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武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着微型计算机控制技术、电子电力技术、电机控制理论的迅速发展，永 磁同步电动机因其优良的性能和多样的结构，在工农业生产、日常生活、航空 航天和国防等各个领域中得到广泛应用。因而，对永磁同步电动机调速控制系 统的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文以专用电机控制芯片s t m 3 2 为控制器，其内核为c o r t e x m 3 ，采用矢量控制型的变频调速装置，实现永磁 同步电动机的调速控制。本文主要的研究工作有以下几个方面。 首先查阅国内外相关资料，系统地学习永磁同步电动机相关知识。依据克 拉克和帕克矢量坐标变换规律，得出永磁同步电动机在由旋转坐标系下的数学 模型。设计基于矢量控制技术的永磁同步电机调速系统。深入分析采用= 0 矢 量控制技术和s p w m 调制技术的永磁同步电动机调速系统的工作原理，并且详 细阐述了系统中速度环和电流环的设计。 本文分别介绍了永磁同步电动机矢量控制系统的硬件和软件设计。详细地 介绍了以s t m 3 2 为控制核心的控制电路，主回路由脉宽调制逆变器、永磁同步 电动机、电流检测电路、速度检测电路组成的永磁同步电机调速控制系统的硬 件电路。细致地阐述了文中的软件设计思路，包括系统的主程序、中断控制程 序以及各项子程序的软件设计。 依据永磁同步电动机在砌旋转坐标系下的数学模型，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具下建立了永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型。仿真模型是基于三 角波比较跟踪的电流滞环控制方式，产生p w m 信号控制逆变器。通过对仿真 结果的分析，验证所采用的控制算法的可行性和正确性。 关键字：永磁同步电动机，矢量控制，a r m ，正弦脉冲宽度调制 武汉理工大学硕士学位论文 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 ft h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g y , e l e c t r o n i cp o w e rt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt h e o r y , 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 o t o rh a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d sb e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e a n dav a r i e t yo fs t r u c t u r e sw h i c ha l et h ei n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，d a i l y l i f e ，a e r o s p a c e a n dd e f e n s ea n ds oo n t h u st h e s t u d y f o rp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a l v a l u e i nt h i s p a p e r , p i c k i n g m o t o rc o n t r o la s i ca r mt ob et h e c o n t r o l l e r , w h o s ec o r ei sa r mc o r t e x - m 3 ，u s e sv e c t o rc o n t r o lt y p eo ff r e q u e n c y c o n t r o ld e v i c e st oa c h i e v 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 rs p e e dc o n t r 0 1 t h e r e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e ri si nt h ef o l l o w i n ga r e a s f i r s ta c c e s st ov a r i o u st y p e so fi n f o r m a t i o n ，s y s t e m a t i ca n a l y s i so f 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 b a s e do nc l a r ka n dp a r kt r a n s f o r m a t i o n ，o b t a i nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp 