（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的永磁同步电动机伺服系统研究.pdf

哈尔滨i r = 程大学硕十学何论文 i h i i i i i 葺i i i i i i i i i 苦宣i i 宣i i i i i ；i i i ；i i i i ；i ；i i i ；i ；i ；i i i i i i i ；i i i i i ；i i i ；i 高宣；暑；i 青岛 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ev a r i o u sd e v e l o p m e n to fn e wm a t e r i a l s ，d e c t r o m e c h a n i c a l i n t e g r a t i o n ，p o w e re l e c t r o n i c s - a n dc o m p u t e rc o n t r o lt h e o r i e s ，a cs e r v os y s t e m sh a v e a c h i e v e dag r e a tp r o g r e s s 。a m o n gt h e m , t h ep m s m ( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ) s e r v os y s t e mh a se x p l o i t e dt h em o s tw i d ea p p l i c a t i o nf i e l d , w h i c hh a sb e c o m e t h e n l a i l ls t r e a mo f a cs i 篡v os y s t e m i na d d i t i o n , b e c a u s eo f t h ea p p e a r a n c eo f d s pf o rm o t o r d r i v e r , t h ea c s e r v os y s t e mh a sf u r t h e rb e e nd e v e l o p e di nt h ed i g i t a lc o n t r o lf i e l d u n d e r t h i st e c h n i c a lb a c l q g o u n d , 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 rs e r v os y s t e mb a s e d o nd s po f l l s 3 2 0 f 2 8 1 2i sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , t h es t r u c t u r ea n dt h em a t h e m a t i cm o d e lo fp m s ma r ea n a l y z e di nt h e d i s s e r t a t i o n , a n dt h ev e c t o rc o n t r o lt h e o r yo f a cs e r v os y s t e mi ss t u d i e d , a n de s p e c i a l l yt h e p r i n c i p l eo fs p a c ev e c t o r p u l s ew j d mm o d u l a t i o n ( s v p w m ) a s e m p h a s e si sr e s e a r c h e d s e c o n d l y ，t h es c h e m eo fp m s m s e r v os y s t e mi sd e s i g n e da n dan e wp ic o n t r o l l e ri s p r o p o s e d 。b a s e do n t h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fm a t l a b ac u r r e n th y s t e r e s i st r a c k i n g c o n t m lm e t h o di sp r o p o s e da n dr e a l i z e 垃w h i c hi si nc o n t r a s ta n da n a l y z e dw i t hs v p w m m e t h o df o r t h es y s t e mp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tp o s i t i o n ( a n g l e ) r e f e r e n c e s 硼 s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h ef l u c t u a t i o no fc u r r e n ta n de l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ec a nb e d e c r e a s e du s 访gs v p w m m e t h o d , a n dt h ed y n a m i ca n ds t a t i cp c 对o r m a r l c eo ft h i ss y s t e m c a nb ei m p r o v e db ys v p w mm e t h o d f o rt h ep o s i t i o nc o n t r o l l e rw