（电力电子与电力传动专业论文）无速度传感器的永磁同步电机调速系统.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：蛐 日期： 趁垃：丝! 笸 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电 子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：奎量幽导师签名：逝日 期： 扫也：幺笸 山东大学硕士学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 符号说明v i i 第1 章综述1 1 1 课题的研究的目的和意义1 1 2 电机调速概况2 1 2 1 直流机调速4 1 2 2 交流机调速5 1 2 3 永磁同步电机调速5 1 2 4 变频调速7 1 3 国内外研究的背景和发展情况7 1 4 本文的工作及安排1 0 第2 章永磁同步电机系统建模与控制12 2 1 永磁同步电机建模13 2 2 永磁同步电机的控制驱动方法1 6 2 2 1 电流p w m 控制法1 6 2 2 2 空间电压矢量法1 8 2 3 永磁同步电机调速系统控制策略1 9 2 3 1 直接转矩控制2 0 2 3 2 矢量控制2 l 2 4 无速度传感器的速度估算2 5 第3 章无速度传感器的永磁同步电机调速系统的设计和仿真2 8 3 1 有速度传感器的永磁同步电机调速系统设计2 8 3 1 1 控制器的设计2 9 3 1 1 1 逆变器的设计2 9 3 1 1 2 调节器的设计3 0 3 1 1 3p w m 生成器的设计3 6 3 1 2 仿真验证3 7 3 1 2 1 调速性能检测3 7 3 1 2 2 稳定性能检测3 9 3 2 无速度传感器的永磁同步电机调速系统设计4 l 3 2 1 速度估算模块设计4 2 3 2 2 仿真验证4 4 3 2 2 1 转速估计性能检测4 5 3 2 2 2 稳定性能检测4 7 第4 章无速度传感器的永磁同步电机调速系统的硬件设计4 9 4 1 系统主电路的设计5 0 4 2 测量和保护电路的设计5 0 山东大学硕士学位论文 4 3 控制系统电路的设计5 2 4 4 人机界面电路的设计5 5 第5 章无速度传感器的永磁同步电机调速系统的软件设计5 8 5 1 程序设计环境介绍5 8 5 2 控制系统程序设计5 8 5 3a d 采样程序设计6 2 5 4 上下位机通讯程序设计6 3 5 4 1 通讯界面设计6 4 5 4 2 通讯程序设计6 5 5 5 空间矢量调制的数字实现6 6 5 6 滤波器程序设计6 7 5 7 死区补偿6 8 第6 章总结与展望7 0 参考文献7 2 附录l 控制板原理图1 7 7 附录2 控制板原理图2 。7 8 致谢7 9 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t a b s t r a c t ( c h i n e s e ) 1 a b s t r a c t 1 1 1 s y m b o l 1v c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1p u r p o s e 1 1 2d e s c r i p t i o no fv e l o c i t y a d j u s t m e n tf o rm o t o r 2 1 2 1d e s c r i p t i o no fv e l o c i t y - a d j u s t m e n tf o rd cm o t o r 4 1 2 2d e s c r i p t i o no fv e l o c i t y - a d j u s t m e n tf o ra cm o t o r 5 1 2 3d e s c f i p t i o no fv e l o c i t y a d j u s t m e n tf o rp m s m 5 1 2 4v e l o c i t y a d j u s t m e n tb yv a r y i n gf r e q u e n c y 7 1 3r e s e a r c hs i t u a t i o no f h o m ea n da b r o a d 7 1 4m a i nt a s k s 1 0 c h a p t e r2m o d o l i n ga n dc o n t r o l l i n gf o rp m s m 1 2 2 1m o d o l i n gf o rp m s m 1 3 2 2c o n t r o lm e t h o d sf o rp w m 1 6 2 2 1c u r r e n tc o n t r o lm e t h o d s 1 6 2 2 2s 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 1 8 2 3c o n t r o ls c h e m e sf o rp m s m 1 9 2 3 1d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 2 0 2 。