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 ri nt h ed qr o t a t i n g c o o r d i n a t e s p a p e rd e s c r i b e sp 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 rs p e e dc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hu s e st h er o t o rf l u x - o r i e n t e dv e c t o rc o n t r 0 1 d e p t ha n a l y s i so ft h eu s eo f i d = 0 v e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n ds p w mm o d u l a t i o no fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e mw o r k s ，a n dd i s c u s s e st h es p e e da n dc u r r e n t c o n t r o ls t r a t e g y , d e s i g n ss o f e w a r e b a s e dp r o g r a n u n i n gd i g i t a lp ir e g u l a t o r p a p e ri n t r o d u c e 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 o t o rs p e e dc o n t r o l s y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n t h ea r t i c l ed e s c r i b ec o n t r o lc i r c u i tw i t ht h e c o n t r o l l i n gc o r eo fs t m 3 2 ，w h i l ed e s i g ns y s t e ms o f t w a r ec o n t r 0 1 p a p e rc o m p l e t et h e m a i np r o g r a m ，i n t e r r u p tc o n t r o lp r o c e d u r e sa sw e l la s t h ed e s i g no ft h ev a r i o u s s u b r o u t i n e s t h e n ，b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o ri nt h ed qr o t a t i n gc o o r d i n a t e s ，c r e a t eas i m u l a t i o nm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rc o n t r o ls y s t e mi nt h es i m u l a t i o nt o o lm a t l a b s i m u l i n k i nt h i s p a p e r , h y s t e r e s i sc u r r e n tw a yt ot r a c kt h es p w ms i g n a lg e n e r a t e dp w m c o n t r o l i n v e r t e ri ss i m u l a t e d a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eo b t a i n e dt ov e r i f yt h ec o n t r o l a l g o r i t h m su s e di n t h ef e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s s k e yw o r d s ：p 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 , v e c t o rc o n t r o l , a r m ，s p w m 独创性声明 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 及取得的研究成果。尽我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的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。 签名_ 整! 垒曼日期：迦蛐1 j 9 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：考、湃戛 新样：勿p 屉嗍桫卜脚目 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 电机是一种能够进行机电能量转换的机械设备，它有效地将电能转换成机 械能，使得电机可以实现各种运作。