（电力电子与电力传动专业论文）电梯专用永磁同步电机变频器的设计研究.pdf

a b s t r a c t e l e v a t o rs p e c i a li n v e r t e ro c c u r sa l o n gw i t ht h ei n c r e a s e so fb u i l d i n g i ts a t i s f i e s t h ed e m a n do fe l e c t r i cp o w e rd r a gs y s t e mu s e di nh i g hp e r f o r m a n c ee l e v a t o r s a tt h e s a m et i m e ，p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) b e c o m e st h em a i n s t r e a m o fn e we l e v a t o rd r a gs y s t e mf o ri t sa d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l yt o r q u ec o n t r o l ，s m a l l b u l ka n dh i g he f f i c i e n c y as u i to fe l e v a t o rs p e c i a li n v e r t e re x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s d e s i g n e db a s e do nl u c u b r a t i n gi nc o r r e s p o n d i n gt h e o r i e s m a t h e m a t i c a lm o d e lo f p m s mi sa n a l y z e dw i t l lv e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l eo f m o t o r , a n dt h e nt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nm o t o rc o n t r o ls y s t e mm o d c li sb u i l ti nm a n a b b a s e do ns p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ( g p c ) i sa p p l i e di nc u r r e n tc i r c u i tt of o r m p r e d i c t i v e - p i ( p p i ) a d j u s t e r g p ch a st h ec h a r a c t e r so f r o l lo p t i m i z a t i o na n df e e d b a c k r e v i s e , s oi tc a 丑o v e r c o m et h ee f f e c to fl a gt i m ea r o s ef r o ms e n s o rm e a f i a l r e n e n t a r i t h m e t i cr u n n i n ga n ds oo n p p ic o m b i n e st h em e r i t so fg p ca n dp i i ti se a s yt o b u i l ds i m u l a t i o nm o d e lw i t hs i m p l ya r i t h m e t i ca n dh i g hr e l i a b i l i t y s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo f p p ii sb e t t e rt h a np 1w i t ha p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s s e u s o r l e s sc o n t r o ls t r a t e g yi ss t u d i e do nt h eb a s i so fs l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t u r e ( s m v s ) o b s e r v e r f i r s tm e a s u r et h ep h a s ec u r r e n t sw h i c ha r et r a n s f o r m e d u n d e rt h eu bc o o r d i n a t e s ，t h e nd e s i g nt h es m v so b s e r v e rb a s e do nt h em o t o r s e l