3 2v e c t o rc o n t r 0 1 2 1 2 4v e l o c i t ye s t i m a t i o n 2 5 c h a p t e r3 c o n s t r u c t i o na n ds i m u l a t i o no ft h es e n s o r l e s sp m s mc o n t r o ls y s t e m 2 8 3 1c o n s t r u c t i o no f t h es y s t e mw i t hs e n s o r 2 8 3 1 1d e s i g no f c o n t r o l l e r 2 8 3 1 1 1d e s i g no f i n v e r t e r 2 9 3 1 1 2d e s i g no f r e g u l a t e r 3 0 3 1 1 3d e s i g n o f p w mg e n e r a t o r 3 6 3 1 2s i m u l a t i o nt oc o n s t r u c t e ds y s t e m 3 7 3 1 2 1a b i l i t yt e s t 3 7 3 1 2 2s t a b i l i t yt e s t 3 9 3 2c o n s t r u c t i o no f t h es e n s o r l e s ss y s t e m 4 l 3 2 1d e s i g no f t h ev o l e c i t y e s t i m a t e dm o d u l e 4 2 3 2 2s i m u l a t i o nt os e n s o r l e s ss y s t e m 4 4 3 2 2 1a b i l i t yt e s t 4 5 3 2 2 2s t a b i l i t yt e s t 4 7 c h a p t e r4 h a r d w a r ed e s i g n i n gt ot h es e n s o r l e s ss y s t e m 4 9 4 1m a i nc i r c u i td e s i g n 5 0 4 2m e a s u r i n ga n dp r o t e c t i o nc r i c u i t s 5 0 4 3c o n t r o lc i r c u i td e s i g n 5 2 4 4m a n m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n 5 5 c h a p t e r5 s o f t w a r ed e s i g n i n gt ot h es e n s o r l e s ss y s t e m 5 8 5 1i n t r o d u c t i o nt ot h ep r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t 5 8 山东大学硕士学位论文 5 2p r o g r a m d e s i g n i n g t oc o n t r o ls y s t e m 5 8 5 3a ds a m p l i n gp r o g r a md e s i g n 6 2 5 4p r o g r a md e s i g nt oh o s ta n ds l a v ec o m m u n i c a t i o n 6 3 5 4 1c o m m u n i c a t e di n t e r f a c ed e s i g n 6 4 5 4 2c o m m u n i c a t e dp r o g r a md e s i g n 6 5 5 5d i g i t a lm e t h o df o rs v p w m 6 6 5 6f l i t e rp r o g r a md e s i g n 6 7 5 7d e a d t i m ec o m p e n s a t i o n 6 8 c h a p t e r6 c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t 7 0 r e f e r e n c e s 7 2 a n n e xl c o n t r o lb o a r ds c h e m a t i cl 7 7 a n n e x2c o n t r o lb o a r ds c h e m a t i c2 7 8 a c k n o w l e d g m e n t s 7 9 一 山东大学硕士学位论文 摘要 在用电系统中，电动机作为主要的动力设备广泛应用于各个方面，而调速性 能作为电动机的主要特性，在提高产品质量、提高劳动生产率和节约电能等方面 起着决定性的作用。 永磁同步电动机( p m s m ) 是一种性能优越、应用前景广阔的电机。永磁同步 电机调速系统是采用变压变频技术对电机进行调速的控制系统。对于高性能交流 电机调速系统来说，转子空间位置的速度信号是必须的，交流电机的速度信号传 统上需要从机电传感器上测量而得。但是，在实际系统中，速度传感器不仅增加 了系统硬件的复杂性和系统造价，而且系统的机械鲁棒性和可靠性相对来说较 差，测速系统的精度往往达不到无差，不可避免地会给整个系统引进误差，正是 由于这些原因，使得无速度传感器交流电机控制系统的研究一直是近几年来研究 的热点。随着控制理论、数字信号处理和计算机技术的飞速发展，目前，国内外 的许多高校和研究所都投入了大量的精力，致力于无速度传感器交流电机调速 性能方面的研究。 