（机械电子工程专业论文）一体化永磁同步电机驱动器的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 删洲舢 y 18 9 4 5 3 3 ”。 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 弘平 劢“年6 月f ，日 指剥獬：7 瞄，民 f 砂年易月l 沙日 (、 分类号 堕! ! f ! u d c b zi 密级垒堑 编号 f 2 忍2 羔! 蔓垒! 旦1 7 江蒜大擎 硕士学位论文 一体化永磁同步电机驱动器的研究 指导教师题菱尽教授 江苤太堂扭越工程堂院 申请学位级别亟专业名称扭越电王王程 论文提交日期2 q ! ! 生5 月论文答辩日期2 q ! ! 生鱼月 学位授予单位和日期湮菱太堂2 q ! ! 生鱼月 答辩委员会主席毖 评阅人 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子技术、微处理器技术、电机制造技术和现代控制理论的发展， 交流伺服系统的应用越来越广。一体化电机因其将控制器、驱动器、编码器和电 机集于一体这一优点，可以很好地解决工厂因交流伺服系统要求安装空间大、接 线繁琐所带来的问题。可以预见的是，随着相关技术的成熟，一体化电机将会获 得进一步的发展和应用。 本文在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上，以永磁同步电机为控制对象， t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心芯片，研究和设计了一体化永磁同步电机的驱动器。首 先，从永磁同步电机本身出发，研究了永磁同步电机矢量控制方法和空间矢量脉 宽调制原理，分析了p m s m 数学模型，构建了本系统的永磁同步电机矢量控制框 图i 、 其次，采用m a t l a b s i m u l i n k 搭建了系统控制模型，进行了仿真研究，并对结 果进行分析，基本符合设计要求。 最后，针对一体化电机硬件系统各部分集成在一起造成的电磁干扰问题，提 出了通过电路结构上的设计，以降低其所造成的干扰问题。在硬件部分，以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制芯片，d r l 5 a 为功率驱动器，并结合电机与编码器，完成了 d s p 最小系统及其外围电路、电流检测电路、速度位置检测电路、驱动电路等的 设计。软件部分，以c c s 3 3 为开发软件平台，采用c 语言编程，完成了主程序、 中断控制程序及相关子程序的设计。 关键词：电机驱动器；永磁同步电机；一体化 一体化永磁同步电机驱动器的研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e mp o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u e ，m i c r o p r o c e s s o r t e c h n i q u e s ，e l e c t r i cm a c h i n e sc o n t r o lt e c h n o l o g i e sa n da d v a n c e dc o n t r o lt h e o r i e s ，t h e a p p l i c a t i o no fa cs e r v ot e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e b e c a u s eo ft h e a d v a n t a g e st h a tt h ec o n t r o l l e r , d r i v e r , e n c o d e ra n dm o t o ra r ei n t e g r a t e dt o g e t h e r , t h e i n t e g r a t e dm o t o rc a ns o l v et h ep r o b l e m st h a tl a r g es e t t i n gs p a c ea n dw i r i n gt e d i o u s c a u s e db yt h ea cs e os y s t e mf o rf a c t o r i e s w ec a nf o r e s e et h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t a b o u tt h ei n t e g r a t e dm o t o rw i t ht h em a t u r