（电力电子与电力传动专业论文）高精度永磁同步伺服系统研究.pdf

堕j ! 三些奎堂堡主堂堡笙茎 垒! 壁型 a b s t r a c t t h eb e n c h m a r kr c vs o n r c ee q u i p m e n ti sd e s i g n e dt op r o v i d er o t a t i o n a ls p e e d m f e m n c ef o rc a l i b r a t i n ga e r i a lt a c h o g e n e r a t o ra n d t a c h o m e t e r h i g hv e l o c i t yp r e c i s i o n , w i d es p e e dr a n g ea n ds t e p l e s ss p e e da d j u s t m e n ta r ef e a t u r e so f t h es y s t e m t h eh a r d w a r e p l a t f o r m o f a c 矗e q u e r 站y c o n t r o ls y s t e m i sb a s e do n t m s 3 2 0 f 2 4 0d s pc o n t r o l l e ra n du s e si p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d e l ) a sp o w e r d e v i c e ，u s e ss q u a r e w a v er a r ee a r t hp 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 s a c t u a t i n gm e c h a n i s m t h es o f t w a r ei sm a i n l yp r o g r a m m e db yc - l a n g u a g e ，a n dp a r t l y b yb u i l t - i na s s e m b l e r - l a n g u a g e t h ev o l t a g ec o n v e r t e rw o r k si np w m m o d e f r e q u e n c y - c o n t r o ls p e e dr e g u l a t i o n ， d cv o l t a g es u p p l ym o n i t o r i n go ft h ec o n v e r t e r , s y n c h r o n o u sm o t o rp o w e r - a n g l e c l o s e - l o o pc o n t r o la r ec o m b i n e d w h e nm o t o rr u n n i n g ，r o t o rr e a l - t i m ep o s i t i o n - s i g n a l i sc a p t u r e d ，a n dc o m p a r e dw i t hs t a t o rv o l t a g ew a v et oc a l c u l a t em o t o rp o w e r - a n g l e ， w h i c hi st h eb a s eo fc l o s e - l o o pv o l t a g ep w mr e g u l a t i o n m o t o rr u n n i n g h i g h - p r e c i s e l ya n da v o i d i n gl o s so f s y n c h r o n i s ma r eb o t hr e a l i z e d w o r k i n gc u r r e n to f t h em o t o ri sl o w e r e dd o w n ，a n de f f i c i e n c yi n c r e a s e s t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e ss y n c h r o n o u sm o t o rf r e q u e n c y c o n t r o ls p e e dr e g u l a t i o n ， t h ep o w e r - a n g l ec h a r a c t e r i s t i c so f r a r ee a r t hp 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 a n dt h es o f t w a r er e a l i z a t i o no fh i g hp r e c i s es p e e dc o n t r 0 1 t h ei m p r o v e m e n to fi p m c o n t r o lc i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i ti sa l s op r e s e n t e di nt h ep