r s f m a l l 品b 础k 眦b 勰s 加l c n 聪a n ds o 丘赋s c k 匝eo ff h ed e s i g n e dc 血口l s y s t e ma r e 血工0 d u c e 正t h em 政e dp r q g r a mm 出o dd 卫牡a d o p t e dc 越da s s e m b l y l a l l g u a g eu n d c rd s pp m g r a me r i v i r o n m e mi s 珥1 】s 娘陆d 缸1 ds 锄a r i 2 e d w 垃c h m a k e sn 】= ec 唧u c a e dc m l s t r a 垂e g i e sa p p 聊由ga f l ds o f t 刚e x p a n d i i l ge 懿i k e yw 0 r d s ：p m s m ，k 曲a c c u r a c yh y b 耐c o r 血o l ，i i t i a lr d t o rp o s i t i o n d e t e c t i o n ， i m e l l e c n j a lc o n t r o i ， m i x e dp r o g r 蛳 i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 隧麓电力毫子、滚稷铡造技术潋及薪墼枣| 糕稳飞速发袋，交流调速嚣论驻及 新型控制理论研究的不断深入，永磁交流调速系统在机电一体化、机器人、柔性 制造系统、汽车电子镰高科技领域中占据了日擞霪耍弛地位。 永磁瞧辊魏发震奄隶磁耪精麓笈震惠塞耱关。1 9 s 3 年敦蓊，由于嚣寐磁徐 格昂贵，研究开发重点主要在要求商性能而价格不是主要因索的高科技领域，如 航空、舷天用电机等。拶昭年，磁性能更高而价格相对较低的钕铁硼永磁闯世。 送入窜代中赣敬袋，钕铁硼磁俸生产链力邋滚扩张，镀绞硼静生产残奉下薅， 国内外研究开发重点歼始转移到工业和民用电机上。 永磁阿步电动机舆青能量转抉效率高、体积小，运行可靠性离、调速蕊圃广， 动、静将性爵等往煮，这使褥隶磁阏步龟曩褫产救褥到了迅邃笈曩。陡着窳磁弼 步电动机在航空、航天、机器人、点业自动化及家用电器等各个领域越来越广泛 的应用，对永磁同步电动机控制系绕的控制性能也蠢了越来越离的要求，溉希望 控剜系统能有鞍强鹊动态响应能力，又希望其爨有较高豹稳淼佳能，较高豹控镪 精度。为此，国内外专家学者提出了各种p m s m 控制策略，并已将其应用到永 磁同步呶动机控制系统中。随着控制策略豹进一步完善，永磁同步电动枫羧铡系 统簦、然褥爨更热广泛鹣应髑。 l o 谴遴系统发展壤述 调瀵系统发展初期历史主要是畿流电机调遴系绞。早在1 8 2 1 年的法救弟载 流导体窳验模型就可以认为是现在巅流电动机的雏形，它验谶了载流导体擞磁场 中将产室掇援运动，扶藏燕舞了邀皴转换研究懿窿幕。1 8 蔼戮l 黔0 年是纛滤电 机的一个高速发展期。由于社会生产力孵发展，用电量大大增加，在客观上促进 了直流发电机的发展，同时，城市交通运输的发展，对直流电动机发展也趣到了 很大影穗，裂1 9 整髭9 e 年代，壹浚夔规已经其器了瑗足壹浚壤提夔一镯终褪特 点。在磁场一定的条彳牛下，直流电动机转速和电懿电压成正比，其转矩容易控制， 薷一章绪论 因此誊流电动机调遗蹴较容易褥戮嶷好的动态特矬，直流调遴系统缀快发鼹成熟 起来。隧饕直流电机酌迸一步广泛墩用，直流电枫的固有缺点锻快就暴露了积来。 首先是商压直流发电机制造困难，随流电传输线路损耗大，另一方面，随着单机 容量的鞋蘸增大，意漉瞧枫的换囱闯题越来越突嫩，换彝嚣上的火花极大鹣隈制 了直流嘏机豹使用，丽且直流电动视结构复杂，成本高，被障多，维护困游，在 这种背嫩下，交流电机走上了历史舞台。 鱼1 8 8 9 每多裁沃一多勃罗夫瓤熬提出三鞠铡建议并制造爨繁一台三槿感应电 动杌以来，交流转动懑走过百年历史。交流传动中分为两类诵速系统，一必是异 步电机调速系统，一类是同步电机调速系统。 笼型器步电动机竣梅蕊单，坚阐耐曩，维护王终量小，避行效率毫，转动馁 量小，渤态响应快，掰以做到高电艇、大容量、商转速，困弛它在造纸、轧枫方 面得到了广泛应用。似是异步电机调速系统存在麓些缺点，如异步电机必摄控 毒对转予参数辏度鸯较高依赣性，随整淦度交弦，转子参数发生变纯，控澍精度 会有掰下降。扛汐 ，弊步电视需要从定子铡励磁，因此电动机功率因数低。