（电力电子与电力传动专业论文）永磁同步电机矢量控制伺服系统研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文永磁同步电机矢量控制伺服系统 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学或其他教 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 献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 雾盘盗 日期：巫呈髟 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日期 键 妒3 陋 导师签名： 日期 弛 逆，j 。! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第一章引言 伺服系统( s e r v os y s t e m ) 是自动控制系统中的一类，通常应用闭环控制结构来控 制被控对象的某种状态，使其能够自动、连续、精确地复现输入信号的变化规律， 常用于快速、精密的位置控制和速度控制场合。伺服控制技术是伴随着现代日益发 展的电力电子技术、计算机技术和先进的控制理论的发展而发展起来的，它最早出 现于二十世纪初l lj 。1 9 3 4 年首次提出了伺服机构( s e r v o m e c h a n i s m ) 这个概念，其中 电机控制技术是伺服驱动系统的核心。过去，由于直流电机调速控制简单，具有良 好的调速性能和起、制动性能，变流装置容量小，能方便、经济地在大范围内平滑 调速，因而直流电机广泛应用于各种伺服驱动系统，高性能电机伺服系统绝大多数 采用直流伺服技术【2 】。但由于直流电机结构复杂，成本高，存在电刷和机械换向器， 维护困难，可靠性差，环境适应性差，限制了直流电机向高转速、高电压、大容量 方向发展。而交流电机相对而言结构简单，坚固耐用，运行可靠，便于维修，价格 便宜，于是人们就开始进行大量的交流调速技术的研究。7 0 年代末期进入了伺服技 术的交流化时代，相继开发出各种类型的交流伺服系统，广泛应用于工业生产的各 个领域，出现了交流伺服系统逐步取代直流伺服系统的发展趋势f 3 】【4 1 。1 9 7 1 年，德 国学者b l a s c h k e 提出了对交流电机进行矢量控制的思想，它的出现对交流电机控制 技术的研究具有划时代的意义，在理论上解决了交流电机的转矩控制问题 5 】【引。通 过按转子磁场定向构成的矢量变换控制系统，实现了定子电流的励磁分量与转矩分 量间的解耦，从而达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的，这样就可将一台 三相交流电机等效为直流电机来控制，因而可使交流电机的动、静态控制性能完全 可以和直流系统相媲美【7 】。可以预见，在不久的将来，交流伺服系统将完全取代直 流伺服系统。 在交流伺服领域，绝大多数中小功率( 千瓦级及千瓦以下级) 伺服系统已采用 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 ，以下简称p m s m ) 【3 j 【5 1 。与此 同时，科学技术的发展大大的推动了p m s m 伺服控制系统的发展和应用。 1 高性能永磁材料的发展 永磁材料现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。其中稀土永磁体又分为第 一代钐钴1 ：5 ，第二代钐钴2 ：1 7 和第三代铷铁硼。铝镍钴是三十年代研制成功的永 磁材料，虽具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但矫顽力低，抗退磁能力差， 而且要用贵重的金属钴，成本高。这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体 永磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的 1 华北电力大学硕士学位论文 矫顽力，不足之处是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代 中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐钴稀土 材料价格较高。8 0 年代初出现了铷铁硼稀土永磁材料，它具有高的剩磁感应强度、 矫顽力和磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。当时的不足是温度系数大，居 里点低，容易氧化生锈而需涂覆处理。但经过近年来的不断改进提高，这些缺点大 多已经克服。现在铷铁硼永磁材料最高的工作温度已可达1 8 0 。，一般也可达1 5 0 。， 已足以满足绝大多数电机的使用要求【8 】【9 】。 在同步电动机中用永磁体取代传统的电励磁磁极的好处是：简化了结构，消除 了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积，同时由于省去了励磁直 流电源，也消除了励磁损耗和发热。