（电机与电器专业论文）永磁电机的速度控制.pdf

浙江大学硕士学位论文 永磁电机的速度控制 a b s t r a c t f i r s t l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e sa n da n a l y z e st h ee v o l u t i o n , t h ep r e s e n t ，a n dt h e p r o s p e c t i v eo fb o t hs a v os y s t e m sa n da cs e r v os y s t e m s e c o n d l y , i tm a k e sa i n t r o d u c t i o no nt h es t r u c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g i e so fp m s ms p e e dc o n t r o ls y s t e m , a n dap m s m s p e e dc o n t r o lm e t h o db a s eo ns p w m i sg i v e n ；as e to f p r a c t i c a lp m s m s p e e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s pc o n t r o l l e ri sd e v e l o p e d ，a n df i n i s h e dt h es o f t w a r e s y s t e md e s i g n f i n a l l y , e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eo nt h i sp r a c t i c a ls y s t e m a n d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f t h e s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s o m ec o n c l u s i o n sd r a w nf r o m t h i sp a p e rh a v eb e e np r o v e d k e y w o r d s ： p m s ma cs e r v od s ps p w m s p e e dc l o s e dl o o p 浙扛大学硕士学位论文永磁电机的速度控制 第一章绪论 本章介绍了交流伺服系统的基本定义，总结了交流伺服系统发展过程，研究 现状，和最新研究动向。 1 1 交流伺服系统的定义 在自动控制系统中，如果要求系统的机械动态响应快速和精确跟踪，比 如位置、速度、加速度、力或力矩等机械量，那么通常是以这些机械量作为被控 制量，系统的输出能够快速而精确地响应外部的输入指令信号，这样系统被称为 伺服系统。 l - 2 交流伺服系统的发展及现状口 1 2 1 交流伺服系统的发展过程 伺服系统广泛用于工业生产的各个领域中，它的执行机构可以用气动、液 压和电气三种方式。目前研究的主要方向是电气式伺服系统。这是因为电气式伺 服系统的频率响应范围大，输出控制灵活，成本低，且对于不同的伺服系统可以 选择不同类型的伺服电机。 在电气伺服系统中，根据所驱动的电机类型可分为直流( d c ) 伺服系统和交流 ( a c ) 伺服系统。5 0 年代，无利电机和直流电机实现了产品化，7 0 年代直流伺服 电动机已经实用化了，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。 在7 0 年代末期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和 电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服系统，也就 是交流伺服电机和交流伺服控制系统已经开始实用化。交流伺服驱动技术已成为 工业领域实现自动化的基础技术之一。 综上所述，到目前为止，电气伺服系统经历了三个主要发展阶段： 伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已 浙江大学硕士学位论文永磁电机的速度控制 有5 0 多年的发展历史，经历了3 个主要发展阶段： 第一个发展阶段( 2 0 世纪6 0 年代以前) ，此阶段是以步进电动机驱动的液 压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制 为开环系统。 第二个发展阶段( 2 0 世纪6 0 年代- 7 0 年代) ，这一阶段是直流伺服电机的 诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动 装置采用了直流电动机，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，永磁式直流电动机占据统治地位，其控制电路简单， 无励磁损耗，低速性能好。 