e c t r o m a g n e t i ce q u a t i o n st oe s t i m a t et h er o t o r sv e l o c i t ya n dp o s i t i o n t h e o r e t i c a l a n a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em e t h o dh a sb e t t e rf o l l o w i n gq u a l i t y d u r i n gt h es t a r t a p ，f a s t e rc o n s t r i n g e n c yo fv e l o c i t ye s t i m a t i o na n db e t t e ra b i l i t yo n r e s i s t i n gt h ed i s t u r b a n c e so f l o a d ，s oi tc a ni m p r o v et h er o b u s t n e s so f t h es y s t e m d e a d - t i m ei sc o m p e n s a t e da c c o r d i n gt ot h eo u t p u tr e f e r e n c ev o l t a g ev e c ? t o ra n d p h a s e c u r r e n t s f i r s ta c q u i r ed e a d - b a n dv o l t a g eb yj u d g i n gt h ec u r r e n t s d i r e c t i o n , a n d t h e nc o n f l l n lt h ep h a s et ob ec o m p e n s a t e dd u et ot h eg i v e nr e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o r s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a ti tc a nc o m p e n s a t et o r q u ea n dc u r r e n te x c e l l e n t l y t h ee l e v a t o rs p e c i a li n v e r t e ri sd e s i g n e dw i t ht h ec o r eo fm o t o rc o n t r o ld s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a c o m b i n i n gr e l a t e dh a r d w a r e k e yw o r d s ：e l e v a t o r , i n v e r t e r , d e a d - t i m e c o m p e n s a t i o n , s l i d i n gm o d ev a r i a b l es r a c t u r e ；p r e d i c t i v e p i d s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他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。 一躲却老许咿。6 年月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞叁茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文名：辱林 签字日期：力影年月8 日 导师签名： 州7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 变频器国内外研究现状 变频器作为当代高科技产品，具有高效、节能和智能自动化的特点，长期以 来一直受到国内外科技界、产业界的密切关注，已得到高速发展，广泛应用于各 行各业。变频器之所以受人瞩目，是因为它能根据负载的变化使电机实现自动、 平滑的增速或减速，同时具有效率高、范围宽、精度高及无级调速的优点，是交 流电机最理想的调速方法【l 】。 从2 0 世纪6 0 年代后期开始，电力电子器件从s c r ( 晶闸管) 、g t o ( 门极可 关断晶闸管) 、b j t ( 双极型功率晶体管) 、m o s f e t ( 金属氧化物场效应管) 、 s i t ( 静电感应晶体管) 、s i t h ( 静电感应晶闸管) 、m g t ( m o s 控制晶体管) 、 m c t ( m o s 控制晶闸管) 发展到今天的i g b t ( 绝缘栅双极型晶体管) 、h v i g b t ( 耐高压绝缘栅双极型晶体管) 、i g c t ( 集成门极换流晶闸管) ，器件的更新 换代促使电力电子技术不断发展剐。