i t yo fr e l a t e dt e c h n o l o g i e s b a s eo nt h er e s e a r c hr e s u l t sa th o m ea n da b r o a d ，t h ec o n t r o lo b j e c ti sp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ra n dc o n t r o lc o r ec h i pi st m s 3 2 0 f 2 8 1 2i nt h ep a p e r i n t e g r a t e dp m s md r i v e ri ss t u d i e da n dd e s i g n e d f i r s t l y , t h i sp a p e ro r i g i n a t e sf r o mt h e m o t o ri t s e l f , t h ev e c t o rc o n t r o lo fp m s ma n ds p a c ev e c t o rp w mi s s t u d i e d ，t h e m a t h e m a t i c sm o d e lo fp m s mi sa n a l y z e da n dt h em o t o rv e c t o rc o n t r o lb l o c kd i a g r a m o ft h es y s t e mi sc o n s t r u c t e d a d d i t i o n a l l y , t h ec o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li sb u i l to nm a t l a b s i m u l i n k w i t ht h i s ，w er e s e a r c ht h ec o n t r o ls i m u l a t i o n ，a n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o ni sa c c o r d w i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , t h em e t h o do ft h ed e s i g no no r c u i ts t r u c t u r ei sp r o p o s e dt os o l v et h e e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ep r o b l e mf o rt h ei n t e g r a t i o no ft h ei n t e g r a t e dm o t o r o nt h e h a r d w a r eo ft h es y s t e m ，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2i st h ec o n t r o lc h i pa n dd r l 5 ai st h ep o w e r d r i v e r c o m b i n i n gw i t ht h em o t o ra n de n c o d e r , t h ec u r r e n ts e n s i n gd r c u i t ，t h es p e e d p o s i t i o nd e t e c t i o nc i r c u i t ，t h ed r i v i n gc i r c u i t ，t h es m a l l e s tc o m p l e t ed s ps y s t e ma n di t s p e r i p h e r a lc i r c u i t s a r ed e s i g n e d o nt h es o f t w a r eo ft h es y s t e m ，u s i n gc c s 3 3a s p l a t f o r mf o rt h ed e v e l o p m e n to fs y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n dca st h ep r o g r a m m i n g l a n g u a g e ，t h em a i np r o g r a m ，t h ei n t e r r u p tc o n t r o lp r o g r a ma n