h i c ha d o p t st h en e wp i c o n t r o l l e r , w h i l et h ep o s i t i o nr e f e r e n c ei sc h a n g e di nl a r g er a n g e ，t h eo v e r s h o o ti sr e s t r a i n e d , a n dt h en e wp ic o n t r o l l e rc a nm a k et h es e r v os y s t e mg e ts a t i s f y i n ge f f e c tw h i c hh a sf a s t d y n a m i cr e s p o n s ea n dh i l g ha c c u r a c yi ns t e a d ys t a t e f i n a l l y , t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ep r o g r a m m e0 fp m s m s e r v os y s t e mb a s e d o nd s po f 们s 3 2 0 f 2 8l2a r er e s e a r c h e da n dd e s i g n e d t h e nt h eh a r d w a r ea n ds o t t w a r eo f t h ew h o l es y s t e ma r ed e b u g g e d , a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sh a v ep r o v e dt h ec o r r e c t n e s sa n d v 撕d i t yo f t h ed e s i g n e ds y s t e m k e yw o r d s ：a cs e r v o ；p m s m ；d s p ；s v p w m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。1 一、 作者( 签字) ：芗易栖吁 日期： m 万年岁月厂，日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 可在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：澌呵- , - g n ( 签字) ：姚i 妓 日期：伽7 年乡月口日弓年弓月夕日 哈尔滨j l ：程大学硕+ 学何论文 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 随着电力电子学、微电子学、传感技术、电机控制理论和微机控制技术 的迅猛发展，尤其是先进控制策略的成功应用，自2 0 世纪8 0 年代末以来的 短短二十几年间，交流伺服系统的研究和应用，取得了举世瞩目的进步，已 具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术 性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，多年来的“交流伺 服取代直流伺服”这一愿望正逐渐变为现实n 喃1 。 基于稀土永磁体的交流永磁伺服驱动系统，能够提供最高水平的动念响 应和转矩密度，所以拖动系统的发展趋势是用交流永磁伺服驱动取替传统的 液压、直流和步进调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的水平，包括更 短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。因此，交流伺服自 动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器 人、大规模集成电路制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器随动系统， 以及柔性制造系统、机械设备、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子 部件、加工机械、印刷机械、高速卷绕机、船舶电力推进器一吊舱式推进器、 高精度数控机床等设备的伺服驱动装置等场合。 目前，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，由于永 磁同步电动机采用了高性能永磁体，具有低惯性、快响应、高功率密度、低 损耗、高效率等优点，使其具备了十分优良的低速性能，可实现弱磁高速控 制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求，并且随着永磁 材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将 越来越广泛，目自 已成为交流伺服系统的主流。 另外，微处理器和计算机技术不仅是高新电子信息产业的核心，同时也 为传统产业的创新提供了物质基础。它们的飞速发展有力地促进了电机控制 技术的发展。2 0 世纪后半叶各大厂商基于各种单片机，设计了大量的电机专 用控制芯片。从8 位机、1 6 位机发展到3 2 位机，运行频率由几兆赫兹到现 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 i l l l 在的上千兆赫兹，运算速度成倍提高，各种数字控制算法得以完成，各种先 进的控制理论也得以实时实现。d s p ( 数字信号处理器) 原是用于信号处理领域 的芯片，由于其极强的数字处理能力，现在也被用于电机控制领域，来完成 日益复杂的控制算法。