从发展趋势来看【5 】，g t o 将逐渐过时，较 低功率被i g b t 取代，较大功率被i g c t 取代。i g b t 自1 9 8 3 年问世以后发展的非常 快，目前市场化器件已高达3 5 0 0 v ，1 2 0 0 a ，以i g b t 为核心的智能功率模块( i p m ) 内部集成了驱动保护电路，其容量达至u 1 2 0 0 v ，8 0 0 a 。i g b t 能够高速开关，载 波频率最大可达2 0 k h z ，降低了输出电流脉动，可近似于正弦波平滑调速；导通 关断时间缩短，使得死区时间减少，提高了电流控制性能；饱和电压和损耗减小， 因而可以大幅度缩小变频器的体积。 从2 0 世纪7 0 年代开始，脉宽调制变压变频( p w m - v v v f ) 调速研究引起了 人们的高度重视。该方法将不可控整流和p w m 逆变技术结合，组成交直交变频 装置【删：不可控整流器使电网功率因数与逆变器输出电压无关而接近1 ；逆变器 同时实现调压调频，与中间直流环节无关，能够抑制或消除低次谐波、降低电机 转矩脉动、扩展调速范围、提高系统性能。2 0 世纪8 0 年代后期，美、日、德等发 达国家的v v v f 变频器已经开始投入市场并广泛应用。但这种控制方式是从交流 电机稳态等效电路和稳态转矩公式推导出的稳态控制规律，完全不考虑过渡过 程，做出很多假设，忽略较多因素，这就使得理论分析和实际效果相差很大。例 如在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出 转矩减小；另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速 性能都还不尽如人意。因此，许多专家学者致力于新的交流调速方案的研究。矢 量控制是1 9 7 1 年由德国b l a s c h k e 等人提出的1 9 1 ，该理论从异步电机多变量、强耦 第一章绪论 合、非线性的实际特点出发，以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标系，利 用坐标变化把电机定予电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量。通过这种方法 建立的交流电机模型可以等效为直流电机进行快速的转矩和磁通控制。随后，德 国西门子公司、日本安川及三菱公司、美国罗克韦尔公司纷纷推出了矢量控制变 频器。国外变频器之所以能高速发展，主要有如下因素：( 1 ) 市场需求；( 2 ) 功率 器件的发展；( 3 ) 控制理论和微电子技术的发展：包括矢量控制、磁通控制、转 矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；同时，数 字信号处理器( d s p ) 和特定专用集成电路( a s i c ) 技术的高速发展，为实现 变频器高精度和多功能化提供了可靠硬件，并进一步扩大了变频器的应用领域； ( 4 ) 基础工业和各种制造业的高度发达，变频器各相关配套部件的社会化、专业 化生产，为变频器的整体性能和质量提供了保证。 9 0 年代，随着中国国内各行业节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普 及，在空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、纺织等行业有十分广阔的 应用空间。近几年来国内变频器市场每年增长都在1 5 以上。就功率来区分变频 器市场，大致可分为大、中、小三个领域，从产品容量来看，大功率占市场份额 的5 1 0 ，中小功率占9 0 9 5 。其中2 2 0 k w 以上的变频器基本由德国西 门子，法国施耐德，美国a b 、g e 、罗克韦尔，瑞典a b b 等企业垄断；而中小容 量的8 5 为日本产品占领，如富士、安川、三垦、日立、东芝、三菱、松下等产 品。国内生产厂家发展速度也比较快，通过几年的努力，在国内交频器市场逐渐 占有了一席之地，较知名的有深圳艾默生( 原华为安圣) 、普传、安邦信、四川 佳灵、森兰、烟台惠丰、南京耐特等。虽然国内变频器厂家在产品的科研开发、 工艺设计、加工制造能力等方面有了长足进步，但与国外大公司比，还有较大差 距。目前国产变频器主要是低压( 4 0 0 v ) 小容量( 3 1 5 k w 以内) 产品，而对功 能先进( 含矢量控制、直接转矩控制) 、高电压( 3 0 0 0 v 以上) 、大容量( 1 0 0 0 k w 以上) 变频器，尚处于研制阶段。而且，变频器核心部件半导体功率器件的 生产几乎是空白，不得不依靠进口。 随着控制理论和制造工艺的进一步发展，变频器的应用将朝着以下方向发 展： 一矩阵式变频器 矩阵式交一交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解 电容。它能实现功率因数为l ，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密 度大，并能实现轻量化和长寿命运行。矩阵变频器也可以有效地进行输入电源电 流控制与输出电压控制。另外在再生制动方式的工作中，矩阵变频器不需要制动 电阻或特殊的变换器。 