dt h e a s s o c i a t e d s u b r o u t i n e sa r ed e s i g n e d k e yw o r d s ：m o t o rd r i v e r ；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 ；i n t e g r a t e d i l l 一体化永磁同步电机驱动器的研究 i v 江苏大学硕士学位论文 目录 绪论1 永磁同步电机的发展概况1 永磁同步电机控制策略的发展概况1 1 2 1 恒压频比控制2 1 2 2 矢量控制2 1 2 3 直接转矩控制3 一体化电机的国内外现状3 课题的研究意义和研究内容4 1 4 1 课题的研究意义4 1 4 2 课题的主要研究内容5 一体化永磁同步电机控制系统设计思路6 永磁同步电机矢量控制系统总体架构6 永磁同步电机数学模型的建立7 2 2 1 永磁同步电机的结构及特点7 2 2 2 几种坐标系及坐标变换8 2 2 3 永磁同步电机数学模型1 3 空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 原理及实现1 5 2 3 。1 s v p w m 原理1 5 2 3 2s v p w m 算法实现1 7 调节器的控制策略2 0 2 4 1电流环调节器的设计2 0 2 4 2 速度调节器的设计2 1 2 4 3 位置调节器的设计2 2 本章小结2 2 一体化永磁同步电机矢量控制仿真研究2 3 仿真平台概述2 3 系统组成及仿真2 4 3 2 1p m s m 模型2 4 3 2 2s v p w m 模块2 4 3 2 3 坐标变换模块2 6 3 2 4p i 调节器2 7 系统仿真结果及分析2 7 本章小结2 8 一体化永磁同步电机驱动器的硬件设计2 9 4 1 系统硬件总体结构2 9 v 啼坨 璋越 躬 “ ”璋勉 粥蟑 第 第 第 第 一体化永磁同步电机驱动器的研究 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 第五章 5 1 5 2 5 3 d s p 的功能介绍。2 9 功率板的设计3 1 4 3 1 主回路。3 1 4 3 2电流检测电路3 6 4 3 3 直流母线检测电路一3 7 4 3 4 位置速度检测电路3 8 控制板的设计3 9 4 4 1d s p 最小系统3 9 4 4 2d s p 接口电路4 1 系统电源的解决方案4 3 驱动器与电机的结合4 3 本章小结4 3 一体化永磁同步电机驱动器的软件设计4 4 c c s 软件集成开发环境4 4 系统软件整体结构4 5 主程序的设计4 5 5 3 1d s p 系统的初始化4 6 5 3 2内设单元初始化。4 6 5 4 定时中断服务程序4 7 5 5 电流采样子程序。4 8 5 6 转速测量子程序。4 9 5 7s v p w m 子程序5 0 5 8 调节器的软件实现5 1 5 9 正余弦子程序计算5 3 5 1 0 串行通讯程序5 3 5 1 1 功率驱动保护中断程序5 4 5 1 2 本章小结5 4 第六章总结与展望 6 1 全文总结。5 5 6 2 工作展望5 5 参考文献5 6 致谢! ；8 附录a 控制板原理图 在读硕士期间发表论文 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 永磁同步电机的发展概况 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。我国是世界上最早发现永 磁材料的磁特性并把它应用于生产实践的国家。在1 9 世纪2 0 年代出现的世界上 的第一台电机就是永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天 然磁体矿石( f e 。0 。) ，磁能密度很低，用它研制成的电机体积庞大，不久被电励磁 电机取代。 直到七十年代未八十年代初，由于永磁同步电动机具有体积小、功率密度高、 ，。 ，+ 效率和功率因数高等明显的特点，引起了从事电机及其驱动系统技术研究的学者 和研究人员的广泛注意。1 9 8 3 年问世的钕铁硼( n d f e b ) 永磁材料，由于其优异的 磁特性、+ 低廉的成本和充足的材料等原因，引起了各国的高度重视，并进行了大 量的研究和应用开发工作。可以预测未来钕铁硼永磁材料有可能取代传统的永磁 材料，成为永磁同步电动机首选的永磁材料。由于我国稀土资源蕴藏量占世界8 5 以上，因而在开发高磁场永磁材料方面具有得天独厚的有利条件。 进入9 0 年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁 材料性能的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电 机研究开发经验的逐步成熟，使永磁电机的研究进入一个新阶段。