这些特点使永磁同步电机能满足伺服系统的一 些高精度要求：诸如高的功率质量比和转矩惯量比，在超低速并有高精度位置控 制要求时转矩脉动小，零转速时有控制转矩，能高速运行，短时间内快速实现加减 速运行，高效率，高功率因数等【l 0 1 。 2 电力电子技术的发展 电力电子技术是弱电与被控强电之间的桥梁和功率变换的接口。自1 9 5 8 年世 界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子技术取得了长足的发展。大 功率晶体管( g t r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、功率场效应管( p m o s f e t ) 、绝缘栅双 极型晶体管( i g b t ) 等一系列既能控制导通又能控制关断的全控型快速电力电子器 件相继问世，且正向大功率化、高频化、模块化、智能化方向发展。直至9 0 年代 出现的第四代功率集成电路i p m 。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大， 成本大大降低，控制电路日趋完善，极大地推动了各类电机的控制。7 0 年代出现了 通用变频器的系列产品，可将工频电源转变为频率连续可调的变频电源，这就为包 括p m s m 在内的交流电机的变频调速创造了条件【l o 】【1 1 1 。 总之，随着微电子、计算机、电力电子、电机制造技术以及新型材料的飞速发 展，交流伺服系统特别是p m s m 伺服系统在机电一体化、机器人、柔性制造系统、 电动汽车、办公自动化等高科技领域中占据了日益重要的地位，也成为研究与应用 的重要领域。 1 2 永磁同步电机伺服系统研究现状及趋势 交流伺服驱动根据数字化程度来分，经历了模拟式、数字模拟混合式到全数字 式发展过程。模拟式伺服系统具有响应快、容易随时把握系统工作基本情况等特征， 但是也存在以下缺点： 微弱信号信噪分离困难，很难将控制精度提高到1 以上的级别： 2 华北电力大学硕士学位论文 在零点附近容易受到温度漂移的影响，使位置控制产生零点漂移误差。 由于模拟系统的这种本质缺陷，使它很难满足高精度伺服控制的要求。随着微 电子学及计算机控制技术的发展，高速、高集成度、低成本的微处理器问世及商品 化，使全数字化的永磁同步电机交流伺服系统成为可能。通过微机控制，可使电机 的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制得以实现，大大简化硬件，降低成本， 提高控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能。 另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也简单易行，这样就大大提高了系统的 灵活性、可靠性及实用性。近几年，在先进的数控交流伺服系统中，已采用高速数 字信号处理芯片( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，以下简称d s p ) 。目前，多家公司都推 出了专门用于电机控制的d s p 。其中的代表是t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 x 系列的芯片。 这一高度集成化的器件代表了传统微处理器及通用d s p 处理器方案的重大突破，它 的指令执行速度达到每秒数十兆以上，且具有适合于矩阵运算的指令，可实时产生 平滑的参考信号，适应不同的控制要求，完成系统速度环、电流环以及位置环的精 密快速调节和复杂的矢量控制算法，并产生高分辨率的p w m 输出；集成的电机控 制所需的外设，如a d 、i 0 、定时器、p w m 发生器、串口通讯等等，使得应用d s p 的系统所需器件很少，可靠性增强，且可以满足越来越小型化的要求：在极端环境 温度条件下，仍具有良好的稳定性和线性性，可提供可预计的输出特性。这些特性 保证了用于电机控制的算法，如p i d 控制、矢量控制、滑模变结构控制等可以高速、 高精度的完成。因此，采用高性能数字信号处理器的全数字p m s m 系统是交流伺服 系统的重要发展方向【l2 。 目前国际上现代伺服驱动装置集多种控制运行模式、故障诊断、参数设定及自 整定等功能于一体，采用高速微处理器和模糊控制技术等智能控制理论，使驱动装 置的运行模式切换、故障诊断及参数设定等智能化，可以达到免于维护的目的。特 别是智能型功率模块( i p m ) 和d s p 的采用，将驱动装置的硬件和软件高度集成于一 体，减少了装置体积，增强了可靠性。国外研究永磁同步电机全数字交流伺服系统 比较有名的主要有：美国的e m e r s o n 、a m c 等公司，德国的西门子、i n d r a m a t 、 m e t r o n i x 等公司，日本的安川、富士、松下、三菱等公司，他们推出的高性能交流 伺服系统几乎全部实现了全数字化，都采用了1 6 位或3 2 位高速信号处理器3 1 。 p m s m 伺服驱动技术是一门包含着丰富内容的综合性技术，自世界上第一台伺 服控制系统出现以来，伺服驱动技术就一直不断发展，尤其是各种现代控制理论的 产生和广泛的具体应用，一方面为高性能伺服驱动系统的研制提供了理论依据，另 一方面也使高性能伺服系统实现全数字化、智能化、微型化成为可能。高性能p m s m 伺服系统的发展趋势主要表现在。 