第一章绪论 二网络化配置变频器 网络化配置的变频器具有以下显著特点：( 1 ) 高精度的频率设定；( 2 ) 远程控 制与工厂信息化的基本要素；( 3 ) 远程诊断系统。通过网络设定频率是一种高精 度的频率设定，具有通讯速率高，稳定可靠，接线简单等优点，不需要转换，没 有误差。变频器经常被用于系统复杂、工作环境恶劣、高负荷、长时间运行的工 况中，有必要对其实现在线工作状态的监测以及常规故障机理的综合分析研究， 以便对其故障事先诊断分析。采用通讯方式，可以通过p c 机来方便地进行组态 和系统维护。 三无速度传感器矢量控制变频器【i o 】 在矢量控制变频器中，转速闭环控制环节必不可少，通常是采用光电编码器 等速度传感器进行转速检测，但因此给调速系统带来一些缺陷：系统硬件成本大 大增加；光电编码器与电机轴之间存在同心度问题，安装不当影响精度；增加转 子轴上的转动惯量，加大电机体积，给电机维护带来困难，降低系统鲁棒性；环 境适应性不强。因此无速度传感器变频器的研究成为热点。1 9 8 3 年j o e t t e n 首次将 无速度传感器理论应用于矢量控制，其后国内外掀起了一股研究热潮，提出了很 多方法：基于电机电磁关系的动态转速估计器、基于电机特殊特性分析的凸极跟 踪法、各种观测器估计法、基于智能控制的估算法。 四永磁同步电动机变频器 同步电动机已成为交流可调传动中的一颗新星，特别是正弦波永磁同步电动 机( p m s m ) 。采用同步电机可以大大降低电机尺寸，输出高效率转矩。由于p m s m 转子磁场的方向与转子位置一致，所以按转子磁链定向矢量控制实现比异步电机 简单，适合矢量控制变频器。 1 2 交流电机的发展 随着矢量变频技术的发展，交流电机也不断更新变化。先进的c a d 技术和 电机材料的改进使电机具有更低的成本、更高的效率，同时可靠性和功率密度得 以提高。 鼠笼式感应电机将在很宽的功率范围内保持其主力电机的地位。因为感应电 机结构简单，维护工作量小，转动惯量小，动态响应快。但也存在如下一些缺点： 异步电机需要从定子侧励磁，功率因数低，以致变频装置输入的功率因数也低； 转子参数受温度影响较大，降低了控制精度；为提高其功率因数需尽量减小定转 子间气隙，使得制造困难。由于三相异步电机的大量使用，交流电网的功率因素 普遍偏低，所以同步电机诞生并开始发展【l l 】。 第一章绪论 同步电机的特点是转速由定子电流频率和极对数决定，只要电源频率不变， 电机转速就不变，但是存在起动困难和重载失步的缺点。电力电子技术及计算机 技术的发展使得同步电机能够广泛应用于调速领域。变频器可以解决起动困难的 问题，以d s p 为核心的转速闭环控制解决了失步问题。其中，永磁同步电机在小 功率运动控制系统中已经得到重视和广泛应用。p m s m 不需要励磁电流，逆变器 供电情况下，无需阻尼绕组，效率和功率因数都比较高，定转子气隙大，而且体 积较之同容量的异步电机小【1 2 1 。p m s m 的矢量控制系统能够实现高精度、高动态 性能、大范围的速度和位置控制，非常适合电梯驱动。 1 3 电梯控制技术 随着城市建设不断发展，高层建筑不断增多，电梯在人们的日常生活中的应 用越来越广泛。电梯是机电一体用于高层建筑的复杂运输设备，在垂直升降运行 过程中，需要频繁的起动和制动，运行区间短，经常处于过渡过程运行状态。电 梯负载经常在空载和满载之间随机变化，考虑到乘客乘坐电梯的舒适感以及平层 精度，必须限制最大运行加速度和加速度变化率。 从1 9 世纪直流电动机系统问世，直至2 0 世纪前半叶，高性能电梯都采用直流 电动杌拖动【l ”。因为直流电动机拖动系统调速范围宽且控制方便、灵活、快捷。 但同时也存在体积、重量、能耗大，结构复杂、价格昂贵、可靠性差等缺点。随 着微电子技术和电力电子技术的发展和完善，交流调速技术日趋成熟；加之电梯 用户对电梯的平稳性、平层精度、节约能源以及减小机房面积的要求日趋强烈， 电梯控制技术逐渐转向交流调速【1 4 】。 交流调速电梯先后经历了异步电机交流调压电梯、异步电机交流变压变频电 梯、同步电机变频电梯三个阶段。交流变频调速电梯和其他控制方式电梯相比具 有如下特点【l 习：( 1 ) 能源消耗低。交流电机的速度与供电频率有关，电机起动 电流随频率和速度的增加逐渐升高，产生热量相当小，无需在机房内安装通风降 温系统；( 2 ) 电路负载低，所需紧急供电装置小。加速阶段起动电流小于2 5 倍 的额定电流，峰值时间短，故功耗减小，相应紧急供电装置也较小；( 3 ) 可靠 性高，使用寿命长。交一直交变频器所用元器件性能可靠、经久耐用，电机转速 调节不会增加电机发热，使电梯运行性能非常可靠；( 4 ) 舒适感好。运行过程 中驱动系统具有良好的调节性能，跟随最佳给定的速度曲线运行；( 5 ) 平层精 度高。采用d s p 控制系统和现代传感技术，在整个运行期间准确地给出位置信号 并且精确的按楼层距离直接停靠；( 6 ) 运行平稳噪声小。因为变频器输出始终 为一个失真小的正弦波供电电流，电机转矩脉动小，从而降低了振动和噪声。 第一章绪论 1 9 9 6 年，交流永磁同步无齿轮曳引机驱动的无机房电梯出现，电梯技术又一 次革新。永磁同步无齿轮曳引机没有异步电机所需非常占地方的定子线圈，而永 磁同步电机的主要材料是高能量密度、高剩磁感应和高矫顽力的钕铁硼，其气隙 磁密一般达n o 7 5 t 以上，故可做到体积小和重量轻。