一方面，正向 大功率化、高功能化和微型化方向发展；另一方面，促使永磁电机的设计理论、 计算方法、结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局面，形成了以 电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析方法和计算机辅助分析 软件i 。 目i ； ，永磁同步电机应用范围非常广泛，如航空航天、兵器国防、数控机床、 机器人、工农业生产和日常生活等各个领域，而且随着永磁材料和电动机转子制 造价格的降低及驱动系统理论和实践运用的不断完善和提高，永磁同步电机及其 驱动系统将会得到更进一步的发展和应用。 1 2 永磁同步电机控制策略的发展概况 永磁同步电机调速控制的研究始于2 0 世纪7 0 年代，与当时在调速系统中占 一体化永磁同步电机驱动器的研究 主导地位的直流电动机相比，永磁同步电机由于具有强耦合、非线性及多变量的 特点，为获得较好的调速控制性能，需采用复杂的控制算法，其控制系统也变得 复杂而昂贵。永磁同步电机常用的控制策略有恒压频比控制( w v f ) 、矢量控制 ( v e c t o rc o n t r 0 1 ) 和直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 【4 2 】。 1 2 1 恒压频比控制 恒压频比控制又称为变压变频控制，其控制变量! 为电动机的外部变量即电压 和频率。控制系统将参考电压和频率输入到控制器中，并由逆变器产生一个交变 的正弦电压施加在电动机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下， 这样使供电电压的基波幅值随着速度指令成比例的线性增长，从而保持定子磁通 的近似恒定。 这种控制方法无需从电机端引入任何速度、位置或电压、电流反馈信号，属 于开环控制。这种控制系统的优点是控制机构简单、易于实现且价格低廉。但由 于系统中不引入速度、位置或其它任何反馈信号，因此不能实时捕捉电机的工作 状态，则无法精确控制电磁转矩。这种驱动系统主要用于对动态响应特性和精确 性都要求不高的场合，如大功率离心式风机、水泵类等调速场合【2 1 。 1 2 2 矢量控制 矢量控制，也称转子磁场定向控制，1 9 7 1 年由德国的f b l a s c h k e 等人首先提 出的【5 1 。他们以直流电动机和交流电动机比较的方法阐述了矢量控制的原理，使人 们看到即使交流电动机控制复杂，但同样可以实现转矩和磁场独立控制的内在本 质，促使交流调速理论获得了质的飞跃。矢量控制是建立在对交流电动机数学模 型的坐标变换基础之上的，通过一系列的坐标变换，将交流电动机的定子电流分 解为相互垂直的两个分量即励磁分量和转矩分量，通过磁场定向控制，把交流电 动机的模型等效成直流电动机的模型，并模仿直流电动机的控制方法，对交流电 动机的电磁转矩进行控制。矢量控制是实现交流电机高性能的重要手段，也是永 磁同步电动机调速系统的理论基础。 由于永磁同步电动机内部磁场复杂，非线性比一般电机严重的多，所以它的 矢量控制也较为复杂。永磁同步电动机的矢量控制要求对直轴和交轴进行协调控 制，充分利用电磁转矩和磁阻转矩的共同作用，提高电机效率。由于实际电机中 2 江苏大学硕士学位论文 都存在磁场非线性因素，使矢量控制的具体实现存在偏差，表现在电流给定与期 望不同，尤其是存在相角偏差。对位置伺服来说，这种电流给定的相角偏差是影 响系统动态响应性能的一个因素。 另外，实现矢量控制要进行复杂的坐标变换，较大的运算量，还需要准确的 转子磁链以及精确的电机模型。这些都限制了矢量控制技术的进一步发展，虽然 后来提出了很多解决这些问题的方法，但这些方法同时也增加了系统的复杂性， 实现起来很困难【蜘。 1 2 3 直接转矩控制 针对矢量控制实现困难的问题，德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授提出直接转 矩控制思想，其基本思路是利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下分析 交流电动机的数学模型，对电机的电磁转矩进行直接控制，采用定子磁场定向， 借助离散的两点式调节产生p w m 信号，直接控制逆变器开关管的开关状态，从而 实现对转矩的控制【4 】。 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，d t c ) 是一种新型的高性能交流调 速传动控制技术，与矢量控制相比，它摒弃了矢量控制中的解耦思想，直接对电 动机的磁链和转矩进行控制，并用定子磁链的定向代替转子磁链的定向，避开了 电动机中不易确定的参数。