第三个发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代至今) 这一阶段是以机电一体化时代作 为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现 了无刷直流伺服电动机( 方波驱动) ，交流伺服电动机( 正弦波驱动) 等各种新型 电动机。 进入2 0 世纪8 0 年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来 越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控 制方向发展，并由硬件伺服转为软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的 一个发展趋势。伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着 软件方式发展：在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机 环路的更深层发展。 l - 2 2 交流永磁同步伺服系统的最新研究动向伫1 伺服驱动系统是由主电路和控制电路两部分组成的，目前主电路的拓扑结构 没有多大变化，伺服驱动系统的发展重点集中在控制电路部分。随着新型电力电 子器件的出现，d s p 技术的发展以及现代控制理论的运用，永磁同步伺服系统 的研究出现了一些新的方向，主要包含以下几个方面。 ( 1 ) 电动机数学模型分析方法的发展 永磁同步电动机是一个多输入、强耦合、非线性系统，为了提高控制精度， 非线性系统状态反馈线性化理论逐步被引入到电动机的控制中来，但由于该方法 2 浙江大学硕士学位论文 永磁电机的速度控制 理论的复杂性，限制了它的推广应用。逆系统方法是分析非线性系统的另一种方 法，其思想是对于给定系统，让对象的模型生成可用反馈方法实现的原系统的“c t 阶积分拟系统”，将控制对象补偿成为具有线性传递关系的并且已经解耦的规范 化系统( 伪线性系统) ，再用线性系统的各种设计理论完成系统的综合。该方法在 理论上形式统一，物理概念清晰直观，容易被人们接受。 ( 2 ) 现代控制理论的引入 交流电动机矢量控制技术的提出，明显改善了它的调速性能。然而，传统的 矢量控制技术过于依赖于电动机的模型和参数，而模型和参数在电动机运行过程 中是变化的，这就使得电动机的矢量控制无法达到理论上的性能指标，满足不了 现代伺服驱动系统的应用要求。现代控制理论的各种技术能够使系统在模型或者 参数变化时保持良好的控制性能。自适应控制技术是指在一定的数学模型确定的 算法下，可以在系统运行情况变更时辨识系统有关参数，修改原系统运行程序， 以改善系统在控制对象和运行条件发生变化时的控制性能。仿真和试验结果表 明，自适应控制技术能够在系统参数发生变化的情况下保持良好的控制性能。但 是，该算法的计算量较大，需要高速数据处理器。滑模变结构控制是调整反馈控 制系统的结构，使它的状态向量通过开关超平面时发生变化，系统的状态向量被 约束在开关面的领域内滑动。系统的动态品质由开关面的参数决定，与系统参数、 扰动无关，具有很好的鲁棒控制性，在永磁同步电动机调速系统有成功的应用。 但是它本质上是一种开关控制，因而在系统中不可避免会带来抖动，因而影响了 它的应用。电动机在运行过程中其参数是变化的，通过自适应观测器、卡尔曼滤 波、龙贝格观测器等辨识技术对系统进行控制，也能提高电动机系统控制的性能 与可靠性。 ( 3 ) 人工智能技术的应用 经典或者现代控制理论基础上的控制策略都依赖于电动机的数学模型，当模 型参数变化时，想获得优良的控制性能是研究人员面临的重要课题。而近年来备 受关注的智能控制，由于它摆脱了对被控对象模型的依赖，成为研究与开发的热 点。随着人工智能技术的发展，智能控制已经成为现代控制的重要分支，智能化 电气传动控制技术也成为目前电气传动的重要发展方向，开辟了电气传动技术新 纪元。人工智能的专家系统，模糊控制，神经网络等在电动机传动系统中的应用 浙江大学硕士学位论文永磁电机的速度控制 与研究已经取得了可喜成果。 ( 4 ) 无速度传感器矢量控制技术 高性能的交流伺服系统都需要实现转速的闭环控制，所需的转速反馈信号来 自和电动机转轴同轴相连的速度传感器。系统不断对电动机速度和转子位置进行 采样测量，以便完成矢量变换，实现对电动机力矩的动态控制。为获得准确可 靠的转速位置信号，速度传感器必须精确安装、妥善维护。高精度速度传感器的 安装，增加了对系统的维护要求，系统对环境的适应能力也交差，同时也使成本 增加，这在可靠性要求高的应用场合( 如军用设备) 会受到限制。因此，不使用 速度传感器而使系统具有良好的控制性能便成为电动机调速领域的重要课题。 无速度传感技术的关键是转速信息的获得，转速估计的耪度直接决定了调速 系统的性能，如何借助于所测量的电动机电压电流信号，准确估计电动机的转速 和位置，成为无速度传感技术的关键。在无速度传感技术中，取得电动机速度的 方法主要有： 1 ) 利用数学模型或者电磁特性构造电动机转子位置的估计方法。 