因而被广泛地应用于工农业生产、国防工 业及社会生活等各个领域。按照电机类型的不同划分电机控制类型，电机调速 控制可分为直流调速和交流调速两类【l j 。 直流调速即是对直流电动机的调速控制。众所周知，因为直流电动机中产 生转矩的两个要素励磁磁通和电枢电流相互间没有耦合的关系，所以直流电机 可通过控制相应电流从而就可非常容易的实现电机转速的控制和调节。因此直 流电动机调速时易获得良好的静态和动态调速特性【2 】。在变速传动领域中，直 流电动机调速长期以来都是占据着主导地位。然而由于直流电机本身结构机械 换向器和电刷存在重大的缺陷，致使直流电机调速系统的应用推广受到了限制。 交流调速则是对交流电动机的速度控制。由于交流电机结构简单、坚固耐 用、运行可靠，特别是它克服了直流电机存在电刷和机械换向器而带来的各种 限制，因此在工农业生产中得到了极为广泛的推广。但是，由于长期以来受到 实现技术的制约，交流电机作为调速电机的应用受到了很大的限制。不过，科 学技术的迅猛发展为交流调速的发展创造了有利的技术条件和物质基础。交流 电动机可通过采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念来实现交流电动机 定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，这就实现了将交流电机的控制过 程等效为直流电机的控制过程，使得交流调速系统的动态性能得到了显著地改 善和提古【引。 转子采用永磁材料的永磁同步电机，控制系统相对于异步电机而言比较简 单，容易实现高性能的控制。稀土永磁同步电机因其具有结构简单；运行可靠； 效率高等显著优点，因而广泛应用于工农业生产、航空航天和日常生活等各个 领域。近年来在永磁材料的生产方面出现了突破性的进展，高性能永磁同步电 动机的研制也随之有了长足的发展。永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切 相关的。 武汉理工大学硕士学位论文 永磁电机的研究和开发大致分成三个阶段1 4 j 。 ( 1 ) 6 0 年代后期和7 0 年代，由于稀土钴永磁材料价格昂贵，研究开发重 点是航空、航天使用电机和要求高性能的高科技领域。 ( 2 ) 8 0 年代，特别是1 9 8 3 年出现价格相对较低的钕铁硼永磁材料后，国 内外的研究开发重点转到工业和民用电机上。稀土永磁的优异磁性能，加上电 力电子技术和微机控制技术的迅猛发展，不仅使得许多传统的励磁电机纷纷用 稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。 ( 3 ) 进入9 0 年代以来，随着永磁材料性能的不断提高，特别是钕铁硼永 磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善，价格的逐步降低以及电力电子技术的进 一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，使得永磁电机在国防、工 农业生产和日常生活等方面获得广泛的应用外，也使稀土永磁电机的研究开发 进入新阶段。一方面，稀土永磁电机的开发向大功率化、高功能化和微型化方 向发展；另一方面，永磁电机的结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了 崭新的局面，有关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了一整套的研究方法。 随着永磁同步电机在各个领域的广泛应用，对永磁同步电机控制系统的性 能也有了高要求，既希望控制系统能有较高的控制精度和较好的稳态性能，又 希望控制系统的成本尽可能得低。鉴于此，国内外许多的专家学者提出了各种 永磁同步电机的控制策略，部分已获得了很好的实际效果【5 j 。 1 2 国内外研究现状 现代交流调速系统由交流电机、电力电子功率变换器、控制器和检测器等 四大部分组成。其中，电力电子功率变换器与控制器及检测器合起来称之为变 频调速装置。 按照交流电机的分类，交流调速系统可划分为以下两类：异步电动机调速 系统和同步电动机调速系统。同步电动机转速公式刀= 6 0 f , n 。( 其中z 为定子 供电频率，1 1 。为电动机极对数) 可知，同步电动机是靠变频调速的。在调速系 统中采用同步电动机有以下优点1 6 】： ( 1 ) 同步电动机的转速与电源的基波频率保持着严格的同步关系，只要精 确地控制变频电源的频率就能准确地控制电机速度； ( 2 ) 同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有较强的承受能力，能做出较 快反应； 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 同步电机的调速范围比异步电机宽； ( 4 ) 同步电动机能够利用电动机的反电动势实现负载换流。 因为同步电动机拥有出众的优点，所以同步电动机调速系统越来越受世人 的关注。 根据频率控制方式的不同，又可将同步电机调速控制系统分为两类，即他 控式变频调速和自控式变频调速【6 j 。 他控式变频调速：用独立的变频装置做永磁同步电动机的变频电源，电动 机的转速严格跟随电源频率的变化而变化。