a p e r i th a sb e e np r o v e d b ye x p e r i m e n t st h a tt h es c h e m eo fs y s t e mi sr a t i o n a l ，t h em e t h o do fd e t e c t i o na n d c o n t r o li sf e a s i b l e ，a n dt h i ss y s t e mr e a l i z e sh i g hp r e c i s e ，w i d e r a n g e ，s t e p l e s sa n d b i d i r e c t i o n a ls p e e dc o n t r o l ，p r e v e n t ss y n c h r o n o u sm o t o rf r o ml o s so fs y n c h r o n i s m t h ei n d e xo f p e r f o r m a n c er e a c h e so rb e y o n d sd e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：p o w e r - a n g l e c h a r a c t e r i s t i c s p o w e r - a n g l ec l o s e dl o o p m g hp r e c i s i o n 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 g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r l l 西北工业丈学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 本课题是为某飞机设计研究所设计的基准转速源，用于对测速发电机的校 准。测速发电机与航空发动机相连，为了精确测得航空发动机的转速，需要测试 测速发电机的转速和输出电压对应曲线，这就要求有电动机驱动系统对其提供精 确速度驱动。作为基准的转速源要求有很高的速度精度、较宽的调速范围，能够 实现平滑的无级调速。系统要求调速范围4 - 5 0 9 0 0 0 r p m ，调速精度l r p m ，输 出转矩0 1 n m ，动态指标没有严格要求。 1 2 交流调速技术的发展现状及发展趋势 1 电机控制理论的发展 自7 0 年代异步电动机矢量变换控制方法提出，至今已获得了迅猛的发展。 这种理论的主要思想是将异步电动机模拟成直流机，通过坐标变换的方法，分别 控制励磁电流分量与转矩电流分量，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速 特性。这种控制方法已经比较成熟并产品化。之后，围绕着矢量变换控制的缺陷， 如系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等等问题t 国内外学者进 行了大量研究。1 9 8 5 年，德国d e p e n b r o c k 教授提出一种薪的控制方法一直接 转矩控制理论。其思想是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析 方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型p w m 逆变器的开关状 态赢接控制转矩。它不需要坐标变换，也不需要依赖转予数学模型，理论上很诱 人。这一理论正在不断的完善和发展。 随着现代控制理论的发展，先进的控制思想如滑模变结构控制技术、采用微 分几何理论的非线性解耦控制、模型参考自适应控制等方法引入电机控制中，使 系统性能得到了改善，但这些理论仍然建立在对象精确的数学模型基础上，有的 需要大量的传感器、观察器，因而结构复杂，有的仍无法摆脱非线性和电机参数 变化的影响，因而需进一步探讨解决上述问题的途径。 当前的先进电机控制思想在理论上很诱人，但是还有不足，需要完善。在今 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 后发展中，相当长时间内会是现有的各种控制思想相互结合、取长补短。近年来， 智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用，典型的有模糊控制、神经网络 控制和基于专家系统的控制等等。由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有 较强的鲁棒性，因而在电机控制中也越来越多的引入各种智能控制理论。 2 电机控制集成电路的发展”1 目前用于电机控制的集成电路大致可以分为三大类：电机控制专用集成电 路、专门为电机控制设计的微控制器( m c u ) 和数字信号处理器( d s p ) 。电机 控制专用集成电路的出现对电机控制的影响是深远的，它大大推动了电机控制行 业的发展。针对电机控制应用的m c u 和d s p 提供了电动机运动控制运行必需 的复杂数学算法和控制功能。电机控制m c u 和d s p 芯片替换了曾经充满整个 电路板的许许多多的元器件。 这三类电机控制用i c 的性能和应用范围各不相同。电动机控制专用i c 在小 功率的低端应用中具有较大的优势。