2 1 利用其他辨识和估计方法估计电动机转速。 3 1 利用自适应控制理论，选择合适的参考与可调模型，借助于自适应算法辨识电 动机转速。 4 ) 利用电动机的谐波电势求得转速等。 但是，不论何种方法，在速度较低时，要获得准确的电动机速度、位置都是 很困难的，因此，拓宽低速应用范围是无速度传感技术急待解决的问题。 ( 5 ) 现代逆变器技术的发展 电力电子技术是实现信息流与物质能量流之间联系的重要纽带，逆变器器 件的发展是电力电子技术发展的标志。从以晶闸管为代表的相控器件，到以 o t o t o 为代表的全控型器件，再到以m o s f e t , i g b t 和i p m 为代表的门控器 件，电力电子器件经- k t3 个发展阶段。以p w m 技术为核心的电流控制逆变 器是矢量控制系统的重要组成部分，其性能对整个控制系统影响很大。在矢量控 制系统中广泛使用的p w m 控制技术主要有：a 正弦波对三角波调制的s p w m 控制。b 消除指定谐波的p w m 控制，a 和b 均以输出正弦波电压为控制目标 c 滞环电流控制p w m ，该法以正弦波电流输出为控制目标。d 空间矢量控制 4 浙江大学硕士学位论文永磁电机的速度控制 s v p w m ，该法以被控电动机的算法简单为目标。 同时，提出了各种可以优化p w i v i 控制的电流控制，如：预测电流控制、跟 踪轨迹电流控制等，为更好地实现矢量控制奠定了基础。随着高性能微处理器( 如 d s p ) 的诞生，数字控制的交流永磁同步伺服系统正在向小型化、数字化、智能 化、高性能方向发展，并随着人们对高性能伺服驱动器的需求日益增多，永磁同 步伺服系统也因其自身的优点而得到越来越广泛的应用。 1 3 本文的主要工作 本文对永磁电机的发展及现状作了简单综述，然后对永磁同步交流伺服系 统的结构，控制策略进行了介绍，针对永磁电机的工作原理数学模型，提出了一 种基于s p w m 的永磁电机速度控制方法。本文的主要工作有： 1 。介绍了永磁同步电机的结毒句。 2 介绍了永磁同步电机的控制理论。 3 提出了一种基于s p w m 的永磁电机速度控制方法。 4 。根据提出的控制方法设计了永磁电机速度控制系统的硬件电路和软件。 5 在样机上进行了实验，列出了实验结果同时做出了分析。 浙江大学硕士学位论文永磁电机的速度控制 第二章永磁同步电机交流伺服控制系统的结构 永磁同步电机交流伺服控制系统主要包括：永磁同步电机本体、控制器、位 置传感器、功率驱动器与电力电子变流装置等五个主要部分。 2 1 永磁同步电机本体【1 】【1 4 1 1 7 】 要对永磁同步电机进行有效的控制，首先要对永磁同步电机的结构有所了 解。首先来看看同步电机的特点。 同步电机一般都是采用定子三相绕组而转子通以直流电流来进行励磁。同步 电机的转速n 也就是定子三相电流系统所产生的旋转磁场的转速n 1 ，它与电子 电流频率有严格的比例关系：n - - n l = 6 0 f f p 。 同步电机可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种，其中后者是同步电机的基本 结构，其中旋转磁极式又可分为隐极式同步电机和凸极式同步电机。前者的气隙 是均匀的，而后者的气隙是不均匀的。 三相永磁同步电机与普通电励磁式同步电机有很多相似之处。它们之间的主 要区别在于励磁方式的不同，前者采用高性能的永磁材料提供转子励磁磁场，永 磁体相当于具有恒定电流的直流励磁线圈，后者则采用转子励磁绕组励磁，励磁 电流可以是直流电流，也可以是交流电流。下面分别介绍永磁同步电机的定子和 转子结构。 n n 图2 - 1 面装式永磁结构 永磁同步电机转子结构分为永磁面装式和永磁内置式两种。面装式结构，如 6 浙江大学硕士学位论文永磁电机的速度控制 图2 2 ，利用强力胶将永磁极粘贴在电机转予光滑的表面上，使磁极的n 极与s 极交替均匀排列，磁场对准定子电枢，转子采用导磁材料。因此电机磁路结构简 单，径向等效气隙基本相同，真轴和交轴电感参数基本一致。 内置式结构，如图2 - 2 是在转子铁心表面或者内部开槽，将永磁极放置于槽 内。不同的开槽位置与磁极排列方式将产生不同的气隙磁场。因此又可分为径向 磁化结构、切向磁化结构、轴向磁化结构等多重的内置式结构。这里所说的径向、 切向和轴向便是指产生的气隙磁场相对于转子铁心的方向。不同的磁化结构有不 同的特性优势。 q 图2 - 2 内置式永磁结构 永磁同步电机的电枢绕组采用三相对称分布绕组结构，类似于普通感应电机 与同步电机的电枢绕组。不过，永磁同步电机为了克服永磁极与定子铁心的齿槽 效应，往往采用分数槽绕组，即电机平分到每极每相的定予电枢槽数不是整数而 是分数。有时为了缩短端部绕组的长度，也会采用特殊结构的绕组形式。 2 2 控制器【1 】【1 4 1 控制器是整个永磁同步电机交流伺服控制系统中的核心部分，它负责从系统 开始运行直至结束的过程中，不断接受各种外部给定的控制信号和系统检测、反 馈信号，对其进行不同方式的运算、分析和判断，并据此输出相应的控制信号， 对系统的运行起到关键的决策和指挥作用。 