（电力电子与电力传动专业论文）基于直接转矩控制的永磁同步电机交流伺服系统的研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ho ft h ep 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 ra cs e r v os y s t e mb a s e do nd l r e c tt o r q u ec c l n t r o l m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e n a m e ：h u iy a n g s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry a n r uz h o n gs i g n a t u r e ： l e c t u r e r y a n p i n gx us i g n a t u r e = a b s t r a c t d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) m e t h o di san e wc o n t r o ls t r a t e g ya f t e rv e c t o rc o n t r o lm e t h o d 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 ( p m s m ) d r i v e nb yt r i p h a s es i n n s o i d a lc u r r e n ti s r e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h es t r n c m r e ，m o v e m e n tp r i n c i p l ea n d m a t hm o d e lo fp m s m f u n d a m e n t a lt h e o r i e sa n ds t r u c t u r eo ft h es y s t e mo fp m s ma l t e r n a t i n g c u r r e n tf a c ls e r v os y s t e m sb a s e do nd t ca r ed i s c u s s e d t h e ns i m u l a t i o nm o d e l so f t r a d i t i o n a l p m s md t ca n dp m s md t cb a s e do nv e c t o r ss u b d i v i s i o na r ee s t a b l i s h e ds e p a r a t e l y c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp m s md t c s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wp m s md t cb a s e do n v e c t o r ss u b d i v i s i o nn o to n l yk e e pt h em v a n t a g eo fq u i c kt o r q u er e s p o n s eo ft r a d i t i o n a lp m s m d t cb u ta l s or e d u c et h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u er i p p i e s a tl a s t ，t h ec o n t r o l l e rh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo fp m s ma cs e r v os y s t e mb a s e do nt h ed s p ( t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 ) i sd e s i g n e d e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mi sf e a s i b l ea n dt h et h r e e l o o pc o n t r o ls t r a t e g y c a r lb er e a l i z e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e s i o d a e da cs e r v os y s t e mb a s e do nd t cc a nm e e tt h e n e e d so f a p p l i c a t i o n 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 ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；a cs e r v os y s t e m d 弛t a ls i g n a lp r o c e s s o r i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特另u 加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：；! 