着想 提高功率因数及效率，需尽量减小定转子气隙，遮对于异步电机的制造生产是十 分困难戆。三楣异步嗽动巍懿大爨使用，也毽褥交渡电阏功攀因数普逮德低。 同步电动机励磁采用直流励磁，这使得同步魄动机可以工作在任何功攀因数 下，因此最初同步电动机只是用于拖动恒速负载或用于改善功率因数。当定子屯 流频率秘极对数固定辩，霹步电动辍将以恒定转速运霞，客暴发生失步秘# 撼震 荡，抗负载扰动能力戆，而且起动较困难，在没宵变频电源供电的情况下，对同 步电机的转速控制是十分困难的。随着电力电子技术的发展，为同步电动机变频 调速实瑷提鬟了可戆馕。蔌最翅瓣豢阕管到第二我兹g 豫、瀚s f t ，辫翻第 三代鹃硒b t ，大功率半导体器件钧性能逐渐掇商。目前同步嘬机变颁调遽系统 中的电源部分多采用智能功率模块撩m ，它是大功率半导体器件向第四代器件功 率集戏滚鼹p 怼发震瓣过渡产鑫。撙m 纂电滚赞瑟器、驱动瞧鼹及过载、避煞、 欠压等僚护电路子一体，简化了接线，减小了体狈，使用非常方便，并且奄较高 可靠性。【1 】 孛誊炎遮速鼹霹步曦动援懿一耱，容磁同步惫翡瓤体积嚣蘩壤穗对较夺，其效 率比同容爨的异步电动机提高4 一1 3 ，功率因数提高5 。2 0 2 l ，以其为主体 第一章绪论 梅残的容磁鼹步电秘桃调速系缀鲢成本与异步奄投谖速系统没有丈翁蓑蒜l ，鑫 筵，它玩异步毫瓿调遮系统其有委大麓优势。嚣蓊在毫梯驱渤曩统、变颡窝调器 驱动系缆以及电动擎辆驱动系统中水磁同步电潮机调速系统缆在逐步扩艨取代 异步电帆谭逮系绞。 1 3 永徽同步电动帆控制策略 鸯了提蠢永磁羁步嚷动瓤控制黎绞控甏缝麓，谈萁英誊更狡懿穗盛遴囊、更 高豹转邈精度、更宽的调速花围，薮动、静态晌臌能够与直流祛动机调速撩统相 媲美，专家学者提出了备种新型控制策略用于永磁同步电动机控制。下匠我们就 基尊霈魁控赣| 繁赂绘与壤逮整谨骥， 1 3 。l 磁场定向控制 9 7 每，嚣弱予工程彝f 鏊 a s 辐疑善凌鬟漱矢塞控裁骥谂，馥交浚邂撬控 制理论获得了一次质的飞跃。其基本思想为：以转予磁链旋转掇间矢量为参港坐 标，将定予电流分鳃为相互正交的两仑分量，一个与磁链同方向，代表定予电流 融磁分壁，受一个与磁链方两歪交，建表定子毫浚转踅分量，分裂对箕述褥藏澍， 获得像崴流电动机样良好的动态特性。【3 1 因其控制结构简单，控制软件熊现较 容易，融被广泛应用剿调速系统中。 瘩磁灏箩毫魂辍矢爨莲裁蒙酶善舞步毫囊瓤矢篷茬裁蓑臻鸯些不彝。隶磁霹 步电动机特点是转速岛电源频率严格同步，其转予转速等于旋转磁场转速，辅差 恒等于零，没有转差幼率，也就没省异步电机中的转差频事瓴澈，控制效柴爱转 子参数影蛹枣，在象磁露步亳费撬上更寥曩实疆矢囊控裁； 转予磁场定向阳旋转坐标系下承磁同步电渤机瞬对电磁转矩方程为： 殛= 州一) 。州妒，+ ( 乓一乞) 0 ) ( 1 ) 峦式( 1 ) 可囊，对容繇露爹毫动搬遥磁转蓬懿捺籁最终蜀爨精为对盔鞫毂流j d 和交轴电：i j ii q 的控制。同样的输出电磁转矩，对成疹个不同的燮、直轴电流缀合， 不同组念对废着不鲻的系统效率、功率匿数竣及转矩输盎链力，露姥塞磁爨步惫 蘑辍毒不溺麓毫流控嬲簸路。 1 ) 驴劬控制 第一章绪论 毽蕊，在永磁交流伺服系绞中，过= o 矢量控铡是主要载羧剿方式【4 l 。舞现数 前提建穗确绝检测转予磁极空闻缎鬻d 轴，通过控制逆交器功率开关器件静暹关 断，使定予合成电流能于q 轴，此时d 轴定子电流分量为零，永磁同步电幼机电 磁转矩正比于转矩电流毛，躲正魄予定子电滚蠛篷，只嚣控翻定子电漉大小，裁 可以很好地控制永磁鞴步电动祝酌输出电磁转缀。 尽管这种方法实现简单，输出电磁转矩恒定性好，但只适用于中小容缀1 5 1 。 这是因为当负载增加融，定子惫溅会夔之增大，囊于电抠反疲影嚷，会造成气蒎 磁链和气除合成磁动势增大，定子磁链增大，定予反电动势翻大，定子电藤大幅 度上升。如果电机本身过载2 3 倍，电压幅值会上开5 0 1 0 0 u n ，为僳证足 够器毫滋邃压，电控装置农变鹾嚣必须有较大黎墓，但其考效铡鼹率却缀低。 2 ) 最大转矩，电流魄控制 在电机输出相同电磁转矩下使电机定予电流最小的控制策略称为最大转矩 电流比拔潮。 假设电机运行辩定予三穗电流为： 。t l 。蟪扭一i z ) 8 为定子毫漉矢爨与电枫鑫秘绕缀辘线夹黛。 在警转子同步旋转的d - q 坐标系下表示为： 删二薯蔫蚪t 暖二朝 刚3 卜垂塌峭一昙砖一s i 搿+ 到引“l s 酾一列 8 为转子d 轴与a 轴夹角。 因此袁：= 蒋+ 零( 2 ) 最大转矩电流比靛制就是式( 2 ) 在式( 1 ) 条件下的极值闯邋，可以建立辅助方程 采用牛顿迭代法求解。