l 、由以硬件模拟电子器件为主己转向采用数字电路、微处理器、数字信号处理 3 华北电力大学硕士学位论文 器，实现全数字化，由硬件伺服技术向更高性能的全数字化、智能化软件伺服的方 向发展，极大增强了p m s m 伺服系统设计与使用的柔性，可满足高精度数控机床、 机器人、特种加工装备精细进给的需要，代表p m s m 伺服系统的发展水平和主导方 向。 2 、由于高性能的微处理器应用于永磁同步电机伺服系统，在控制上由通常所采 用的p i d 控制规律，开始转向现代控制理论，自适应控制、人工智能、模糊控制、 变结构控制、神经元网络等新成果开始应用于p m s m 伺服系统。 3 、p m s m 伺服系统中所用的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能功率模 块( i p m ) 将进一步得到普遍应用，逆变器逐渐转变为高频化、小型化的无噪声逆变 器。 4 、p m s m 伺服系统中所用的位置与速度传感器由单一功能向多功能一体化方 向发展。光电编码器的分辨率将大幅度提高，传感器的电子信号处理部分将以微处 理器为核心构成独立的微机系统，成为高性能伺服系统的一个关键组成部分。 5 、p m s m 转子磁钢由采用铁氧体、稀土钴转向更多的应用铷铁硼，使电机具有 更好的性能价格比。 6 、p m s m 伺服系统控制器的制造上，结构日趋小型化，采用多单元组合构成多 坐标轴控制器，可靠性进一步提高，便于维护及扩充。 电机控制是现代工业生产的基础，p m s m 伺服系统由于其高的功率密度、紧凑 的结构、控制简单而被广泛应用于各种工矿企业的中小型数控机械上。它的控制性 能对工业的发展起着越来越关键的作用，而这些高科技领域目前正在高速发展。随 着工业生产水平的提高，将会有越来越多的场合使用p m s m 伺服控制以保证加工精 度和生产效率。高速、高精度的p m s m 伺服系统仍是电气传动领域的迫切要求，对 提高电气传动领域的整体技术水平、促进国民经济的迅速发展具有非常重要的现实 意义。由于客观条件的限制，我国数字交流伺服系统的研究起步较晚，现在尚无具 有足够竞争力的商品。通过何种途径，在较短时间内掌握其关键技术，形成具有较 高水平的实用商品，乃是现阶段一个十分重要的课题【3 】【6 】【l l 】。 1 3 本文的主要工作 本文以正弦波驱动永磁同步电机为研究对象，研制开发了一套基于d s p 的矢量 控制高性能软、硬件平台，并从理论分析、计算机仿真和样机实验三个方面进行了 深入的研究。主要内容包括以下几方面。 1 、建立了d q 坐标系下的p m s m 数学模型，实现电流励磁分量与转矩分量的解 耦控制，为进一步的研究奠定基础。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 、结合d s p 自身特点，在深入分析p m s m 矢量控制原理的基础上，提出了一 种简单易于编程的矢量控制实现方法，该方法依据空间电压矢量控制原理，利用基 本空间电压矢量的组合虚拟控制策略所需的任一瞬时空间电压矢量，可实现电压矢 量的近似连续调节，从而有效减小了转矩脉动，极大的提高了系统的性能。 3 、利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台，建立p m s m 伺服系统的仿真模型，通 过p i 等参数的调试使系统达到预期性能，并在此基础上给出具体的程序流程图，为 后续软件调试工作提供参考。 4 、针对p m s m 不能在工频电压下启动的问题，提出了一种利用编码器转子初 始位置信号u 、v 、w 识别转子位置的方法，完成了对转子初始位置的粗略赋值并 实现电机可靠启动。 5 、基于电机控制专用d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，全数字化实现了p m s m 伺服系 统：设计系统硬件电路，包括主电路的设计，控制电路的设计以及控制电路与主电 路的联接等，为控制软件的实现提供良好的硬件平台；设计基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的伺服系统软件，包括系统初始化、运行控制等系统程序和p i 控制器、p w m 波产 生模块、坐标变换模块、反馈电流计算模块、转速计算、位置计算模块等算法程序 和s c i 通信模块，以实现p m s m 转速调节。 6 、软硬件系统集成，研制开发出一套采用矢量控制的高性能全数字p m s m 伺 服系统，并设计开发了友好的人机界面。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机的数学模型及其矢量控制 本章对永磁同步电机的结构和种类进行了介绍，给出其数学模型，在此基础上 讨论永磁同步电机妇三o 矢量控制策略，并对实现该控制策略所必须的坐标变换进行 介绍；分别给出电流滞环比较控制方式和空间电压矢量控制方式p m s m 矢量控制框 图。 2 1 永磁同步电机的结构和分类 永磁同步电机分为正弦波驱动的永磁同步电机和方波驱动的永磁同步电机。本 文主要以三相正弦波驱动p m s m 作为研究对象。和普通同步电机一样，p m s m 也是 由定子和转子两大部分组成。定子主要由三相绕组和铁心构成，且电枢绕组通常为 星形联接。