他控式变频调速常用于开环控制系 统。自控式变频调速：采用频率闭环方式的同步电动机调速系统叫做自控式同 步电动机调速系统，是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉 冲，从而使得同步电动机可以工作在自同步状态 7 1 。自控式同步电动机变频调速 与他控式变频调速相比最大的不同就是能从根本上消除同步电动机转子振荡和 失步的隐患。这得益于控制方式本身，因为转子位置检测器控制为同步电动机 定子供电的变频装置的输出频率，即定子旋转磁场的转速和转子旋转的转速相 等，始终保持同步，因此不会因负载冲击等原因造成失步现象【8 】。 自控式变频同步电动机调速系统可分为两类：一类是大、中容量的调速系 统，一般采用普通的电励磁结构，通过电刷和滑环引入励磁电流。另一类是小 型调速系统，多采用结构更为简单的磁阻式或永磁式同步电动机 9 1 。 永磁同步电动机控制方法的研究开始于八十年代，由于其与直流电动机相 比具有多变量、非线性和强耦合的特性，常用的调速方法不再适用于永磁同步 电动机调速控制系统，需采用新的控制算法。国内外的专家学者开始对逆变器 供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起 动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。阻尼绕组 有以下特点：第一，阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升；第二，阻尼绕 组增大转动惯量、使电机力矩惯量比下降；第三，阻尼绕组的齿槽使电机脉动 力矩增大。在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其 稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点【l0 1 。19 8 0 年后发表了大量的论文研究永磁同步电机的数学模型、稳态特性、动态特性。 a v g u m a s t e 等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型 逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性【1 1 1 。 由于电子电力科学技术的限制，同步电机的调速技术也受到了相应地制约。 然而，随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、 武汉理工大学硕士学位论文 高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，g r s l e m o n 等人针对调速系统快 速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法【l 厶1 3 】。随着 电力电子技术的飞速发展，各种容量和形式的变频电源、逆变装置的研制成功 以及计算机技术、控制理论的发展，因而对永磁同步电机控制系统的性能也有 了高要求，即希望控制系统能有较高的控制精度和较好的稳态性能。鉴于此， 许多国内外专家学者提出了各种永磁同步电机的控制策略如矢量控制、转矩直 接控制等。这些新的控制方法进一步地改进了交流电机的控制性能，使得现代 高性能的交流永磁调速系统的动态性能静态性能和动态性能得到了显著的改 善，完全能够达到甚至是超过直流电机调速系统静态性能和动态性能的水平【1 4 1 。 1 3 论文的研究内容 本课题是基于a r mc o r t e x m 3 控制芯片对永磁同步电机调速控制系统进行 设计。在掌握调速控制系统工作原理和组成、永磁同步电动机动态数学模型等 基础上，设计一基于a r mc o r t e x m 3 的永磁同步电动机调速控制系统。a r m c o r t e x m 3 芯片可实现电机的矢量控制。为了验证此系统的设计方案的正确性和 可行性，利用m a t l a b 仿真软件进行建模和仿真。论文的研究内容包括以下几 个方面： ( 1 ) 完成永磁同步电机调速控制系统总体方案的设计； ( 2 ) 完成永磁同步电机调速控制系统的硬件电路的设计； ( 3 ) 给出永磁同步电机调速控制系统的软件设计流程； ( 4 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具，实现永磁同步电动机矢量控制系统 的仿真。 1 4 论文的框架 论文的内容组织与章节安排如下： 第一章绪论：介绍了本文课题研究的背景，对同步电机调速系统的概况和 永磁同步电机调速系统的发展状况分别进行简述，同时叙述了课题研究的意义 和内容。 第二章永磁同步电机的矢量控制：本章节以正弦交流驱动的永磁同步电动 机为研究对象，首先提出了矢量控制的基本原理。而后本章节又介绍了矢量坐 4 武汉理工大学硕士学位论文 标变换的基本规律，根据坐标变换提出d q 坐标系下永磁同步电动机的数学模型， 这里还包括电压回路方程、磁链方程以及转矩方程等。这些电磁间独特的关联， 特别是定子电流和转子电流的相互作用而产生的磁通和转矩间的关系，为实现 对永磁同步电动机系统的控制即实现在定向坐标系上各量的控制，提供了理论 基础。文章最后画出了基于i d = 0 矢量控制方式的永磁同步电动机调速系统的原 理框图。 