因为计算量较大，在实际成用中系统蜜时性无法满熙，因 蓝可以饔线诗算出不阉电磁转矩对应懿交、妻辘瞧滚，毅表麓影式存放予d s p 中，实际运行时根摇负载情况套表求得对应的i d 、i 。 豳 第一章绪论 图1 1 转矩与电流幅值关系【6 】 图中曲线l 为i d ：o 控制时转矩与电流幅值关系，曲线2 为最大转矩电流比控 制时转矩与电流幅值关系，可以看出，电机输出转矩越大，采用最大转矩电流比 策略时所需电流就越明显小于i d = 0 控制策略所需电流，因此，对大容量电机稳 态运行有显著的节能效果。 查阅正e e 近几年的文献资料可以发现，目前这方面的研究，多数学者是将 最大转矩电流比控制与其它控制策略相结合，研究其在口m s m 全速度范围内的 控制性能。 7 】【8 i 3 ) 弱磁控制策略 永磁同步电动机弱磁控制思想来自他励直流电动机调磁控制。对于他励直流 电动机，当其电枢端电压达到最高电压时，为使电动机能运行于更高转速，采取 降低电动机励磁电流，以平衡电压。在永磁同步电动机电压达到逆变器所能输出 的电压极限后，要想继续提高转速，也要采取弱磁增速的办法。 永磁同步电动机励磁磁动势由永磁体产生，无法像他励直流电动机那样通过 调节励磁电流实现弱磁。传统方法是通过调节定子电流i d 和i a ，增加定子直轴去 磁电流分量实现弱磁升速，为保证电机电枢电流幅值不超过极艰筐，转矩电流分 量i 。应随之减小，因此这种弱磁控制过程本质上就是在保持电机端电压不变情况 下减小输出转矩的过程。永磁同步电动机直轴电枢反应比较微弱，因j 融需要较大 的去磁电流才能起到去磁增速作甩，在电机工作在额定屯流情况下，去磁电流舶 增加有限，因此采用这种方法所能得到的弱磁增速范围也是有限的。 针对这种情况，文献【9 】提出了一种新的弱磁策略，它在原有m 您m 转予基 础上做了一些结构上的改变，利用转子旋转时所产生的离心力与磁性材料间斥力 的动态平衡过程，调节转子漏磁链大小，从而间接改变气隙磁链大小，达到弱磁 控制效果。 第一章绪论 1 3 2 直接转矩控制 直接转矩控制技术由德国鲁尔大学d e n b r o c k 教授在1 9 8 5 年针对异步电动 机首次提出，是继矢量控制技术之后又一高性能交流变频调速技术。其特点是采 用空间电压矢量分析方法，定子磁场定向，直接在定子坐标系下计算并控制电机 定子磁链和转矩，借助离散两点式控制调节产生p w m 信号，对逆变器开关状态 进行最佳控制，获得转矩的快速性和准确性 1 0 l 。直接转矩控制摒弃了矢量控制中 解耦思想，很大程度上克服了矢量变换控制中的计算复杂性，系统控制结构简单， 控制思路新颖，因此从提出之初就受到了人们的广泛关注n 1 。 直接转矩控制最初是针对异步电动机提出的，是建立在异步电动机转差角频 率控制基础上的，因此不能在永磁同步电动机上直接加以利用，1 9 9 7 年l z h o n g 、 m f ra 】i i 】a 1 1 、yw h u 等人率先把直接转矩控制与永磁同步电动机结合起来，成 功实现了永磁同步电动机基本d t c 控制。 永磁同步电动机转矩可以表示为： r = ；争掣伫y ，s 抽占一l 虬i ( 一岛) s i i l 2 卅 1 1 啊 其中占为定、转子磁链夹角。 对于隐极同步电动机，岛= 乞= ，进一步简化为： r ：型丝! 丝也兰 2 考虑到永磁体磁链野恒定，如果能够在永磁同步电动机运行过程中，保持定 子磁链i 列不变，则控制6 角就可以控制永磁同步电动机的输出电磁转矩。由于 转子惯性，改变定子磁链旋转速度比改变转予磁链旋转速度要容易一些，因此， 只要对_ 逆变器开关状态设适当选择，在保持定子磁链幅值近似恒定的前提下，控 制定子磁链空间矢量旋转速度，即可快速改变定、转子闻磁链夹角，就畿控制永 磁同步电动机构输出电磁转矩。 定子磁链检测目前多采用间接检测法，即检测电机定子电压、定子电流和电 机转速，然后根据电机数学模型，计算出所需磁链的幅值和相位，为保证电磁转 矩和负载角6 变化一致，必须保证定子磁链给定幅值限制在一定范围内。【1 2 】 直接转矩控制理论研究已取得很大进展，但它在永磁同步电动机控制系统中 夔二主堕堡 的实际艨用方面技术逐不够成熟。从毽e e 发袭文献来看，隧蓠直接转矩按零l 在 p m s m 巾应焉鹃磺究没有2 4 年之前鹃那耱热瘦，避震较为缓浸，多集巾在其 它控制策略与d t c 的复合使用以投无传感器等方面【1 3 】。