盗、妒啐b 月日 学位论文使用授权声明 本人勉覆在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位沦文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 一撇：勉一名：够7 年卢月2 日 第1 章绪论 1 绪论 伴随着交流电机调速理论的不断发展，人们对伺服控制产品的性能要求越来越高， 以交流伺服电机为执行元件的交流伺服控制系统具有可与直流伺服系统媲美的性能，而 且能够充分发挥交流电动机的优势，现代伺服驱动控制也逐步朝着交流伺服电机驱动控 制的方向发展。在此社会和行业背景下，研究和开发高品质的交流伺服控制系统，具有 极其重要的现实意义。 1 1 伺服系统的发展和现状 1 1 嘲嘲 随着科学技术的迅速发展，特别是电机制造技术、电力电子技术和计算机控制技术 取得的巨大进步，使得伺服控制系统在许多高科技领域得到非常广泛的应用。迄今为 止，伺服系统的发展经历了三个阶段，在2 0 世纪6 0 年代以前，主要以步进电机驱动液 压伺服马达或者以功率步进电机直接驱动为特征，伺服系统的位置控制多为开环控制， 系统具有响应时间短，驱动部件的外形尺寸小等优点，但同时存在发热大、效率低、易 污染环境、不易维修等缺点。2 0 世纪6 0 、7 0 年代是直流伺服电机诞生和全盛发展的时 期。由于直流伺服电动机具有比交流伺服电动机易于控制、调速性能好等优点，相关理 论及技术都比较成熟，因此直流伺服系统在工业及相关领域获得了广泛的应用。伺服系 统的位置控制也由开环控制发展成为闭环控制。但是，随着现代工业的快速发展，人们 对电伺服系统提出了越来越高的要求，而传统直流电动机采用的机械式换向使其在应用 过程中面临维护工作量大，成本高、使用寿命短、可靠性低、结构复杂、体积大、转动 惯晕大、响应速度慢、对现场环境适应能力差等诸多问题。2 0 世纪8 0 年代以来，伴随 着微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论等相关 支持技术的发展，使得交流伺服控制技术有了长足发展。并逐步取代直流伺服系统在许 多高科技领域得到了非常广泛的应用，如机器人控制、数控机床、大规模集成电路制 造、办公自动化、雷达与各种军用武器跟随系统、航空航天以及柔性制造系统等等。 在交流伺服传动领域中，伺服系统有三种构成形式，其执行元件分别是：感应电动 机、无刷直流电动机和三相永磁同步电动机。而其中永磁同步电动机具有结构简单，体 积小，效率高，转矩电流比高，转动惯量低，易于维护和保养等优点，特别是随着永磁 材料价格的下降，材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，使其在中小功率、高 精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中成为主流，备受研究与开发人员的青睐。 综合伺服系统的发展与现状，全数字化、微型化、高性能化和智能化将是今后交流 伺服系统发展的必然趋势。主要表现为：伺服技术将继续迅速的由直流伺服系统转向交 流伺服系统，可以预见，在不久的将来，交流伺服系统将会完全取代直流伺服系统；发 展更高性能的全数字化、智能化、软件化伺服系统将成为交流伺服系统发展的主流；人 工智能、模糊控制、神经元网络等现代控制理论的新成果将逐步取代传统的单一的p i d 控制，应用于交流伺服系统的研究中；随着电力电子器件不断的向高频化方向发展，智 西安理工大学硕士学位论文 能功率集成电路将进一步的到普遍应用，逆变器也将逐步转化为高频化、小型化的无噪 声逆变器。 目前，我国的交流伺服技术与国外还有着很大的差距，世界先进工业国家著名厂商 早在2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初就推出了永磁同步交流伺服系统产品。而我国数字交 流伺服系统的研究则主要在一些高校和研究所。因此，研究高性能的永磁交流伺服系统 具有非常重要的意义和应用前景。 1 2 直接转矩控制技术概述 4 1 5 1 直接转矩控制理论是在2 0 世纪8 0 年代由德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授和日本 学者i t a k a h a s h 分别提出的一种高性能的交流电机控制策略。它直接在定子坐标系下分 析交流电动机的数学模型，采用定子磁场定向，无需解耦电流，而是借助于离散的两点 式调节( b a n d b a n d 控制) 产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，着眼 于转矩的快速响应，以获得转矩的高动态性能。