因此，以永磁同步电机作 为被控电机的电梯专用变频器成为研究热点。 1 4 本课题意义及研究内容 能源的有效利用关系到国家经济的可持续发展，具有非常重要的战略意义。 中国经济目前正处于高速发展时期，对能源的需求量非常大，但是能源利用率很 低。国家正大力推广变频调速技术，改造现有落后设备，提高生产、加工过程的 效率，降低能源损耗【1 6 】。因此，变频器市场存在广阔的前景，然而国内变频器 行业的发展水平还比较低，市场占有率更是远远不如国外同类产业。因而本课题 的研究能够有力的促进国产变频器的大力发展，提高市场竞争力。同时，电梯行 业的迅速发展促使交流调速领域发生了日新月异的变化。电梯专用变频器在世界 范围内尚处于初始阶段，国内几乎是一片空白【l7 1 。目前，电梯专用变频器完全 被国外公司所垄断，价格相当昂贵，如：艾默生t d 3 1 0 0 ，安川6 7 6 g l 5 一l r 。将 永磁同步电机引入电梯交频器，可以真正实现无机房电梯，成为国内外共同研究 的重点和难点。该课题研究不仅具有实际的市场需求，而且具有较高的理论研究 水平，涉及交流调速理论、电梯运行原理以及电机控制技术。 本课题针对电梯运行要求，重点研究永磁同步电机模型建立及变频器的原理 分析和软、硬件设计。具体包括下列内容： 1 阅读大量文献资料，深入研究永磁同步电机模型、变频器原理及电梯运 行特性等相关知识。 2 。建立数学模型。根据电机矢量控制原理建立易于实现的数学模型。需要 建立一个与永磁同步电动机转子同步旋转的d - q 坐标系，让d 轴与转子磁极重合， 把p m s m 定子的各参量都转化到该旋转坐标系下。定子电流矢量始终控制在q 轴上，使其无d 轴分量。这样，p m s m 的电磁转矩只与定子电流的幅值i ，成正比， 这和直流电动机的控制原理相似，能得到很好的控制性能。 3 搭建实验平台。以1 1 公司的d s p l m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心，以不可控 功率二极管组成三相整流桥，以智能功率模块( 口m ) 为功率变换装置，被控对 象为永磁同步电机。在此基础上，用电流传感器构成电流内环，用光电码盘构成 速度外环，以实现自控式永磁同步电动机矢量变频双闭环调速系统。 4 电机起动和转子初始定位分析。起动阶段p m s m 还未达到同步转速，定 第一章绪论 子合成旋转磁场与转子磁极有相对运动，在一个周期内电磁转矩的平均值为零， 即无平均电磁转矩，不会使转子加速，电机无法自行起动。所以转子的初始定位 显得尤为重要。通过比较各种起动控制策略，提出一种简单有效的转子定位方案。 5 仿真和实验。用m a t l a b 对所建模型进行仿真，验证控制策略并确定 实验参数；根据理论分析，用汇编语言编程实现s v p w m 算法。分别进行软、 硬件调试，最终进行整机调试，不断改善变频器的运行性能。 第二章p m s m 控制策略 2 1p m s m 模型 第二章p m s m 控制策略 正弦波永磁同步电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，定子绕组通三相交 流电，与永磁转子的磁场相互作用产生电磁转矩带动电机转动。与异步电机不同 的是，当定子电流频率固定时，转子转速与其保持严格同步【1 l l ： 、 拧：6 0 f ( 2 1 ) p 。 其中，f 为定子电流频率，p 。为电机极对数，n 为同步转速。 电梯属位能负载，即使在没有转速时也处于全载状态，起制动时要求快速的 转矩响应，因此矢量控制比恒压频比方式更适合。正弦波永磁同步电机一般没有 阻尼绕组，转子磁通由永久磁钢决定，恒定不变，故可以采用转子磁链定向矢量 控制。选用两相旋转d - q 坐标系，d 轴与转子磁链重合，q 轴超前d 轴9 0 0 ，把 p m s m 各参数都转化到d - q 坐标系，得到定子电压、定子磁链和转矩方程： “j = r ，i d + p d 一留矿。 ( 2 2 ) u 口= r ，i q + p + 彩d ( 2 - 3 ) i ，d = l d l d + vr = 厶 = 三p 。( y 。一y 。) = i 3 p 。砂，+ ( 上。一，) 屯】 式中 、“。定子电压矢量的d 、q 轴分量： 、定子电流矢量的d 、q 轴分量； d 、定子磁链的d 、q 轴分量； 厶、厶定子绕组d 、q 轴电感： ”转子永磁体在定子上的耦合磁链； e 定子电阻； ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 第二章p m s m 控制策略 出转子角频率； p d d t ，微分算子。 在基频以下的恒转矩工作区中，控制定子电流矢量位于q 轴上，即令h = o ， i a = i | ，则定子电流全部用于产生转矩，此时的电压、磁链和转矩方程变为【1 1 】【1 8 】： = 一越。 ( 2 - 7 ) 2 4 9 = e + 三日p i ，+ r a g ， ( 2 - 8 ) = 炸( 2 - 9 ) = ：q , 气 瓦= 三以， 这种控制方式最简单，因为”恒定， ( 2 - l o ) ( 2 1 1 ) 电磁转矩与定子电流的幅值成正比，即控 制定子电流的幅值，就能很好的控制电磁转矩，和直流电机的原理类似。