其特点是使用简便，开发周期短，但往往在 系统设计韵灵活性及性能等方面受到限制。针对电动机控制应用的m c u 和d s p 编程方便，非常适用于对控制性能和系统的灵活性有一定要求的场合。i c 技术的 发展使得m c u ，尤其是d s p 的成本快速下降，以往因为成本原因无法使用的场 合也开始使用m c u 和d s p 。 电机控制的m c u 与d s p 在特性上各有不同。m c u 侧重于i 0 接口的数量 和可编程存储器的大小，所以m c u 非常适用于有大量的l d o 操作的场合。而d s p 的特长在于高速运算，侧重于运算速度。在无刷直流电动机控制、无传感器电动 机控制等复杂应用中，为实现良好的控制策略，通常要求较大的运算量和实时运 算能力。与m c u 相比，d s p 在这一方面具有绝对优势。基于m c u 的电动机控 制i c 能控制直流电动机和带霍尔传感器的无刷电动机，但要实现无传感器控制 或正弦波变频控制等复杂算法，则势必需要d s p 内核。近年来，随着d s p 价格的 进一步降低，很多设计逐渐用d s p 代替m c u 实现电动机控制。 与单片机相比，d s p 器件具有较高的集成度。d s p 具有更快的c p u ，更大 容量的存储器，内置有波特率发生嚣和f i f o 缓冲器，提供高速、同步串口和标 准异步串口。有的片内集成了a d 和采样保持电路，可提供p w m 输出。d s p 采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 内置高速的硬件乘法器，增加的多级流水线，使d s p 器件具有高速的数据计算 能力。d s p 器件比1 6 位单片机单指令执行时间快8 l o 倍，完成一次乘法运算 快1 3 1 6 倍。简单地说，就是d s p 器件运算功能强，而单片机的事务处理能力 强。d s p 器件还提供了高度专业化的指令集，提供了f f t 快速傅立叶变换和滤 波器的运算速度。此外，d s p 器件提供了t a g ( j o i n tt e s t a c t i o ng r o u p ) 接口， 具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便。 德州仪器、美国模拟器件公司以及摩托罗拉等传统d s p 巨头正将马达控制 市场作为d s p 的新兴应用领域。t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x 作为第一个电机数字控 制器的专用d s p 系列，可支持电机的转向、指令的产生、控制算法的处理、数据 交流和系统监控等功能。集成化d s p 内核、最佳化电机控制器事件管理器和单 片式a d 设计等诸多因素加在一起，就可以提供一个单芯片式电机数字控制方 案。系列中的t m s 3 2 0 c 2 4 0 包括一个2 0 m i p sd s p 内核、一个事件管理器、两 个串行口、一对1 0 位a d 转换器、一个3 2 位i o 系统，一个监视计算器、一个 低电压监视器和一个1 6 k 字符快闪存储器。它利用t m s 3 2 0 的定点d s p 软件开 发工具和j t a g 仿真支持，可使电机控制领域的开发商方便地从微控制器提升至 新的d s p 控制器。 3 变频调速系统的发展 由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡 尔曼滤波、f f t 、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种 交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。d s p 芯片在仝数字化的高性能交流调 速系统中找到施展身手的舞台。如t i 公司的m c s 3 2 0 f 2 4 0 等d s p 芯片，以其较 高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。在交流调速的全数字化的 过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。s t d 总线、工业p c 总线、现场 总线以及c a n 总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。 p w m 控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是 以各种p w m 控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的p w m 控制方案 就不下十几种。尤其是微处理器应用于p w m 技术并使之数字化以后，花样不断 翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效 率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，p w m 控制技术的发展经历了一个不 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这 项技术的研究方兴未艾。其中，空间矢量p w m 技术以其电压利用率高、控制算 法徇单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得n t 越来越多的应用。 