邋艘将是未来一段时 期内d t c 研究的方岛酾重点。 踅1 2 度磁弱步魄动梳壹接转缒控鬣挠龚筏 1 3 0 茸溉应控制 在魄秘运幸亍环臻不发生交纯、运幸亍获态不笈垒改交、系统参数不发生燹纯静 情况下，通过传统p m 控制，在参数匹配良好的条件下，控制系统可以获得嶷好 的控制性能。但实际工业生产中不w 能傈持如此理想的工作环境，系统电气参数 窝瓿城参数肯定会发黧交稼，受载转矩魏动氇憝时藏存在竣，这都将导致系统控 制性能变蒺。如果系统可以根据运行环境以及负载变化情况，实时自动调节控制 参数，电辘动态睫或和挠负载扰动擞力就旋褥潮加强，自适凝狡裁正是为了这一 霞懿焉德寤熬。疑彗麓国内步 蛩f 究情况来看，疯矮子永磁同步电动梳豹壹遥应控 制方法脊很多种，下颥简要介绍其中4 种t 坷。 1 ) 模溅参考自适威控髑 主鬟蕊想是将含肖待话计参数方程作为可落横鍪，蒋不客来船参数辩方程作 为参考模型，两个模型具有相同物瑷意义的输出最。两个模溅同时工作，利用其 输出量熬傻，根据合邂蛇宣适应律嶷对调节可涌模型参数，从嚣达型控制对象输 出舔踪参考模型的嚣豹。【1 6 j 模型参考自适发羧制系统的原蠛如图所示： 第一章绪论 图1 3 模型参考自适应系统 通过自适应算法调整调节器参数，即可使得被控对象输出躁踪参考模型，当 8 毋o 涎，稷蕹糠璇要衷，妻逶斑参数谖薹过疆结束。控镬系统链否稳疑工终 并且快速响应工作状态变化，关镳之处在于自邋应律调节过稷的稳定性殿快速 性。 2 葑孽攘交结稳控制 滑横变结构控制与常规控制的根本区别在予控制的不连续性。自适应机构为 控制量袭达式中的不滚续控制部分。滑模开关能够根据扰动愫况追使系统程一定 条侮下，农筑定赘竣态孰迹耀诵蔫滤穗换，蔽髓诵节控稻量等效平均售，糯当子 自适应地调制出等效控制量，使逡动点停留在预定状态上，达到良好控制散果。 从理论上讲，由予沿模状态可以根据需要设计，而且系绕滑模运动与羧制对 象鼹参数交纯、系统舞部魏魂无关，函魏滑模交缭构控赣i 鲁棒往要眈一般鬻规连 续控制系统强。但对予实际滑模变结构控制系统，由于实际执行机构的频带限制， 理想开关状态不可巍实现，此外，系统惯性、状态检测误差，特别是采样时闻较 大霉孝，都会在理怒 黝模态主叠魏一个锯齿形轨迹，西爨：辩搬必然存在，溅法消 除。【1 7 3 实际应用中，遐而求其次，将滑模控制量涟续化，削弱抖动，以获得平滑 的控趔黧袒近议既游模运动。 蠢嚣淆模变结拇掩期磺究曩l | 耄纛差要集串簌p m s m 无传慧器控甏方巍【1 8 嘲。 国内这方蕊的研究不嫩很多，主要烧在各高校做然理论研究，产品化进程还有 一段膝黎走。 3 ) 横糊控麓 模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变 量以及模糊逻辑推理佟为控制算法豹一种智麓按制。它无需建立数学模型，是解 决不确焱性系统匏一种有效途径。农模赣控翩系统中，模糙控制器性能在缎大程 度上取决于模糊箍斜艘则的确定及菇可调整性。模糊控制在永磁同步电动坝调速 篇一章绪论 系统孛鹣应是我键会京菇嚣章节中港壤舟绍，程藏不予赘述。 铂享拳缀霹络控穰 最单的神经网络横测是由心理学家w m c c u l l o c h 和数理逻辑学家w p m s 予 1 9 4 3 年提窿。1 9 8 7 年，在美国强稽了第一届窝黪椁经鼹络会议，攮莛了枣枣经耀 络研究热潮。疆煎主黉研究类鍪i 有辩馈神经礴络、反读释经礴络、弱部遥避神经 网络和模糊神经网络。b p 网络属于前馈神经网络。在电机控制系统中应用较多， 磺究较深入。e 醚a e 弼蝌：；b e l 翦醚。如l 矗r l i 商磷。矬c o 髓l o i 蛐捧缝瓣终薄予爨帮遥 近手孛经弼络，我 j 会程后面章节串详细弁舞。 l 。嵇w m 溪囊蓑寒 随着快速自关断器件和微处理器的发展，以脓宽调制p w m 为基础的畿颟调 速技术已广泛应用于魄气传动中。p w m 技术就摄利用半导体开关器件的姆遇与 美瑟把畿滚遵压变藏躲洚嚣，逶过羧裁驻势宽度籁艨转裂羼翳，方霞逮燕髑羧遗 电压盼储值、相位、频率。p w m 技术己成为现代交流伺服的糕础性技术。p w m 控制技术从最早追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁邂正弦，褥到了不 赣镬薪和突罄。 下黼简器叙述目前使用的几种p w m 技术。 l 曩l s p w 鑫l 正豫脉宽调制s p w m 是阻获得三相对称拦弦电压为目橼，在实际工业搬产 中应用非常普遍。