第三章矢量控制系统电流环和速度环的设计：本章对永磁同步电动机调速 控制系统的电流环和速度环进行理论分析，为电流环、速度环建模提供理论依 据。之后，计算电流环和速度环的传递函数值。 第四章基于a r mc o r t e x 矢量控制系统的硬件设计：详细的阐述永磁同步电 动机调速控制系统的硬件设计，分别介绍控制系统各个模块电路的工作原理和 实现的功能。画出永磁同步电动机调速控制系统电路图，包括控制电路、电流 检测电路、逆变电路等，详细说明各电路的组成情况和电路中使用到的元器件 选择。 第五章永磁同步电机矢量控制系统的软件设计：基于硬件电路设计的基础 上，详细叙述调速控制系统中各个模块的软件设计思路，并且在文中给出了软 件设计流程图。 第六章永磁同步电机矢量控制系统的仿真：本章在m a t l a b 仿真工具中对 系统的坐标变换模块、电流环控制模块和逆变模块进行模块化设计，而后将各 个模块组合形成永磁同步电动机调速控制系统的整体，实现对整个系统的建模 和仿真。最后分析得出的仿真结果。 第七章总结和展望：本章节对全文进行概括和总结。总结了永磁同步电动 机调速控制系统的研究成果，并展望永磁同步电动机调速控制系统的研究前景。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章永磁同步电机的矢量控制 2 1 永磁同步电机的矢量控制方法 乃一乃：，丝 ( 2 1 ) 囊 = 言丢量 睦 + 丢 荔 c 2 - 2 ) l ：j 2 l 吕0 乏j l 窆j + 专；l 荔：j 2 - 2 ) 三! = fc。s。：c。s127：c。s24；：妻+【-c。s。9co二st92。：；1cos240 c o s 0e o s l 2 0 c o s ( e j ，c 2 3 c o s l 2 0 c o s 2 4 0c o s 02 4 0 ， iy 6l = i 。 。i i l + i一1 2 0 。) i 厂 ( 2 一) 【1 5 f ，。j i 。 。 。jl t j【c o s ( 9 一 。) j 6 武汉理工大学硕士学位论文 只一3 f 2 n s k n i 。 ( 2 5 ) 刀p n 式( 2 5 ) 中，材。、甜。、u 。为三相定子绕组上的电压，屯、屯、t 是三相定 子绕组间的电流，、虬为三相定子绕组的磁链，灭。、r 、尺。是定子 绕组的电阻，并且三个电阻的阻值相等，r 为气隙磁通，秒。是定子三相合成 磁动势与合成的气隙磁动势之间的夹角，只是定子旋转磁动势幅值，j c ，是转子 磁场的等效磁链。 由于气隙磁通是由励磁电流矢量产生，它不仅与定子电流有关而且与转子 电流有关。气隙磁通。和定子三相电流合成空间矢量f 。不是两个独立的变量， 无法分开进行独立的控制。结合式( 2 - 4 ) 可知，它们对电机的电磁转矩均会产 生影响不能够单独地控制其中一个变量进而达到控制电机电磁转矩的目的。因 为永磁同步电机电机定、转子各相绕组之间耦合太过紧密，使得同步电机成为 一个复杂的非线性系统，其转矩与电流不成正比，对永磁同步电机瞬时转矩的 控制很困难，所以不能简单和高效地实现对同步电机控制。 1 9 7 1 年，德国西门子公司提出了交流电机的矢量控制理论。该理论是电机 控制理论的一次质的飞跃，解决了交流电机的调速问题，使得交流电机的控制 跟直流电机控制一样方便可行，并且可以获得与直流调速系统相媲美的动态性 能。交流电动机的矢量控制基本思想是在普通的三相交流电机上模拟直流电机 转矩控制的规律【16 1 。在磁场定向坐标上，将三相定子电流矢量分解成产生磁通 的且与转子磁通同方向的等效励磁电流分量和产生转矩的且与转子磁通方向垂 直的等效转矩电流分量。由于两者之间是相互正交的，也就终结了彼此间耦合 的关系。交流电动机的矢量控制使转矩和磁通的控制得以实现解耦。所谓解耦 指的是控制电机转矩的时候不影响磁通的大小。因此可以像控制直流电动机一 样实现对磁场和转矩灵活地控制。总而言之，矢量控制是对转矩的控制实际上 就是对电机定子电流矢量相位和幅值的控制。通过坐标变换将三相定子电流矢 量变换成两个独立的直流量来分别进行控制，反言之就是通过控制直流量从而 间接控制三相定子电流实现对交流电动机的转矩的控制。 在进行坐标变换的时候会用到以下三种坐标系：三相定子坐标系、静止坐 标系以及转子坐标系。三相定子坐标系a b c 坐标系：三相定子里有三相绕组， 其三相绕组轴线分别为o a 、o b 、o c ，三个绕组轴线彼此之间相差1 2 0 。在数 学上面，平面矢量可用两相直角坐标系来描述，所以在定子坐标系中又定义了 7 武汉理工大学硕士学位论文 生旋转磁场。它的口轴和三相定子坐标系统的a 轴重合，轴则是需要逆时针 超前口轴9 0 。因为岱轴固定在定子口相绕组轴线上，所以筇坐标系也被称为 静止坐标系。转子坐标系一d q 坐标系：转子坐标系是固定在转子上，其中平面 直角坐标系的d 轴位于转子轴线上，q 轴则是逆时针超前d 轴9 0 。，转子坐标系 和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故称为旋转坐标系【1 7 1 。 在矢量控制系统中基于a q 坐标系、筇坐标系和曲c 三相静止坐标系上的 芝 = z 加一由 差 ， 乏 = 瓦加卅 差 ， z = 一匈 ： c 2 - 6 ) 疋：，国c o s oc o s ( o - 2 万3 ) c o s ( o + 2 7 r 3 ) l ( 2 - 7 ) 嘶一蚓s i n os i n ( 0 2 x 3 ) s i n ( o + 2 万3 ) i t a b c - u f l - 何。