（电气工程专业论文）永磁同步电机驱动系统起动控制策略研究及实现.pdf

摘要 随着家用电器的不断更新换代和国家可持续发展战略的实施，具 有更低能耗的无位置传感器的变频空调驱动系统得到了广泛的研究 和应用。变频空调压缩机起动时不允许反转运行，不能承受过大的机 械振动，且具有严格的起动电流限制。因此，需要研究一种无传感器 永磁同步电机驱动系统起动方法满足上述要求。论文研究了转子初始 位置快速检测方法，实现了无位置永磁同步电机驱动系统可靠平稳起 动，保证系统稳定运行。论文主要内容包括： 首先，详细分析了永磁同步电机矢量控制理论、空间电压矢量调 制技术和无位置传感器控制技术。其次，提出了一种快速检测转子初 始位置的方法，在检测的过程中，转子不发生位移和反转，且不会造 成极性检测反向的错误，使转子初始位置检测误差在1 5 0 范围内。再 次，提出了一种以直轴电流设定值为零和交轴电流设定值等于常数， 分别控制定子交直轴电流的变频起动方法。研究了该方法对于电机参 数的变化的鲁棒性。最后，开发了以s t 公司嵌入式微控制器 s t m 3 2 f 1 0 3 b 为主控制器的驱动控制系统，该系统采用f a i r c h i l d 公司的智能功率模块( i p m ) f s b b 2 0 c h 6 0 作为主功率开关器件。基于 自行开发的驱动控制系统实现了本文提出的无位置传感器永磁同步 电机起动算法。对系统硬件及软件进行调试并做了相关实验，验证了 起动方法的可行性，保证了起动成功率，有效降低电流和减小压缩机 机械振动。 关键词内埋式永磁同步电机，无位置传感器，起动，s t m 3 2 f 1 0 3 b ， 功率因数校正 a bs t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sr e p l a c e m e n to fh o u s e h o l da p p l i a n c e sa n dt h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g yc a r d e do u tb yt h en a t i o n ，t h es e n s o r l e s 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 ra st h ec o r eo ft h ea i rc o n d i t i o n i n g w i l lb ew i d e l yu s e d b e c a u s et h ec o m p r e s s o rc a nn o tb er e v e r s a la n d v i b r a t e di nt h es t a r t i n gp r o c e s s ，i ti sn e e dt oi n v e s t i g a t ean e ws e n s o r l e s s a l g o r i t h mt o s t a r tt 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 ri nt h e a i r - c o n d i t i o n i n g ，w h i c hi sm a i nc o n t e n to ft h et h e s i s h o wt oe n s u r et h e l o c a t i o no fr o t o rr e l i a b l ya n dq u i c k l yu n d e rt h es t a r t i n gt h ep 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 rs u c c e s s f u l l yi sd e e p l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h e p r i n c i p l ew o r ka n da c h i e v e m e n t so f t h i st h e s i sa r es h o w na sf o l l o w s ： f i r s t l y , v e c t o rc o n t r o lt h e o r y , s p a c ev o l t a g ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n a n ds e n s o r l e s sf i e l do r i e n t a t i o nc o n t r o lo ft h e p 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 rh a v eb e e ns t u d i e d s e c o n d l y , am e t h o do fe s t i m a t i n g t h ep m s mr o t o rp o s i t i o na tt h es t a n d s t i l lh a sb e e np r e s