其膘耻是将个难弦半波n 饕分，把每等凳的正泫姆缝 与横转蕊灏嚣获燕一系裂与之蓉获裰等錾等嵩矩澎藤替寒霞嫠，二砉中心线重 合，这样所得的不等激矩形波鄢为留正弦波等效麴印w m 波。实际应靥中，采 用通讯技术中“调制”的概念，将一组三相对称腰弦参考电聪惯号f 调制波) 与等 鹱三蠡渡黩蓬售号载波) 粳露蓑，在交点嚣藜整戮i 嫠筵嚣套攀开关元舞运赣，帮 可得到一飙正弦脉宽调制的s p w m 波。改变正羧调制波频率鼬可调节阱删波 输出基波频率。改变藏弦调制波幅傻( 必缎小于三角羧波幅值) 即可调节s p w m 波 辕妻基滚添篷，簌悉安瓣在嚣一遵瓣建霹霹对输出基波鞭率帮摄篷兹控涮。灌3 熊一章绪论 l 。毛2 滞环寇流控裁p w 醒 滞环晦流控镄楚叛输蹬三稿藏弦电流为琶褥f l 】r 将电瓿定予三稻电流萄兰糕 正弦参考电流相比较，通过控制逆黛器功率开关元件通断，迫使电机电流幅值、 频率按绘定值交纯，扶薅提裹电题滚墨l 递变器酶憩浚穗虚逮壤，褥裂良好控粼性 麓。茬l 予实际毫流波形愚按照给定燕弦渡在一个潞环带两交纯，困诧与电飙负载 无关，w 以有效防止电机过流。滞环趟小，电流跟踪精度越高，但其大小燮劝率 嚣关器律哭关频率黢裁。 滞环电流尹w m 控绷由于其实蕊简单、动鸯嫡应快、可瓤脊效隈裁器襻蜂值 电流，潮此应用较多。但是这种方法有一个明腻的不足就是p w m 频率不憾定， 在滞琢带滤波蚤，这羚籁率浚裁矮褥瞧浚窀滚谐波蠛魏，谐波或分蓬褥鬯爨损耗 增大效率降低，功率函数降低，引起电磁嗓声，并弓 起电机转矩脉动，谴控制 系统转遴不稳，定位不准。 l 。4 0 s v p w 圣区 s v p w m 控制方式怒以形成电帆内部圆形旋转磁链为目标【2 朝。理想三相平德 正弦波鼓蹑供电薄，趣糗蠹韶磁链楚一个标准爨，s ，w 醚委楚酞遣祝煮凄掇发， 通过控制递交器开关，不裴调整改燮电机端电篮，使电视海豁磁链轨迹遥避遂个 标准磁钱谰，从而获 铎良好控制性徽。 忽酶建子电隧疆醛，定子磁链每媾电压关系海； 石= 融 可以瓣出，电压必最顶点轨避裁是磁链鞔逊，因她，标准三括芷弦电援供电 踺磁羲鞔遵赣是一令搽漆嚣。实际系绞孛，采蹙魂搴拜美器辞瓣窭毫匿美爨，薅 到向磁疑轨迹只能近 ! ； 海圆形，电赋矢量切换时阃长短决定电动机旋转磁场矮近 圆形的稷廉，切换时间越小，电压必蜃细分精度越离，越逼近龋形，控制效暴越 姆，翟这溪受嚣逶珐霉嚣羚定诲器美菰率毒l 兹豹。 s v l w m 主要有以下几个特点：灞合数字实现；每次开关切换只涉及剡一个 功率器件，开关损耗小# 逆变器输出电压基波娥大幄僮为壹溅便| 电压，嗽一般 s p w m 逆变输塞窀蓬禽1 5 ，霞戴s 疆w 醚是器耱痤趸予交簸蕊饕酬方法 中最好的一种。 第一章绪论 1 5 本文主要硒究内容 第一牵重点回顾了目前国内外永磁同步电动机控制领域中的各种控制饿略， 提纲挈领的进行了简隳对比分析，弗就电压输出环节所采用的各种p w m 技术进 行了筵娶器鼷； 第二章简要介绍了永磁电动机分类，针对奉论文所要研究的永磁同步电动机 ( p m s m ) ，从其结构出发，给出其数学模型。对擞前永磁同步电动机控制系统中 寒蘑熬s 谨w 醚矢豢控裁方法蘧嚣了概要毪滋骥，努辑了冀疆残结掏，淹惹续 章节分析奠定了理论熬础； 第三章提出一种永磁同步电动机控制系统的岗精度混合控制方法，详细分析 了嚣耪羧裂方式瑟叁控变簇谡速方式程缝控变貘瀵逮方式熬切按蘑菇，综合糕溪 了他控方式的转速高精度和自控方式的抗负载扰动性优点，仿真与实验均液明， 该控制方法具有很好的控制性能； 第弱搴砖隶磁弱疹瞧动摄转子拐始鑫墨捻溅阕题扶谚冀灏实验嚣个方覆入 手进行丁研究，给出了一种简单有效的检测方法，为控制系统的正确运行撼供了 保证； 第五警滔透了爨麓承磁嚣步篷麓瓿调速系统中菠使霉戆餐栽控翻方法，童要 分析了模糊控制和c m a c 神经网络控制与传统p d 控制器的结合，仿真结果表 明，这种基于智能控制方法的复含p d 控制策略比单一p d 控制器有更好的动、 静态将慈。 第六章主要介绍实验室设计完成的永磁同步电动机控制系统的硬件组成及 软件结掏，软件采用汇编语言与c 语言涅合编稷，对d s p 环壤下的混合编程方 法骰密了诞饔与慧绥，隽今嚣复杂菠零l 策珞实掇滋及获释扩袋褥供了一令鼹好豹 平台。 