本文是对无速度传感器永磁同步电机的调速系统进行研究，采用的设计方案 是电机交轴转速、转矩双闭环，直轴磁通单环的三闭环控制结构，通过对电动机 的电流、电压等易测物理量的测取，经过特定的观测方法进行速度估算，从而获 取永磁同步电机的转速信息，完成闭环控制。 本文大致可分为三个部分，第一是进行永磁同步电机和速度估算模块的模型 分析，第二是无速度传感器的永磁同步电机调速系统的构建和仿真，第三是无速 度传感器的永磁同步电机调速系统的硬件和软件设计。文中具体内容如下：1 较 为系统地研究和分析了永磁同步电机的电机模型、控制策略和转速估算方法，2 构建了带速度传感器的永磁同步电机调速系统，并在此基础上构建了无速度传感 器的永磁同步电机调速系统，3 用p s i m 软件对构建的系统进行仿真验证，分析 仿真结果，4 进行基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的无速度传感器的永磁同步电机调速系 统硬件设计，5 交代无速度传感器的永磁同步电机调速系统的软件方面的设计方 案。 v 山东大学硕士学位论文 无速度传感器的电机调速降低了系统的成本，增加了系统的可靠性和耐用 性，在今后的工程领域中，特别是一些特殊场合，随着控制技术的不断提高，无 速度传感器控制系统将会得到越来越广泛的应用。 关键词：电机调速；永磁同步电机( p m s m ) ；无速度传感器；速度估算； 矢量控制 v i a bs t r a c t i nt h ee l 眦i c a ls y s t e m ，m o t o ra st h em a i np o w e re q u i p m e n ti s w i d e l yu s e di nv a i l o u s 舔p e c t s ，锄dt h es p e e d a d j u s t e dp e r f o r m a n c e ，a st h em a i n f e a t u r eo fm o t o r , p l a y sad e c i s i v er o l ei n i m p r o v i n gp r o d u c t s q u a l i t y , i m p r o v i n gl a b o r s p r o d u c t i v i t ya n ds a v m g e n e 曜莎 p e 肿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 ) i st h ev e r y k i n do fm o t o rw h i c h0 w n s s u p e r i o rp e r f o r m a n c e sa n dw i d e l ya p p l i e d - p r o s p e c t s t h es p e e d 。a d j u s t e ds y s t e m f o rp e 咖锄e n t m 蝴e ts y n c h r o n o u sm o t o ri su s e dv v v ft e c h n o l o g y i nah i g h p e r f o r m a n c ea c m o t o rs y s t e m ， t h es p e e ds i g n a lo fr o t o r ，sp o s i t i o ni se s s e n t i a l ，w h i c h i st r a d i t i o n a l l ym e a s u r e db yt h e m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ls e n s o r s h o w e v e r , i n t h ea c t u a ls y s t e m ，t h es p e e ds e n s o rw h i c hc o u l d i n 仃o d u c ed e v i a t i o nt ot h es y s t e md o e sn o to n l yi n c r e a s et h ec o m p l e x i t y , b u ta l s o d e c r e a s et h e r o b u s t n e s sa n dr e l i a b i l i t y i na d d i t i o n , i ns o m ec a s e ss p e e ds e n s o ri s d i f f i c u l tt oi n s t a l l d u et 0 t h e s er e a s o l l s ，n s o r l e s sc o n t r o ls y s t e mh a s b e e nah o t s p o ti nr e c e n ty e a r s a n dw i t ha n dt h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a n dd i g i t a lt e c h n o l o 阱 m 锄vu n i v e r s i t i e sa n di n s t i t u t e sh o m ea n da b r o a da f eh a v i n gd e d i c a t e d a g r e a td e a lo f e f f o r tt ot h e a cm o t o rs p e e d a d j u s t e ds e n s o r l e s ss t u d i e s t h i sp a p e r i sas t u d yo fs p e e d a d j u s t e ds e n s o r l e s ss y s t e mf o rp m s m c o n s t r u c t i o na d o p t e d o ft h es v s t e mi st h et h r e e 1 0 0 pt h e o r yw h i c hi sb u i l d e db yt h eq - a x i sd o u b l e 。