v f 恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统， 基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态 性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系 统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控 制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的 性能尚不能令人满意。 考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接 通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐 标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流 分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重 建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速 的转矩和磁通控制即矢量控制。和矢量控制不同，直接转矩控制屏弃了解耦的思 想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间 矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转 矩的直接控制。 4 计算机软件方面 随着计算机技术和微电子技术的发展，现代计算机的功能越来越强大，速度 越来越快。同时为系统的设计和仿真提供的软件业越来越多，其中最为著名的是 大型计算仿真软件m a t l a b 。m a t l a b 功能强大，工具箱丰富，可以对系统的 控制理论河数学模型进行仿真，是设计控制系统的得力助手。此外，还有很多电 子设计软件如p r o t e l 、p s p i c e 等，它们提供了丰富而详细的商业元件库，可以 设计电路原理图和电路印制板( p c b ) ，同时还具有一定的电气电子电路的仿真 功能。这些计算机辅助设计软件的出现极大地提高了电子工程设计人员的工作效 率，同时也降低了开发成本。 随着d s p 的新型智能器件的使用，软件设计成了系统的重要组成部分。由 于汇编语言晦涩、指令繁杂，限制了其在工程上的发展。为了提高软件的开发效 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 率，越来越多的公司推出了基于c 语言的软件开发工具，如t i 公司的c c 2 0 0 0 c o d ec o m p o s e r 。提高了程序的可读性，使工程软件设计人员可以将主要精力放 在控制率和软件算法的实现。c 语言开发工具的出现反过来促进了智能芯片的广 泛应用。 1 3 论文的主要工作 1 分析调速系统特点，选择能够满足性能指标的永磁同步电动机变频调速 系统方案。 2 根据指标要求提出永磁同步电机时间换向结合功角闭环控制方案。 3 确定了基于i p m 逆变器的p w m 调压方式，使逆变器电路简化。 4 研究永磁电机的功角特性，和功角p i 控制中参数的选取。 5 确定了电机转速无级调速方案，实现了5 0 9 0 0 0 r p m 之间转速的无级调 节。 6 系统的软件设计与编程，性能优化，参数调试。 7 系统硬件的优化、调试。 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 2 1 电机本体 第二章系统总体方案 2 1 1 方波电机与正弦波电机 稀土永磁交流伺服系统采用稀土永磁交流伺服电动机作为执行元件。按照工 作原理、驱动电流波形和控制方式的不同，稀土永磁交流伺服电动机可分为两种 基本的运行模式：一种是方波电流驱动的稀土永磁交流伺服电动机；另一种是正 弦波驱动的稀土永磁交流伺服电动机。前者又称为稀土永磁无刷直流伺服电动 机，简称方波电动机；后者又称为稀土永磁无刷交流伺服电动机，或稀土永磁三 相同步伺服电动机，简称正弦波电动机“。 方波电动机与正弦波电动机的电机本体是相同的。 2 1 2 电机选型 电机是整个系统的执行机构，其性能特点对于能否满足技术指标及实现控制 策略起着关键作用。本系统采用的是稀土永磁方波同步电动机，主要参数为：额 定电压2 2 0 v a c ，额定功率2 0 0 w ，额定转速9 2 0 0 r p m ，额定转矩o 1 2 n m ，极对 数l ，反电势为方波。这主要是出于以下考虑：稀土永磁电机体积小，重量轻， 功率密度大；稀士永磁材料的磁场定向性好，方波电机与1 2 0 度导通型三相逆变 器相匹配，可实现方波驱动，从而可有效地减少力矩波动，同时提高电机的出力； 方波电动机的电磁转矩不仅由基波产生，同时也由谐波产生，在同样体积的条件 下，方波电动机比正弦波电动机出力大约增加1 5 ，材料利用率高。 2 2 方波永磁同步电动机数学模型 方波永磁同步电动机的气隙磁场、反电势以及电流都是非正弦的，通常直接 利用电动机本身的相变量来建立数学模型i l l 。该方法既简单又有较好的准确度。 