簿一章绪论 本章参考文献 【l 】许大中，贺益藤，电机控制( 第二舨) ，杭州，浙江大学出版社，2 0 0 2 年； 2 】李恚照，张遇杰，同步电动机调速系统，北糸，机械工业出版社，1 9 9 6 年； 馥诤大中，交滚窀辍谖速理谂，狡髑，溪汪大学蹬叛毒主，1 9 9 1 年； 问z h a ox i a ：o t a n ，“y 箍o h u a ，w 孤gc h e n g s h e n g ，l ic h o n 萄i a n ，a n a l y s i so f al a 增e p o 、粕rp m s mu s 溉d i f r e r e n tc o n 扛d lm e t h o d s ，e l e c t r i c a lm a c l l i n e sa n d s y s 撼黼，饕鳟， c 翳鼹2 5 ，擎# o o d 濂萨。f t l 掩e i 垂盎强妫蹴i o 珏蠡e g a 蠡徽嚣e o n ，8 印2 0 0 5 ，l l l m e ：】，p a g o s ：4 1 6 - 4 2 1 ； 【5 】翁力，电梯用永磁同步电机变频器的设计，浙江大学硕士学位论文，2 0 0 3 年 3 嚣： 1 6 】李长瓤，陈明俊，是小役，基予d s p 韵永磁间步电动机控制系统的研究，电 气传动，2 0 0 5 年第4 期； 臻e 量矗毪g 暴蘸p 强，s 黼s 艇，a 赫e 颦蹦妇l 姻l 女嘲心争材a 糯p 辩e 漩晒l 蠡琵 i p m s md r i v e so v e r 觚l - s p e e d 惴堪弦，e n e 嘲rc o n v e r s i o n m e et h n s a c t i o n 8o h ， j u n ，2 0 0 5 ，v o l 础o ：2 0 ，i s 呲：2 ，p a g e s ：3 5 9 - 3 6 6 ； 瓣j ，s q 致艇，m ，p 攫黜盎蠢，醚箍p 醢v e 酶融溅酶嬲e 脯鼢l 蠹蕊蠡姆钕 m e r i o rt y p e 州s ml l s i n gm a x i 苴n u m t o r q u ep e ra m p e 糟s t m t e g y ，p o w e r e l e 曲n i c sa n dd r i v e ss y s 主e m s ，2 0 0 5 ，p e d s2 0 0 s ，五眦e m a t i o n a lc o n f c r e n c eo n ， 酸2 5 ，碱狂m e ： ，p a g e s ：5 9 函酷l ； 【9 】k o u 招a o q u a n ，l ic h 邺mc n gs h u k a n g ，an e w f 1 u x 龇a k e n i n gm e 蜘d o f p e 煳嗽滩mm a 辨融姆翟h o 瑚璐m a c h 证，e l e 相 c a 圭m 戤h i n e sa 珏ds 蹦勰琏 涎羚e 麓s2 5 。p 删n 黟o f 露辖e 垂彘h 鹱键删e o 糕叠嘲躲e 潍，s e p 。 2 0 0 5 ，v o h 畦l ，p 8 9 嚣：5 0 乳s o 孔 l 】o 】智犬海，永磁尉步瞧极的转矩岚按控制，浙淡大学硕士学谯论史，型b 噱雄3 男； 【1 1 】孙丹，商性篚永磁闷步电机直接转矩控制，浙江大学硕士学位论文，2 0 0 4 年 3 月： f 1 2 】谗嫒媾，绘荚蓄，灞茳擎，诲遂平，采疆爨步瞧程壹搂转糕整懿孛定予磁链 的分析，电气传动，2 0 0 5 年第l 期； 第一章绪论 【1 3 】d 徽s u 珏，y i k a n g ，j g 及# ，s e n s o r l e s s 文f e c t 钕q u cc o 赡o lf o r 黟撇a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rb a s e do nf 泣珂重o g 沁，p o w e re l e c 拉o n 沁sa n dm b t i o n c o n 黯o lc o 心r e n c e ，2 0 0 4 皿e m c ，2 0 0 4 t h 。4 t hh 她m a t i o n a l ，a u g 2 0 0 4 ， v o l 懈e ：3 ，p a g e s ：1 2 8 昏1 2 9 l ； 【1 4 】j u nl i u ，p u s h e n g1 q l 砸，h u a 妖l 转a i ，x i p i n gh u a n g ，a p p l i e a t i o no f 翕1 z 掣c o n 赶l i nd i r e c tt o r q l l ec o r 衄o lo fp e 黼a 懈l tm a g n e ts y n c h m n o u sm o t o r ，i n t e l l i g e n t c o n 程d la n da 落a m 舔o n ，2 4 ，w c i c a2 4 f i f 魄婚砖dc o 丑瞎工e s so 赶，如m 2 0 0 4 tv o h 瑚e ：5 ， 岭：4 5 7 3 0 5 7 6 ： 1 5 】b i m a lk b o s e 。