l o o pa n d t h ed 。a x i s s i n g l e i o o p t h em a i nm e t h o di sb ym e a s u r i n gt h em o t o r s c u r r e n ta n dv o l t a g ea n do t h e re 嬲1 y m e 雏u r e ds i g n a l sb u tn o ts p e e d ，w h i c h i sm o r ed i f f i c u l tt oo b t a i n t h e n ，e s t i m a t i n gt h er o t o 。 p o s i t i o nt h r o u g ht h es p e c i f i co b s e r v a b l e s t r a t e g yw h i c hi s u s e dt oc o m p i e t et h ec l o s e d 。1 0 0 p c o n t r o ls v s t e m i nt h i sp a p e r , w o r kc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s f i r s t ，m o d e ia n a l y s i s f o r p m s ma n ds p e e de s t i m a t i o n s e c o n d ，c o n s t i t u t et h es e n s o r l e s sp m s m c o n t r o ls y s t e ma n d t 1 1 e nc 1 1 e c ki t sp e r f o r m a n c ew i t hs i m u l a t i o n t h i r d ，d e s i g n h a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h e s e n s o r l e s sp m s mc o n t r o ls y s t e m w h a th a v eb e e nd o n ea r ea sf o l l o w s ：l s t u d ya n da n a i y z 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 rm o d e l ，s p e e de s t i m a t e dm o d e la n dt h e n t r o l s t r a t e g ym o r es y s t e m a t i c l y 2 b u i l dt h ec o n s t r u c t i o no fs p e e d 。a d j u s t e d c o n t r o is y s t e mw i t h s e n s or g r a d u a l l y ，o ni t sf o u n d a t i o n ，c o n s t r u c tt h e s e n s o r l e s sp m s mc o n t r o ls y s t e m 3 s i m u l a t et h ec o m p l e t e ds y s t e mb yp s i m ，v a l i d a t et h ep e r f o r m a n c e 4 d e s i g nh a d w a r e t ot h e s e n s o r l e s sp m s mc o n t r o ls y s t e mw i t hc h i pt m s 3 2 0 f 2 8 12 5 r a i s es o m ei d e a st os o f t w a r e v t l 山东大学硕士学位论文 d e s i g n i n g s e n s o r l e s ss p e e d a d j u s t e dm o t o rc o n t r o ls c h e m er e d u c e st h es y s t e m sc o s t , i n c r e a s e st h e s y s t e m sr e l i a b i l i t ya n dd u r a b i l i t yi nt h ee n g i n e e r i n gf i e l d s i nt h ef u t u r e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o n t r o lt e c h n o l o g y , s e n s o r l e s sc o n t r o ls