在2 0 世纪8 0 年代之前，电机系统的控制单元都是由模拟电路来实现，控制 信号都是模拟量，这使得控制系统结构复杂，而且控制精度不高。随着集成电路 技术的发展，电机控制系统中逐渐应用了一些数字电路，实现了数模混合控制， 简化了系统结构。从2 0 世纪8 0 年代起，微处理器、单片微机技术得到飞速发展， 7 浙江大学硕士学位论文永磁电机的速度控制 其运行速度加快，运算精度提高，处理能力增强，功能更加丰富，结构更为简单， 可靠性越来越高，已有足够能力完成实时性很强的电机控制要求。8 0 年代中、 后期，已有全数字控制的交流调速系统在工业中应用。到了9 0 年代，微机技术 进一步发展，出现3 2 位的微型计算机和数字信号处理器( d s p ) 以及精简指令集计 算机，其强大的计算功能和丰富外设已使微机全数字控制的交流调速系统性能和 精度优于模拟控制，功能更完善，具有很强的通讯联网功能，使电机传动系统成 为工厂自动化系统中的一级执行机构。 在以微机作为控制器的电机系统中，控制单元输入信号一般包括用于频率和 速度设定的运行指令，用于闭环控制和过流、过压保护的电机系统电流、电压反 馈量，位置检测单元反馈的电机转子位置、速度信号，用于缺相或瞬时停电保护 的交流电源电压采样信号等。由该单元输出的信号主要有：变流装置功率半导体 元件的触发信号，用于控制输出电压、电流的频率、幅值和相位的信号，电机系 统的运行和故障状态指示信号，以及上位机或系统的通讯信号等等。 电机系统采用微机作为控制器具有以下优越性：容易获得高精度的稳态调 整性能只需适当增加字长便可方便的获得高精度的稳态调速特性，而且数字 控制避免了模拟电子器件易受温度、电压、时间等因素影响的固有缺陷，使控制 系统有稳定的控制性能；可获得优化的控制质量微机具有的极强数值运算能 力、丰富逻辑判断功能可以实现复杂的控制策略，从而优化控制质量；能方便灵 活的实现多种控制策略微机控制功能的可编程实现使其在改变控制规律时 避免了对硬件结构的改动需求，只需改变软件的编带, j a o 可方便、灵活的实现多种 控制策略，从而使得控制系统具有更强的通用性，功能易于扩展和修改；提高系 统工作的可靠性微机数字控制用软件替代硬件功能，减少了系统元器件的数 目，简化了系统的硬件结构，因此提高了系统工作的可靠性。 当然，由于数字控制一般是由一个c p u 来实现的，具有串行工作的特点， 相比模拟控制中的多个模拟器件并行工作方式，数字控制的确存在一个运算速度 的问题，这需要通过选用更高速的微机或多微机并行处理来解决。 2 3 位置传感器 o 】 位置传感器在电机运行的过程中实时检测转子位置，并将其转化为一定形 8 浙江大学硕士学位论文 永磁电机的速度控制 式的电信号传达至控制器，通过控制器的分析计算便可获得转子位置和速度的实 时反馈信号。 位置传感器的性能直接影响到控制系统的性能。由于微机技术的迅速发展 和广泛深入的应用，现代交流同步控制系统已从模拟控制转向数字控制，从一般 精度要求转向高精度要求。与之适应，位置传感器也就越来越向着数字化，高分 辨率，高抗干扰的方向发展。 位置传感器的种类很多，常用的有霍尔元件、磁编码器、光电编码盘等。 它们各有特点。其中光电编码盘因具有精度高、回应快、抗干扰能力强、性能稳 定可靠等显著的优点而常常用于对角位移和线位移测量精度要求很高的电机伺 服系统中。 但是在某些无位置检测控制系统中不存在位置传感器，这是由于安装位置传 感器往往会增大电机体积、增加电机成本；传感器的输出信号一般都是弱电信号， 易引入干扰：高温、低温、污浊空气等工作环境及振动、高速运行等工作条件， 将会降低传感器的可靠性；当电机需要密封运行时，传感器的连接线也将是不利 因素等。但这不代表此类系统中没有位置检测信号发生，不过是用其他位置信号 检测措施代替了位置传感元件。位置检测始终是交流调速系统实现闭环控制不可 缺少的环节。因此无位置传感器的控制也成为了当今电机控制的一个重要发展方 向。 2 4 电力电子换流装置与功率驱动器嘲 ， 永磁同步电动机供电方式通常有正弦波对称交流电源和逆变器两种。相应的 输电方式有直接交流、间接交流与整流为直流输电三科。直接交流输电最为简单， 但是要求电机电压和频率稳定性好，同时这种方式下工作的电机可控性不强。间 接交流输电主要有整流后经过斩波与逆变输电，还有交交变频及矩阵变换器变频 输电，这种输电法频率可调，电压根据需要可调，但电压稳定性受到发电机输出 电压的限制。直流输电采用整流与斩波相结合的稳压过程，受发电机断电压的变 化影响不大。 在永磁同步电机交流伺服控制系统中，最常用的供电方式是稳定的直流输 电，因此需要通过逆变电路将其转化为交替变换的三相电流以驱动电机旋转。前 9 浙江大学硕士学位论文永磁电机的速度控制 文所述的电力电子换流装置，通常情况下即是由功率半导体元件组成的、可将直 流电转变为交流电的有源逆变电路。 控制器按一定规律的输出信号触发逆变电路中的不同半导体元件，改变相电 流、电压的幅值和频率等参量，从而改变电机的运行状态，达到控制的目的。但 是出于对控制器的保护，控制单元的输入、输出信号往往都是电压很低的弱电信 号，而逆变电路中的半导体元件通常需要更大功率的信号来触发。这时便需要一 个功率驱动器。它能在不改变原有逻辑规律的基础上，将控制器输出的信号放大， 使其达到足以触发半导体元件的程度。 