1 焉强 协8 ) 一由= l - s ie o i s n o p c s 础i n oi ( 2 9 ) h 盯 =篆2；,r-sin(o+-争警-)pid ( 2 - 1 0 ) c 。s ( 口一 i ( 2 - 1 0 ) 1 啷( 目+ 冬) 痂( 秒+ 争r jj_ j 三相定子交流电的作用是为了产生一个旋转的磁场，从某个角度上来看， 可以将其等效为一个两相的系统，因为两相相位正交且对称绕组通以两相相位 相差9 0 。的交流电时，也能够产生旋转磁场。在永磁同步电动机中，建立固定于 转子的参考坐标，取磁极轴线为d 轴，顺着旋转方向超前9 0 。电角度为q 轴，以 a 相绕组轴线为参考轴线，d 轴与参考轴之间的电角度为目。图2 1 为正弦波永 磁同步电动机的空间矢量图。从图2 1 中可以看出，定子电流空间矢量f 。与定 8 武汉理工大学硕士学位论文 子磁链空间矢量虮同相，而定子磁链与永磁体产生的气隙磁场间的空间角度为 ，且= i sc o s f l 、= s i n f l 【1 8 1 0 图2 1 永磁同步电动机空间矢量图 可以得到建立在旋转坐标系和三相静止坐标系下的电机模型之间d 、q 轴方 向上的电流和定子三相电流还具有如下的关系： m c o s p s i n 乡 c o s ( 秒一争 一s i n ( 9 一尹2 r 捱 阡警 ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) 永磁同步电机中定子绕组一般采用的是中心悬空星型连接的方式，即 i o = 0 。 假设正弦波调速永磁同步电动机的转子上是没有阻尼绕组的。在由旋转坐 标系中永磁同步电动机的电流、电压、磁链和电磁转矩方程如式( 2 1 3 ) 、式 ( 2 1 4 ) 、式( 2 1 5 ) 、式( 2 1 6 ) 、式( 2 1 7 ) 、式( 2 1 8 ) 所示： 磊di d = i 1 旷舍屯+ l lp n o r ( 2 1 3 ) 磊d 2 i 一万幻+ o 旺。 9 武汉理工大学硕士学位论文 磁链方程： 瓦d i g2 瓦1 旷i q - - 每p 私屯一半( 2 - 1 4 ) 甲d = l d i d + l ；，f ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 少，= i f l 埘d ( 2 - 1 7 ) 电磁转矩方程： 气气 疋= 丢p 。( 沙d i q y 口屯) = 丢p 。 5 f ，f i q 一( 三口一l d ) i d i q 】 ( 2 - 1 8 ) 厶 厶 式( 2 1 8 ) 中，蚴、“。是由轴定子电压；岛、为由轴定子电流；、 为由轴定子磁链；厶、厶是由轴定子电感；缈，是转子上的磁势；曰是粘 滞摩擦系数；c o ，为转子角速度；c o = p 。c o ，为转子电角速度：p 。是极对数。 基于永磁同步电机在由坐标系下的数学模型，可得到永磁同步电机的动态 结构图。以凸装式转子结构的永磁同步电机为对象，假设磁路不饱和且不计磁 滞和涡流损耗的影响，在空间磁场呈正弦分布的条件下，当永磁同步电机的转 子形状为圆筒形且有d 轴电感与q 轴电感相等，还有摩擦系数的值得等于零， 可得由坐标系下永磁同步电机的状态方程如式( 2 1 9 ) 所示【1 9 1 。 ： z d z g 缈， 一r | l = l p n 缈， p n r r | l q i 3p n 9r | j 二 一p 引l 0 匡 一n 竹 00 l l 叫， ( 2 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 中，r 为绕组的等效电阻；厶为等效d 轴电感；l q 为等效q 轴 电感：p 。为极对数；彩，为转子角速度；缈，为转子磁场的等效磁链：瓦为负载 转矩；i d 为d 轴方向上电流；屯为q 轴方向上电流；- ，为转动惯量。 为获得线性的状态方程，通常采用屯恒等于零的矢量控制方式，此时有： 。i , = 3 - 8 l 厶他o n 1 j l 舀o , 小- 瓦s j 协2 。， 式( 2 。2 0 ) 为永磁同步电动机的解耦状态方程。在零初始条件下，对永磁 1 0 三几 亿亿山 吲吲也 武汉理工大学硕士学位论文 同步电机的解耦状态方程求拉氏变换， e g e , u 。为输入，转子速度为输出的交 流永磁同步矩系数。 图2 2 永磁同步电机系统框图 永磁同步电机的矢量控制也是一种基于磁场定向的控制策略，按照磁链定 向控制的方法分类，可以被划分为4 类：转子磁链定向控制、定子磁链定向控 制、气隙磁链定向控制和阻尼磁链定向控制。按照控制目标来区分，又可将调 速系统划分为：i d = 0 控制、最大转矩电流控制、转矩线性控制以及直接转矩 控制。本文中永磁同步电动机调速矢量控制系统采用= 0 电流矢量控制方式。 根据电机转子不同，电磁转矩的计算方程也不尽相同。对于凸装式的转子 结构，d 轴电感等于q 轴上的电感，且不存在磁阻转矩，可得线性方程： 气 疋= 云p 。沙，i q 一2 1 1 22 1 ) 。2i p 。沙， 一 j 么 当= 0 的时候，定子电流d 轴上的分量为零，磁链方程式可以简化为： y q = l q i q ；y d = y ， ( 2 - 2 2 ) 对于嵌入式的转子结构，d 轴电感小于q 轴上的电感，在i a = 0 的控制方式 下，电磁转矩方程可以简化为： 疋= 丢p 。