y s t e mw i l lb eu s e dm o r ea n dm o r e ，e s p e c t l yi ns o m e s p e c i a lo c c a s i o n s k e yw o r d s ：s p e e d a d j u s t m e n t ；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 ) ； s e n s o r l e s s ；v e l o c i t y - e s t i m a t i o n ；v e c t o rc o n t r o l v i i i 山东大学硕士学位论文 符号说明 电枢端电压 磁通量 电机转速 极对数 直轴电压 直轴电流 永磁体磁链 电机凸极系数 负载转矩 定子磁链 定子电感 定转子互感 估算电机角速度瞬时值 估计直轴电流 直轴电感 采样周期 截止频率 转矩调节器的比例系数 机械时间常数 电枢电流 电枢总电阻 电机频率 转差率 交轴电压 交轴电流 电机电磁转矩 电机转动惯量 转子磁链 转子电感 a 轴电流 3 轴电流 状态误差 估计交轴电流 交轴电感 直流电压 转速环滤波时间常数 转矩反馈电压值 转矩给定电压值 i x 屯 d 厂 s乞 t 略 p 0 乞 黾 “ 町 q 刀 见 睨 吻 吩 p 瓦 虮 l 厶 矿 乞 c q k 乙 山东大学硕士学位论文 第1 章综述 1 1 课题研究的目的和意义 在用电系统中，电动机作为主要的动力设备广泛应用于各个方面。而调速性 能作为电动机的主要特性，对提高产品质量、提高劳动生产率和节约电能起着决 定性的作用。 电机调速系统最初仅用于直流电机的调速研究。5 0 年代末静止电力电子变流 装置的出现，且随着电力电子器件的发展，逐步解决了交流装置的减少设备、缩 小体积、降低成本、提高效率、消除噪声等问题，使电机控制系统获得了飞跃发 展，从此“电子进入了强电领域，电力电子器件成为弱电控制强电的纽带，电 力电子变流器成为电机控制系统的核心。随后矢量控制技术的提出，提高了交流 调速系统的静、动态性能，但是要实现矢量控制，如用复杂的模拟电子电路来实 现，其设计、制造和调试都很麻烦，有些计算功能根本无法实现。采用微处理器 控制以后，用软件实现矢量控制算法，使硬件电路规范化，既降低成本，又提高 了可靠性。由此可见，电力电子器件和微处理器的应用是现代交流调速系统发展 的两项必备的物质基础，电力电子器件和微处理器的迅速发展是推动交流调速系 统不断更新的动力【1 1 。 永磁同步电动机( p m s m ) 是一种性能优越、应用前景广阔的电机。它凭借具 有的低速高转矩惯量比、高能量密度和高效率等优异性能和结构简单、体积小、 重量轻、损耗小、效率高的特点，使得其在中小容量范围内备受关注并获得广泛 应用，尤其是在高控制精度和高可靠性要求的场合，如航空、航天、数控机床、 加工中心、机器人等领域。和直流电机相比，它没有机械换向器和电刷：与异步 电动机相比，它不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子电阻损 耗小，且转子参数可测、定转子气隙大、控制性能好。对永磁同步电动机的调速 方法的研究始于7 0 年代，与当时在调速应用中占主导地位的直流电动机相比，永 磁同步电动机由于具有强耦合、非线性及多变量的特性，为获得较好的调速控制 性能，需要采用复杂的控制算法，其调速控制系统复杂而昂贵。然而，随着电力 电子技术的发展，其调速控制方法及应用得到了迅速的发展【2 l 。 l 山东大学硕士学位论文 永磁同步电机调速系统是采用变压变频技术对电机进行调速的控制系统。高 性能永磁同步电机调速系统的应用日益广泛，为了满足永磁同步电机传动系统工 作稳定性的需要，一般来说必须实时的知道永磁电机转子的位置并实现速度闭环 控制。位置和速度信息的获取，传统的做法是在电机上安装机械位置传感器。在 永磁同步电机控制系统中，可用的位置( 速度) 传感器有很多种，有磁敏式、电磁 式、光电式等。位置霍尔器、旋转变压器和光电编码器是它们的代表，但是都存 在各自的问题。 位置霍尔传感器须利用定子上的传感器和一圈加工在转子圆周上的齿进行 位置测量，比较繁杂；旋转变压器是其专用芯片的数据位数决定了位置测量的精 度，旋变专用芯片的位数越多，测量的位置信息精度也越高，但是高精度芯片的 高成本，是无法避免的；光电编码器对工作环境的要求都很高，恶劣的工作环境 会造成电机控制系统可靠性下降。在永磁同步电机控制系统中应用旋变或码盘作 为位置传感器是完全可以满足控制系统对转子位置精度要求的，但是无法直观地 使旋变或码盘的零位置与电机转子磁极位置吻合，只能通过人工校准。 人工校准在很多情况下是非常不便的。另外，测速系统的精度往往达不到无 差，不可避免地会给整个系统引进误差，某些情况下速度传感器还根本无法安装， 由于以上原因，导致无速度传感器交流电机控制系统的研究一直是近几年来研究 的热点。并且随着控制理论、数字信号处理和计算机技术的飞速发展，目前，国 内外的许多高校和研究所都投入了大量的精力致力于无速度传感器交流电机调 速性能方面的研究。 1 2 电机调速概测1 】川嗍【1 6 】【2 q 电动机调速主要是由于电动机服务的对象不同而提出的，因为不同的生产机 械要求有不同的运行速度，甚至一台生产机械在不同的生产过程时需要不同的运 行速度。 最初调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢 回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺 点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。 