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，p m s m 还必须装有转子位置检测器，用来 检测转子磁极位置和速度，从而对电枢电流进行控制，达到控制p m s m 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p m s m 的转子位置检 测器，与p m s m 转子同轴连接【1 4 】。 p m s m 从转子结构上大致可以分为两大类： 1 、凸极式永磁同步电机s p m s m ( s u r f a c 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 r ) 2 、隐极式永磁同步电机i p m s m ( i n t e r i o rp 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 ) 定子 转子 磁 ( a ) 凸极式( b ) 隐极式 图2 - 1 凸极式和隐极式p m s m 结构示意图 图2 1 显示了他们转子结构的不同，凸极式转子有明显的磁极，定子与转子之 间的气隙是不均匀的，因此，其磁路与转子的位置有关。隐极式转子呈圆柱形，定 6 华北电力大学硕士学位论文 子与转子之间的气隙分布均匀，磁路基本上与转子的位置无关。凸极式p m s m 结构 上比较简单、力矩大，但机械强度低，一般用于低速场合。隐极式永磁同步电机制 造工艺较为复杂，但机械强度高，一般用于高速场合。但目前很多生产厂家将转子 结构为隐极式的电机也生产的带有凸极效应，集合了上述两种电机的优点。这种电 机的气隙也是不均匀的，特性与凸极式电机相仿。这种兼顾了凸极式和隐极式电机 优点的带有凸极效应的电机在伺服领域得到了广泛的应用【儿1 2 】。 2 2 永磁同步电机的数学模型 本小节首先给出永磁同步电机结构模型和坐标变换公式，然后从p m s m 的基本 方程开始，通过坐标变换实现转矩分量与励磁分量的解耦控制。 2 2 1 坐标变换 b 图2 2 永磁同步电机结构模型图2 3 永磁同步电机矢量图 三相永磁同步电机结构模型如图2 - 2 所示。a x 、b y 、c z 为在空间上各差1 2 0 。 空间电角度的三相线圈绕阻。当a x 线圈通入图2 - 2 所示方向电流时，产生的磁通 的方向被定义为a 相坐标轴的正方向。同样定义的b 相、c 相和a 相一起共同构成 了三相静止定子坐标系一a b c 坐标轴。 由于永磁同步电机具有正弦形的反电动势、定子电压、电流波形，因此各量均 可通过矢量在时空相量图中表示，如图2 3 所示。 1 、a b c d q 坐标变换 分析p m s m 电机性能，最常用的方法就是用d q 数学模型。d 轴为固定在转子 励磁磁通奸方向上的坐标轴，q 轴逆时针方向超前d 轴9 0 0 电角度，d 、q 轴一起建 立了随转子同步旋转的d q 坐标系【1 5 】【1 6 1 。 7 华北电力大学硕士学位论文 = 二= = = 二= 基于电机电枢绕组在不同坐标下的合成磁势大小相等、方向相同和电机模型变 换前后遵循功率不变这两个基本原则对三相静止坐标系上的电枢电压瞬时值”。、 甜c 和电枢电流瞬时值i a 、i b 、i c 进行旋转变换，可得d q 坐标系上电压瞬时值粕、“。 和电枢电流瞬时值i d 、i q ，反之亦然。下面以电流为例给出变换与反变换的公式。 厂， 二os(0篇-2re3)sin(02 n - 3 ，警 沼1 ， 一 一 ) 一s i n ( 秒+ 2 万3 ) i jt( 2 一 l 2 1 2i i 毛j c o s 0 一s i n 0 打万 c o s ( 0 2 n 3 ) 一s i n ( 0 2 n 3 ) i _ 万 c o s ( o + 2 r e 3 ) 一s i n ( o + 2 n - 3 ) 况 ( 2 2 ) 上述的变换同样适用于电压和磁链变量。为保证变换后的两个轴系平衡，两参 考轴系的输入功率应满足下述条件： “a + u b i b + “c f c = 甜d + “q ( 2 3 ) 此时由d q 坐标系计算出的电磁转矩就是电机实际的电磁转矩。为了满足这种 约束条件，d q 轴系定子线圈的有效匝数应为原三相绕组每相有效匝数的丽。 2 、q p 坐标系及其与d q 坐标系的变换 u p 坐标系由固定在定子上的水平0 【轴和逆时针超前9 0 。的p 轴组成。b 坐标系 与二相旋转坐标系d q 坐标系及三相静止坐标系a b c 坐标系的关系如图2 4 和图2 - 5 所不。由d q 坐标向a b c 三相坐标的变换实际上包括两次变换。首先是旋转的二相 d q 坐标向静止的二相0 【p 坐标变换，然后是静止二相c c p 坐标向静止a b c 三相坐标变 lb d f 研 竺 图2 - 4 a p 和d q 坐标系关系图2 5 仅p 和a b c 坐标系关系 8 秒坩一2出仃 攀一瓜 i_。l 压怄 = 1j b 华北电力大学硕士学位论文 a p d q 坐标变换公式如下。 耄 = - c s o i n s 乡o - c , 。i s n 臼e j i f 【i 。 乏 = 一c s o i s n 0 矽c s 。i n 。o 护 。i 咕i 。 c t p a b c 坐标变换公式如下。 篆 = 亨 三杰：三二岩乞 f 差 辨 l0 1 2 压2 1 2 , i 2 加历的目的在于保证变换前后的功率相等，模型等效。 