这种控制方式不需要电动机的转子参数，无需将交流 电动机与直流电动机作等效，省去了复杂的旋转坐标变换。因定子磁链的估算只 与相对比较容易测量的定子电阻有关，所以使得磁链的估算更容易、更精确，受 电机参数变化的影响也更小。此外，直接转矩控制通过直接输出转矩和定子磁链 的偏差来确定电压矢量，与以前的调速理论相比，它具有控制直接，计算过程十 分简化，转矩响应快、动态性能好的优点。该控制方法对电机模型参数的依赖程 度小，已成为交流传动领域的新热点。 1 3 一体化电机的国内外现状 在伺服系统的传动、驱动和控制集成化技术方面，西方发达国家起步较早。 美国的a m p 公司的s t m 2 3 系列电机是采用先进的控制技术，新研发出集p l c 、驱动 器、电机一体的智能型系列产品。其融合步进电机和驱动技术于一体，节约了安 装空间、简化了繁琐的接线。瑞士瑞诺低压一体化伺服电机b m e 系列，实现真正 3 一体化永磁同步电机驱动器的研究 低压伺服，可适用于野外等无交流电源场合，同时也可适用于需本质安全场合。 丹麦j v l 工业电子公司生产的姒c 系列电机，集驱动器和电机为一体，结构紧凑， 安装方便，己经广泛应用在装配机器人、泵推动器、磨床、激光扫描仪上；控制 器采用智能控制算法，有简单易操作的通用软件包，同时电磁兼容性好。德国西 门子公司生产的s i m o d r i v ep o s m o 系列电机，集成了变频器、定位控制器、可选 变速箱以及p r o r f i b u s 通讯接口。机器布局灵活，零部件模块化，可以显著缩短 安装及现场调试时间，目前广泛应用于材料加工业、包装工业、纺织业、制造业 中。可见国外相关方面的技术已经相当成熟。 我国是世界制造大国，对一体化电机的技术很重视。但在伺服系统的传动、 驱动和控制集成化技术方面比西方国家起步晚，目前只有少数单位做了这方面的 研究，如哈尔滨工业大学为提高机器人的运动性能，设计制造了由交流伺服系统 直接驱动的机器人关节一体化驱动系统，该驱动装置将直接用于新松机器人研究 所所开发的机器人手臂上，替代进口产品；上海海事大学研发出了一种将永磁同 步电机与变频调速器合为一体的调速装置，变频调速器安装在接线盒内或风机罩 壳上，并且调速操纵器可通过导线和变频调速器远距离连接，或者调速操纵器连 接计算机并通过互联网和变频调速器连接，该装置结构紧凑，散热效果好，功率 可达一千瓦，应用范围广泛；辽宁省大连市某车辆研究所开发出了一种微型逆变 器与三相交流异步电机结合的一体化驱动装置，其特点是逆变器部分由多层p c b 加表贴电子元器件组成，并且p c b 的表面积和智能功率模块( i p m ) 相等，该产品 的逆变器直接安装在电机机壳的接线盒位置处，由原直流电源供电，利用机壳散 热【9 1 2 1 。 1 4 课题的研究意义和研究内容 1 4 1 课题的研究意义 近年来，随着微电子、电力电子、传感器、先进的控制理论等技术的飞速发 展以及电机制造工艺水平的不断提高，以交流伺服电机为控制对象的交流伺服系 统获得了迅速发展【4 。目前，大多工厂应用的伺服系统，具有安装空问要求大， 接线繁琐的特点。因此，对伺服系统提出了更高的要求，很多场合要求伺服系统 的传动、驱动和控制系统集成在一起。 4 江苏大学硕士学位论文 如前面所述，随着永磁同步电机设计和控制理论的成熟以及社会对i 巧性能电 机需求的增加，永磁同步电机已获得了越来越广泛的应用，正向大功率化( 高转 矩、：i 转速) 、高功能化和微型化等方向发展。永磁同步电机的这些优点，再结合 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的高速运算能力和丰富的片内外设资源，可以很好的满足一体化电机 小型化，智能化，网络化等要求。将永磁同步电机与驱动器集于一体，使得一体 机的性能得到进一步提高，具有更好的市场应用前景。因此设计一个适合于一体 化永磁同步电机的驱动器拥有很好的现实意义。 1 4 2 课题的主要研究内容 本文在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上，分析了永磁同步电机的数学模 型，研究了永磁同步电机矢量控制系统，并用m a t l a b s i m u l i n k 建立了模型进行 仿真：针对一体化永磁同步电机驱动器的各部分集成在一起所造成的电磁干扰问 题，提出通过对系统电路结构上的设计，以降低系统的电磁干扰。具体的论文章 节安排如下： 1 第一章绪论主要阐述永磁同步电机及其控制策略的发展概况、一体化电机 国内外研究现状以及本课题的研究意义和研究内容。 2 第二章介绍一体化永磁同步电机控制系统设计的思路，描述了永磁同步电 机的数学模型及其结构特点，然后就其实现过程进行详细阐述。 