这种控制技术与矢量控制技术相比，省 掉了复杂的矢量变换，控制思想新颖，控制结构简单，信号处理的物理概念明确，转矩 响应迅速，对电机参数不敏感，不受转子参数的影响，简单易行，在很大程度上克服了 矢量控制技术的缺点，具有广阔的发展和应用前景。 目前直接转矩控制已成为交流伺服研究的热点，但是大部分研究集中在异步电动机 的控制上，直到近几年，才有一些学者致力于将该控制方式应用于同步电机，实现了永 磁同步电机的直接转矩控制，体现了直接转矩控制简单及优良的动态控制性能等特点。 但是，永磁同步电机的直接转矩控制研究还只是初步的，还有许多问题未得到解决。 当前直接转矩控制技术的几个研究热点： ( 1 ) 定子磁链补偿和定子电阻辨识。 在中高速区，应用磁链的甜一i 模型，已经获得了令人满意的结果，这方面的理论研 究和实验工作已比较成熟。但在低速区，定子电阻尼的变化带来一系列问题，特别是定 子电流和磁链的畸变，到了十分严重的程度。这方面的研究工作仍在继续进行。如果能 对定子电阻进行辨识，就能从根本上消除定子电流和磁链畸变，问题就迎刃而解。 ( 2 ) 转速辨识。 以往是安装转速传感器进行速度反馈，不仅增加了成本，而且降低了系统的稳定性 和可靠性。实际应用时，有些场合根本不能安装转速传感器，有肘甚至找不到转速反馈 的位置。因此，很有必要进行转速辨识。 ( 3 ) 转矩脉动、死区效应和开关频率。 当控制系统用全数字化实现时，采样周期是固定的，在一个采样周期内，转矩的增 加量和减少量是不同的，于是产生低频锯齿波分量，它在低速时的频率较低，幅值很 大，影响系统低速性能。 为避免上下桥臂同时导通造成直流侧短路，有必要引入足够大的互锁延时，结果带 来死区效应。死区效应积累的误差使逆变器输出电压失真，于是又产生电流失真，加剧 2 第1 章绪论 转矩脉动和系统运行不稳定等问题，在低频低压时，问题更严重，还会引起转速脉振。 开关频率是当前电力电子器件应用的一个主要问题，对器件的要求较高，根本的解 决办法是提高器件的制造水平，使其能适合于高频工作。 针对上述研究热点，众多专家提出了以下几种改进方案： 改进定子磁链估算算法，提高系统效率： 改进电压开关矢量表使控制性能提高，并减小转矩和磁链的脉动； 研究无位置、无速度传感器的控制，减少系统成本，提高控制性能； 改进控制算法的应用，可以得到系统的实时参数，提高系统的响应速度，减小转 矩的脉动和误差。 1 3 本课题研究的目的与任务 1 3 1 课题研究目的 在了解永磁同步电机结构特点和数学模型的基础上，深入研究基于直接转矩控制的 永磁同步电机交流伺服系统的原理。在掌握t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 结构原理及其外围电路设计 方法的基础上，完成了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的数字永磁交流伺服系统硬件电路设计及软 件编程，并对上述系统进行试验和测试。 1 3 2 课题研究任务 l 、分析永磁同步电动机的结构特点和数学模型； 2 、掌握基于直接转矩控制的永磁同步电机交流伺服系统原理。 3 、利用m a t l a b 仿真软件分别对传统直接转矩控制和基于矢量细分的永磁同步电机 直接转矩控制系统进行仿真研究； 4 、掌握1 r i 电机专用芯片的编程环境； 5 、对电机控制专用数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 进行研究，掌握其结构 原理及其外围电路设计方法； 6 、完成基于直接转矩控制的永磁同步电动机交流伺服系统的硬件设计； 7 、完成基于直接转矩控制的永磁同步电动机交流伺服系统的软件设计； 8 、对上述系统进行试验和测试。 西安理工大学硕士学位论文 2 永磁同步电机的结构与数学模型 永磁同步电机( 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 ，简称p m s m ) 广泛应用于伺 服驱动系统。永磁同步电机具有下列优点：无电刷和滑环、低转子损耗，较高运行效 率。同样体积的电机，永磁电机可输出更大的功率；转动惯量小，可获得较高的加速 度；转矩脉动小，可得到平稳的转矩，尤其在极低的速度下能满足有高精度位置控制的 要求；零转速时有控制转矩，可做到高速运行，效率、功率因数高。 2 1 永磁同步电机的结构 根据驱动电流的不同，永磁电机分为两种：一种输入电流为方波，也称为无刷直流 电机( b r u s h l e s sd cm o t o r - b l d c m ) ；另一种输入电流为正弦波，也称为永磁同步电机 ( p e r m a n e n tm a 龋e ts y n c h r o n o u sm o t o r - p m s m ) 。本文主要以三相正弦波驱动永磁同步 电机作为研究对象。 和普通同步电机一样，永磁同步电动机也是由定子和转子两大部分组成。永磁同步 电机与普通同步机在定子结构上是一致的，由三相绕组及铁心构成，且电枢绕组通常为 星型连接。在转子结构上，是用永磁体取代普通同步机的励磁绕组，从而省去了励磁线 圈、滑环和电刷。