2 2 2 d q 坐标系下的永磁同步电机数学模型 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 前面已经提到，分析永磁同步电机性能最常用的方法就是利用其d q 坐标系方 程。d 轴是固定在转子励磁磁通方向上的坐标轴，代表励磁分量；q 轴逆时针超前d 轴9 0 。，代表转矩分量。d q 轴系随同转子以电角速度( 电角频率) 一道旋转，它 的空间坐标以d 轴与三相静止坐标轴系a 轴之间的电角度0 ，( 见图2 4 ) 来确定。 如果将三相静止坐标系的变量全部转换到d q 坐标系控制，就是实现了励磁分量和 转矩分量的解耦控制，使交流调速系统达到直流机的性能【】【1 2 】。 下面给出永磁同步电机在d q 坐标系的方程。在建立方程之前，先做如下假设： 忽略漏磁通的影响： 不考虑磁饱和现象，即定子各相绕组的电感和通入绕组中的电流大小、相 位无关： 定子各相绕组的电枢电阻阻值相等；定子各相绕组的电感相等。即： r a = r b = r c = r rl a = l b = l c = r 气隙分布均匀，磁回路与转子的位置无关，即各相绕组的电感与转子的位置 无关； 9 华北电力大学硕士学位论文 转子磁链在气隙中呈正弦分布。转子磁链在各相绕组中的交链分别为： ( 2 - 8 ) 其中辨为转子磁链幅值，对于给定永磁同步电机来说其值为常数；目为空间电 角度；t a 、毁分别为转子磁链在a 、b 、c 相绕组中产生的交链，是角目的函数。 在上述假定下，基于转子d q 坐标系的永磁同步电机定子磁链方程为： f = 厶f d + 忻 ， 【少q2 7 q ( 2 9 ) 式中，甄、分别为d 轴和q 轴的等效磁链；奸为转子磁钢在定子绕组上的耦 合磁链；l d 、l q 分别为d 轴和q 轴上的等效电枢电感分量；i d 、f q 分别为d 轴和q 轴上的等效电枢电流分量。 定子电压方程为： ( 2 1 0 ) 式中，- d 、, q 分别为d 轴和q 轴上的等效电枢电压分量；厂。为电枢绕组电阻： 为转速；p 为微分算子。 把式( 2 9 ) 代入式( 2 1 0 ) 得： 三相永磁同步电机的输出转矩为： t c = p m ( 弘 d q 一f d ) 1 0 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 勘锄 s 一 十 洲 m 国 国 一 + d q 妙y p p + + b，1 气 = l l d q 甜 ，(【 f 国 b 厶厶 缈 缈 一 十 h：q 厶厶 p p + + 幻 i i = l l d q “ “ ，、l 华北电力大学硕士学位论文 把式( 2 9 ) 代入上式可得： t = p 。 所f q + ( 厶一) f d f q 上两式中的p m 为极对数。 机械运动方程为： 孥： ( t 一瓦) d tj 、 。 孥： 西 4 ( 2 一1 3 ) ( 2 1 4 ) 式中，0 9 m 为转子机械角速度，j 为电机与负载的转动惯量之和，巩为负载转矩。 d q 坐标系的转子电角速度( 即旋转角频率) 和电机转子机械角频率的关系为： 5 p m c o r n ( 2 1 5 ) 对于一般的永磁同步电机来说，由于电机直、交轴电感差异产生的凸极转矩 p m d l q ) i d i q 相对较小，一般忽略，特别是为研究方便，一般认为电机d 、q 轴电感 相等，即l d = l q ，此时凸极转矩项为零【17 】【1 8 】。式( 2 1 0 ) 、( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 可写 成状态方程形式为： p 圳2 厶 一p m c o r n 0 p m c o r n 厶 f p 。号 o d 丝 厶 0 甜 厶 “q 厶 石 3 ( 2 1 6 ) 从式( - 1 6 ) 中可以看出，三相永磁同步电机模型中，机械角频率g o m 和d q 轴 电枢电流分量i d 、i q 互相耦合，且方程为非线性的，不能简单地通过调节电枢电流 来直接控制电磁转矩。为了提高系统控制系统控制性能，必须进行矢量解耦控制。 此时，假设三相永磁同步电机转子为圆筒形结构，即电机气隙磁导分布均匀， 华北电力火学硕士学位论文 于是，d = q = 。则式( 2 1 6 ) 可写为： p h 2 乓 三 一p 。 o p m 气 三 少f p 。号 0 f ，f p m 芋 l o 卧 由式( 2 - 13 ) 可得此时三相永磁同步电机转矩为： r o = p 。y f i q 三 “q 上 五 3 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 在交流伺服系统中，可通过使电枢磁通相对励磁磁场正交，即保持珀三o ，即定 子电流矢量位于q 轴，无d 轴分量。由式( 2 1 3 ) 可看出，每单位定子电流产生的 转矩值最大，同时电磁转矩只与定子电流的幅值成正比，通过控制定子电流即可获 得与其成线性比例关系的电磁转矩，这样就实现了对直流电机的严格模拟【旧】，这就 是永磁同步电机转子磁场定向矢量控制的基本思想，也就是通常所说的f d 三o 控制策 略，据此来构成永磁同步电机交流伺服系统。此时，三相永磁同步电机状态方程为： p 卧 三 y f 号 j 2 3 永磁同步电机矢量控制 f 。