e n t e d i nt h e d e t e c t i o np r o c e s s ，t h er o t o rd i s p l a c e m e n ta n di n v e r s i o nd o e sn o to c c u 5 a n di tw i l ln o tr e s u l ti ne r r o ro fr e v e r s ep o l a r i t yd e t e c t i o n i ta l s oc a n a c c u r a t e l yl o c a t et h ei n i t i a lp o s i t i o no ft h er o t o ri nt h e 1 5 0r a n g e t h i r d l y , an o v e ls t a r t - u pm e t h o dw h i c hl a i df o u n d a t i o nf o rc o n t r o l l i n g 小g a x i sc u r r e n ta n df r e q u e n c yh a sb e e np r o p o s e d m o r e o v e r , i ti s i n d e p e n d e n to f t h em o d e lo ft h em o t o ra n di ti sr o b u s tt om o t o rp a r a m e t e r v a r i a t i o n s f i n a l l y , as y s t e mc o m p o s e db yan o v e lc o n t r o l l i n gc h i p s t m 3 2 f10 3 bo fs ti n c o r p o r a t i o na n dt h ei n t e l l i g e n c ep o w e rm o d u l e f s b b 2 0 c h 6 0o ff a i r c h i l d i n c o r p o r a t i o n i s d e s i g n e d o u r e x p e r i m e n t a lr e s u l t sg e to nt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mo fs t m 3 2 f 10 3 b t h r o u g hd e b u g g i n gt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h es y s t e m t h e e x p e r i m e n ts y s t e mp r o v e st h a tt h es t a r t i n gm e t h o dc a ne n s u r et h es u c c e s s r a t ea n dr e d u c et h es t a r t u pc u r r e n ta n dm e c h a n i c a lv i b r a t i o n k e yw o r ds ：i n t e r i o r ( i p m s m ) ，v e c t o rc o n t r o l ， 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 s e n s o r l e s s ，s t a r t i n g ，s t m 3 2 f 10 3 b ， p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) i i 硕士学位论文绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 永磁同步电机在日常生活中应用越来越广泛，按照不同的要求，电机驱动可 分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。而我们将要讨论的是永磁同步电 机在家用电器空调中的运用，也就是利用永磁同步电机的调速驱动来代替过去的 异步电机的定速驱动模式，达到家用空调控制要求，且能够达到节能降耗的目的。 最早提出这项技术的国家是日本，以前家用空调压缩机都是采用单相异步电动 机，开关式控制其运行，噪声和较高的温度变化幅度是它的不足。9 0 年代初， 日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机的变频调速，变频调速的优 点促进了变频空调的发展【l 】。近年来，日本的日立、三洋等公司开始采用永磁电 动机来替代异步电动机的变频调速，显著提高了效率，获得更好的节能效果和降 低了噪声，在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动的体积和重量为 1 0 0 ，则永磁无刷直流电动机的体积为3 8 6 ，重量为3 4 8 ，用铜量为2 0 9 ， 用铁量为3 6 5 ，效率提高1 0 以上，而且调速方便，价格和异步电动机变频调 速相当。