3 0 年代末，出现了发电机一电动机( 也称为旋转变流组) ，配合采用磁放大器、 2 山东大学硕士学位论文 电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围 ( 十比一至数十比一) 、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速 时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴的飞轮惯量反馈给电网。这样，一方 面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机 一电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一 些辅助励磁设备，因而体积大、费用高、效率低、安装需有地基、运行有噪声、 维修困难等。 1 9 5 7 年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多 独特的优越性，因而，晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力，由于它具 有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，因此，采用晶 闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能 上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在1 0 0 0 0 以上，比机组( 放 大倍数1 0 ) 高1 0 0 0 倍。目前在直流调速系统中，除某些特大容量的设备且供电电 路容量较小时，仍有采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，几乎绝大部分都己改 用晶闸管相控整流供电。但是由于集成电路组成的模拟控制系统，体积较大，且 模拟电路中所用器件的分散性，使得对各个晶闸管触发的移相特性不一致，导致 主电路电流的不平衡，出现零序电流，使电网三相中性点发生偏移。此外，模拟 器件中由于受环境温度等因素影响，使得元件老化变质，引起参数变化，造成调 节精度下降，可靠性不高，为了获得精确的速度调节，必须对电路进行定期检测 和调整，这给使用带来一定的困难。 近年来，随着单片机等微处理器性能地不断加强，价格地不断降低，以及数 字控制技术的迅猛发展，电机调速领域又增添了新的技术手段。数字控制可由通 用的单片微型计算机来实现，单片微型计算机除完成数字运算外，还可以实现其 它各种特殊的控制规律，比如存储和计算不同条件下的速度设定值及变化规律， 可兼对各种工艺参数进行检测、显示、越限报警和打印报表等，通过分时采样还 可以用一台计算机控制多台调速装置，这些技术特点为调速控制器装置由模拟向 数字化发展提供了契机，且全数字化控制系统的控制规律主要由软件实现，只需 配备少量的接口电路就能形成一个完整的控制系统，硬件结构简单，可以通过容 易更改的软件来实现不同的控制规律。数字化系统除了能实现系统的控制外，还 3 山东大学硕士学位论文 能实现系统的保护诊断和自检功能，结构简单、可靠性高、操作维护方便，使得 电动机稳态运行时精度可达到较高水平，静动态各项指标性能均能较好地满足工 业生产中高性能电气传动的要求。此外，数字化是控制系统向集成化，小型化， 智能化方向发展，因此电动机调速控制器装置采用以单片机为核心的数字控制系 统，是电气传动发展的主要方向之一。 目前，数字信号处理器是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理 的专用处理器，其处理速度比最快的c p u 还快1 0 5 0 倍。之前数字信号处理只能 依靠m p u ( 微处理器) 来完成，但m p u 较低的处理速度无法满足高速实时的要求。 直流传动控制器系统采用高性能、低成本数字控制系统代替分立元件或集成运算 元件组成的模拟系统的发展趋势势不可挡，而且高性能的数字直流传动控制系统 向多功能化、集成化、智能化、小型化方向发展，而且随着现代控制理论的进一 步发展，必然提高直流传动控制系统自动化程度。 1 2 1 直流机调速【8 】 根据直流机的速度公式 式中：眈电枢端电压( v ) ；l 电枢电流( a ) ；兄电枢电路总电 阻( q ) ；c ，与电动机结构有关的常数；o 每极磁通量( w b ) 。 可知直流机的调速方法主要有三种：1 ) 调节电枢电压以，改变电枢电压从而改 变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系 统。2 ) 改变电机主磁通o ，只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属 恒功率调速方法，虽能无级平滑调速，但动态响应较慢，调速范围小。3 ) 改变 电枢电路电阻兄，在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性 差、机械特性软、效率低。 直流电机调速性能好且方便，因而在要求调速的传动中一直占统治地位，但 是由于直流电机存在换向器、电刷、升高片等部件，使其在单机大容量、高过载 4 山东大学硕士学位论文 能力、低转动惯量以及维护简单化等方面受到了限制，已不能满足生产机械高性 能大型化的发展。