1 0 浙江大学硬士学位论文 永磁电机的速度控制 第三章永磁同步电机的控制策略 在介绍永磁同步电机的控制策略之前，有必要先引入坐标变换的概念，因为 很多控制方法，如矢量控制，都是以坐标变换作为理论基础的。同时，还需要对 永磁同步电机的数学模型进行分析，只有在了解数学模型的基础上我们才能对永 磁同步电机的控制方法有更深刻的认识。因此，在这一章中首先介绍了交流电机 的坐标变换理论，分析了永磁同步电机的数学模型，最后列举了永磁同步电机的 控制策略。 3 1 交流电动机的坐标变换跚 3 1 1 坐标系统 在感应电机的分析过程中，曾经引入过空间坐标系统的概念，主要有定子静 止坐标系统，转子坐标系统，空问任意旋转坐标系统和磁场定向坐标系统等。 定子静止坐标系统由于坐标系统相对定子静止而得名。这样的坐标系统种类 很多，典型的有定子静止三相a b c 坐标系统以及定子静止两相ab0 坐标系统。 转子静止坐标系统由于坐标系统相对转子静止而得名。所以与绕线式感应电 机转子静止坐标系统的定子一样，典型的有转子静止三相a b c 坐标系统和转子 静止两相c tb0 坐标系统。 旋转磁极式同步电机转子虽然可能有多种绕组，如励磁绕组，等效直轴阻尼 绕组和交轴阻尼绕组等。但是转子坐标系统却建立在d q 0 坐标系统中，就是将同 步电机励磁磁极产生磁场的n 极中心轴线作为直轴或者d 轴，而超前9 0 0 点角度 的位置定义为交轴或q 轴，这是因为同步电机电气参数与转子位置角有密切的关 系，为了简化数学模型需要对转子位置角解耦，坐标系统必须建立在转子d q o 坐标系统中。 浙江大学硕士学位论文 永磁电机的速度控制 3 1 2 定子坐标变换矩阵 定子静止三相a b c 到定子静止两相d 口0 的坐标变换为： 阶 ；| 其中c l a r k e 变换矩阵为： ， 2 c l a ，“2 ： j 1 1 ， 、囊 u 2 11 22 式3 - 1 的逆变换形式为 圈 = t c k ，b 目 其中：c l a r k e 逆变换矩阵为： t - 1 c l o m e = oo 一1也 22 1一瓜 22 一l 2 一囊 2 1 2 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 浙扛大学硕士掌位论文永磁电机的速度控制 3 1 3 角位解耦变换矩阵( d q 变换) 肛圈 ， 1 001 l 石 引 = t - i p a r k引 jc o s0一s i n0 0l 砥- - i t2 卜。c o s 。o l l 00 1 i ( 3 7 ) ( 3 8 ) 浙江大学硕士学位论文 永磁电机的速度控制 有了以上的坐标变换理论，我们就可以在下面的永磁同步电机数学模型分析中将 定子电压方程从定子静止三相a b c 坐标系统转换到转子坐标系统，实现了转子 位置角的解耦。 3 2 永磁同步电机的数学模型8 】 3 2 1 永磁同步电机在相坐标系统中的方程式 在定子静止三相坐标系统下，永磁同步电 机的电压方程式为； b 轴象限 a c 轴聋 ( 3 - 9 ) 图3 - 1 两极永磁同步电机结构图 其中：呶、u b 、“。分别为三相绕组相电压；咫为每相绕组电阻；、毛、毛为 三相绕组相电流；甲 、甲b 、v c 为三相绕组匝链的磁链。 磁链方程式为： 、王，a = 二m f a + m a b 名+ 么c f c + 、王，队i 、壬，b2 毛a + 己b b 奄+ 毛c 七十甲毋 ( 3 - 1 0 ) 、王，c = a f a + 如b f b + 上c f c + 、壬，l cj v 执2v f c o si 并且： 、壬，毋2 、壬r fc o s ( e 一2 x 3 ) ( 3 1 1 ) v l c = v fc o s ( 0 + 2 ，r 3 ) j 其中：k 、k 为每相绕组自感；= 、= 蚝、= 蚝 1 4 a j ： 叭 吼 d一出d一出d一出 + + + k b 电 艮 风 展 = 一一 = 纵 如 比 浙江大学硕士学位论文 永磁电机的速度控制 为两相绕组互感；掣。、壬，m 、甲。则为三相绕组匝链的转子每极永磁磁链；甲， 为定子电枢绕组最大可能匝链的转子每极永磁磁链。 上述绕组电感参数又可进一步表示为： k = 乙+ 厶+ 岛c o s 2 8l 上b b = 0 + 厶+ 岛c o s 2 ( b 一2 z r 3 ) ( 3 - 1 2 ) 三c c = t + l 0 + 岛c o s 2 ( 0 + 2 l r 3 ) j t 圆= 磊i a = 0 + z o c o s ( 2 n 3 ) + 厶c o s ( 2 0 2 万3 ) 1 = = 心+ l o c o s ( 2 j r 3 ) + l 2 c o s 2 0 ( 3 1 3 ) 蚝= = 鸠+ 厶c o s ( 2 ，r 3 ) + 厶c o s ( 2 0 + 2 z r 3 ) j 其中：0 为一相绕组的自漏电感；厶为一项绕组主电路自感的平均值，厶为其 二次谐波幅值： t 为两相绕组之间的互漏感。 3 2 2 永磁同步电机在幽。坐标系统中的方程式 对于永磁同步电机的数学模型来 。相 讲，将定子静止三耜坐标系统变换到转 。