永磁同步电机在空调中的应用也促进了空调剂的升级换代，采用了无氟 制冷剂，防止了环境污染【2 】。 随着近年来我国人民生活水平的不断提高，空调越来越多的进入到普通家 庭。随着消费观念的改变，人们对空调的要求不再仅仅局限于制冷、制热，更要 节能和健康舒适。变频空调相对于普通空调有很多优点【3 】，节能：由于变频空调 通过变频器随时调节空调机心脏一压缩机的运转速度，从而可以合理使用能源。 噪音低：由于变频空调运转平稳，振动减小，噪音也随之降低。温控精度高：它 可以通过改变压缩机的转速来控制空调机的制冷( 热) 量，因此室内温度控制可精 确n + 0 5 ，使人体感到很舒适。调温速度快：当室温和设定温度相差较大时， 变频空调一开机，即以最大的功率工作，使室温迅速上升或下降到设定温度，制 冷( 热) 效果明显。电压要求低：变频空调对电压的适应性较强，有的变频空调甚 至可在1 5 0 - - - ，2 4 0 v 电压下起动。变频空调低温制热能力强：变频空调一方面在非 除霜时间段可通过提高频率，使制热能力增强，另一方面在除霜时间段采用高频 率运转除霜，使除霜时间大大减少，提高了舒适性。综上所述，研究变频空调的 效率和性能具有实际意义【4 】。 本课题来源于中南大学与博巨兴实业发展有限公司合作研究课题。力求建立 永磁同步电机数学模型，寻找一种起动成功率高，起动电流小，压缩机机械振动 小的永磁同步电机起动方法。本文将主要解决以永磁同步电机为核心的空调压缩 硕士学位论文绪论 机的起动问题。 1 2 永磁同步电机及控制技术发展概况 1 2 1 永磁同步电机发展概况 众所周知，交流同步电机的运行性能比较好，但是起动性能很差；交流感应 电机结构比较简单，运行时比较可靠；直流电动机调速性能和起动性能都比较好， 但是，因为直流电动机存在电刷换向器这类机械接触机构，导致造价偏高，而 且在运行过程中会产生换向火花，尤其在高速运行时会对整个系统存在一定的隐 患。直流电机在运行时还存在电磁干扰、寿命短和可靠性不佳等问题，所以这限 制了它的广泛运用。 长期以来，因为各种电机存在各自的优缺点，所以人们在实际运用过程中， 希望能够既保持直流电机的良好调速和起动性能，又可以消除直流电机的不足之 处，最好能够去除影响直流电机的关键机械器件一电刷或者换向器。2 0 世纪五 六十年代，微电子器件和电力电子器件的进步和发展，为实现这种想法提供了必 要的条件。经过长期的摸索，人们终于用电子换向代替机械换向；把原先处于电 机内部的旋转电枢变成处于外部的静止电枢；原先处于电机外部的静止磁场变成 处于内部的旋转磁场【5 】。从而使有刷直流电机变成了无刷直流永磁电动机 ( b l d c m ) 。 无刷直流永磁电动机是在有刷直流电机的基础上发展而来。整体上来说，无 刷直流永磁电机和有刷直流电机基本上具有相同的运行原理；施加在电机上的电 压都是恒定不变的直流电压，输入电动机的电流都是直流电流，两者所持有的设 计思想和设计方法都基本是一致的，只是某些具体的计算公式略有不同。但是在 其他条件相同情况下，在运行过程中，无刷直流电动机的力矩脉动要大于有刷直 流电动机的力矩脉动，无刷直流电动机的电磁力矩要小于有刷直流电动机的电磁 力矩 6 1 。 基于直流无刷电机的不足和缺陷，设计者对其进行了改进，设计了永磁同步 电机。永磁同步电机内部存在两个磁场：一个是电枢磁场，一个是由转子永磁体 产生的磁极磁场。当三相电枢绕组内通入三相电流时，定子内腔气隙内产生一个 旋转的电枢磁场。在永磁同步电机内安装一个能够检测出转子磁极位置的传感 器，利用传感器输出信号来控制逆变器三相电枢绕组输出电压的频率。当电机的 转速变化的时候，逆变器的输出电压频率也随着发生变化，电机的供电电压频率 与转子的旋转速度实现了“同步”。我们可以把这种“同步”称为自控式同步，把 这类交流永磁同步电机称为自控式永磁同步电机或者自同步永磁同步电机 2 硕士学位论文绪论 ( p m s m ) 啊。 1 2 2 永磁同步电机与无刷直流永磁电机区别与联系 自控式永磁同步电机和无刷直流永磁电机，就电机本体而言，基本上具有一 样的结构，三相电枢绕组安装在定子上，永磁体磁极设置在转子上。在一般情况 下，驱动系统采用非桥式逆变电路或者1 2 0 0 导通型的三相半桥逆变电路，给电 机提供矩形波直流驱动电压。电机运行时，三相电枢绕组轮流接通，在电机气隙 内产生“跳跃式”旋转磁场。这种永磁电机称为无刷直流永磁电机，简称为无刷直 流电机。在无刷直流永磁电机运用过程中，人们希望可以获得近似正弦的梯形波 的气隙磁场，以便减小电机运行时出现的力矩脉动；通常采用1 8 0 0 导通型的三 相半桥逆变电路作为驱动电源，借助正弦调制和空间电压矢量调制技术，给电机 提供脉宽调制的交流驱动信号。电机运行时，三相电枢绕组同时接通，在电枢绕 组内流过接近正弦波的交流电流，在电机气隙内产生“连续式”旋转磁场。这种永 磁电机称为自控式永磁同步电机【引。在自控式永磁同步电机中，希望能够获得近 似于正弦波的气隙磁场，以便减小运行时候出现的力矩脉动。 1 2 3 永磁同步电机特点与应用 永磁式同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点。 和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等需要更多维护给应用带来不 便的缺点。