近年来，包括t i ，m o t o r o l a ，a d 等大公司在内的许多 d s p 厂商都相继推出了电机控制专用d s p 芯片，如t m s 3 2 0 系列、d s p 5 6 f 8 0 x 系列等。这类芯片都以d s p 处理器为核心，使用其高效的指令集，同时在片 内集成了包括a d ，p w m 等在内的电机控制接口电路，不仅简化了系统硬件电 路，同时也提高了可靠性和性价比。其中，t i 公司生产的高性能的电机控制 处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，它是功能强大的3 2 位定点d s p 芯片，具有功耗小、性 能高、运算速度快、数据和程序存储器容量大、a d 采样和处理精度高等特点， 能满足伺服系统复杂控制算法的要求。 至今，以永磁同步电动机为核心的交流伺服系统已成功面世好多年，但 在中高档交流伺服产品中，仍以日欧系为代表的国外厂家在国内市场上占有 绝对的垄断地位。伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之 一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。随着国内交流伺服用电机等硬件 技术逐步成熟，以软形式存在于控制芯片中的伺服控制技术成为制约我国高 性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈。近年来，国内也开始了永磁同步电动 机交流伺服系统的研究，在理论与实验研究方面已取得了很大进步，但在实 际应用方面始终未能有所突破。因此，研究具有自主知识产权的高性能交流 伺服控制技术，尤其是最具应用前景的永磁同步电动机伺服控制技术，是非 常必要的。 1 2 国内外发展现状及发展趋势 1 2 1 交流伺服系统的发展及现状 我国从1 9 7 0 年开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院 校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素。主要 研究机构有北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。8 0 年 代，我国曾花巨资引进西门子的伺服驱动技术，但由于引进的技术属淘汰的 落后技术，自主消化吸收没有突破，导致没有实现产业化。9 0 年代开始，华 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 中科技大学、沈阳工业大学、北京机床研究所、广州数控设备厂和西安微电 动机研究所等开始研究并推出了交流伺服系统产品，例如华中数控公司的 h s v - 1 6 d 、h s v - 1 8 d 等系列驱动器，广州数控公司的d a 9 8 伺服驱动器，上海开 通数控公司的k t 2 7 0 伺服驱动器，武汉迈信电气公司的e p l 0 0 驱动器以及北京 凯恩帝公司的s d l 0 0 驱动器等系列产品，投入市场后赢得了广泛的赞誉。进入 2 1 世纪后，随着先进技术的不断更新和制造业的快速发展，我国在交流伺服 系统研究方面取得了长足的进步，其中由高原数控烟台公司生产的g y 一2 0 0 0 系列数字化交流伺服驱动器，北京中宝伦自动化技术有限公司于2 0 0 0 年1 1 月 成功研发的p a c - p 系列数字化位置型交流伺服系统和华中数控公司于2 0 0 1 年 自主研发的g k 6 、g k 7 全系列永磁同步交流伺服电机等一些性能优良的伺服系 统产品已经占据了较大的市场份额，彻底打破了国外厂家在国内市场绝对垄 断的局面，并且近些年一些有实力、有技术的厂商不断涌入市场，像利德华 福、森兰、南京埃斯顿等公司已经在中低端市场中占据领先优势。 国外一些著名的公司，如日本的安川、富士通、松下公司、瑞士的a b b 公司、美国的科尔摩根公司、德国的西门子公司、法国的b b c 公司和韩国的 三星公司等不断推出交流伺服驱动产品，在大功率、高性能、高精度交流伺 服系统开发方面又取得了举世瞩目的成就。安川电机欧洲公司( y a s k a w a e l e c t r i c ，y e e ) 推出的s i g m ai i 型伺服电机和额度功率0 5 5 k w 防爆及遵 循a t e x 标准的交流伺服电机，体现了国际大厂向专用化、大型化伺服发展的 动向。施耐德电气( s c h n e i d e re l e c t r i c ) 推出的l e x i u m0 5 型伺服控制器 是真正的机电一体化产品，其智能化、小型化以及特殊的结构设计理念在世 界处于领先地位。包米勒( b a u m u l l e r ) 公司研发的带集成星齿轮传动系统的 高性能伺服电机，拥有高达9 8 的效率和极低的噪声。贝加莱( b r ) 工业自 动化公司推出的a c o p o s m u l t i 驱动系统采用模块化的可扩展结构，每个模块 可以提供l 到2 个伺服轴控制，并集成了一个2 4 v 的直流辅助电源模块，为 驱动控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接，来获得开路、短路和 过载保护。在国内，还没有看到有厂商进行类似的模块式设计。总之，我国 伺服控制器的设计与研发还属于起步阶段，在产品性能、质量和品种等方面 还有所欠缺，与国外知名厂家的先进技术、生产能力和资本实力还有不小的 差距引。 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 1 2 2 交流伺服系统的发展趋势 综合交流伺服系统的发展和现状，未来伺服系统的发展趋势可以主要概 括为以下几方面“州引： ( 1 ) 全数字化 全数字化是未来伺服驱动技术发展的必然趋势。全数字化不仅包括伺服 驱动内部控制的数字化，伺服驱动到数控系统接口的数字化，而且还应该包 括测量单元数字化。