与普通电机相比，永磁同步电机还必须装有转子位置检测器，用来检 测转子磁极位置，从而对电枢电流进行控制，达到控制电机的目的。为保证系统精度及 运行质量，多采用旋转变压器或光电码盘作为永磁同步电机的转子位置检测器与电机的 转子同轴连接。 永磁同步电机按永磁体在转子上安装位置的不同，又可分为三类：表面式、嵌入式 和内埋式【6 】，如图2 1 所示。前两种结构转子结构的永磁体通常成瓦片形，并位于转子 铁芯的表面上，提供径向的磁通，转子直径比较小，从而降低了转动惯量，一般的永磁 同步电机多采用这两种形式的转子结构。内埋式转子结构的永磁体通常为条状，位于转 子内部，机械强度高，磁路气隙小，适于弱磁控制。本文以三相正弦波驱动的表面式永 磁同步电动机作为研究对象。 4 nk ( a ) 表面式( b ) 内嵌式( c ) 内埋式 图2 1p m s m 的不同转子结构 f i g 2 - ld i f f e r e n tr o t o rc o n s t r u c t i o n so f p m s m 第2 幸永磁同步电机的结构与数学模型 2 2 坐标变换原理 2 2 1 三相定子坐标系( a b c 系) 三相永磁同步电机的定子由三相绕组构成，其绕组轴线分别为a 、b 、c ，且彼此互 差1 2 0 。空间电角度。当定子通入三相对称交流电时，就产生了一个旋转的磁场。三相 定子坐标系定义如图2 - 2 所示，a 、b 、c 三个坐标轴互差1 2 0 。 图2 - 2 三相定子坐标系 f i g 2 - 2t h r e e - p h a s es t a t o rc o o r d i n a t e 2 2 2 两相定子坐标系( n p 系) 依据磁动势相等的原则，通常可以将三相坐标系简化为互相垂直的两相坐标系如图 2 3 所示。如果在由o r , 、d 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，效果和三相绕组产生的一样。因此可以由两相定子坐标系代替三相定子坐标系进 行分析，从而简化了运算过程。 2 2 3 同步旋转坐标系( d q 系) ， 如图2 - 4 所示，转子坐标系固定在转子上，其d 轴与转子磁极轴线重合，q 轴逆时 针超前d 轴9 0 。空间电角度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故也称 为同步旋转坐标系。 o 图2 - 3 两相定子坐标系 f i g 2 - 3t w o - p h a s es t a t o r sc o o r d i n a t e 图2 4 同步旋转坐标系 f i g 2 - 4s y n c h r o n o u sr e v o l u t i o nc o o r d i n a t e s 西安理工大学硕士学位论文 2 2 4 三相定子坐标系和两相定子坐标系之间的坐标变换 b 图2 5 三相定子坐标系和两相定子坐标系的关系 f i g 2 - 5r e l a t i o n s h i p so f t h r e e p h a s es t a t o ra n dt w o - p h a s es t a t o rc o o r d i n a t e s 图2 - 5 给出了三相定子坐标系和两相定子坐标系之间的关系，取a 轴与a 轴重合。 设三相绕组每相的有效匝数为n 3 ，两相绕组每相的有效匝数为n 2 ，各相的磁动势为有 效匝数与电流的乘积。假设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与两相总磁动势 相等时，两套绕组的瞬时磁动势在a 、1 3 轴上的投影应该相等。即： ：= 3 一3 c 。s 6 0 。一3 f cc 。s 6 0 。= 3 ( i a _ 1 i b 一三f c ) n ，：w b s i n 6 0 0 - w c 虹斛：萼n 隔_ i c ) 将上式写成矩阵形式得： r 1 一3 b j 一瓦 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 在保证矢量幅值相等的前提下，匝数比应为! n 堕2 = 詈，在保证变换前后总功率不变的 前提下，匝数比取詈，在本文以后的分析中均选择前一种模式，即；岂= ；。 定义噘为三相定子坐标系到两相定子坐标系的变换阵( 以下简称3 2 变换阵) ，可得 到： 6 一n狰一 一i ：笪： 第2 章永磁同步电机的结构与数学模型 c ，：三 为 3 1 1 1 22 o + 鱼一鱼 22 ( 2 4 ) ( 2 3 ) 可得： 州去矩 ， 川之蛳 ， 定义锈为两相定子坐标系到三相定子坐标系的变换阵( 2 3 变换阵) 可 噘= 詈 lo 13 22 1 3 22 2 2 5 两相定子坐标系和同步旋转坐标系之间的坐标变换 lp zj| 雾 | 。 