3 第三章运用m a t l a b s i m u l i n k 建立永磁同步电机的矢量控制系统的仿真模 型，并给出仿真波形和分析结果。 4 第四章关于一体化永磁同步电机驱动器的硬件设计，给出硬件系统总体结 构，包括功率板的设计、控制板的设计及电源板的解决方案。 5 第五章详细介绍了系统软件设计的原理及实现，包括d s p 初始化、中断服 务程序。 6 第六章总结与展望。对本文的工作做了总结，并对下一步要开展的工作做 了简译展望。 一体化永磁同步电机驱动器的研究 第二章一体化永磁同步电机控制系统设计思路 目前在电气传动领域中，对交流电机最为实用的、准确的控制方法是空间矢 量控制，而矢量控制需要精确的电机数学模型及空间矢量控制实现原理。本章主 要介绍永磁同步电机的数学模型及其结构特点，并分析其工作原理；然后就其数 学模型及实现的过程进行详细的阐述。 2 1永磁同步电机矢量控制系统总体架构 永磁同步电机矢量控制系统框图如图2 1 所示： 直流电 滑 图2 - 1 矢量控制系统框图 这是一个典型的双闭环系统，主要包括定子电流检测、转子位置和速度的检 测、速度和电流环调节器、坐标变换及s v p w i 等环节。其实现过程如下： 通过位置传感器测量得到电机转子角位移，将其转换成电角度0 并计算出电机 转速q ，速度指令信号茚和q 的偏差经过速度调节器的调节，输出作用于转矩控 制的q 轴参考给定信号艺。电流采样得到的三相电流屯、毛、之通过c l a r k 变换和 p a r k 变换，得到a p 坐标系下的两相电流o 及d q 旋转坐标系下的电流、乞。 石和艺( 等于零) 与电流反馈量和屯之间的偏差分别经q 轴和d 轴的电流调节器的 作用后输出电压“。和，再经过p a r k 逆变换得到0 【p 坐标系下的电压“。和坳根据 s v p l 】l i d 算法产生六路p w m 控制信号，驱动逆变器产生频率和幅值可变的三相正弦电 流输入到电机。 根据电机方程所确定的电磁关系可知，永磁同步电机的电磁转矩基本上取决 于屯和，对转矩的控制最终可归结为对f d 和岛的控制。这种电流矢量控制方法对 6 江苏大学硕士学位论文 电机的稳态运行和瞬态运行控制都是适用的。而且由于位于d ，q 轴的电流分量相 互正交，使对转矩的控制和对磁场的控制实现了解耦，因此便于实现各种先进的 控制策略。当艺= 0 时，则电机定子电流只有q 轴分量，电机转矩也只有基本转矩 分量，实现了电磁转矩的线性化解耦控制，使得永磁同步电机具有和直流电机一 样的控制特性。对于表面式永磁同步电机来讲，此时单位定子可获得最大的转矩， 从而有效降低铜损，提高电机效率。 以上是对矢量控制系统具体原理的分析，下面将根据结构框图建立电机的数 学模型，分析坐标变换的基本原理、s v p i i 的原理与实现及调节器的控制策略。 2 2 永磁同步电机数学模型的建立 一r 一 2 2 1 永磁同步电机的结构及特点 ”三相永磁同步电机是目前应用最多的一种高性能交流伺服电机。从结构上看， 一 其定子有齿槽，内装三相绕组，形状与普通感应电动机的定子相同。但它的转子 由具有较强抗退磁性能的永磁体构成，以此形成励磁磁通，从而省去了励磁线圈、 滑环和电刷，无电励磁电动机的励磁损耗和转子发热问题，同异步电动机相比， 也没有因为滑差而引起的损耗，极大地提高了电机效率和功率因数。 目前多采用稀土永磁材料做磁钢，具有很高的剩余磁通密度( o 9 t ) 和很大 的矫顽力，永磁转子在电动机内所需空间小，只要设计合理，就不会出现由于短 路电流而产生偶然去磁的危险，且转矩重量比也将获得很大的改善。稀土永磁材 料的另一个特点是它的磁导率与空气磁导率相仿，对于径向结构的电动机，其交 轴、直轴上的磁路磁阻均较大，可大大减少电枢反应。通常在额定负载以内，气 隙磁场与电枢电流无关，使转矩与电流呈线性关系。 三相永磁同步电机就整体结构而言，分为内转子和外转子式；就磁场方向来 说，有径向和轴向磁场之分；就定子结构论，有分布绕组和集中绕组，以及定子 有槽和无槽的区别；就转子结构看，有凸装式、嵌入式和内埋式三种基本形式， 前两种形式又统称为外装式结构。 凸装式转子永磁体的几种几何形状如图2 2 所示，其中图a 具有圆套筒型整 体磁钢，每极磁钢的宽度与极距相等，可提供十分接近矩形的磁场分布。在小直 径转子的电动机中，可以采用这种径向异极的永磁环。但在大直径电动机中，必 7 一体化永磁同步电机驱动器的研究 须利用若干个分离的永磁体。如果永磁体的上方，气隙磁通密度近似均匀分布， 整个磁场分布接近梯形。 黼 a ) 圆套筒型 b ) 瓦片型 图2 2 凸装式永磁转子 对于凸装式和嵌入式转子，一般是用环氧树脂将永磁体直接粘在转轴上，为 防止离心力的破坏，必要时再用纤维质带将其绑扎起来。另一种方法是用非磁性 江苏大学硕士学位论文 势，它在空间呈正弦分布，以同步转速即电流的角频率顺着a - b - c 的相序旋转。 