相对异步电动机而言则比较简单，定子电流和定子电阻损耗减小，且 转子参数可测、控制性能好，但存在最大转矩受永磁体去磁约束，抗震能力差， 高转速受限制，功率较小，成本高和起动困难等缺点。由于永磁体去磁后是不可 恢复的，因此目前还不能解决永磁体去磁后恢复问题，但是我们可以通过一些较 好的控制方法来实现永磁同步电机起动，防止起动电流过大和较大的机械振动， 在需要高速运转时，也可以通过弱磁的方法来实现。 目前，各种类型的永磁同步电机应用于国民经济的各个领域，如：家用电器、 情报信息、汽车工业、纺织工业、精密机床工业和军事工业等。各种永磁同步电 机控制方法也处于大力发展的阶段。永磁同步电机还将逐步向大功率方向发展， 现在正在研究解决永磁同步电机由于外界原因造成的永磁体去磁后不可恢复的 问题。这将大大提高永磁同步电机运用的稳定性。随着资源的不断减少和人们对 能源的重视，节能降耗是当前工业发展的重要方向，永磁同步电机正是有着功率 因数高、节能的优点，更加受到厂家和消费者的重视，研究者对永磁同步电机设 计和控制的研究也进一步加深【9 】。 3 硕士学位论文绪论 1 2 4 永磁同步电机无位置传感器技术的研究现状 由于某些特定的环境，系统对电机的体积有特定的要求，而且当电机额定功 率减小时，传感器在整个系统当中所占的比例也越来越明显，这就使得缩小系统 体积成了困难。另外，由于在整个系统中增加了额外的器件，也提高的了系统的 复杂程度，增加了成本，降低了系统的可靠性。因此，永磁同步电机无位置传感 器技术的研究和开发就显得尤为重要。 由于不能在系统中增加机械的位置传感器，因此，研究者把研究目标集中在 用软件来获得可靠的转子位置信息，实现转子位置检测，由此来触发相应的功率 器件的关断与导通，实现驱动电机稳定运行的目村1 0 】。 在国外，无位置传感器技术的研究很早就进行了。1 9 6 8 年，w m i e s l i n g e r 提出了电容移相实现换流。后来，西德科学家r h a n i t s c h 提出了借助数字环形 分配器和过零点检测的方法来检测无刷直流电机转子位置。1 9 7 9 年，h w r i g h t 完善了这个方法，并发表了“无位置传感器直流电机换相的方法和参数”的文章。 1 9 8 0 年，h l e b u y 等人提出了利用转子旋转时检测感应电动势的方法来检测转 子位置，这就是后来所谓的“反电势法”。 二十世纪八十年代末到九十年代初期，由于永磁电机的运用更加广泛，同时 也涌现出了很多检测转子位置的方法，研究工作呈多元化方向发展。有学者从本 质上分析永磁同步电机转子位置变化，通过计算电流和电压的瞬时变化来获得转 子位置信息。后来又有人提出了利用电机绕组的电感瞬时变化来检测转子位置， 还有人提出了用相电流变化来反映转子位置的方法。s o g a s a w a r a 发明了续流二 极管法，即在驱动三极管上并联二极管，并由二极管的导通状态来获得转子位置 信息，其方法的本质还是反电势法。后来，有研究者提出了状态观测器法和卡尔 曼滤波的方法来检测转子位置，由于当今的高性能单片机和d s p 以及更加新型 的微型处理器芯片的不断发展，各种较为复杂的算法也逐步得到实现和应用【1 1 1 。 1 3电机控制芯片及功率器件发展概况 1 微机、微处理器的发展与应用 目前，电机控制芯片很多，尤其针对直流无刷电机和永磁同步电机控制，许 多芯片厂商都针对不同型号电机开发了具有特殊功能的电机控制芯片。德州仪器 ( t i ) 公司针对电机开发了t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列d s p 芯片，它具有专门为用户提 供电机控制的事件管理器模块( e v ) ，事件管理器包括通用目的定时器、全比较 p w m 单元、捕捉单元和正交编码脉冲电路等。意法半导体( s t ) 也在2 0 0 8 年 推出了功耗比t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列d s p 芯片更低的a r m 芯片s t m 3 2 系列，用来 4 硕士学位论文绪论 控制电机。 随着微电子技术的发展，微机和数字控制处理芯片的运算能力和可靠性得到 很大提高，这些控制电机的芯片都具有以下特点： ( 1 ) 体积小、成本低、运用灵活，易于产品化，它能方便地组成各种智能化的 控制设备和仪器，做到机电一体化。 ( 2 ) 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最 佳的性价比。 ( 3 ) 抗干扰能力强，适用温度范围广，在各种恶劣环境下都能可靠地工作，这 是其他类型计算机无法比拟的。 ( 4 ) 可以方便的实现多机和分布控制，使整个系统控制的效率和可靠性大为提 高。 2 新型功率控制器件和p w m 技术发展与应用 可控型功率控制器件不断进步为电动机控制系统的完善提供了硬件保证，尤 其是新型可关断器件，如门极可关断器件( g t o ) 、双极结型晶体管( b j t ) 、金 属氧化物半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、绝 缘栅可换向晶闸管( i g c t ) 、智能功率驱动模块( i p m ) 等的实用化，使得高频、 高压、大功率p w m 控制技术成为可能。