图2 1 a 绘出按转子磁链定向并使i d = 0 的p m s m 矢量图。这种情况下，只要能准确地检 测出转子d 轴的空间位置，控制逆变器使得三相定予合成电流( 磁动势) 矢量处 于q 轴即可。 如果需要在基频以上调速，则最简单的办法就是利用电枢反应削弱励磁，使 i d 方向和妒，相反，起去磁作用，此时的矢量图如2 1 b 所示。但是，由于稀土永 磁材料的磁导率和空气相近，磁阻大，定转子之间有效空隙大，需要较大的定子 电流直轴分量，因此运行效果很差，只可短期运行。 h ji l l 飞 掣r o 迥j 。j t t i f - j1 1 q 入 ：一 l ，r i a o： 图2 - 1 按转子磁链定向p m s m 矢量图 按转子磁链定向弗使驴= o 的p m s m 矢量变频调速系统原理框图如图2 2 所 第二章p m s m 控制策略 示。因为定子电流与转子永磁磁通相互独立，故该控制系统简单，转矩恒定性好， 脉动范围小，可以获得很宽的调速范围，适用于对舒适感和平层精度要求高的电 梯应用。但是当负载增加时，定子电流随之升高，使得气隙磁链和定子反电动势 都加大，迫使定子电压上升。为了保证足够的电源电压，变频器要求有足够容量。 同时，负载增加也会导致定子电压和电流矢量的夹角增大，造成功率因数下降， 降低了p m s m 的利用率。因此，该调速方法只能应用于中小容量系统。 图2 - 2h = o 的p m s m 矢量控制变频调速系统原理图 2 2 预测p l 电流控制器 调节器的设计关系到系统运行性能好坏，是本文研究重点之一。如图2 2 所 示，速度给定信号与速度反馈值比较后，经转速调节器a s r 产生电流给定信号， 该信号与电流反馈值比较之后，经过电流调节器a c r 和坐标变换产生控制p w m 脉冲的电压信号，从而控制逆变器功率器件的通断实现对定子电流的控制。 在p m s m 调速系统中，电流控制主要采用四种策吲1 9 】：滞环比较、固定开 关频率控制、p i 调节器以及预测控制。前两种方法为固定结构，后两种为同步 结构。滞环比较控制具有快速暂态响应和原理简单的优点，但是用于变频控制系 统时，功率器件开关频率高且不断变化。固定开关频率控制能够限制最大开关频 率，但该法具有低通滤波器的特点，所以稳态时向量的幅值和相位均有明显滞后。 为克服这类滞后误差，通常采用p i 电流调节器。电流控制是在d q 同步旋转坐 标系上进行的，输入和输出都是直流量。同时补偿反电动势和实现解耦控制，以 加快暂态响应和降低稳态误差。预测控制不需要被控对象的精确数学模型，利用 数字计算能力实行在线滚动优化，开关频率由参考输出电压决定，电机相电流跟 第二章p m s m 控制策略 随参考电压变化。该方法暂态响应快，无稳态误差。 在电梯控制中，快速性是主要指标，当电机定子电流产生扰动时，必须迅速 进行调节，以降低转矩脉动；同时稳态时要达到电流无静差，故目前电流调节器 均采用p i 控制。但在变频控制过程中，由于传感器检测、s v p w m 算法运行等 因素的影响，不可避免地会产生一定滞后，当滞后时间相对调制周期不可忽略时， 就会影响控制性能；同时在系统运行过程中，电机参数会产生变化，导致模型失 配。所以，本文将预测控制和传统p i 控制相结合，通过预测控制不断地在线辨 识克服建模误差和超前预测补偿滞后时间的影响，构成预测p i 电流调节器1 2 们。 2 2 1 预测p l 控制器设计 预测控制以计算机为实现手段，是一种基于模型、滚动优化并结合反馈校正 的优化控制算法。常用的控制算法包括：动态矩阵控制( d m c ) 、模型算法控制 ( m a c ) 、广义预测控制( g p c ) 。g p c 与d m c 、m a c 不同，采用最小化参数 模型，描述系统的参数数日少，计算量较小，易于在线实现。因此，在调节器的 设计中，我们采用广义预测控制。 广义预测控制( g p c ) 基于传统参数模型，以广义最小方差为基础，引入多 步预测思想，保留了自适应控制方法的优点，具有较强的抗负载扰动、随机噪声 和时延变化的能力以及更好的鲁棒性。在g p c 中，采用最小方差控制中的受控 自回归积分滑动平均( c a r i m a ) 模型描述对象口1 】阎： a ( z 1 ) y ( f ) = 8 ( z - 1 ) 甜( f - 1 ) + 善o ) ( 2 - 1 2 ) 其中：a ( z - 1 产l + a l z 1 + + a i l 一；b ( z - 1 ) - b o 岫1 2 1 + + b m z 叶n ；a = i z - 1 。 y ( t ) 、u ( t ) 和；( t ) 分别是被控对象的输出、输入和扰动，z 1 表示前一个采样周期的 相应量，为差分算子。假定电流环的滞后时间常数为l ，且l l m ，因此可以 把b ( z 1 ) 式中的b o 、b l b l - l 设置为零。不考虑扰动的影响，即；( t ) = 0 ，并令 e ( 0 = y ，( t ) - y ( t ) ，y ，( t ) 为调节器的参考输出给定。 