y ， ( 2 2 3 ) 总结上述的计算过程，可知在i a = 0 的控制方式下，不管永磁同步电动机 的转子结构属于哪种类型，其磁链方程和转矩方程都可以简化成下面的式子： 2 磐 ( 2 2 4 ) 。 l z 一 【y 口2 如0 9 疋= 乙= 丢p 。y ，i q ( 2 2 5 ) 于是，电磁转矩仅包括励磁转矩，定子电流合成矢量与q 轴电流相等，这 就使得永磁同步电机的控制原理与直流电机的控制原理一样，只要能够检测出 武汉理工大学硕士学位论文 转子位置，使三相定子电流的合成电流矢量位于q 轴上就行。这种控制策略的 特点是控制简单、定子电流与电磁转矩输出成正比、无弱磁电流分量。 2 2 永磁同步电机的矢量控制系统 根据本文前一章节介绍的矢量控制原理，综合考虑永磁同步电机的控制方 式，设计出的永磁同步电动机调速控制系统的结构原理图如图2 3 所示。转子 速度实际值与给定指令值问的差值作为速度调节器的输入。速度调节器的输出 与实际检测到的电机三相定子电流经过坐标逆变换后的值相比较，得到的差值 做为电流调节器的输入。电流调节器的输出通过旋转坐标系下的值向三相定子 坐标系下值的坐标变换后输入至p w m 逆变器。电流调节器的输出与三角波比 较产生p w m 波控制逆变器中功率器件通、断，从而控制永磁同步电动机。 e = 0 图2 3 永磁同步电机矢量控制系统原理框图 图2 3 中，秒为检测出的电动机转速和角度空间位移，屯、毛、f 。为检测出 的实际三相定子电流值。当永磁体的励磁磁链和直、交轴电感确定后，电动机 的转矩取决于屯和，也就是说控制屯和便可以控制电机的转矩。这两个电 流通过坐标变换转换为三相静止坐标系下的电流矢量值，使实际的三相电流值 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 、和t 跟踪给定的指令值、e ，实现电动机转矩和转速的控制。 永磁同步电动机矢量调速控制系统具有速度环和电流环双闭环结构设计。 电流环是控制系统中的一个重要环节，它是提高调速系统控制精度和响应速度、 改善控制系统性能的关键。系统要求电流环具有输出电流谐波分量小、响应速 度快等性能。在永磁同步电动机调速控制系统的电流环中，必须满足内环控制 所需要的控制响应速度，能精确控制随转速变化的交流电流的频率【2 0 】。速度环 的作用是增强系统抗负载扰动能力，抑制速度波动。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章矢量控制系统电流环和速度环的设计 3 1 电流环设计 因为电流检测器件的性能会直接影响到电流控制的效果，所以永磁同步电 动机调速控制系统对反馈电流测量器件的响应速度有较高的要求。低漂移、快 响应的电流反馈检测器件是实现高性能的转矩控制效果的关键。所以在调速控 制系统中，应用性能优良的霍尔效应电流传感器做为电流反馈的检测器件。而 且，可将由霍尔电流传感器构成的电流反馈检测环节当做比例环节来处理，其 传递系数可用k 来表示。 在正弦波脉冲宽度调制过程中，逆变器的控制增益表达式为： k ，= 玑2 u 。k ，为逆变器的控制增益；u 。为逆变器直流端的输入电压；u 。为 三角形载波信号的幅值。脉冲宽度调制逆变器一般都当做是时间常数瓦和控制 增益k ，的一阶惯性环节来处理，瓦= l 2 以，厶为三角载波信号的频率【2 l l 。 一般情况下，电流环电路中的电流反馈信号都需要经过滤波，因为电流反 馈信号中含有较多的谐波分量，且这些谐波分量非常容易引起系统振荡。而为 了补偿滤波环节对电流的影响，在电流给定的输入端会设置给定信号滤波器， 且设定电流给定滤波时间常数和反馈滤波时间常数相等。电流反馈滤波环节可 被看做是时间常数易和控制增益如的一阶惯性环节。乃= ( 1 3 1 2 ) f ；1 ，厶 为三角载波信号的频率。 永磁同步电动机的电枢回路可看成是由电阻和电感构成的一阶惯性环节。 在本文中，系统的电流环为一电流随动系统，在任意情况下都能够快速跟踪给 定的电流。电流调节器被设计为p i 调节器的时候电流环在零到额定转速均能够 实时跟踪电流给定，在给定电流值与实际电流值之间有很小的相位差，并随转 速的增加而增加，但实际的电流幅值却与给定的电流幅值相等。控制系统电流 环的结构图如图3 1 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 电流环动态结构图 通过等效变换且不考虑电流调节器中微分环节和限幅环节，得到的电流环 开环传递函数为： g ，( j ) ：坚：垒堕! 鉴( 3 - 1 3 ) g ，( j ) = l 上l 二一 ) 、7 ( k s + 1 ) ( 瓦s + 1 ) v j s ( r , s + 1 ) 则电流环的传递函数可表示为： g 荆：坚：茎竺堕! 鉴( 3 - 2 ) g 诏。卜瓦i 丽i 面赢蒡苛轰南丽丽 ) 选择电流调节器的零点对消被控对象的时间常数极点，有0 = 乙， 乙= l r 。其中，k 口为电流调节器的比例放大倍数，乃为调节器的积分时间常 数，乙为永磁同步电机电枢回路的电磁时间常数。考虑到电流响应比转速响应 要快。因此，在设计电流调节器时，需要忽略反电动势对电流环的影响。另外， 电流滤波和逆变器控制的滞后均被看成是小惯性环节。