p 。 l 0 卧 , q 石 3 ( 2 1 9 ) 一个简单的伺服系统通常是由检测量反馈构成的闭环位置控制伺服系统，如图 2 - 6 所示。 前面已经提到，采用矢量控制的交流伺服系统是通过矢量变换的方法将交流电 机模拟成直流电机进行控制，从而获得类似直流电机的控制性能。为了保证良好的 控制性能，交流伺服系统采用闭环控制，通常是由速度环、位置环和电流环三环组 成，其中电流环为内环，速度环和位置环为外环，维持系统运行时的速度稳定性、 电流响应快速性和位置准确性。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 输入 图2 - 6 伺服控制系统组成 根据控制器与驱动器之间触发脉冲生成方式的不同，习惯上将永磁同步电机的 控制分为两种控制方式。一种是针对电流控制的滞环比较控制方法，另一种是空间 电压控制方法。前者属于砰砰控制，其最大优点是响应速度快，不足是稳态性能 比较差，转矩波动大。后者的理论基础是空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制，其优缺 点与前者正好相反，优点是稳态性能好，转矩波动比较小，缺点是响应速度慢；但 其提高了逆变器的电压输出能力，保持恒定的开关频率，更加适合数字控制。随着 微处理器运算速度的提高和片内集成电路的快速发展，二者都有了新的发展。 2 3 1 电流滞环控制方法 图2 7 给出了电流滞环控制方法的示意图。 t a r & 图2 7 电流滞环控制方法原理图 其中，定子三相电流参考值可由下式确定： t 。f = f s 。fc o s ( 9 0 0 + p ) = 一f s ，。fs i n 0 f b ，。f = 一f s 。fs i n ( o 一1 2 0 0 ) i o r c f = 一f s 。fs i n ( o + 1 2 0 0 ) 1 3 触 发 脉 冲 ( 2 2 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 图2 8 给出了常用的电流比较器一滞环电流比较控制器及其比较原理。 堑节a i a f f 保 - f v 。 ， 持 j1 电 路 兀( a + ) 兀( a ) a r e f + a 麟f a r e f ， ，。 l a r c - a f p 、乡 ( a ) 滞环比较控制器( b ) 电流比较原理 图2 8 滞环电流比较控制器及其比较原理 相电流实际值与参考值的比较原理如图2 8 ( b ) 所示。 图中，中间曲线( 实线) 是与参考值f 。r e f 对应的正弦曲线，上下两条曲线( 虚 线) 分别表示i a r e f q - 么f 。和l a r e f 一么f 。，么为滞环的带宽。电流滞环控制就是要将实际 电流f 。与参考电流i a r e f 之间的偏差限定在2 么的范围内，即使它与参考电流值之间的 最大偏差等于或者小于么。 逆变器功率开关的导通与关断决定于滞环比较器。下面我们以一相电流滞环比 较器来说明。如图2 8 ( a ) 所示，a 相电流参考值i a r e f 减去a 相电流实际值f 。构成电 流偏差刀f ，如果么i 大于( 或者小于) 预先设置的滞环带宽么，逆变器的a 相桥臂就 正向( 或者反向) 导通。如果i 么fi 0 ，则1 = 1 ，否则卢0 ；如果以。f 2 0 ，则m = l ， 否则m = 0 ；如果诈。f 3 o ，则，2 = 1 ，否则n = 0 。设一4 水，2 + 2 木m + f ，则与扇区数 s e c t o r 的对应关系如表2 4 所示。 表2 4 与扇区数s e c t o r 的对应关系表 2 0 华北电力大学硕士学位论文 扇区号与基本空间矢量的对应关系如图2 1 1 所示。 到此，如果已知参考电压矢量玑。t 或其在( q ，p ) 坐标系中的( c c ，1 3 ) 轴分量以l f a 和现。t 。就可以根据上面的推倒计算出与砜。对应的两个基本空间矢量以及这两个矢 量的作用时间相对s v p w m 调制周期r 的比例t l 、t z 。如果知道了t l 、t 2 ，又知道 要求的s v p w m 的调制周期丁，就可以确定基本空间矢量分别的作用时间乃、乃， 完成s v p w m 的调制。 尽管逆变器只能产生八个基本电压空间矢量，但可以利用它们的线性组合来获 得更多的与基本矢量相位不同的电压空间矢量，从而构成一组等幅不同相的电压空 间矢量，形成尽可能逼近圆形的旋转磁场。这就是s v p w m 控制方法的实质。s v p w m 控制方法可以说是一种磁链的直接控制方法。 与电流滞环控制方法比较，我们可以发现s v p w m 控制方法的计算要复杂的多，这 直接导致其响应速度要慢于电流滞环控制。但是，与电流滞环控制只有6 个空间矢量作 用相比较，此种控制方法是利用基本空间矢量去虚拟我们需要的空间矢量，从而不会产 生力矩的突增或者突减，这表现在稳态性能的稳定；另外，由于s v p w m 控制方法的最 终目的是利用逆变器的开关方式去逼近三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁链，使 得s v p w m 控制方法的输出电压和电流更接近正弦，谐波含量少【2 3 】。 