为了利用( 2 1 2 ) 式得到最优预测值，引入d i o p h a n f i n e 方程】幽嘲： 1 = e ，0 - 1 ) a a + g - j f 0 - 1 )( 2 - 1 3 ) e ，( ：一1 ) b = g j ( z 一) + z o h ，( z 一1 ) ( 2 - 1 4 ) 其中：e j ( z - 1 ) = l + 口t z - 1 + + p h z 一川；乃0 一) = 乃，o + 乃，i z - 1 + + 一z 一； q ( z - i ) = g 川一；q ( z 。) = h ，z ，一l 一i 第二章p m s m 控制策略 对于预测长度j 的输出： ) ，( f + ，) = g j a u ( t + j 一1 ) + e y ( t ) + 日，甜( f 一1 ) 为了将g p c 与p i 相结合，需要在性能指标中引入输出增量预测变量， 性能指标函数： n 2 “ ，= 【砸+ j ；) - y ，+ 纠+ 五【甜( f + - ，一1 ) 】2 ( 2 - 1 5 ) 则t 时刻 ( 2 - 1 6 ) 其中n 为预测域长度，n c 为控制域长度，k 为控制加权系数。将上式用矢量形 式表示： ，= 【】砸+ 1 ) 一i ( f + 1 ) r 【】，( f + 1 ) 一r a t + 1 ) 】+ l a w ( t ) 7 a a u ( t ) 】( 2 - 1 7 ) 其中：r a t + 1 ) = 【y ，( f + 工) ，y ，o + 工+ 1 ) ，y ，o + ) 】r ；y o + 1 ) = g a u ( t ) + y o ( t ) ； k ( d = h ( z 1 ) a u ( t - 1 ) + f ( z - 1 ) y ( ，) ；a = d i a g ( 3 a ，如，- 一，旯一) 。 将( 2 1 7 ) 式对a u ( 0 求导，得到使性能指标j 最小的控制律： a u ( t ) = ( g 7 g + 人) 1 g r 【耳( f + 1 ) 一y o ( t ) 】( 2 - 1 8 ) 在每一个时间间隔，控制向量u 向后推出控制时域n 步的值，所以在这种递推时 域的实现中，只有控制向量u 的第一个元素才是当前时刻值。这种实现可以表示 成线性的形式，( g 7 g + 人) - 1 g 7 的第一行记为 s l ，s n ，所以： “p ) = 甜p 1 ) + 工j ，y ，( f ) 一s ， _ a u ( t - 1 ) + f i , o ) ，( f ) 】 ( 2 - 1 9 ) = l，= l 又常规p i 控s u 器a u ( t ) = k v ( f ) - e ( t - 1 ) + k i e ( t ) ，与( 2 1 9 ) 式相比较可得到比 例、积分系数的表妣耳= 篱芸_ ，蜀= 耆j 。 2 2 2 仿真分析 根据上面的推导，用m a t l a b 对设计的预测p i 调节器进行仿真试验分析。建立 的动态仿真模型如图2 3 所示。仿真用到的永磁同步电机参数设置如下：定子相 绕组电阻心= 1 8 7 5 1 2 ，定子d 轴电感l d = 8 5 e 3 h ，q 轴电感l q = 8 5 e 3 h ，转动惯量 j = 0 8 e 3 k g m 2 ，极对数p = 4 ，转子磁通、l ，f = 0 1 7 5 w b ，粘摩系数b 。= 0 3 6 8 e 3 n m r a d s 。 其他仿真参数如下：n = 1 0 ，n o = 3 ，k p - 5 0 ，k i _ 2 3 ，k 和l 是可调变量。同时还设 计了传统p i 调节器，即将图2 3 中的p p i 模块用p i 代替，对两种模型的实验结果进 第二章p m s m 控制策略 行比较分析。 图2 - 3p m s m 预测p i 调节器仿真模型 ( a ) p i 调节器 ( a ) p i 调节器 图2 - 4 转速响应曲线 图2 5 电机相电流波形 ( b ) 预测p i 调节器 ( ”预测p i 调节器 图2 4 为给定转速1 0 0 r p m 时的速度响应曲线，负载转矩初始为i n m ，0 1 s 时 - 1 2 第二章p m s m 控制策略 突变为5 n m 。由图可见，预测p i 调节器起动速度更快更平滑，抗负载扰动的能力 大大增强，在扰动发生后迅速做出反应，使速度得到较快的调节，避免产生大幅 度的超调和振荡，而且速度曲线更加平滑。图2 - 5 为相应的电流波形，采用预测 p i 控制不仅减小了电流的超调量，而且几乎没有什么振荡，尤其是起动阶段的效 果更加明显。 仿真中，对预测步数n 的影响进行了研究。当其他参数不变，仅调节n 时发 现，系统响应时间与n 成正比，超调量与之成反比，a o n 越大，快速性越差，但 超调量较小。通过反复仿真试验，选择n = 1 0 时系统综合性能最佳。控制加权系 数k 对电流波形有较大影响，k 越大，电流波形越平滑，理论上说其值越大越好。 但是仿真中发现，系统响应速度与k 成反比，所以其取值应该综合考虑，根据实 际效果进行调节。过程的滞后时间l 对预测p i 调节器的效果有重要影响。