舶、 子旋转面0 坐标系统，就可以实现角位 解耦。如图3 2 所示这个变换过程分为 两步，首先是将静止三相坐标系统交换 为静止两相正交筇0 坐标系统的c l a r k e 埔， 变换，然后是将定子静止两相d 猡0 坐标系图3 2 坐标系统变换示意图 统变换为转子旋转豳0 坐标系统的角位解耦变换。又称为p a r k 变换。 摺绕垭 d 辅 变换后可得永磁同步电机在转子砌0 坐标系统中的电压与磁链方程为： 浙江大学硕士学位论文 m 叶尽 其中： 厶o = l + 2 虬 永磁电机能速度控制 ( 3 - 1 4 ) f 3 - 1 5 ) ( 3 1 6 ) 当三相永磁同步电机定子绕组采用星型连接时，三相定子电流在电枢绕组中 性点满足基尔霍夫定律，定子电流、电压的零轴分量为0 ，因此定子电压和磁链 方程可简化为： 3 2 3 电磁功率与电磁转矩 在由o 坐标系统下，永磁同步电机的电磁功率可表示为： = 三印( 甲。一_ 。) ( 3 - 1 9 ) 将( 3 18 ) 带x ( 3 - 1 9 ) n - - f 得 1j 0 l o p，。l f 掣 缈 + 1，_1 0_。b ，。，。l ， o o o 厶0 oo 乞o ，。l 缈+ 1j 00b ，。l d 一出 ， 0 0 k o 岛o k o o ，。- + 1j h*b _。，l 1，j 1 o o ，l 甲+ 1j 00b 。l 、；， 0 o k o 0 o 匕o o ，。l | l 1，i d 叮 0 甲甲甲 _。l 、， ) 厶 如 + 一 厶 知，l，l 3 2 3 2 + + 心 以 一 一 易 易 l l i i 厶 厶 1j o 甲 。l 国 + 1j b0 ，。l 、， 岛o o 匕 ，一 缈 + 1，j b 0 。l d 一出 、 o 乞 乞0 ，一 + 1j k0 ，。l i l 1j ，。l 1，j l 0 。l f 甲+ 1j 0lv ，l、，o 乞 匕o ，。一 = 1，j d 叮 甲甲 ，。l 6 浙扛大学硕士学位论文永磁电机的速度控翻 = 三功 甲，+ ( 厶一厶) 弛 ( 3 2 。) 永磁同步电机的电磁转矩可以根据电磁功率与转子机械角速度之比求得。 式( 3 - 2 0 ) 中的曲为电机转子的电角速度，它与机械角速度之比等于电机的极对数 p ，因此电磁转矩可表示为： = 主p 甲，+ ( 厶一厶) ( 3 2 1 ) 3 3 永磁同步电机外同步控制策略 夕 同步控制是指永磁同步电动机用独立的变频电源供电，同步电动机的转速 严格地跟随电源频率而变化，也称之为他控式变频调速。外同步运行常为开环控 制，多用在小容量多电机拖动系统中，这种场合要求多台电动机严格同步运行。 多台永磁同步电动机并联在公共的变频器上，统一的转速给定信号同时调节各电 动机的转速，这种系统虽然解决了启动问题，但转子振荡和失步闯题并未能很好 地解决，一旦其中一台电动机出现失步，将影响其他电动机正常工作。因此这 种调速方法用途有限。 3 4 永磁同步电机自同步控制策略 3 4 1 永磁同步电动机自控式变频调速： 自控式变频调速，又称无刷直流型调速，整个系统主要由电动机本体，位置 检测环节以及驱动器三大部分组成。其中位置检测环节通常是由位置检测元件或 者无位置检测技术完成，用以反馈电视转子的旋转位置亦即转子磁场的位置，同 时反馈转子的旋转速度，从而构成闭环控制系统。控制电路根据检测到的位置信 号来触发主电路的开关元件，使定子绕组产生的旋转磁势与转子磁场的夹角保持 浙江大学硕士学位论文 永磁电机的速度控制 为9 0 。，从而保证最大的输出转矩。 给 图3 - 3 永磁同步电动杌自控式变频谓速系统框图 从原理上来说，这种方法类似于直流电机改变电枢电压的调速控制方法，但 是又与直流电机稍有差别。自控式变频调速的永磁电机换向电势比直流电机的换 向电势要大很多。直流电机采用机械换向器进行换向。且每次换向只有1 个换向 片上的绕组电流换向。如果每个槽对应于1 个换向片，则每次参与换流的只是1 个槽的绕组。而对于永磁电机来说，每次换向时，参与换流的是一相绕组，显而 易见，将1 台电机做成很多槽数比较容易，但是要将1 台电机做成很多相数并不 那么容易。 自控式变频调速控制可以分为电流源型和电压源型两种策略。两种不同的情 况下对电机设计提出的要求也不完全一样。 3 4 2 永磁同步电动机矢量控制1 3 1 矢量控制最早是在1 9 7 1 年由b l a s h k e 等人针对异步电动机提出的，其基本 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。矢量控制的最终目的是改善 电机的转矩控制性能，而最终实施还是需落实到对定子电流的控制上。矢量控制 通过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，又需要控制电流的相 1 8 浙江大学碗士学位论文 永磁电机的速度控制 位。在永磁同步电动机矢量控制系统中，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。 在这种控制策略下，永磁无刷伺服电动机激磁磁场每相绕组的反电势和输入 电流波形为正弦波，同一般交流同步电动机的概念相同。