2 4 小结 本章研究了p m s m 数学模型和矢量控制的基本原理，并对实现矢量控制所必需 的坐标变换进行了介绍。在深入分析p m s m 矢量控制原理的基础上，给出了- , q 简 单易于编程的矢量控制实现方法，该方法依据空间电压矢量控制原理，利用基本空 间电压矢量的组合虚拟控制策略所需的任一瞬时矢量，可实现电压矢量的近似连续 调节，从而有效减小转矩脉动，极大的提高系统的性能。 2 1 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于m a t l a b 的永磁同步电机伺服系统仿真 当今计算机仿真技术已经逐步成为科学技术研究中不可缺少的重要手段，仿真 结果对系统设计和实现具有很强的指导意义。 永磁同步电机本质上是一个高阶、非线性、强耦合、参数时变的动态系统，因 此高性能的控制器往往结构和算法复杂，使其动态性能也变的复杂。此外，电力变 换器件开关状态的工作方式以及采用数字控制器，又给整个系统添加了离散时间 性。由于这些原因，对系统特性的研究最好先利用计算机仿真对传动系统的研制和 设计进行仿真，预测其动态特性，对系统各个参数进行估计，并保证系统的不稳定 性不出现在实际系统中，从而在系统调试的过程中少走弯路，达到事半功倍的效果。 仿真工作具体采用m a t l a b 软件提供的功能强大的动态软件包s i m u l i n k 来实现。 本章首先对仿真平台进行简单的介绍；然后针对上一章提到的电流控制方法和 电压控制方法，分别搭建其仿真模块，优化参数；最后给出仿真波形并对其进行分 析。 3 1 仿真平台概述 随着计算机技术的发展，仿真已成为科技工作者广为采用的手段。仿真软件的 迅速发展，使得各个学科的研究工作者从大量、繁琐的数学计算中解脱出来，减轻 了计算的工作量，缩短了开发时间，同时极大地改善了仿真的精度和效果。 九十年代以来，国外开发了大量的仿真软件，美国m a t h w o r k s 公司推出的 m a t l a b 软件是一种面向科学与工程计算的高级语言，它集科学计算、自动控制、 信号处理、神经网络、图像处理等于一体，编程效率极高，同时也是一个十分出色 的模块仿真工具。 m a t l a b 提供的图形界面仿真工具s i m u l i n k ，是一个用来对动态系统进行 建模、仿真和分析的软件包，不仅界面友好，而且支持灵活的模型描述手段。启用 时只需要从模块库中拖出相应的模块，经有机的组合即可实现系统仿真。s i m u l i n k 包含有连续模块组( c o n t i n u o u s ) 、离散模块组( d i s c r e t e ) 、函数与表模块组( f u n c t i o n & t a b l e s ) 、数学运算模块组( m a t h ) 、非线性系统模块组( n o n l i n e r ) 、信号与系 统模块组( s i g n a l s & s y s t e m s ) 、输出模块组( s i n k s ) 、输入源模块组( s o u r c e s ) 等子模型库，也可以根据需要混合使用各库中的功能模块，封装出自己的系统模块， 实现全图形化仿真。 m a t l a b 5 2 以上版本提供了电力系统仿真模块库，可以从s i m u l i n k 模块浏 览窗口直接启动。其功能非常的强大，包括电源( e l e c t r i c a ls o u r c e s ) 、元件( e l e m e n t s ) 、 2 2 华北电力大学硕士学位论文 电力电子( p o w e re l e c t r o n i c s ) 、电机系统( m a c h i n e s ) 、连接器( c o n n e c t o r s ) 、 测量( m e a s u r e m e n t s ) 、附加( e x t r a s ) 和演示( d e m o s ) 模块组。可以用于电路、 电力电子系统、电机系统、电力传输等领域的仿真，提供一种类似电路搭建的方法 用于系统模型的绘制1 8 】【19 1 。 具体到永磁同步电机伺服系统的设计，仿真工作可以确定p i 参数的大致范围， 保证电机数学模型与坐标变换的正确对应，从而在实验阶段少走弯路，缩短整个系 统的开发时间。本文所有的仿真均采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具作为平台。 3 2 电流滞环控制方法仿真 不。 加上速度环和电流环的电流滞环控制永磁同步电机伺服系统的框图如图3 一l 所 图3 1 采用电流滞环控制方法的系统框图 3 2 1 电流滞环控制伺服系统仿真实现 具体实现步骤为： 2 、给定转速r e f 与实际转速反馈& ) 作差，得到转速误差么； 3 、么经过转速p i 调节器，得到q 轴电流给定值i q r e f ； 4 、d 轴电流给定值i d r e f 三0 ，结合转子位置反馈角p ，根据式( 2 - 2 ) ，经过d q 坐 标系到a b c 坐标系的变换，得到三相电流给定值i a r e f 、i b r c f 、i c r e f ； 5 、三相电流给定值f 。r e f 、f b r e f 、i e r e f 分别与三相电流反馈f a 、“f 。比较得到三相 电流误差给电流滞环比较器。 6 、电流滞环比较器根据三相电流误差决定逆变器的开关状态，发触发脉冲。 