m o d 锄p o w e re l e c 仃o n i c s 糊da cd r i v e s ，j b 京，机械z 业出 舨鼓，2 3 年； 【1 6 】梁稳，李永东，兹传感器永磁同步电机矢鬃控制系统概述，电气传动，2 0 0 3 年笫4 期； 【1 7 】王事蔻，滢搂交缝擒控制，j 0 索，枫攘工蛙鼹皈社，2 1 年； 【1 8 1 l 融浪u y o u ，z h e n y u m a ，a o m 衄g 魄，h a 0 2 扯幽喀，s l i d i n gm o d ec l f o rp e r m a n e n t m a g 玎僦s y n c h f o n o u sm o t o rb a do nad o u b l ec l o s e 小l o o p d e e o 弹强gm e 蛙则，m a h i 辩毛e 搬醢n ga 醴c 如e m e 蛀e s ，掬锶。p r o 蹴文黼so f 2 0 0 5b 把m a t i o 触lc o 心地n c e0 n ，a u 晷2 5 ，v o l 蹦e ：2 ，p a g e s ：t 2 9 l 1 2 9 6 ； 1 明k j 。z e m i k ，e u r l e p ，s p ds e 触o d e s ss h d m 辨m o d et o r q u ec o 曲_ o lo f p h 髂m ， l n & s 矮a le l e c 拍撼e ss i e 移，2 4 1 e e 2 0 秘，3 雠la 勰诚e 融铺枯。f i e e e ，n o v 2 0 0 4 ，v o l 船e ：l ，p a g e s ：9 9 3 - 9 9 8 ； 【2 0 】骆辫飞，滑模变结构理论及其敬交流伺服系统中的应用研究，浙江大学博士 学袋论文，2 3 牮7 嚣； 【2 l 】张熬宾，s p w m 变频调速童懿技术，托京，机械工业出版社，强0 2 年； 2 2 】陈伯时，陈敏逊，交流调速系统，北京，机城工业传版社，0 0 年： b 一 第二章p m s m 数学模型及笑羹控制 第二章p m s m 数学模型及矢量控制 2 。l 交流永磁电动机分类 敬慕磁毒搴亵磁磁场在定子绕缀中感应壅戆电劝势波形采嚣分，交流泰磁蘸餮 机主要分为两类，一类是相感应电动势波形为梯形波的无刷赢流电动机e b m s h j e s sd cm o t o r ，简称b l d c ) ，一类是相感墩电动势波形为正弦波的三糯永 疆弱步彀磅楹髓韭糊c e l 醚a 瞽娃s y 黼缸。鑫d 罄矗静t o r ，篱稔p 潲淘。为产爱懂定 转矩，掇制系统对b l c d 要输入三相对称方波电流，向p m s m 输入三相对称正 弦电流。 孤转予蘩构受麓随分，交流永磁电动极主簧露凸装式、骰入式稻蠹堙武三蓊 形式，如图2 1 所示。 凸装式嵌入式内埋式 强2 。l 容磁转子臻稳潮 由于永磁材料磁鼯率十分接近窳气，因此对于凸装式结构来说，交、瓶轴电 感基本相等，凸装式交流永磁电动机属于隐极式嫩动机；而嵌入式结构和内埋式 绩麴戆豢辘磁薅磁逶鬣透过嚣令承磁俸，交辘磁遴援蔹逶过气踩窝定、转予铁蕊， 不通过永磁体，所以黎交轴电感大于宣轴电感，属于凸极式墩动机。 本论文研究对象是内埋式三相永磁同步电动机。 2 2 永辙同步电动帆数学损匿 糖确的毫机数学模型是电极控糊理论褥以研究与实现的基础，毽鼗我嬲黄先 绘鑫三稳永磁强步邀动机数学模型。 推导前作如下假设翻d 】【4 】： 第二章p m s m 数学模型及矢纛控制 刚潮妣 固 p 微分冀予，尹= 要# 刚篷鞫l 瞬扣鼢 其中k 徽予绕组自感系数； 矿，永磁体基波励磁磁场链过定予绕组酌擞链； 建转予辘线与定予a 挺绕组辘线夹建戆电气楚度； 咄芝) 1 乏= 一墨毛】 s 谚一1 2 秽) | 魏 够 l 嵫一2 搿列 p m s m 定子绕组电感系数是转予位置角馥的酾数，其电聪方程、磁链方稷都 第二章p m s m 数学模型1 瑟矢鬣控铷 是含有时变系数的微分方程缀，农分橇p m s m 王俸过程时髑鳃撰法求鲜融交系 数方疆缀是毙较羽罐鞠，需要采取数值法求解潮，不便于工效控制应用。