2 两相定子坐标系( 筇坐标系) 两相对称绕组，通以两相对称电流，亦产生旋转磁场，对一个矢量，数学上 多用两相直角坐标系来描述，故定义一个坐标系( 筇坐标系) 。它的口轴和三相定 子坐标系的a 轴重合，轴逆时针超i j 口轴9 0 0 。由于口轴固定在定子a 相绕组轴 线上，故筇坐标系亦称为静止坐标系。 3 转子旋转坐标系( 砌坐标系) 该坐标系固定在电机转子上，其d 轴位于转子磁极的轴线上，q 轴逆时针超前 d 轴9 0 0 ，该坐标系在空间随同转子以转子角速度速度一道旋转，故为旋转坐标系。 4 c l a r k 变换 缈 在三相静止坐标系a 、b 、c 和二相静止坐标系口、之间的变换，简称c l a r k 变换【柏】。1 图2 - 3 筇和a b c 坐标系 图2 3 中绘出了a 、b 、c 和口、两个坐标系，取口轴和a 轴重合。设三相系 统每相绕组的有效匝数为n 。，两相系统每相绕组的有效匝数为n ：，各相磁动势均 为有效匝数与其瞬时电流的乘积，其空间矢量均位于有关相得坐标轴上。 根据矢量坐标变换原则，两者的磁场应该完全等效，即合成磁势矢量分别在 两个坐标系坐标轴上的投影应该相等。因此有 2 屯= n 3 i a n 3 i bc o s 6 0 。一n 3 i cc o s 6 0 0 ( 2 1 ) 2 i p = 3 s i n 6 0 。一n , i cs i n 6 0 0( 2 2 ) 为便于求反变换，在二相系统上在增加一项零轴磁动势矗，定义为 9 一体化永磁同步电机驱动器的研究 2 i o = k n 3 ( + + 如) 2 3 式中，k 为待定系数。将以上三式合在一起，写成矩阵形式，得 式2 4 中： 因此， 壮 r n 3 2 一瓦 1 l一 2 o 鱼 2 kk 1一!一1 2 2 o 鱼一鱼 22 kkk 岛= 嘭z = 瓦n 3 牡：m i c jh 10k 一三鱼k 22 一三一鱼k 22 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式2 5 与2 6 两矩阵的乘积应为单位阵，可求得，瓮= 手，k _ 万1 ，将其代入2 6 式，得 c 暴= 因此，c l a r k 变换式为： 1 0 1 压 1 压 l 压 ( 2 7 ) 1旷iijjjiijl 鱼0 o鱼2笪2 1 12 12 。l 压怄 江苏大学硕士学位论文 c l a r k 逆变换式为： 1 2 压 2 1 压 0 2 压 2 对于相绕组是星型不带零线接法，贝, f ji a + 如+ 毛= 0 ，或 七2 一“一b 将式2 1 0 代入2 8 和2 9 ，整理后得 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 电压和磁链的变换式均与电流变换式相同。 5 p a r k 变换 二相静止坐标系和二相旋转坐标系之间的变换称为p a r k 变换l 删。在图2 4 中， 两相交流电流、和两相直流电流屯、乞产生同样的以同步转速q 旋转的合成磁 动势f ，口为d 轴和口轴的夹角。由于各绕组匝数都相等，可消去磁动势中的匝 数，直接用电流表示，如只直接标成，但必须注意，在这里，矢量及其分量所 表示的是空间磁动势矢量，而不是电流的时间相量。 hb七 j 2笪f万 1 o 土压 。l 一2 3 1j k妇 1l扣iiiiii扯_1 上压上压上压 1 12 12 。l 一2 3 1，j 1，j k哆b hk 。l。l 1j k l 1j o 压 1一 如0 。l 1，j o 土应 后土压信拓 = = 1j 1j 乞 “b 臣 臣 一体化永磁同步电机驱动器的研究 一 图2 - 4 筇和由坐标系与磁动势空间矢量 由图2 - 4 可见，乞、知和屯、之间存在着下列关系 乞= 屯c o s o 一乞s i n 0 = 屯s i n o + i q c o s o 其矩阵形式为： 芝 = 。c s o m s 目t 9 - 。s , s n 乡o i 。f , , , 式2 1 5 中， 嘧瞄 c o s o - 训s i no ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 是二相旋转坐标系变换到二相静止坐标系的变换阵。 对式( 2 1 5 ) 两边都左乘以变换阵的逆矩阵，即得 乏 = 。一c s o ；s n o 口。s i n s o 秒 i i 绉i “ c 2 1 7 ， 式( 2 1 5 ) 、( 2 1 7 ) 分别是p a r k 的逆变换和p a r k 变换。 事实上，坐标变换的合适与否，关系到转矩与磁通控制能否解藕以及系统构 成的高效简洁。因此，要实现三相电流解耦，矢量变换的始终是从三相定子坐标 系到转子旋转坐标系之间的变换过程。