电动机控制的基本手段就是如何控制 p w m 波形，使得功率控制器件输出的电压和电流波形能满足电动机高性能运行 的要求。目前电力电子正朝着高频、高压、大功率、多电平和智能化方向发展。 低压电动机控制采用集成的智能功率模块，控制系统中各种芯片需要的低压稳压 电源采用高频功率变换电路。如果说人是依靠大脑来控制肢体运动，那么电动机 控制系统就是依靠计算机或信号处理芯片来控制电力电子元器件构成变流装置， 即采用以强电为动力，以弱电控制强电，强弱电结合这一关键技术。国内外正加 紧研制新型变频器，如矩阵变化器，高功率因数可控补偿变化器，中性点钳位、 级联式和飞跃电容式多电平变换器，电动机控制系统将得到新的发展。 1 4 永磁同步电机起动过程问题研究 目前永磁同步电机在起动过程中主要有以下几个方面的问题： 1 无位置传感器的转子初始位置检测 成功起动永磁同步电机需要两个关键步骤，第一步，需要得到转子的准确初 始位置，对于围绕圆周具有明显不均匀气隙磁阻或者具有基本均匀气隙磁阻的电 机而言，其确定初始转子位置的策略是不同的。当负载要求起动过程中不能反转 时，大多采用具有明显不均匀气隙磁阻电机，因为利用磁阻分布不均，在转子位 5 硕士学位论文 绪论 置不发生变化情况下，使得检测转子初始位置变得更加方便和容易实现。当负载 对于起动过程有无反转现象要求不严格时，可以采用气隙磁阻均匀分布电机，通 过给定任意定子两相绕组通电，另一相不通电，形成的电磁力矩将转子拖到指定 位置，在这个过程中转子有可能是正转，也有可能是反转，转动方向是随机的， 与转子之前停止位置和通电绕组有关系。在实际控制系统中，需要采用何种型号 的电机也需要根据负载要求选择，然后选择合适的初始位置检测方法。目前，检 测的方法有很多【1 2 ，1 3 】，如：高频信号注入法等。第二步，当初始位置检测成功后， 需要针对电机给定合适的起动电压矢量，也就是起动过程中的电机控制。 2 第一次转子位移时间的计算 对于某些特定的控制对象，要求在初始位置检测时，转子的位置不可以发生 移动，甚至不能发生任何机械振动，如：硬盘中的微型电机、压缩机中的电机等。 所以在施加检测电压时候，一定要保证转子不能够产生位移【1 4 1 。这就要求既要确 保有足够的时间进行位置检测，输入检测电压在设定时间内可以得到理想的检测 信息，又要确保转子位置不发生移动，输入的电压要在电机准备转动之前停止。 这就需要针对电机的参数，进行合理的计算，设置有效的初始位置时的参数。 3 初始位置检测成功后起动控制 在转子初始位置检测成功后，起动方式包括开环起动和闭环起动两种。文献 1 5 禾l j 用磁场各向异性确定转子的初始位置，然后利用开环的方式将电机起动至 指定转速。文献 1 6 通过两两导通后测量反电动势比较，将转子初始位置确定在 3 0 0 的范围内，再切换到反电势的方式进行闭环起动。文献 1 7 1 贝l j 利用磁饱和特 性确定转子位置，在低速起动运行的采用谐波注入位置检测方法来检测转子位 置。 4 驱动控制方式及策略 永磁电机驱动控制方式大体可以分为两种：第一，针对直流无刷电机，逆变 器1 2 0 0 导通方波驱动。由于直流无刷电机运用相对比较早，这种驱动方式研究 已经比较成熟，而且控制相对简单。第二，针对永磁同步电机，逆变器1 8 0 0 导 通正弦波驱动。在国内，该方法在无位置传感器永磁同步电机控制系统中还处于 研究阶段，由于在电机停止和运行时缺乏准确的位置信息，因此给该驱动方式的 运用产生了不少障碍。在控制策略上，也主要有两种控制策略方法：直接转矩控 制( d t c ) 和磁场定向控制( f o c ) 1 8 埘】。直接转矩控制把转矩直接作为被控制 量控制，大部分是基于六边形乃至圆形磁链轨迹进行控制，直接在电机定子坐标 上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现p w m 脉宽调 制和系统的高动态性能。磁场定向控制则是通过控制电流、磁链等量间接控制转 6 硕士学位论文 绪论 子的转矩和速度等。对于无位置传感器系统，通过在负载侧采样电流和电压瞬时 值，通过复杂的矢量运算，计算获得准确的转子位置及静止和运动坐标系下各个 参数的矢量电流值，来准确控制转子位置和电机输出转矩。由于算法复杂，因此， 还有许多地方还需要研究和改进，保证系统运行的稳定性。 5 功率因数校正 随着电力电子技术的飞速发展，人类对电能的利用能力以及各种类型的供电 系统的技术水平都有了很大的改善。但由于不控整流器在功率设备中的广泛应 用，各种谐波对电网的污染也变得十分严重，使得电能的生产、传输和利用的效 率降低。保证用电器件转换效率和功率因数高也是受到越来越多人重视。所谓“功 率因数”即有功功率和视在功率的比值，简单来说，功率因数校正将无用功校正 成有用功，在有些发达国家，电表基本上都是双向电表，即计算电费时，将计算 有功和无功消耗，如果没有功率因数校正，部分电能浪费后，将会被电表记录下 来。如果加入功率校正单元之后，有功电量和视在电量很接近，从而不仅减少电 能，而且充分利用整个电力系统的容量，不会造成没有意义的电流浪费输电系统 容量的问题。对于用电器件本身来说，含有功率因数校正单元，也可以为系统提 供稳定的供电电源，更加保证系统的稳定运行。 