随着电力电子学、微电子技术以及现代控制理论的迅速发展， 在大功率调速传动领域出现了交流传动取代直流传动的趋势。 1 2 2 交流机调速 相对直流机而言，交流电动机结构简单、动态响应好、惯量小、体积小、 重量轻、维护方便、价格低廉，可在恶劣环境中运行，所以更容易实现大容量 化，高压化、高速化。交流传动可分为同步电机传动和异步电机传动。 根据交流电机速度公式 刀= 6 0 f p ( 1 一s ) ( 卜2 ) 式中：玎电机转速( r m i n ) ；电机频率( h z ) ；p 极对数；s 转差率。 可知交流电机的主要调速方法有：1 ，变极对数调速；2 ，变转差率；3 ，变频 率。 但是，由于自身的限制，变极对数和转差率不能很好地实现平滑调速，不 能达到理想的调速要求。而通过变换器连续调节电动机的供电频率，即而相应 改变电动机的转速，甚至能达到无级调速。这种调速方法被称为变频调速，可以 使电机较平稳地调速，能够满足实际的精度和要求。所以，目前，交流电机的 调速控制大多是通过变频来实现的。 1 。2 3 永磁同步机调速【7 】 同步电动机相对异步电动机变频调速系统来说功率因数高、变频器容量小、 电机效率高且转动惯量小，在大功率传动中同步电机调速优势明显。同步电机的 调速问题的研究始于2 0 世纪年代末。通过检测同步电机转子磁极的位置，以适当 的顺序控制与电机绕组相连的闸流管导通，代替直流电机的换向器和电刷功能， 形成由变流器供电的自控式同步电机，也称为无换向器电机。 永磁同步电机的运行原理与普通电激磁同步电机相同，但它以永磁体激磁代 替磁绕组激磁，使电机结构更为简单，降低了加工和装配费用，同时还省去容易 5 一 山东大学硕士学位论文 出问题的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。由于无需激磁电流，没有激 磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。 早期对永磁同步电机的研究主要是针对固定频率供电的永磁同步电机，特别 是稳态特性和直接启动性能的研究。在工频电源供电条件下，永磁同步电机无自 动起动能力，一般通过转子上安装阻尼绕组以依靠其产生异步起动转矩将电机加 速到接近同步转速，然后由永磁体产生的磁阻转矩和同步转矩将电机牵入同步。 随着电力电子技术和微型计算机的发展，2 0 世纪7 0 年代，永磁电机开始应用于交 流变频调速系统。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的电机结构上基本相 同，但一般不加阻尼绕组。因为阻尼绕组的安装不仅增加了电机制造的复杂性， 而且还有其他弊端，如阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升，而且产生损耗， 降低电机效率，增大转动惯量，阻尼绕组的齿槽使电机转矩脉动增大。 2 0 世纪8 0 年代，稀土永磁材料的研制取得了突破性的进展，特别是剩磁高、 矫顽力大而价格低廉的第三代新型永磁材料钕铁硼的出现，极大地促进了调速永 磁电机的发展。新型永磁材料在电机上的应用，不仅促进了电机结构、设计方法、 制造工艺等方面的改革，而且使永磁同步电机的性能有了质的飞跃，从而成为交 流调速领域中的一个重要分支。 由于受到功率开关元件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约，永磁同 步电机最初都采用矩形波形式，在原理和控制方式上基本与直流电机系统类似， 习惯上称为无刷直流电机，但这种电机的转矩存在较大的波动。为了克服这一缺 点，人们在此基础上又研制出带有速度传感器的逆变器驱动的正弦波永磁同步电 机，简称为永磁同步电机。这种电机通过正弦波电流和连续的转子位置信号进行 控制，理论上可获得平稳转矩。 2 0 世纪9 0 年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，以及电力电子器件 的迸一步发展和改进，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，目前稀土永磁 同步电机正向大功率( 超高速、大转矩) 、高性能、微型化和智能化方向发展。 1 2 4 变频调速 交流变频调速是上世纪8 0 年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技 术，也是近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是一种调速技术。长期以来， 6 ， 山东大学硕士学位论文 交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的 资源。 根据交流电机调速公式，改变电源频率就可以改变电动机同步转速。变频调 速的控制方式可分为两种，即基频以下调速控制( v l f 控制) 和基频以上调速( 恒 功率控制) 。 1 ) v f 控制 v f 控制是交流电机最简单的一种控制方法，它是通过改变频率的同时控制 变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，在较广泛的范围内调速运转时，电 动机的功率因素和效率不下降，即在控制过程中始终保持v f 为常数，来保证定 子磁链的恒定。然而v f 控制是一种开环控制，速度动态特性很差，电机转矩利 用率低，控制参数还需要根据负载的不同来做相应的调整，特别是低速时由于定 子电阻和逆变器电力电子器件开关延时的