则有电流环的闭环传递 函数为： g 田( s ) = f j s ( 正s + 1 ) + 膨l k p s ( t s + 1 ) + k ( 3 - 3 ) 式( 3 3 ) 中，k = 1 r ；k ，为小惯性环节控制增益；互为小惯性环节时间 常数，互= 乃+ 正，正、易分别为逆变器滞后时间常数和电流环滤波时间常数。 电流环是速度调节中的一部分，由于速度环的截止频率较低，且z o , ，有乡= 0 2 一a t ； ( 2 ) 当电动机方向旋转的时候，方向信号d i 贮1 ，若岛 o l ，有目= 岛一岛 ( 3 ) 当电动机正向旋转的时候，方向信号d i i p 0 ，若只 鼠，有 a t 9 = 4 p 一( 0 2 一日) 。 中断定时器t i m 8 的周期t 是转速计算周期。设在该时间t 段内，定时器 他的计数值的增量为口，输出的脉冲个数为p 个转，则电动机转速： 刀：i 6 0 a t 9 ( r r a i n ) (41)p 刀= l 斗lj 下 4 5i p m 的保护电路 逆变器件i p m 内置有保护电路，可实现控制电压欠压保护、过流保护、过 热保护和短路保护。若供电电压低于规定值则发生欠压保护；在i g b t 芯片的 绝缘板上安装了一个温度传感器，当温度传感器测出其板子的温度超过规定温 度值时则发生过热保护；如流过i g b t 的电流值超过规定过流动作电流则发生 过流保护，只要是上述任意一种保护动作发生，i p m 都会封锁门极驱动电路， 输出故障信号【3 4 1 。i p mf o 管脚发出的故障信号输入至s t m 3 2 ，由芯片s t m 3 2 武汉理工大学硕士学位论文 执行相应的保护。为保证控制系统中的智能功率模块i p m 安全地运行，s t m 3 2 提供了紧急故障输入引脚b r k 。当b r k 引脚由使能位使能，s t m 3 2 立即关闭 6 个p w m 输出并且产生中断。通知芯片内核有异常情况发生，系统会立即停 止运行。这样就起到保护芯片s t m 3 2 和i p m 的作用。 图4 6i p m 的保护电路 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章永磁同步电机矢量控制系统的软件设计 5 1 前言 硬件是基础，软件是灵魂。配置好的系统，就要有良好的软件支持。如果 编写的软件不能够使硬件的功能按照设计的想法得以实现的话，那么设计出来 的软硬件系统注定是失败的。现如今，硬件规模越来越趋向于模块化，因此因 硬件问题而对系统稳定和精度造成的影响也在逐渐的减小，而软件对系统性能 提高的重要性也越发凸显，可以说软件的健壮性直接影响系统的性能。永磁同 步电动机调速控制系统软件的设计应满足实时性、稳定性和可靠性三大要求。 在电机的控制系统软件设计中，需在一定的时间限制内，完成对永磁同步电动 机的被控量的采集和处理以及输出控制。本节详细叙述了调速控制系统的软件 设计方案。矢量控制系统软件设计的思路：通过增量式编码器得到电机的电角 度和实际转速，将电机实际转速值与速度的给定值相比较，经速度调节器输出 可得一电流值，该值经过矢量坐标变换再与通过霍尔传感器得到的电机实际三 相电流值相比较，经电流调节器调节后再与三角波比较，产生p w m 输出信号 控制逆变器输出驱动永磁同步电动机【3 引。软件的功能可分为以下几部分： ( 1 ) 系统、变量的初始化，转子位置的初始化，i o 口初始化； ( 2 ) 速度环数字p i 调节器，电流环数字p i 调节器的软件设计； ( 3 ) 电机转速和电流反馈的计算； ( 4 ) 正弦脉宽调制算法s p w m 的实现； ( 5 ) 各种故障中断服务程序的处理。 5 2 主程序设计 本文中，控制系统软件可为两大部分：主程序和中断服务程序。主程序中 包括i o 口初始化、中断初始化、定时器初始化和等待程序。中断服务程序是 指高级控制定时器t i m 8 控制的下溢中断子程序。定时器中断程序是整个控制 算法的核心。在一个定时中断周期内，软件依次检测转子位置、计算电动机转 速、完成定子电流的采样和计算、实现速度环和电流环的调节、将变量坐标变 武汉理工大学硕士学位论文 换，生成p w m 控制信号。定时中断服务程序中，电流信号的采集和转换，p w m 控制信号生成的流程如下：s t m 3 2 的a d 转换器将采集到电机a ，b 两相电流 信号的模拟信号转换为数字信号，同时根据三相电流的相位差值恒为1 2 0 。，可 以计算出该时刻电机另一相电流的幅值和相位【3 6 - 3 7 1 。该实际输出电流与指令电 流进行比较的偏差值经过电流调节器，并将调节器的输出信号与三角波比较， 产生p w m 波，控制逆变电路功率器件的通和断开，进而实现对电动机的控制。 一般来说，主程序在运行过程中会不断地被定时触发的中断服务程序打断。 主程序作为辅助在中断服务程序的执行间隙中运行。中断服务程序必须在中断 入口保护好现场且在中断出口恢复好现场，同时中断服务程序的执行时间需要 精心地计算，要求不得占满整个定时中断周期，需留下一部分的中断周期，否 则容易中断服务的执行时间大于定时中断周期的问题。 有 图5 - 1 主程序流程图 矢量调速控制系统每次复位后首先进入的都是初始化程序。初始化设定完 成之后，软件就会进入主程序中的循环等待时间，在这期间软件读取一些外部 给定值，一旦有中断到来则立即进入中断服务程序，执行中断服务。 武汉理工大学硕士学位论文 图5 2 中断定时器流程图 5 3s p w m 控制信