为了解决这一问题，抑制开关电源产生的谐波，因此，需要设计新一代高性 能整流器，它应具有输入电流为正弦波、谐波含量低以及功率因数高等特点，即 具有功率因数校正功能【2 2 2 1 7 1 。 除了上面所提到的常用研究方面之外，永磁同步电机起动控制还有很多值得 研究的地方，永磁同步电机得到越来越广泛的运用，对其的研究逐渐增多和深入。 1 5 论文的主要内容及各章节安排 永磁同步电机本身就是一个具有一定非线性、强耦合性和时变性的“系统”， 在系统运行过程中，还会受到如供电电源和负载变化等外界因素不同程度的干 扰，经常会产生起动失败、反向运转或者起动电流和机械振动过大的情况，因此 在控制要求较高的情况下，需要更好的起动方法，来保证系统的稳定运行。 本课题来源是结合公司实际项目进行研究，旨在构建变频空调原型机，课题 的研究内容主要有：根据永磁同步电机的结构特点，数学模型和运行曲线要求， 分析永磁同步电机起动和运行过程中存在的问题，选取合适的控制方法，并提出 一种无位置传感器的起动方法，使得起动成功率高，运行可靠，有效减小转矩脉 动。 本文共分六章，各章节内容安排如下： 第一章阐述了永磁同步电机出现的背景、概念以及特点和应用，综述了永磁 7 硕士学位论文绪论 同步电机的无位置传感器发展状况，简短的说明了永磁同步电机起动过程中存在 的一些问题，并简要介绍了文章的主要工作和组织安排。 第二章介绍了永磁同步电机的种类和三种改变电枢绕组的相电压和相电流 的调制技术，即：一般脉宽调制、正弦脉宽调制技术、空间矢量脉宽调制，说明 了各自的优点和存在的不足。然后介绍了常用的无位置传感器永磁同步电机起动 方法。 第三章深入研究了永磁同步电机的数学模型，通过坐标变化获得永磁同步电 机在不同坐标系下的数学模型，根据内埋式永磁同步电机( i p m s m ) 磁饱和特 性，在施加不同电压矢量时电流瞬间特性不同，反映了一种探测永磁同步电机在 停止状态时转子的不同位置，获得i p m s m 起动时转子位置的观测法。提出了一 种基于以直轴电流设定值为0 和交轴电流设定值等于常数，分别控制定子交直轴 电流的无传感器永磁同步电机变频起动方法。在保证起动成功率的情况下，有效 降低起动电流，增大起动转矩，对于电机参数的变化具有很好的鲁棒性。 第四章探讨a r m 技术的发展现状和特点，对本文中将要使用的 s t m 3 2 f 1 0 3 b 芯片重点论述，并基于以s t m 3 2 f 1 0 3 b 为控制核心的平台设计了 永磁同步电机的无位置传感器驱动系统。设计各组成系统的硬件构成及软件模 块。分析了主电路、功率因数校正( p f c ) 电路及通讯电路以及主程序和起动程 序。解决了起动难，易失步等问题，实现了第三章提出的一种无传感器永磁同步 电机起动算法。 第五章根据实际控制和工程要求，通过第四章设计的实验平台，得到相应的 实验结果并对结果进行了分析。 第六章对全文进行总结和展望。 硕士学位论文永磁同步电机分类及起动控制策略 第二章永磁同步电机分类及起动控制策略 2 1 永磁同步电机结构和分类 1 永磁同步电机结构 图2 - 1 永磁同步电机的结构示意图 永磁同步电机的结构图的横截面图如图2 1 所示，中间是转轴，转轴外面有 转子铁芯，在转轴的上面附有由永磁材料所构成的永磁体。一般在电机出厂的时 候都是属于整体式的，整体式电机提供了包括转轴、壳体和固定装置在内的全套 电机装置。另外，电机制造厂商还可以根据用户的特殊要求，提供各种型号和式 样的电机。我们在日常生活中所运用的永磁同步电机都属于这种内转子式结构， 即电机的定子在外面，转子在里面【2 8 1 。 永磁同步电机的电枢有槽式、无槽式、空心杯式和绕线盘式等多种结构。普 通的槽式电枢铁芯由硅钢片叠成，电枢绕组放在转子槽内。无槽式的电枢绕组均 匀分布在转子铁芯表耐2 9 1 。 2 永磁同步电机分类 在永磁同步电机中，根据永磁体在转子上的安装的不同位置可分为三种类 型：凸装式、嵌入式和内埋式。如图2 2 所示。图2 2 ( a ) ，( b ) 中的两种结构， 凸装式和嵌入式都属于凸极式转子结构，对于凸极式电机来说，具有较好的动态 性能，这种结构的设计可以减小转子的直径，进而降低转动惯量。但是由于磁极 的凸极性，使得电机气隙不均匀，极弧下气隙较小，而极间部分气隙较大。当系 统转速要求比较小时，可采用这种结构。如图2 3 ( c ) ，我们可以观测出磁极是 内埋在转子内部的，这种类型的电机，交轴和直轴的电感量不相等，由于永磁体 装载在转子铁芯的内部，因此这种电机的气隙磁场均匀，机械强度高，适合精度 较高而且转速要求较高的情况下使用【3 0 】。 9 硕士学位论文永磁同步电机分类及起动控制策略 ( a ) 凸装式( b ) 嵌入式( c ) 内埋式 图2 - 2 永磁同步电机的三种转子结构 2 2 改变电枢绕组相电压和相电流的方法 改变电枢绕组的相电流和相电压的方法就是在保持直流母线电压恒定的条 件下，通过改变施加在电动机每相绕组上的电压和流过绕组电流的方法，来达到 控制或调节被驱动负载的转速n 和力矩m 的目的。也就是我们常说的脉宽调制 技术：p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 。它的定义：靠改变脉冲宽度来控制输出 电压，通过改变调制周期来控制其输出频率的电路。