一般的三相交流同步电 动机外部供以三相正弦波交流电源，电动机的工作频率是由外部电源给定的，因 而转速是恒定不变的，且起动困难。但是，正弦波驱动的永磁交流电动机则完全 不同，首先它的反电势和相电流频率由转子转速决定，正弦波相电流是由电路强 制产生的。通过矢量控制使电机运行在最佳状态。这是通过转子位置传感器检测 出转子相对定子的绝对位置，由伺服驱动器来实现的。 一般说来，电机控制策略是通过综合考虑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因素来 确定的。在永磁同步电动机矢量控制中，常用的控制模式有直轴电流= 0 模式、 功率因数c o s 妒= l 模式、转矩线性模式和恒磁通模式。其中= 0 模式应用得最多， 其突出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。 图3 - 4 永磁同步电动机矢量控制系统框图 1 9 浙江大学硕士学位论文 永磁电机的速度控制 3 4 3 永磁同步电动机直接转矩控制2 7 】 无论是交流传动还是直流传动，电机瞬态还是稳态，传动系统的根本问题是 转矩的控制。直接转矩控制作为一种新型的交流电机控制方式，由日本的 t a k a h a s h i 和德国的d e n p e n b r o c k 于2 0 世纪8 0 年代中期提出。其基本思想是 通过控制定子磁链来实现转矩的直接控制，既省去了复杂的空间坐标变换和电 机模型，并且受电机参数影响的程度相对矢量控制来说也较小。 直接转矩控制具有优秀的动态性能及对电机参数变化较强的鲁棒性。自从 1 9 9 5 年瑞士a b b 公司第一台采用直接转矩控制方案的异步电动机高档变频器问 世，直接转矩控制便被视为是新一代传动系统最优秀的控制方式之一。然而，由 于同步电动机和异步电动机运行机理有本质的不同，尽管这种控制策略在异步电 动机上获得了成功，其在同步电动机中的应用却一直没有公开文献出版。 3 5 永磁同步电动机的弱磁控制【2 7 1 永磁同步电机的弱磁控制思想类似于他励直流电动机的调磁控制，在电枢电 压额定的条件下，永磁同步电机在转子看来励磁磁场被定子电枢反应磁场削弱的 同时，定子电枢反应磁场的空间转速相对于电枢绕组在不断提高。因为当电压达 到极限值时，为了能使电机能以更高的转速运行，必须维持电机内部的反电动势 等于额定状态时的大小，而反电动势与转速和气隙磁通的乘积成正比，因此必须 使转速与气隙磁通的乘积保持不变，也就是要使气隙磁通随转速增大而减小，即 所谓的弱磁控制。 永磁同步电动机的转子磁场由永磁体产生，因此不可能直接被减弱。其弱磁 控制是利用直轴电枢反应使电机气隙磁场减弱，从而达到等效于减弱磁场的效 果。 永磁同步电动机弱磁困难的根本原因在于磁路结构的特殊性。尽管永磁同步 电动机有多种转子结构，但无论是并联永磁磁路转子还是串联永磁磁路转子，永 磁体总是串联在直流磁路中，并占去交轴磁路的部分空间。因此，交直轴磁路的 等效气隙都很大，交直轴同步电抗较普通同步电动机小很多。由此引起的后果将 是：建立同样大小的电枢反应气隙磁场，永磁同步电动机需要比普通同步电动机 浙江大学硕士学位论文永磁电机的速度控制 大得多的电负荷，即在正常的电负荷下，永磁同步电动机的交直轴电枢反应相对 于普通同步电动机微乎其微。如果永磁体提供正常的励磁磁场，则额定电流产生 的直轴电枢反应磁通只能削弱磁通的极小部分。 而提高永磁同步电机的弱磁能力，主要通过改善电机结构设计和改迸控制方 法这两种途径。弱磁控制可以实现永磁同步电动机在低速时能输出恒定转矩，高 速时能输出恒定功率，有较宽的调速范围。较强的弱磁性能能够在逆交器容量不 变的情况下提高系统性能；或者说在保持系统性能不变的前提下降低电机的最大 功率，从而降低逆变器的容量。因此对永磁同步电动机进行弱磁控制并且拓宽弱 磁范围有着十分重要的意义。 2 l 浙江大学碗士学位论文 永磁电机的速度控制 第四章基于s p w m 永磁同步电机的速度控制 本章提出了一种基于s p w m 永磁同步电机的速度控制方法，在介绍这种控 制方法前先给出了电压正弦脉宽调制( s p w m ) 的一些基本概念。 4 1 电压正弦脉宽调制( s p w m ) 对交流电动机的调速控制主要是通过调频和调压来实现，怎样才能实现变频 的同时也变压昵? 我们想到了脉宽调制p w m 。但是组等宽的矩形波不能代替 正弦波，因为它存在许多高次谐波的成分。 一种方法是将等宽的脉冲变成脉宽变化的脉冲波，其宽度变化规律应符合正 弦的变化规律，我们把这种波成为正弦脉宽调制波，如图4 1 ，简称s p w m 波。 s p w m 波大大地减小了谐波成分，可以得到基本让人满意的驱动效果。 图4 - 1s p w m 波形 产生正弦脉宽调制波s p w m 的原理是：用一组等腰三角形与一个正弦波进 行比较，其相交的时刻来作为开关管“开”和“关”的时刻。如图4 i 所示。这 图4 - 2s p w m 波的生成 组等腰三角形成为载波：而正弦波称为调制 波，改变正弦波的频率就可以改变输出电源 的频率，从而改变电动机的转速，改变正弦 波的幅值，可以改变正弦波与载波的交点， 使输出脉冲的宽度发生变化，从而改变输出 电压。 