因此伺服驱动单元内部三环( 位置环、速度环、电流环) 的全数字化、现场总线连接接口和编码器到伺服驱动的连接接口的数字化， 是全数字化的重要标志。随着微电子制造工艺的日益完善，普遍采用了新型 高速微处理器，特别采用新型高速微处理器和专用数字信号处理器( d s p ) 的伺 服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全 数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺 服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法( 如：最优控制、 人工智能、模糊控制、神经元网络等) 成为可能。 ( 2 ) 智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高 级的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为 智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面：首先它们都具有参数 记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置， 保存在伺服单元内部。通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位 计算机加以修改，应用起来十分方便。其次它们都具有故障自诊断与分析功 能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故 障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性。 绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自 动辨识电机的参数，自动测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑制。众 所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需 要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试 运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。 4 哈尔滨丁程大学硕十导：何论文 j k t ii i i ；i ；i i i ；i i ；i i i i i ；i i i i i 宣；i i ；i i i i ；i ；i ；i i i ；i i ；i ；i 皇 ( 3 ) 模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化( f a c t o r ya u t o m a t i o n 简称f a ) 工程技术在最近十年来得到了长足的发展。为适应这一发展趋势， 最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口( 如r s 一2 3 2 c 或r s - 4 2 2 接口等) 和专用的局域网接口。这些接口的设置，增强了伺服单元与其它控制设备间 的互联能力，从而与c n c 系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电 缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个 数控系统，也可以通过串行接口，与可编程控制器( p l c ) 的数控模块相连。另 外，随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保护技术( 问题发生 的时候判断原因并采取措施避免故障扩大化) 已经落伍，最新的产品嵌入了 预测性维护技术，使得人们可以通过i n t e r n e t 及时了解重要技术参数的动态 趋势，并采取预防性措施。 ( 4 ) 高性能化 高性能主要表现为高精度、高动态响应、高刚性、高过载能力、高可靠 性、高电磁兼容性、高电网适应能力、高性价比。采用更高精度的编码器( 每 转百万脉冲级) ，更高采样精度和数据位数、速度更快的d s p ，无齿槽效益 的高性能旋转电机、直线电机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制 策略，不断将伺服系统的指标提高。 1 3 交流伺服系统特点及性能要求 伺服系统的根本任务就是实现执行机构对给定量的准确跟踪，被控制量 ( 输出量) 一般是负载的空间位移，当给定量随机变化时，系统能使被控制 量准确无误地跟随并复现给定量6 7 1 。 伺服系统的主要特点： ( 1 ) 精确的检测装置：用来组成速度和位置闭环控制。 ( 2 ) 有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不 同，伺服系统反馈比较的方法也不同。目前常用的有脉冲比较、相位比较和 幅值比较三种。 ( 3 ) 高性能的伺服电动机：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服 系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够 大的输出力矩且运转平稳，以便在机械运动部分连接中尽量减少中间环节。 ( 4 ) 宽调速范围的速度调节系统：从系统的控制结构看，数控机床的位 置闭环系统可以看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制 系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号 后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求 调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。 