它可以分为下面三种：一般 的脉宽调制技术( p w m ) 、正弦脉宽调制( s p w m ) 和空间矢量调制( s v p w m ) 。 2 2 1 一般脉宽调制 一般的脉宽调制技术既适用于单极性非桥式电子换相电路，又适合双极性桥 式电子换相电路。在直流母线电压保持恒定的情况下，功率开关器件起到两个作 用，一个是实现电枢绕组之间的换相，另一个是借助脉宽调制技术对施加在电枢 绕组各相端头上的电压进行调节。所谓一般的脉宽调节技术就是产生一个固定的 频率的电压脉冲，电压脉冲的幅值是恒定的，但在一个脉冲周期内的其接通时间 是可以改变的。 图2 3电压型逆变器示意图 现在以图2 3 为例，说明1 2 0 0 导通型双极性桥式电子换相电路，也就是我们 常说的“六步驱动”。在这种情况下，每相通电1 2 0 。电气角度，当某一相上桥臂的 i o 硕士学位论文永磁同步电机分类及起动控制策略 开关被接通和下桥臂的开关被关断时，则该相的电压是正的。当上桥臂开关被关 断和下桥臂开关被接通时，则该相的电压是负的。当上下开关都被关断时，该相 就没有电压注入，在此情况下，该相绕组的端头上测到的电压实际上就是该相绕 组的反电动势。 2 2 2 正弦脉宽调制 假设一个正弦波的正半波被划分成k 等分，每一等分中正弦曲线与横坐标轴 所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形波来代替，由于各个矩形波的高 度相等，所以它们的宽度将按正弦规律变化，如图2 _ 4 所示。同样，一个正弦波 的负半波也可以用一串等高不等宽的矩形波负脉冲来代替。 图2 - 4 与正弦波等效的矩形脉冲序列波形 在实际应用中，由于计算比较繁琐，通常采用调制的方法，即把希望输出的 波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波。一般采用等腰三角波作为载波， 当采用正弦波对它进行调制时，就可以获得一组宽度按正弦规律变化的等高脉冲 波。我们把通过调制方法获得一串等效于正弦波的等幅不等宽的矩形脉冲波的方 法称为正弦脉宽调制【3 。 采用适当的方法去控制单相逆变器的主电路，就可以得到单相s p w m 逆变 器。如果输出三相对称的正弦脉宽调制信号，采用适当的方法控制三相逆变器主 电路的六个桥臂，就可以得到三相s p w m 逆变器，其输出的三相s p w m 波形分 别类同于它们的控制信号【3 2 】。三相s p w m 逆变器的输出可以被直接施加到三相 永磁同步电机的定子三相电枢绕组的端头上，调节控制信号的幅值，就可以改变 逆变器输出电压的幅值，即可以改变施加在电动机三相电枢绕组端头上的三相电 压的有效值。调节控制信号的频率，就可以改变逆变器输出的三相对称电压的基 波频率，改变永磁同步点的同步转速，实现自同步，达到调速的目的。 硕士学位论文永磁同步电机分类及起动控制策略 2 2 3 空间电压矢量脉宽调制 空间电压矢量脉宽调制采用1 8 0 0 导通型半桥逆变电路，逆变电路的同一桥臂 的上下两个功率开关器件的开关状态是互补的，如图2 3 所示，即存在s 。与s 。、 最与瓦、品与瓦三组互补开关量，即一个接通，另一个断开，所以三组开关有 2 3 = 8 种可能的开关组合【3 3 】。 若规定某相的上桥臂导通，下桥臂关断时候，为“1 ”态。上桥臂关断，下桥 臂导通时，为“0 ”态。则8 种可能的开关组合状态如表2 1 所示。 袁2 1逆变器的8 种开关组合状态 状态0 1234567 s t 01010101 s b 001 10011 s0000111 1 材口 0 u b o u c 0 1 ， i 【，d 弘 一 扼 l 一 翻 一 倒 u ，3 ( 0 11 )“，1 ( 0 0 1 ) u ：，( 1 0 1 )“，4 ( 1 0 0 )，6 ( 11 0 )u ，2 ( 0 1 0 ) 图2 5p w m 逆变器输出阶梯波电压及对应的电压状态 假定逆变器工作在理想的工作状态下，即开关管开通与关断的时候可以忽略 管压降，对于上述的8 种工作状态，可以分为两类：一是有6 种有效的工作状态 矢量组成的，即表2 1 中的状态“l ”到状态“6 ”，另一个就是由“o ”和“7 ”组成的零 电压矢量。 逆变器的输出电压掰，( f ) 可以用空间电压矢量来表示，依次为“，( 0 1 1 ) 、 u s l ( 0 0 1 ) 、蚝5 ( 1 0 1 ) 、虬4 ( 1 0 0 ) 、u s 6 ( 11 0 ) 、u s 2 ( o l o ) 、u s o ( o o o ) 和u s 7 ( 1 11 ) 。在考虑 零电压矢量输出的情况下，p w m 逆变器输出电压波形如图2 5 所示，从图中可 1 2 硕士学位论文永磁同步电机分类及起动控制策略 以观测出逆变器输出的相电压波形、幅值和电压状态的一一对应关系。 空间矢量脉宽调制技术就是根据转速和力矩的指令信号和反馈信号，合理的 选用和组合上述的8 种开关信号，给三相电枢绕组提供八组不同的空间电压矢 量，并调控被选用的空间电压矢量的作用时间，使磁链空间矢量的旋转轨迹尽可 能的逼近圆形，如图2 - 6 所示。从而能有效的控制电机的力矩和转速。 “( o1 0 0 ) 图2 6 离散电压状态的空间电压矢量表示 为了确保与同一相电枢绕组相连的两个功率开关器件始终不会在同一时间 内导通，两个互补的状态信号之间在时间上必须有一个“死区”，从而避免在换相 过程中出现高瞬时电流。 