浙江大学硬士学位论文 永磁电机的速度控钼 对三相逆变开关生成s p w m 波的控制可以有两种方法：一种是单极性控制， 一种是双极性控制，本文采用的是双极性控制。 在双极性控制中，在全部周期内，同_ 二桥臂的上下两只逆变开关交替开通与 关断，形成互补工作方式。如图4 3 所示。 o ；i5 “l 。! ； l ：1 二- ， ! ! ：i ! ：! ： p p：l 1 ：= ：i ：；厂1 ：一：厂 广1 ：f ：广 一；i ；：! ； - i ：= ：i = r r ?t ：= 图4 3s p w m 波形 通过s p w m 调制后的三相电压空间矢量，将根据调制波形的采样频率而在 一个电周期内以相等的差角跳变，从而产生一个跳变的旋转磁场。 s p w m 波的产生方法可以由模拟电路实现，也可由数字电路实现。 本文采用由微机预先储存的计算好的s p w m 数据表格，然后根据位置信息 来调用数据。 s p w m 波形具有数字信号的特点，因此在以高性能单片机和数字信号处理 器( d s p ) 的先进数字控制系统中，比起连续交流信号，更具适用性。 4 2 基于s p i 他i 永磁同步电机速度控制的基本原理 对于永磁同步电机来说，转子是永磁体，因此转子磁链空间矢量便是转子的 位置。而对定子磁场矢量的控制，因为空间矢量方向上的一致性，控制电流是最 为直接的方法。但是电流控制涉及到系统对电流闭环硬件与软件上的要求，这将 使系统变得复杂。 因此，本文提出磁场定向s p w m 控制，设想仅借助速度闭环，通过对定子 电压进行s p w m 调节而达到间接控制定子磁场的目的。为了达到更好的控制效 果，我们有必要来讨论下电压矢量，电流矢量与电磁转矩之间的关系。 在由0 坐标系统下，定子电流空间合成矢量i ，可以表示为直轴与交轴电流分 浙扛大学硬士学位论文永磁g g t 1 , 的速度控镧 i ，= e = 兹+ j 毛( 4 1 ) 其中：，为电流空间矢量的瞬时值大小；，为电流空间矢量在该坐标系统下的相 位角，亦即与直轴的夹角；，分别为电流空间矢量在直轴和交轴的分量。因 此可得如下关系式： = c o s y = i s i n t j q 州。 将( 4 - 2 ) 带入电磁转矩表达式，经整理后得： 乙：吾p 甲f s i n s i n + 三地一厶矿s i n 2 y ( 4 _ 3 )7 二= 吾p 甲厂+ p ( 岛一厶) ，2( 4 3 z ) ，角实质上就是定子三相合成磁势空间矢量与转子空载磁链空间矢量之间 的相位角。因此( 4 3 ) 右式中第一项即表示定子磁场与转子磁场相互作用产生的电 磁转矩，它与两磁场矢量的幅值以及它们之间夹角的正弦值成正比；而式中第二 项则代表因直轴与交轴磁导不同而产生的电磁转矩，这种电磁转矩称为磁阻转 矩，它与转子磁场的大小无关，而与2 ，的正弦值、电枢电流幅值的平方以及宣 轴与交轴电感的差值成正比。 0缀3 。 由此式可以画出永磁无刷电机电磁转矩 乙与，角的关系，如图4 - 4 所示。 在永磁同步电机中，因为永磁磁极安放形 式的不同，磁阻转矩的波形具有不同的形式。 当屯 要时达到峰值，如图曲线3 ；当屯 时，磁阻转矩如图曲线4 ，电磁转矩在 b h ， 眦t o 妇叫献t i f fl = r 潍i怕 2 l 又1 锯 l f l 椰 图4 - 5 基准位置信号与s p w i v i 波 本控制策略中，设控制系统的位置反馈信号可将电机的一个电周期细分为n 等分，即转子的空间位置判断可精确到1 印q 转，p 为电机的极对数。 对三相正弦交流信号一个周期进行n 等分规则采样，可得到三路载波周期 相同，脉冲宽度呈正弦规律变化的$ p w m 波形。这三路信号产生的空间矢量是 一个每电周期n 个状态跳变豹旋转矢量。当系统检测到转子所处的位置，并由 此判断出相应电压空间矢量的相位时，加在三相绕组上的将是该相位对应的不同 浙江大学硕士学位论文永磁电帆的速度控制 占空比的三相s p w m 波形。而每当转子位置变化一格( b 口1 硝转) ，s p w m 的 相序也将同方向变化一格，电压空间矢量也就因此发生跳变。因为s p w m 的采 样相位角的等分点是根据位置信号的刻度决定的，因此不管是相序变化还是空间 位置的运动，电压空间矢量与电机转子都是保持同步的。 除了对电压空间矢量的相位控制以外，如果将s p w m 所有相角度下的占空 比乘上一个统一的系数，还可以对输出的三相电压幅值进行调制，亦即是对电压 空阆矢量或者定予磁场矢量的大小进行调制，结合速度闭环p i 调节，便可实现 所谓的调压调速。 综上所述，本文提出的基于s p w m 控制是一种通过对定子三相电压合成空 闻矢量进行s p w m 调制，确保定子磁势空间矢量与转子位置夹角恒定在最大转 矩电流比的位置上，并同时调整其幅值实现闭环调速的控制方法。它与传统磁 场定向矢量控制不同的地方在于，它不是直接控制定子电流空间矢量，而是通过 调节定子电压来间接实现对定子磁场空间矢量的控制，因此它不需要借助电流闭 环，思路也相对简单。 浙江大学硕士学位论文 永磁电机的速度控制 第五章永磁同步电机速度控制系统的硬件和软件设计 根据上文提出的基于磁场定向的s p w m 永