l ( 2 7 ) 图2 - 6 两相定子坐标系和同步旋转坐标系的关系 f i g 2 - 6r e l a t i o n s h i p so f t w o - p h a s es t a l o ra n ds y n c h r o n o u sr e v o l u t i o nc o o r d i n a t e s 如图2 - 6 所示，旋转坐标系d 轴与定子坐标系口轴间夹角为口，用、表示、 可得： 屯=cos+如sin8(28) 7 西安理工大学硕士学位论文 = 一s i n o + i p c , o s 8 写成矩阵形式为：臣 = 。一c o 。m s o p s i n 。o 刊1 。知i 4 其反变换关系为； 乏 2 。c 。o 访s 曰0 - 。s i 。n 口8 臣 以上坐标变换同样适合于电压和磁链。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 2 3 永磁同步电机运动规律与数学模型 三相永磁同步电机采用三相交流供电，其数学模型比直流伺服电动机复杂得多，具 有多变量、强耦合及非线性等特点，所以控制较为复杂。因此，在分析永磁同步电机 时，可以忽略一些影响较小的参数，作如下假设： 1 忽略漏磁通的影响； 2 定予绕组星形连接，绕组电流为对称的正弦波电流； 3 。忽略电机涡流和磁滞损耗； 4 定子磁场在气隙中呈正弦分布，不考虑谐波和饱和； 5 永磁材料的电导率为零； 6 转子没有阻尼绕组； 永磁同步电动机的转子是永磁体励磁的，转子磁链矢量与转子磁极的位置一致，通 常采用d q 转子坐标系( 将d 轴固定在转子励磁磁通，的方向上，q 轴位于逆时针旋转 方向超前d 轴9 0 0 电角度，d q 坐标系与转子同步旋转) 进行定向，如图2 7 所示， 3 1 k | i ， i b v s b 愈 _ ；。；心 n t 多 。 z o 图”永磁同步电机矢量图 f i g 2 7v e c t o rd i a g r a mo f p m s m 可以得到p m s m 在两相旋转坐标系下的数学模型： 第2 章永磁同步电机的结构与数学模型 玑= 等一+ 墨 u = 誓j 撕恺 v d = l d i d + 妒f 妒q = l q 瓦= 三p 帆乇一。) = 三p 渺扇+ ( 岛一) 弛】 机械运动方程为： ，孥= 瓦一瓦一b 出 其中： 蚴、甜口 定子电压d q 轴分量。 屯、毛 定子电流d q 轴分量； 、虬 定子磁链d q 轴分量； l 、l 。定子绕组d q 轴电感； r 定子电阻； ， 转子永磁体产生的磁链； 电机的电磁转矩； 正 负载转矩； ， 转动惯量； b 摩擦系数； 国k 转子角速度； p 电机转子极对数 缈= p 转子电角速度； 由式( 2 z 2 ) 式( 2 】7 ) ，得到永磁同步电机的状态方程为： ( 2 z 2 ) ( 2 ，1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 z 6 ) ( 2 ，1 7 ) 9 西安理工大学硕士学位论文 击d 廊 硪。 d t d ( a m d t r s l p o j m o 仁 d 厶 “g 一毛 j ( 2 1 8 ) 对于转子结构为表面式的永磁同步电机而言，由于l 。= l q = 厶，且凸极率 p = l q = 1 。因此，通过坐标变换，可以得到静止两相坐标系( a p 坐标系) - f f g 压, 、 磁链和转矩方程： 阱严耻。蚍l 汀, o l 嘶嚣 功 = fu 。一b 净 = “一b 略弦 y ，= 。2 + 妒芦2 瓦= p ( g , d p v , p i ) 其中： “。、“口 定子电压a p 轴分量； 乞、 定子电流a p 轴分量； 矿。、，定子磁链a p 轴分量； 口 转子电角度； 工， 定子的自感； 1 0 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) o一o b 一， 二 bo丝，鹏以一岛川一， 第3 章直接转矩控制的基本原理及系统构成 3 直接转矩控制的基本原理及系统构成 直接转矩控制采用定子磁场定向和空间电压矢量的概念，观测磁链和转矩的实际值 与参考值的误差，通过滞环比较及定子磁链空间矢量的位置确定控制信号，从一个预制 的开关表中选择合适的定子空间电压矢量，进而控制逆变器的开关状态。直接转矩控制 摒弃了传统矢量控制中的解耦思想，不需要传统矢量控制里复杂的旋转坐标变换和转子 磁链定向，控制结构简单，转矩响应迅速，受电机参数变化影响小，能获得极佳的动态 性能。 3 1 逆变器模型与空间电压矢量的生成 电压型逆变器( v s i ) 供电时p m s m 绕组与逆变器开关器件连接关系如图3 - l 所 示，其中吃为逆变器输入侧的直流电压。 图3 1 逆变器供电的p m s m 驱动系统 f i g 3 - 1p m s m d r i v es y s t e mf e db yv o l t a g es o u r e ei n v e r t e r 逆变器每个桥臂的上下两个开关信号是互补的，即当t l 管有门极驱动信号导通 时，电机a 相电压“。= 2 3 吃，当t 4 管有门极驱动信号导通时，电机a 相电压 “。= 0 。若用三个开关信号s a 、s b 、s c 来表征逆变器中全部六个开关器件的通断状 态。设当某相开关信号为1 时。表示该相上桥臂的器件导通，为o 时表示下桥臂的器件 导通。则整个三相逆变器共有2 3 ；8 种开关状态。