对伺服系统来说，对其控制性能的要求主要有以下几方面： ( 1 ) 调速范围：伺服系统的速度控制应当具有足够宽的速度控制范围， 即电机所能提供最高转速n 。，和最低转速n 。之比。 ( 2 ) 静差率：电机以某一转速运转时，由空载增加到额定负载时转速降 落与空载转速之比。 ( 3 ) 控制精度：控制精度是评价伺服系统控制准确度的性能指标，即系 统输出量和给定量之间的静止误差。 ( 4 ) 快速性：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪 指令信号的响应速度要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在2 0 0 m s 以内， 甚至小于几十毫秒：另一方面，为了满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡， 即使上升率大。 ( 5 ) 稳定性：稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂 的调节过程后达到新的或者恢复到原有的平衡状态。它是衡量伺服系统动态 性能的一个重要指标。 1 4 论文的主要内容 本文对采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 作为控制器的永磁同步电动机伺服系统进 行了研究。首先分析了永磁同步电动机的工作原理和数学模型，对伺服系统 的矢量控制原理做了介绍，并在其基础上结合了空间矢量脉宽调制技术 ( s p a c ev e c t o rp w m 缩称s v p w m ) 应用到交流伺服系统当中；其次自主设计 了一种新型的、简单有效的自适应p i 控制器，在不同的位置( 角度) 给定下， 进行了系统性能的仿真对比分析，对解决永磁同步电动机伺服系统当中，如 何根据位置( 角度) 给定确定控制器p i 参数，抑制位置超调过大的问题给出 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 了可行的途径；最后进行了系统软硬件的研究和设计，并对整个系统进行软 件编程和软硬件调试。主要章节内容安排如下： ( 1 ) 第1 章是绪论，首先介绍了选题背景和研究意义，分析了交流伺服 系统的发展现状和发展趋势，对交流伺服系统的主要特点和性能要求作以简 要说明。 ( 2 ) 第2 章系统地分析了永磁同步电动机的结构和数学模型，对交流伺 服系统的矢量控制原理进行了阐述，重点介绍了空间矢量脉宽调制技术 ( s v p w m ) 的原理以及实现方法。 ( 3 ) 第3 章对系统的设计方案进行了详细说明，提出了一种新型的、简 单有效的自适应p i 控制器，在m a t l a b 仿真环境下，以电流滞环跟踪控制为 例，先后针对整个系统的设计原理和对于不同的位置( 角度) 给定，进行了 系统性能的仿真对比分析。 ( 4 ) 第4 章进行了伺服系统硬件电路的分析和设计，主要包括以d s p 为核心的控制器电路、功率主电路及驱动电路、电流检测电路、直流母线电 压检测电路、保护电路和串口通信电路。 ( 5 ) 第5 章介绍了系统的软件设计方案，主要包括主程序、中断程序、 电流采样子程序、s v p w m 波产生子程序、矢量变换和数字化p i 控制器设计子 程序等部分。 ( 6 ) 第6 章对系统的软硬件设计进行了调试实验，并对其实验结果进行 了说明和分析。 ( 7 ) 最后，总结了本文所做的工作，并且对下一步工作进行了展望。 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章永磁同步电机矢量控制原理 目前，在交流同步伺服驱动系统中，普通应用的交流永磁同步伺服电动 机有两大类。一类称为无刷直流电动机，简称为b l d c m 电机，它要求将方波 电流输入定子绕组；另一类称为三相永磁同步电动机，简称p m s m 电机，它要 求输入定子绕组的是三相正弦波形电流。本文选择以三相永磁同步电动机作 为伺服执行机构，本章首先讨论了永磁同步电机的结构特点及数学模型，阐 述了伺服系统的矢量控制方法，并且着重讲解了空间电压矢量( s v p w m ) 调制 方式。 2 1 永磁同步电机的结构 三相永磁同步电动机( 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 ，简称p m s m ) 是从绕线式转子同步电动机发展而来的。它用强退磁的永磁转子代替了绕线 式转子，因而淘汰了易出故障的绕线式转子同步电动机的电刷，克服了交流 同步伺服电动机的致命弱点，同时它兼有体积小、重量轻、低惯性、效率高、 转子无发热问题的特点。三相永磁同步电动机的定子与绕线式同步电动机基 本相同，要求输入定子的电流仍然是三相正弦的，所以称为三相永磁同步电 动机。 永磁同步电动机的定子通常采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。 电枢绕组既有采用集中整距绕组的，也有采用分布短距绕组和非常规绕组的。 一般来说，矩形波永磁同步电动机通常采用整距绕组，而三相永磁同步电动 机更常采用分布短距绕组。为减小电动机杂散损耗，定子绕组通常采用星形 接法。空间上三相绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁 场，旋转磁场的同步转速与定子电流频率厂关系如式( 2 一1 ) 所示，其中“为 电机极对数。 ：盟 ( 2 1 )玩= z 一上， 。 在转子结构上，普通同步电机通常由磁极铁心、励磁绕组、永磁磁钢及 磁轭等部分组成。磁极铁心由钢板冲片叠压而成，磁极上套有励磁绕组，励 8 哈尔滨下程大学硕十学何论文 磁绕组两出线端接到两个集电环上，再通过与集电环相接触的静止电刷向外 引出。