永磁同步电机的各物理量在静止的三相 a b c 坐标系和旋转的砌坐标系之间进行变换，所用到的变换公式如下： 其反变换式为 ：信i c o s s0 口一e o s t s n ( c o 曰- f 1 1 2 2 0 。) ，一c o s ；s n ( c o 臼+ f 1 1 2 2 0 。) ， l 压压压 ( 2 1 8 ) 江苏大学硕士学位论文 ，c90：s8，。i：一；三三兰。i：孚1cos(o 1 2 0 s i n ( o - 1 2 0 l妻 c 2 1 9 ) 一 o ) 一o ) 苦0 i ( c o s ( 口+ 1 2 0 。) 一豇n ( 秒+ 1 2 0 。老j 州j 式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 同样适用于电压和磁链的变换。 2 2 3 永磁同步电机数学模型 永磁同步电机的定子和普通电励磁三相同步电机的定子是相似的。如果永磁 体产生的感应电动势( 反电动势) 与励磁线圈产生的感应电动势一样，也是正弦的， 那么永磁同发伺服电机的数学模型就与电励磁同步电机基本相同。 为简化分析，根据所采用的永磁同步电机的特点，作以下假设f 1 】： 1 ) 定子绕组星形连接，绕组电流为对称的三相正弦电流； 。 。 一2 ) 定子磁场呈正弦分布，不考虑谐波与饱和，忽略漏磁通的影响； 3 ) 忽略电机涡流和磁滞损耗； 4 ) 转子没有阻尼绕组。 对于永磁同步电机组成的控制系统，用固定于转子的参考坐标( d q 轴坐标系) 来描述和分析它们的稳态和动态性能是很方便的。图2 5 ，是一台二极p m s m 结 构模型的简图，图中假定了定子电流的方向，取永磁体基波磁场方向为d 轴方向， 而q 轴顺着旋转方向超前d 轴9 0 0 电角度。转子参考坐标的空间坐标以q 轴与固定 轴线似相绕组轴线) i 、日j 的电角度0 ，来确定。 图2 - 5p m s m 结构模型 在上述假定情况下，以转子参考坐标表示的定子电压方程为： 1 3 一体化永磁同步电机驱动器的研究 磁链方程： ”钒+ 誓+ q 2 足+ 寻+ q 旷r + 警一q ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 江苏大学硕士学位论文 上述所有式中，u d 、“口为d - q 轴电压分量；易、为d - q 轴电流分量；l d 、l q 为d - q 轴电感：r 为定子电阻；p 为三相永磁同步电机的极对数；沙，为永磁体产 生的磁链；( - 0 r 、为转子的电角速度和机械角速度；b 为阻尼系数；j 为转动惯 量；乃为负载力矩。 2 3 空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 原理及实现 2 3 1 s v p w m 原理 s v p t 】i l v l 以三相对称正弦波电压供电时交流电动机产生的理想圆形磁链轨迹为 基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁链圆，从而达到较高 的控制性能【”】。该技术是把逆变器和电机作为一个整体看待，着眼于如何使电机 获得幅值恒定的旋转磁场而提出的一种p i 孙i 技术【1 6 】。与s p w m 技术相比，s v p m i 有 更少的开关次数，更大的直流电压利用率；更大的调制比和更易于数字化实现的 优点，因而广泛的被应用于永磁同步电机的控制系统中【1 7 1 。 采用三相桥式逆变器主电路的简化拓扑结构如图2 5 所示，由于逆变器上、下 桥臂的开关器件在任时刻都不能同时导通，要处于开关互逆状态，所以只用上桥 臂的三个功率开关状态足以描述逆变器的工作状态。如果把上桥臂功率开关器件 的导通状态用“1 表示，关断用“0 表示，上桥臂三个功率开关器件的开关状 态共有八种组合，构成了对应的电压空间矢量v ( 0 0 0 ) 、v ( 0 0 1 ) 、v ( 0 1 0 ) 、v ( 0 1 1 ) 、 v ( 1 0 0 ) 、v ( 1 0 1 ) 、v ( 1 1 0 ) 、v ( 1 1 1 ) 。 图撕三相桥式逆变器土电路拓扑结构图 为直流母线电压，以h 相电压为例，当上桥臂导通时：a = l ，k o = + 2 , 当上桥臂关断时：a = 0 ，k d = 也2 。在直流环节电压确定己知的情况下，开 关状态s 不同的组合方式及相应的线电压和相电压的表达式，见表2 - 1 。 1 5 一体化永磁同步电机驱动器的研究 表2 1 三相逆变器开关状态函数与电压的关系 abc v 心v b nv c nv e cv c 0o0o0o0o o 0o1 2 v d f f 3v d v d 柏 0 v d c o1o- v 棚 2 v ：柏n 必- v a 。 0 o1 l v