即( s a 、s b 、s e ) 为0 ( 0 0 0 ) 、 l ( 1 0 0 ) 、20 l o ) 、3 ( 0 1 0 ) 、4 ( 0 1 1 ) 、5 ( 0 0 1 ) 、6 ( 1 0 1 ) 、7 ( 1 1 1 ) 8 种开关状 态。把以上8 种状态分别称为状态o 、1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 。每一种开关状态对应的逆 变器的输出电压关系如表3 1 所示。 由表3 1 分析可知该逆变器开关状态1 - - 6 分别对应图3 2 中的6 个非零空间电压矢 量甜。0 0 0 ) 、u 2 ( 1 1 0 ) 、蚝( 0 1 0 ) 、( 0 1 1 ) 、蚝( 0 0 1 ) 、( 1 0 1 ) 。状态0 ，7 对应零电压矢量 u o ( o o o ) 、“，( 1 1 1 ) 。6 个非零空间电压矢量在空间互差6 0 。电角度，两个零电压 矢量u 。、u ，位于中心位置。假设电机a 相电压“。单独作用时形成的空间电压矢量位于 定子三相坐标系a 轴上，则不同开关状态下逆变器输出的空间电压矢量“可以作如下表 西安j 翌：r - 大学硕士学位论文 不： u ，= 2 3 v 女( s 。+ e 3 + p 。3 ) 2 -4 f 表3 - i 开关状态及逆变器输出电压 t a b l e3 - 1s w i t c hs t a t u sa n do u t p u tv o l t a g eo f i n v e r t e r ( 3 1 ) 逆变器状态 s a 、s b 、s c 甜甜w“a材“丑甜c o0 0 000oo00 11 0 0 矿。 0 。矿止 弘 一丢- 矿。 一土矿 3 。 21 1 00 r 士 矿出 矿。 矿。 一矿。 30 1 0 矿出p 出 o一上r 手y 。 一 y 。 40 1 l 。矿4 0 y 女 一矿 矿。 矿。 50 0 1o 。矿出y 女 一 矿+一 r 。 手矿。 61 0 l p 女 y 女 0 矿。 一矿_ 矿。 71 l l oo0000 s ， b s 2 6 1 。) ，1 1 2 ( 1 l o ) 、 ， 、 ，一； 眇1 1 ) 、弋一，u “1 0 。7 7。r 。 ，。 戳o ) m u , ( o o l 、 w 。t ，c s ， s 1 1 1 ) 图3 - 2 基本空间电压矢量 f i g 3 - 2b a s i cs p a c ev o l t a g ev e c t o r s 3 2 空问电压矢量对定子磁链和转矩的影响 根据电机的统一理论，电机的定子磁链在两相定子坐标系中可以表示为； 虬= f ( 虬一r , i , ) d t ( 3 2 ) 若忽略定子电阻r ，定子磁链可以直接用空间电压矢量的积分来表示： 第3 章直接转矩控制的基本原理及系统构成 虬* j ，面= 虬b + 。 ( 3 3 ) 也就是说，定子磁链虬的运动方向基本上是沿以进行的，其运动速度的快慢由电压 幅值k i 来确定因此，合理的选择非零矢量的施加顺序及时间比例，就可形成多边形磁 通轨迹，亦即逼近圆轨迹。当多边形的边数大于4 0 时，可以认为磁通轨迹近似为圆。 此处值得注意的是永磁同步电机的初始磁链并不为零，而是一个与永磁体磁链方 向一致的矢量。式( 3 3 ) 中，互是控制系统的采样周期，y 。是定子磁链的初始值。 从转矩的基本公式t = 丢p ( 虬) 可以推出永磁同步电机的转矩公式为： 二 乙= 裂阮k s i n 万制峨训s i l l 2 卅 ( 3 4 ) 其中眵j 为定子磁链的幅值，i 竹l 为转子永磁体磁链幅值，厶、厶为定子绕组d q 轴电 感，p 为电机极对数，6 为定子磁链与转子永磁体产生的磁链之间的夹角。对于表面式 永磁同步电机( l 。= l q = 丘) ，其转矩和磁链的表达式如下： 正= 者一p i ，| | 妒，i s 证占 ( 3 5 ) 由式( 3 5 ) 知，再保证定子磁链幅值恒定的前提下，通过改变定子磁链与转子磁链 的夹角艿可以完成对电机转矩的直接控制。 3 3 基于直接转矩控制的永磁同步电机交流伺服系统的构成 基于直接转矩控制的永磁同步电机交流伺服系统的结构如图3 。3 所示。整个控制系 统由磁链环、转矩环、转速环和位置环构成。通过检测逆变器输出电流f 、t ，经坐 标交换得到两相定子坐标系下的定子电流毛、乙，通过检测直流母线电压，和已 知的逆变器的开关状态经过电压重构得到两相定子坐标系下的电压“。、材。在通过磁 链、转矩观测器计算出磁链和转矩，分别与给定磁链和转矩进行比较，磁链和转矩的 比较输出与磁链所在区间共同决定电压矢量的选择。其中，转矩给定是通过对转速偏 差进行p i 调节后得到，而转速的给定值是通过对位置偏差进行p i 调节后产生的。 如图3 3 所示，整个永磁同步电机直接转矩控制系统由下面几个主要部分构成： ( 1 ) 磁链和转矩滞环比较器 ( 2 ) 定子电压重构 ( 3 ) 定子磁链和转矩观测器 ( 4 ) 空间电压矢量的选择( 即开关表) ( 5 ) 速度和位置计算 西安理工大学硕士学位论文 图3 - 3 基于直接转矩控制的永磁同步电机交流伺服系统的结构框图 f i g 3 - 3s t r u c t u r ed i a g r a mo f p m s m a cs e r v os y s t e mb a s e do i ld t c 3 3 1 磁链和转矩滞环比较器 在全数字化的直接转矩控制系统中，电机的磁链和转矩均采用滞环控制的方法。 