当1 8 0 0 导通的电压型三相逆变电路与永磁同步电机的空间对称的三相电枢 绕组相连接的情况下，在采用正弦波脉宽调制方式时，逆变器输出的三相对称电 流将在电动机的气隙内产生接近圆形旋转磁场。由于负载电感及电阻大小不同， 输出电流会出现不同情况的失真，如：削顶失真、电流每个周期不相等、波形畸 变等，但总的来说，波形为近似正弦波。而空间矢量脉宽调制方式，它与正弦波 脉宽调制方式相比较，其输出电压和电流更接近于正弦，能够在电动机的气隙内 产生圆形的旋转磁场，通过示波器外接电流钳观测输出电流波形也没有失真现 象。从而减小力矩脉动和铁芯损耗，并可以调高电源电压的利用率。 2 3 无位置传感器永磁同步电机起动方法 无位置传感器的永磁同步电机的起动方法有很多，一些比较成熟和典型的起 动方法都大致可以分为两个步骤：一是确定初始的转子位置，二是给定起动电流 和电压，使电机顺利起动。 1 3 硕士学位论文 永磁同步电机分类及起动控制策略 2 3 1 转子初始位置检测方法 起动无位置传感器永磁同步的第一步就是要获得准确的转子的初始位置。对 于凸极式和内埋式的永磁同步电机确定其初始转子位置的策略是不同的。凸极式 永磁同步电机由于交轴和直轴电感相等，通常采取预定转子位置和高频信号注入 法，内埋式永磁同步电机交、直轴电感不相同，因此可以利用这个特点进行研究 转子初始位置检测方法。在实际应用过程中我们经常运用以下三种： ( 1 ) 预定转子位置 预定位转子位置的方法适用于凸极式和内埋式的永磁同步电机，但对于负载 在初始位置检测时不能发生位移和振动时将不适用。预定位时可以在任意一个相 对( 两相) 电枢绕组通电，并等待永磁体转子与通电的两相电枢绕组所产生的定 子磁场取向成一直线排列，在起动之前，根据转子需要的初始位置，选择好对应 的通电的两相绕组。同时，我们也需要考虑通入电压和电流的幅值和时间才能保 证有足够大的力矩使得负载转动，确保合适的电压矢量允许转轴转动到指定位 置。 ( 2 ) 高频信号注入法 在电机静止时，向定子中注入一种高频信号，利用电机本身的凸极性获得转 子信息，在电机低速运行时也可以用来估算转子位置，这种方法需要高于基波频 率的持续高频载波信号。高频信号注入法可分为电压注入法和电流注入法，电压 注入法实现相对简单些，因为在载波电压信号励磁时，电机的阻抗主要取决于电 机的自感。但在实际运用过程中很容易造成磁极估算反向现象，而且需要经过较 为复杂的算法程序对采集的数据进行处理才可以得到准确的转子位置信息【3 4 1 。 ( 3 ) 卡尔曼滤波及状态观测器法 卡尔曼滤波器可以从随机噪声信号中得到最优观测，它是将非线性系统线性 化，再沿用线性卡尔曼滤波器的递推公式进行估算，在电机控制中运用的扩展卡 尔曼滤波法提供一种叠代形式的非线性估算方法，构成一个闭环观测器。这种方 法的计算量很大，需要快速计算能力的芯片。d s p ，f p g a ，a r m 的出现，使得 这种方法实现称为可能。但是这种方法很难确定实际系统的噪声和卡尔曼增益， 大多数运用在对转速进行估算，很难得到转子准确初始位置【3 5 3 6 1 。 2 3 2 给定起动电压电流的方法 ( 1 ) 直接开环起动 1 4 硕士学位论文永磁同步电机分类及起动控制策略 在某些应用场合，不需要对转子位置及转轴的输出量进行精确的监控，同时 电机负载也不大，而且在运行的过程中，负载变化也不大，这类系统不需要反馈 装置，也就不存在闭合的反馈环路，所以称之为“开环”系统。开环状态下工作的 电机的力矩和速度将随这负载和供电电压变化而变化。我们通常是通过变压变频 ( v v v f ) 控制来实现的。如图2 7 所式，由逆变器输出一个正弦电压给电机的 定子绕组，使其运行在给定的转速。 图2 7p m s m 直接开环起动控制系统框图 ( 2 ) 反电动势闭环法 当初始位置检测成功后，电机开始运转时，会产生反电动势，根据测量的反 电动势信息获得准确的转子位置，同时给出相应的电压矢量信息。如图2 8 ，这 种方法的本质并不是测量反电动势的大小，而是检测反电动势过零点的信息，通 过反电动势过零点来确定转子的位置，而在转速情况较低的情况下，这种方法很 容易产生误差，同时，这种方法一般只适用于1 2 0 0 导通的直流无刷电机驱动系 统【3 7 1 ，对于实现1 8 0 0 导通的永磁同步电机驱动有一定的难度，1 8 0 0 导通的永磁 同步电机驱动系统中在任何时刻不存在某一相断流现象。因此，通过零点检测换 相信息，来确定转子位置，施加给定电压矢量是不现实的。 图2 8p m s m 反电动势闭环起动法 ( 3 ) 磁场定向控制 磁场定向控制实际上为矢量控制，基于电机统一理论，以电机的某一磁链轴 线取向为基础，建立电机模型的坐标系，有关电机的电压、电流、磁链等矢量都 将在建立的坐标系下运算和控制。通过各国研究者和工程师的研究和实践，逐步 完善了目前在电机控制系统中广泛运用的磁场定向控制方法。结构框图如2 - 9 所 示。永磁同步电动机用途不同，一电流矢量控制策略也各不相同。主要的控制策略 1 5 硕士学位论文 永磁同步电机分类及起动控制策略 有：c o s ( p = 1 控制、恒磁链控制、最大转矩电流比控制等3 8 1 。不同的方法具有不 同的优缺点，如= o 控制最简单，c o