2 3 燮垄奎堂堡主堂焦堡塞 7 、触发脉冲驱动逆变器给永磁同步电机供电，转速反馈到第1 步，转子位 置角反馈到第3 步【2 4 】f 3 2 】【33 1 。 根据上述步骤，搭建永磁同步电机电流滞环控制方法仿真模型如图3 - 2 。 图3 - 2 电流滞环控制仿真模型 仿真采用离散步长形式，采样时间为2 x 1 0 s ，各模块结构和功能如下： 1 、转速p i 调节器 陟 阳 - l 伽 7 l 剑一 $ a t u t j 5 0 n j p i o p o i t l o n a u9 f j t o7 s u i t t 图3 - 3 转速p i 调节器模块 其输入为转速误差：一e r r o r = o ) r e f c o f o r e f电机转速给定值 0 9 为电机实际转速反馈值 由此可推算出转速p i 调节器的输出q 轴给定值f 。r c f ： f q 他f2 勋( f 一国) + k l ( q 。f 一渺 图中s a t u r a t i o n 模块是一个限幅模块，将i q r e f 的值限制在一定的范围内。 ，4 华北电力大学硕士学位论文 2 、d q a b c 变换模块 吐夏) 斗 卜 f e n t m v x 7 l 二：厂7 。广：_。 d u x 卜 f 盯1 2 夏 一叶 f t 嘏 图3 4d q a b c 坐标变换模块 其输入值为d q 坐标系下q 轴给定电流f q r c f 、d 轴给定电流i a ，。f 、0 轴给定电流i o r e f 和转子位置角反馈p 。 函数块f c n l 为：s q r t ( 2 3 ) - u ( 1 ) 木s i n ( u ( 4 ) ) + u ( 2 ) 木c o s ( u ( 4 ) ) + 1 2 u ( 3 ) 函数块f c n 2 为：s q r t ( 2 3 ) 一u ( 1 ) 木s i n ( u ( 4 ) 一2 * p i 3 ) + u ( 2 ) 木c o s ( u ( 4 ) 一2 木p i 3 ) + 1 2 u ( 3 ) 】 函数块f c n 3 为：s q r t ( 2 3 ) - u ( 1 ) 木s i n ( u ( 4 ) + 2 * p i 3 ) + u ( 2 ) 木c o s ( u ( 4 ) + 2 木p i 3 ) + l 2 u ( 3 ) 】 这三个函数块的输出对应三相电流的给定值a r e f 、f b r e f 、l c r e f ，也就是这个坐标变 换的输出。 3 、脉冲发生模块 图3 - 5 脉冲发生模块 模块的输入量是三相电流给定值f 。r e f 、i b r e f 、i c r e f 和三相实际电流反馈值f a 、试 f 。以a 相为例，首先a 相电流给定值与反馈值相减得到电流差值么f 。，此值与预设 滞环环宽比较，若大于环宽则输出1 ，小于负的环宽则输出0 ，否则维持原来状态。 这是给a 相上桥臂的触发信号，取反则为下桥臂触发信号，n o t 模块可以实现这一 功能。 2 5 华北电力大学硕士学位论文 3 2 2 电流滞环控制伺服系统参数及仿真结果 一、 仿真系统参数 参数包括电机系统参数和控制系统参数。 电机系统参数如下： 定子电阻r s = 3 3 q转动惯量户o 2 4 6 1 0 。3 磁m 2 定子电感三d = 三。= 三= 9 5 6 x1 0 3 h 转子磁链既= 0 0 9w b 极对数p m = 4 控制系统参数如下： 转速p i 调节器比例系数= o 0 5转速p i 调节器积分系数飚= 0 4 转速p i 调节器限幅值1 0滞环环宽0 0 5 额定负载转矩n = 2 4 n m 给定转速c o r e f = 3 0 0 0 r m i n 二、仿真波形与分析 图3 - 6 、3 - 7 、3 8 分别给出了下述三种情况下的转速、相电流、转矩波形。 图3 6 ：给定转速3 0 0 0 r m i n ，给定负载转矩凡- - - 2 4 n m 。 图3 7 ：给定转速3 0 0 0 r m i n ，初始为空载，0 2 5 s 时突增至额定负载孔= 2 4 n m 。 图3 8 ：额定负载孔= 2 4 n m ，初始转速为3 0 0 0 r m i n ，0 2 5 s 突减至1 5 0 0 r m i n 。 图3 - 9 是额定转速，额定负载情况下线电压波形。 ( a ) 转速 t i m e ( s ) ( c ) 电磁转矩 图3 - 6 额定负载、额定转矩情况 2 6 ( b ) 相电流 ( b ) 相电流 ( c ) 转矩 图3 7 额定转速、0 2 5 s 负载突变情况 ( a ) 转速 5 ( b ) 相电流 图3 - 8 额定负载，转速 ( c ) 转矩 在0 2 5 s 由3 0 0 0 r m i n 突 2 7 变到1 5 0 0 r m i n 情况 4 3 2 o 一吕邑djbj。一 华北电力大学硕士学位论文 200 1 0 0 己 品o o - 1 0 0 t i m e c s ) 图3 - 9 额定转速、额定负载情况下稳态线电压 3 3 空间电压矢量控制方法仿真 加上速度环与电流环的空间电压矢量控制永磁同步电机伺服系统框图如图3 1 0 所示。 图3 1 0 采用空间电压矢量控制方法的系统框图 3 3 1 空间电压矢量控制伺服系统仿真实现 具体实现步骤如下