fc v2 p s 一妒s 定义输入信号误差_ lq = t 一正 r 1 ， 调节器的输出标志0 、e = l o 如图3 - 4 ，以磁链滞环比较器为例，图3 - 4 ( a ) 中，帆为磁链调节器的给定值，虬为 磁链调节器的反馈值。磁链给定值虬与反馈值帆进行比较，当妒。一虬帆时，滞环 调节器输出标志乞为“1 ”，要求增大磁链；当一虬一妖时，滞环调节器的输出乃 为0 ，要求减小磁链；当一一虬时，转矩调节器的输出兄保持不变。 图3 - 4 0 ) 给出了电机的磁链调节波形。 需要说明的是，在采用数字控制的情况下，磁通和转矩在一个采样周期内都有一个 最小的变化量，这个变化量是由直流母线电压、三相定子电流、定子电阻以及电压状态 持续时间等决定的。因此，磁通和转矩的控制容差带比这个变化量更小时，容差带的存 在是没有意义的。故在实际应用中，磁链和转矩两点式调节器的容差一定要大于这个最 小变化量。 上述分析同样适用于转矩滞环比较器。 1 4 第3j e 皇接竺丝垄型箜查查墨墨墨墨丝苎壅 一一 ( a ) 磁链调节器 ( b ) 磁链波形 围3 4 磁链滞环控制示意图 f i g 3 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f f l u xc o n t r 0 1 3 3 2 定子电压重构 在如图3 1 所示的系统中，永磁同步电机的相电压“。、“。、可由直流母线电 压与电压型逆变器的三个上开关管函数西、s z 、屯计算得出。 永磁同步电机的三相电压可以表示为： 加 ( u “- - - - u a - - h n - i “s “一 嘞刮= r + t 等“s ( 3 石) l ：一= f c r + 厶譬+ 岛 式( 3 6 ) 中r 为定子电阻，t 誊定子自感，e a 、b 、& 为三相反电动势。将式 ( 3 6 ) 相加得： 如+ + 一3 = ( + + t ) 兄+ 丘堕学+ 邑+ b + 易 ( 3 7 ) 由于三相反电动势平衡且电机接成三相制无中线，则有： + 如+ t = o r e + 岛+ 艮= o ( 3 8 ) 将式( 3 8 ) 代入式( 3 7 ) 得电机的中点电压为： 蜥= l ( u + u s + u c ) ( 3 9 ) 那么永磁同步电机的各相的相电压可以表示为： r 甜。：蝴一；( + + ) = 詈叱一；一吾 肼：“。一；( “。+ + ) = ；“。一j 1 ”。一言 ( 3 1 0 ) 1 ：一u a + l l 。+ 蚝) = 詈一j 1 1 1 一j 1 而、甜口、与直流母线电压和逆变器三个上开关管函数丑、屯、岛的关系 为： r 蝴= 岛吃 = 岛 ( 3 1 1 ) 、u c25 3 吃 式( 3 1 1 ) 中8 1 、屯、屯表示v t l 、3 、v t 5 开关管在一个开关周期内的给定瞬 时相电压的占空比，则1 一量、l s 2 、1 - s 3 表示v t 4 、v t 6 、v r 2 开关管在一个开关周 期内的给定瞬时相电压的占空比。其中 、s ：、岛只能取0 或1 。因此由式( 3 1 0 ) 、式 ( 3 1 1 ) 可得： fu a i ，= c 詈岛一扣扣 = 屹( 詈如一扣扣 ( 3 1 2 ) l = 屹c 争 扣 3 3 3 磁链和转矩观测器 磁链和转矩的观测是实现高性能伺服控制系统的关键环节。目前常见的定子磁链观 测器主要有u i 模型、i - o a 模型、u - t o 模型。 u - i 模型也称电压模型 7 1 。如图3 - 5 所示，电压模型是根据式( 2 2 0 ) 、式( 2 2 1 ) ，通 过一个积分得到定子磁链在a b 轴上的分量。该方法的优点是计算过程中只用到定子电 阻这一个电机参数，模型简单，理论上很精确。但在电机实际运行中，当转速很低时， 定子电阻上的压降占输入电压的绝大部分，因此e = u 一识。接近零。这样测量误差将把p 掩盖掉，也就无法使用了。 图3 - 5 电压模型结构框图 f i g 3 - 5s t r u c t u r ed i a g r a mo f v o l t a g em o d u l e 为了克服u - i 模型在低速时的缺陷，产生了i - t o 模，亦称电流模型。此模型使用了 t 较多的电机参数，而电机参数往往随温度变化较大。在高速时，此模型的观测结果不如 1 6 第3 章直接转矩控制的基本原理及系统构成 电压模型准确。因此又出现了在全速范围内都适用的u - 0 0 模型。u ( ) 模型综合了以上两 种模型，低速时用i - t a 模型，高速时切换到“模型，这种模型实现复杂且存在平滑切 换的问题，而且不能摆脱i - 0 0 模型固有的缺陷。 综上所述，本系统采用电压模型对磁链进行观测。 3 3 4 空间电压矢量的选择 为了方便空间电压矢量的选择，我们将电压矢量平面分为如图3 - 6 所示的6 个6 0 0 扇区，分别用s 足表示。