阂就采 用p a r k 变换矩阵，将p m s m 数学模型变换到固定在其转子上的两相旋转搬标系 d - 每坐标系中，将上述含时变系数的微分方程缌变换为易于求聪熬常系数微分方 程组，遮对于分橱p m s m 动态过襁和稳态过程都是十分有意义的。 定义永磁体基波磁场方向为d 轴，顺着旋转方向超前d 轴9 0 度方向为q 轴。 捌2 2 永磁同步电动机绕组轴线图 恒榍幔僮p a r k 变换矩阵如下： ，| c o s ( 售) 芝一2 万，3 )c o s ( 毽+ 2 筇，黟 。雪卜哆) 邯色一2 棚) 一s 叫幺恤3 ) l ( 4 ) l l ，2l 2 1 2 裁蠲p a 盘交换矮薅褥至l 黝s 掇在垂唾垒檬系下定子龟鹾方程秀： 阱p 盼嘲刚翟 其中稚、垮定子电嚣矢藿馥辘分鬃； 妇、岛定子电流矢墩d q 轴分量： 妫、定子磁链嫩轴分量； 国。转予瞧惫速度； 磁链方程为： 盼墨删+ 嘲 电感方程为： 圳芝：刻 其中上对定子绕组漏感，仅与漏磁场分布情况及磁路性质有关； 厶耐定子绕组直轴电枢反应电感，与直轴磁导成正比： 三q 定子绕组交轴电枢反应电感，与交轴磁导成正比： 三小岛为d q 轴等效电感，由电感方程可以看出，变换后的电感系数与转子 位置角以无关： 电磁转矩方程： p m s m 转子机械运动方程： j 警一肛一瓦一b 其中t 折算到电机轴上的总负载转矩； ，折算到电机轴上的总转动惯量： b 阻尼系数： 由上述方程，得到p m s m 动态等效电路如下： l毗书 圈2 3p m s m 动态等效电路图【1 1 选择直、交轴电流作为状态变量，状态方程可以表示如下： 转矩方程： 乃2 尸( 岛一0 ) 2 脚，+ ( 乙一岛均) 电流方程： 孕：一挚+ 掣+ 丝 d l l dl d ? l d 拿：一孕一骘矗+ 坠：丝竺 曲 k岛厶 ( 1 0 ) ( 1 1 ) ( 1 2 ) 吩 p 批 心 鹏 也扣嘶 一： 0 吣 吧扣毗 王： 乃 第二章p m s m 数学模型及矢量控制 转速方程： 警氇坐幽掣+ 磅 ( 1 3 ) d t “p j j 。p j 、。 2 3 永磁同步电动机矢量控制 永磁同步电动机控制系统中应用较多的控制方法是i f 0 的s v p w m 矢量控制 策略。其结构框图如图2 4 所示【6 】。 图2 4s v p w m 矢量控制结构框图 我们在上一章中分析过，在忽略定子电阻的情况下，电压矢量顶点轨迹就是 磁链轨迹，s ，w m 通过控制三相逆变器开关，不断调整输出电压矢量，使电机 内部磁链轨迹逼近标准磁链圆，从而获得良好控制性能。能够提供的电压矢量越 多，越密集，磁链跟踪特性越好，磁链轨迹越接近圆。通常使用的三相逆变器结 构简图如图2 5 所示。在避免同一桥臂上下功率开关直通的前提下，该三相逆变 器可以输出的电压矢量状态有8 种，如图上6 所示。其中v 7 和v o 电压矢量是零 矢量，对应三相逆变器为无输出状态。 v lc 】 图2 5 三相s v p w m 逆变器图2 _ 6s v p w m 矢量图 u ( m ) - s 第二章p m s m 数学模型及矢量控制 为了使磁链矢量轨迹更加接近圆形，可以采用上述8 个电压矢量构造更多的 电压矢量。按照图2 6 所划分6 个扇区，落在任一扇区内的电压矢量总可以用构 成该扇区的两个非零电压矢量按下式等效构成【7 l ： r 。= + u + f ，+ u ( 1 4 ) 其中乩。：逆变器需要输出的电压矢量； q 、u ，：构成所在扇区的两相邻电压矢量； r ：输出电压矢量u 。的平均作用时间，对应着功率开关器件开关频率； f ：、f 。：在一次开关周期内，电压矢量u ，、u 。作用时闻： 按上式算出f ，、，后，在一个开关周期内剩余时间出= r f ，一f ，选择零矢量输 出，零矢量的加入可以起到调节p w m 输出基波频率的作用嘲。图2 6 中含有两 个零矢量，根据矢量切换过程中开关状态变化最小原则选择相应零电压矢量。为 了使输出电压波形对称，可以将各电压矢量作用时间等分成两部分，这样三相逆 变器每个功率开关器件都开关一次。电压矢量作用时间、，。需要在每个中断周 期内重新计算赋值，在每个扇区内计算公式固定，因此，只要知道了电压矢量所 在扇区就可以根据该扇区标号按公式计算f r 、f ，。下面分析如何得到电压矢量所 在扇区编号。 b ， ，、 n ，。j ，、 ，、 图2 7 扇区计算图 观察图2 7 ，我们选择三条扇区分界线i 。a 疰乩按图示正方向将两相