假设磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称，则三相绕组的 6 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案 电压平衡方程可表示为 e 式中 刚汁考酬p 讣i 目e i e 。f + 。i m m工l1 il ，l u 。、u b 、一定子相绕组电压( v ) ； i 。、i b 、i 。一定子相绕组电流( a ) ； 吣吣e c 一定子相绕组电动势( v ) ； r 一每相绕组的电阻值( o ) ； l 一每相绕组的自感( h ) ； m 一每两相绕组间的互感( h ) ； p 一微分算子p = d d t 。 荔 = i ；1 + 三 - 三 f 三事 f 寸； + 圣 c ：- 4 ， m 。：土( p 。屯+ 屯十巳f 。) 国 珊一电机的机械角速度。 电机的转子运动方程为 华= ( m 删_ m 一b o ) ) j ( 2 - - 6 ) a l m l _ 负载转矩，b 粘滞阻尼系数，j 一转子及负载转动惯量。 根据电压方程式( 2 4 ) ，可得电机的等效电路图，如图2 1 所示。 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 u u b u c rl m 图2 1 电机等效电路 电压方程式( 2 4 ) 还可写成状态方程形式 * 2 3 逆变器 0 l 三一m o 心一臣璐h 鲫 图2 2 逛翌器电蹑 驱动同步电机p w m 逆变器如图2 2 所示。逆变器桥臂上共6 个开关管 s 1 s 6 。本系统采用p w m 调压方式。采用的电机是方波永磁同步电机，与之配 合，逆变器采用1 2 0 。导通型三相逆变器，实现方波驱动，可有效地减少力矩波 动，同时提高电机的出力。 在1 2 0 。导通方式下，一个周期中逆变器共有6 个开关状态，开关状态与开 关管s l s 6 的导通关系如表2 1 所示。逆变器的三相电压波形如图2 _ 3 所示。 。由 由： 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 b c 萨舻 3 e 矿3 图2 3 逆变器输出三相电压波形 表格2 1 逆变器的开关状态 逆变器6 种状态 l23456 s l 11o0 o 0 逆变器 s 20 l 1o0o 开关管 s 3 o 0 l 10o 导通8 40oo110 关系 s 5o0oo1l s 6loo0 o1 表中，1 导通，卜关断。 p w m 斩波有多种实现方法，根据每个导通状态p w m 作用管予数目的不同， 把p w m 斩波方式分成两大类型，一类是“双斩”方式，如图2 4 ( a ) 所示，每 个导通状态逆变器上下桥臂的功率管全部进行p w m 斩波；另类是“单斩”方式， 如图2 叫( b ) 即在三相六状态任意一个状态区间，只有上桥臂或下桥臂的一个 功率管进行p w m 斩波控制。不同的斩波方式对于功率管的开关损耗和电机的转 矩脉动会产生不同效果。从开关管损耗方面看，双斩方式功率管的开关损耗是单 斩方式的两倍，降低了逆变器的效率，并且不利于散热。而单斩方式实现比较简 单，对电机的转矩脉动抑制效果好，因此本文采用此种调制方式。两种斩波方式 9 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 比较图，如图2 4 所示。采用p w m 斩波方法后的三相电压如图2 5 所示。 l 23 456 n f l f l f l h n d i l f 1 0 丌ff l l l l l l l f l n f l f ll l i t t 1 i b i i i i fi i i i i i 册朋仰几f i 1 1 f i r0 兀n n 由n 3 456 n 1 n fi 1 1 t l l f n n n n n n n n d 。 f l 一 图2 4 双斩、单靳方式示意图 方波电压波形的微控制器实现。由于采用1 2 0 。导通方式，同一相的上下桥 臂开关管有同时关断的状态，所以上下桥臂开关管要分开控制。逆变器的6 个开 关管分别由控制器的6 个控制引脚驱动，每种开关状态对应控制器程序的一个控 制字。6 种开关状态分别对应6 个控制字，控制器顺序执行这6 个控制字，逆变 器三相输出一个周期的方波电压波形。应用中，将6 个控制字存入一个数组中， 形成电压矢量控制字表，或者简称为矢量表。控制器按顺序循环查矢量表，逆变 器在控制器驱动下输出连续的波形。使用矢量表查询法，可以方便的实现1 2 0 。 导通、1 8 0 。导通或者空间矢量法等多种电压波形控制。 a b c 图2 5 含斩波的逆变器三相输出电压 0 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案 2 4 两种控制方案比较 2 4 1 变结构方案 永磁同步电动机的交结构控制方案就是指，将永磁同步电动机位置换向的无 刷直流电动机运行模式和同步电动机时间换向运行模式结合起来，当电动机处于 起动状态或在调速过程中，采用无刷直流电动机的运行模式，以实现动态响应的 快速性，一旦电动机的转速到了给定值附近，马上把它转入同步电动机运行模式， 以保证其稳速精度“1 。 变结构方案的原理特点 4 e l 。位置换向运行方式由于采用转子位置信号控制 逆变器换流，保证了转子磁场和定子磁场始终为9 0 。相角差，所以无失步现象。 并具有直流电动机良好的动态性能。