定子磁链位于不同的扇区时，各个空间电压矢量所产生作用 是不同的。由图3 3 可以看出，在完成了对磁链和转矩的一系列计算后，需要根据磁链 调节器和转矩调节器的输出来选择空间电压矢量。空间电压矢量的选择要同时满足磁链 和转矩的双重要求。 ，。 粼 歹 一。，$ 嗲j 。j 卜、“( 1 0 0 ! ，； 溲 r 、缴 】：= ! ! 夕：， ! 图3 - 6 用于直接转矩控制的空间电压矢量平面 f i g 3 - 6s p a c ev o l t a g ev e c t o rp l a n ef o rd t c 以当前定子磁链运行在最扇区中并按逆时针方向旋转为例，每在空间电压矢量对磁 链和转矩的影响见表3 2 。 在实际系统中，实际磁链、转矩与其给定值之差经滞环比较器后可得到两值o 、1 的 控制信号，其中o 表示实际磁链、转矩值大于给定值，要求减小磁链及转矩值。相反，1 表示实际磁链、转矩值小于给定值，要求增加磁链及转矩值。仍以定子磁链运行在屯扇 区中并逆时针运转为例，若磁链滞环比较器的输出标志兄为l ，表示要增大磁链值，可 选和地；若转矩滞环比较器的输出标志c 为0 ，表示要减小转矩值，可选矢量和 蚝。综合考虑，满足增大磁链病减小转矩以实现逆时针运行的空闯电压矢量是毡。依此 类推，可得到空间电压矢量选择表3 3 。 1 7 西安理工大学硕士擘位论文 表3 - 2 各空间电压矢量在第二扇区中的作用 t a b l e3 - 2e f f e c to f t h es p a c ev o l t a g ev e c t o ri ns e c t o r t w o 空间电压矢量磁链幅值转矩 “l 增加减小 “2 大幅增加缓慢增加 屿 增加增加 地 减小增加 蚝 大幅减小缓慢减小 减小减小 表3 - 3 空间电压矢量选择表 t a b l e3 - 3s w i t c h i n gt a b l eo f s p a c ev o l t a g ev e c t o r 巴只s 是 墨只s瓯 o 辑( 0 0 1 )u 6 0 0 0u , 0 0 0 ) i t 2 ( 1l o )u 3 ( 0 1 u , ( 0 1 1 ) o l u 3 ( o 蝴( 0 1 1 )蚝( o o t )u 6 ( 1 0 0u , 0 0 0 )啦( 1 1 0 ) 0 u 6 ( 1 0 1 )0 0 0 )u 2 ( 1 1 叭u 3 ( o l o )( 0 1 1 )u , ( 0 0 0 1 1 2 ( 0 0 1 )u 3 ( o l o )u , ( 0 1 1 )u s ( 0 0 1 )u 6 ( 1 0 1 )u l ( 1 0 0 ) 3 4 改进算法 3 4 1 空间电压矢量脉宽调制技术( s v p w m ) 空间电压矢量脉宽调制( 即磁通正弦p w m ) 与常规正弦p w m ( s p w m ) 技术不 同，它从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得恒定的圆形磁场，即正弦磁通。 s v p w m 是以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆为基准，用逆变器不 同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由他们比较的结果决定开关状 态，形成p w m 波。该控制方法把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得模型简 单，便于进行微处理器的实时控制，并具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高的优 点【7 】【8 l 。 s v p w m 的调制是将电机a p 坐标系上的两个正交电压向量“。和u 。作为空间矢量 信号实时调制的给定。由空间电压矢量s v p w m 的原理知道，算法的关键是空间电压 矢量扇区判断和作用时间的计算。 1 8 第3 章直接转矩控制的基本原理及系统构成 具体算法步骤如下： i ) 判断矢量所在区间： 通过分析和的关系，可得到如下规律： i f o a = le l s e a = o i f 3 圪 o b 2 le l s eb 2 0 i f 一3 一 o c 2 1e l s ec 2 0 因此，空间电压矢量所在区间：n = a + 2 b + 4 c ( 3 1 3 ) 2 ) 确定空间电压矢量的作用时间： 图3 7 所示为空间电压矢量分布图，相应扇区中有两个非零矢量和零矢量共同作 用。 u 4 ( 0 1 】) 图3 7 空间电压矢量分布图 f i g 3 - 7s p a c ev o l t a g ev e c t o rd i s t r i b u t i o n 假定合成的矢量虬落在第3 扇区，如图3 8 所示，此时矢量由u , ( 1 0 0 ) 、 成，定义五、五为一个p w m 周期r 中0 0 0 ) 、 1 2 ( 1 i o ) 两个向量的作用时间， 量作用时间，有： 五+ 正“2 + 瓦“o = t u ， 疋 丁 o o ) 知 图