当l 和 积分时间常数t i 相近时，预测p i 控制器的控制性能和传统的p i 控制器相似；当l 大于t 肘，预n p l 控制器的控制性能优于传统的p i 控制器。 2 3 无传感器控制策略 在p m s m 转子磁场定向矢量控制中，精确的转子位置检测是关键。通常在 电机轴上安装光电编码器等传感器测量转予位置和转速，但随之带来环境适应性 不强、系统鲁棒性降低、转子转动惯量增大等问题。为此，很多学者致力于无位 置传感器控制策略的研究。其中基于状态观测器控制方法，由于动态性能好、稳 定性高、参数鲁棒性强等优点倍受关注。这种方法算法复杂，对计算机实时运算 速度和存储容量要求较高，d s p 控制技术的应用推动了该类方法的实现【i o 】。本 文采用滑模变结构控制观测器，对转子位置和速度进行预估，实现永磁同步电机 无位置传感器滑模变结构控制。 2 3 1 滑模变结构控制 滑模变结构控制是一种特殊的开关控制2 删，该控制特性可以迫使系统在 一定条件下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，即“滑模”运动。 这种滑模与控制对象的参数变化及扰动无关，故系统具有很好的鲁棒性。定义状 态轨迹j ( 力= 0 为切换面，将s = s l ：功称为滑模切换函数。滑模变结构控制原理图 如图2 - 6 所示。 第二章p m s m 控制策略 图2 - 6 滑模变结构原理图 根据图2 - 6 可得系统状态方程表达式为： r = ，( x ，“，f ) + g ( x ) 甜x r “e r ”t r ( 2 - 2 0 ) 变结构控制与普通控制的区别在于控制量u ( x ) 在整个过程中是变化的，即： 坼c x ，= 荽 三； 暑：其中：酊o ，“i c x ，o = ，埘， g 2 t ， u ( x ) 随着s ( x ) 取值不同而变化，要实现滑模变结构控制，其滑模切换函数s ( ) 【) 的选取须满足下列三个条件： 滑模存在：t i m 李o 及l i m 皇三o ，等效为l i n l 竺0 ； j ud t s - o - d t i - * o d t 满足可达性条件：在s ，o ) = 0 以外的状态点都在有限时间内到达切换面； 滑模运动渐进稳定，动态品质好。 2 3 2 滑模变结构状态观测器设计 为讨论方便，假设p m s m 磁路不饱和是线性的，参数不随温度变化，忽略 涡流损耗，且空间磁场呈正弦波形分布3 0 】【3 “。 2 3 2 1 观测器状态方程 由假设条件，根据电机的电磁方程式，以弘b 坐标系下定子电流站和定子电 压1 l s 作为输入变量，以所要估算的转子位置角0 和转速n f 为输出变量，状态变 量则选取两相静止坐标系下定子电流和转子磁链的估计值、 ，可得到观测 器状态方程 3 2 - - 3 5 ： 第二章p m s m 控制策略 二 o i l # 中r 8 = 匕 k b 印t 8 + l e l , o o 0 o 1 鸥 o o 洲一：麟：翻 其中：k = 醢三 ，上= ；：乏 ，为滑模切换函数参数矩阵； 4 ，= 一生。 鸣 。一生 吐 ， 4 2 =t 壶 。 。 一篇，。击 ，铲p 一小 如= 陵一 ；为电枢等效帆k 为等效定子馘t 为估计转速，盯为 叫矧 s ， 将小b 坐标系下定子电流的实际值和估算值进行比较，滑模成分起负反馈作 用，使估计值趋近于实际值；= 为滑模变结构控制的切换面，即满足滑模可 达性条件。滑模存在的充要条件l i m ! 0 ，等价为j j 0 ，将其展开得： s - + 0 讲 西西= 一1 1 4 。9 砰+ q q o。( 2 2 4 ) 屯是= - 1 1 4 。8 + c 2 c 2 0 时，巧 0 ，v 负定，即v 0 ，则转速估计值为： 二“ 怫= z ，【岛s i g n ( i , 一幺) 一l q s i g n ( g 一0 ) 。】 ( 2 - 3 2 ) 输出变量转子位置角由转子磁链估计值得到： 各：a r c t a n 孥( 2 - 3 3 ) 膻 第二章p m s m 控制策略 由( 2 3 2 ) 、( 2 3 3 ) 两式可见，该滑模变结构观测器表达式简单，易于理解， 其估算准确性依赖于参数队丫、k l 的调节。舢丫与电机参数相关，调节相对简 单；而k 1 则是随机参数，选取原则是在保证系统稳定的前提下，尽量降低滑模 抖动现象。 2 3 3 仿真实验分析 图2 7 给出永磁同步电机滑模变结构控制结构图，利用m a f l a b6 5 对其进行 仿真分析。仿真参数设定如下：电机极对数为2 ，电机功率p = i 5 k w ，转动惯量 j = 2 7 4 6 8 e - 2 n i n 2 ，电枢电阻风= o 6 7 q ，定子电感l s = 0 0 6 1 8 h ，转子磁势t r - o 1 w b ， 漏磁系数6 - - 0 0 5 2 3 。 图2 7p m s m 滑模变结构控制结构图 矩阵k 中参数值k l 的选取对调速性能有重要影响。k 1 取值大，滑模成分作 用大，但抖振现象严重；k i 取值小则相反。仿真实验中通过反复调试，参数k 1 的取值范围为：o 0 5 k i 一0 0 0 0 3 。当k l 取值在- 0 0 5 附近时抖振现象明显，k l 在0 0 0 0 3 附近时速度失控，电机无法正常工作。k t 值应根