但由于电源和机械振动的影响，转速精度指 标不能达到。另一方面，其转矩脉动较大，不能满足系统对转速稳定性的要求。 时间换向方式能准时地控制逆变器换流。在不失步前提下，电机的转速等于变频 器的输出频率，而变频器输出频率仅由速度给定信号决定，逆变器的换向操作无 需检测电机转子的实际位置，完全在期望的时刻进行换向。但其调节速度较慢， 动态性能不佳，并且有失步可能。变结构控制策略在同一控制电路中根据不同情 况完成上述两种运行方式，兼顾稳态和动态性能，使两种控制方式的优点都得以 发挥。当电动机处于起动或调整过程中，采用位置换向方式。通过调节电机相电 压，使电机满足动态性能指标。同时，根据送入d s p 捕获单元的霍尔传感器反 馈信号，实时计算电机转速。当电机转速与期望转速接近且相对稳定时，把它切 换到时间换向方式，以保证其稳速精度。切换点可选在某一路反馈信号的上升沿 到来之时。由于时间换向调速是速度开环系统，电机有可能会由于各种干扰而失 步。一旦检测到转速与期望值差别太大，可判定为失步，使其重新回至n 位置换向 方式，并在条件满足时再次拉回时间换向方式。为避免过于频繁的切换，应将两 种模式的相互切换条件设为滞环。 1 无刷直流电动机原理简述 无刷直流电机的原理框图如图2 6 所示。系统由无刷直流电机本体、位置 传感器、换向控制电路和逆变器组成。位置传感器产生与转子位置对应的三路方 里垡垒型望! 兰堡主堂堡堡奎 整三童墨篓璺堡查塞 波信号，换向电路根据三路位置信号判断转子位置来控制逆变桥的6 个开关管的 导通状态，即由位置信号控制电机定予电流的换向。由位置信号换向无需控制器 控制而自动完成，因此无刷直流电动机也称为自控式永磁同步电动机。无刷直流 电动机的这种工作方式几乎不会失步，同时转速控制简单。控制器只需要控制逆 变器的输出电压就可以控制电机升降速，因而动态响应快。 田2 _ 吨无刷直流电动机工作原理圉 换向电路的功能一般由可编程逻辑器件来实现。电机转子转动一周，三路位 置信号共有6 种状态组合，分别对应逆变嚣的6 种开关状态。将这种逻辑对应关 系写入可编程逻辑器件，它就可以自动由当前转子位置产生对应的逆变器开关控 制信号，逆变器受控输出如图2 3 所示的电压方波，实现方波驱动。这种逻辑 对应关系如表2 2 所示。控制器实时检测电机的转速，当电机转速达到期望值 附近时，控制器自身产生6 路开关管控制信号来代替由位置信号逻辑组合产生的 开关管控制信号，此后，电压波形的周期由控制器的定时器来控制，实现了同步 电动机运行状态下的高精度。 表格2 2 无刷直流电动机换向逻辑表 开关状态 123456 电角度 6 0 。1 2 0 。1 8 0 42 4 0 。3 0 0 43 6 0 。 位置 s all1ooo 信号 s b0011l0 s c1oo0ll 定子 u a1l0 1- 1 o 相电压 u b- 1 ol lol u c oll011 s lllo0oo s 2o110o0 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案 开关管 s 3oo11oo 的状态 s 4ooo1lo s 5o0oo1l s 610o0ol 2 变结构方案适用性分析 变结构方案应用范围和条件。变结构方案很适合电机带载起动、转速快速调 节和稳态转速精度高的应用场合。由于变结构方案是两种运行方式的组合，因此 两种方式切换的条件和过程是必不可少的，也是该方案中最重要的方面。考虑到 电机输出转矩有限，当电机转速与期望转速相差较大时，切换过程需要电机提供 较大的转矩，这可能使电机失步。在测速精度比较高和位置换向下稳速控制较好 的前提下，电机实际转速和期望转速接近时，才能换向。切换过程要控制好逆变 器各桥臂上开关管的瞬间状态衔接，同时也要控制切换瞬间前后的电压保持不 变。 切换条件较严格是变结构方案自身的局限。另外，当电机从时间换向方式切 换到位置换向方式。从他控式变为自控式，这一过程中电机转速要发生不可控的 波动。而本系统要实现无级调速和对输入给定转速的动态跟踪，这势必会造成系 统在两种运行方式之间的频繁切换，切换瞬间电机转速跳动，增加了系统的不稳 定性和失步的可能性，也无法实现电机输出转速对输入给定转速的动态跟踪。因 此，变结构方案适用于带载快速起动并稳定运行于期望转速的场合，而不适合本 系统动态跟踪输入转速的要求。 2 4 2 同步电动机运行方式结合功角闭环方案 同步电动机运行方式能够实现系统的稳态商精度，也能够实现对输入给定转 速的快速跟踪，但是同步电动机运行方式的固有缺点是带载问题。当带载过大， 或者电机输入电压偏小、造成输出转矩不够时，转子磁场和定予磁场之间的功角 被拉大，当超出失步的最大功角时，电机就陷入失步状态。解决的办法就是加入 功角实时检测，对功角进行闭环控制。当功角偏大，就增加定子电压，加大电磁 转矩，使功角缩小，抑制电机失步的趋势；当功角较小时，可以减小定予电压， 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 增大功角，从而提高同步电动机运行效率。功角检测方法将在下节详细阐述。 对功角的检测实际上就是对电机转子位置的检测。转子位置检测也有无位置 传感器和有位置传感器两种方法。无位置传感器方法一般应用在电机体积小、位 置传感器难以安装或电机工作环境恶劣、传感器工作不可靠的场合，而普通应用 场合则不需要。常用的转予位置传感器有：霍尔元件式位置传感器、电磁式位置 传感器和光电编码器。霍尔