励磁绕组由直流励磁电源供电，其正确连接应使相邻磁极的极性呈n 与s 交替排列。永磁同步电机是采用高性能永磁材料取代普通同步电机的励 磁绕组，它相当于具有恒定电流的直流励磁线圈，从而省去了原有的励磁线 圈、滑环和电刷，真正实现了无刷化。永磁体的主要作用是在电动机的气隙 内产生足够的磁感应强度，并同通电后的定子绕组相互作用，提供励磁磁场， 产生转矩驱动转子自身运转。故此，永磁同步电机的励磁磁场可视为恒定， 另外，与普通同步电机相比，通常永磁同步电机还装有转子位置检测器，用 来检测转子磁极的位置，从而对电枢电流和电磁转矩进行控制，达到控制永 磁同步电机的目的。为保证系统精度及运行质量，多采用旋转变压器或光电 编码器作为转子位置检测的装置，将其连接在永磁同步电机转子同轴的非负 载端。 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。 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 非磁性金属套筒将永磁体套装在转子上( 主要用于高速电机) 。凸装式和嵌 入式结构可使转子做得直径小、惯量低，特别是若将永磁体直接粘接在转轴 上，还可以获得低电感，有利改善动态性能。正因如此，许多交流永磁伺服 电动机都采用这种外装式结构。 相对于外装式转子结构，内埋式转子结构不是将永磁体装在转子表面上 而是将其埋装在转子铁心的内部，每个永磁体都被铁心所包容。这种结构， 机械强度高，磁路气隙小，所以与外装式转子相比，更适用于弱磁运行。 在磁路特点上来看，凸装式交流永磁电动机实质上是一种隐极式同步电动机， 因为永磁材料的磁导率十分接近于空气，所以交、直轴电感基本相同。而嵌 入式和内埋式结构属于凸极式同步电动机，其交轴电感大于直轴电感，这点 与传统绕线式凸极同步电动机正好相反。这样，除了电磁转矩以外，还会产 生磁阻转矩。 9 哈尔滨t 释入学硕十学何论文 2 2 永磁同步电机的数学模型 数学模型是描述实际系统性能和各物理量之间关系的数学表达式。对于 永磁同步电机这类强耦合的非线性系统，其数学模型是分析电机性能、设计 电机及对其控制的基础，同时也为改善控制系统的性能提供了理论依据。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，那么永磁同步伺服电机的数学模型就与电励磁同步电机基本相同。 在分析永磁同步电动机数学模型之前，我们做如下假设： ( 1 ) 忽略铁心饱和； ( 2 ) 不计涡流和磁滞损耗； ( 3 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用； ( 4 ) 反电动势是正弦的。 对于由永磁同步电动机组成的伺服系统来说，用固定于转子的参考坐标 ( 咖轴坐标系) 来描述和分析它们的稳态和动态性能是十分方便的。此时， 取永磁体基波磁场的方向为d 轴，而g 轴顺着旋转方向超前d 轴9 0 。电角度。 转子参考坐标的旋转速度即为转轴速度。转子参考坐标的空间坐标以擘轴与 固定轴线k 相绕组轴线间的电角度来确定。在上述假定下，以转子参考坐标 表示的电压方程为： 甜q = 足f q + 蹦+ w , g d ( 2 2 ) 站d = 足乇+ 批一q ( 2 3 ) “o = ri o + p g j o ( 2 - 4 ) 磁链方程为： = f q ( 2 5 ) g d = 厶f d + ( 2 6 ) 式中：，为d 、q 轴电压；厶、为d 、g 轴电感；i d 、为d 、譬轴电 流；疋为定子相电阻；q 为转子电角速度；为永磁体基波励磁磁场链过定 子绕组的磁链；p 为微分算子。 l o 哈尔滨! - i ：稃大号：硕十学何论文 电磁转矩方程为： z 。= p 。( 眠f q 一f d ) ( 2 7 ) 式中：风为极对数，将磁链方程式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 代入上式，有： l 。= p 。【蚧i q 一( l a 一厶) 乇】(2-8p(ld ) y 。2 。【蚧一一j j tj 在转子参考坐标中，若取d 轴的反方向为虚轴，取g 轴为实轴，则在这 个复平面内，可将定子电流空间相量t 表示为： f s = 屯一或 ( 2 - 9 ) f | 与d 轴问角度为夕，于是可有： 毛= 乏c o s f l ( 2 1 0 ) 乇= f ss i n f l ( 2 一1 1 ) 将上两式代入式( 2 - 7 ) ，得： 乙= 风 s i n f l + ，1 ：( 厶- l , ) qs i n 2 f 1 ) ( 2 1 2 ) 二 2 3 永磁同步电机伺服系统的矢量控制 2 3 1 矢量控制原理 与直流电动机不同，在同步电动机中，励磁磁场与电枢磁通势之间的空 间角度不是固定的，它随负载而变化，这将引起磁场间复杂的作用关系，因 此就不能通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。倘若能够通过电动机外的 控制系统，即通过外部条件能对电枢磁通势相对励磁磁场进行空间定向控制， 就可以直接控制两者间的空间角度，将此称为磁场的“角度控制”。若对电 枢电流的幅值也能直接控制，就可以将永磁同步电动机模拟为一台他励式直 流电动机，可以获得与直流电动机同样的调速性能。由于既需要控制定子电 流空间向量的相位，又需要控制其幅值，所以称为“矢量控制 。 由式( 2 8 ) 可以看出，当永磁体的励磁磁链和直、交轴电感确定后，电动 机的转矩便取决于定子电流的空间矢量，而的大小和相位又取决于i d 和 哈尔滨1 i 程大学硕十学能论文 乇，也就是说控制f d 和便可以控制电动机的转矩。一定的转矩对应于一定的 毛和f q + ，通过这两个电流的控制，使实际f d 和乇跟踪指令乇+ 和f q 。，便实现了 对伺服系统性能的控制”。1 。 由于在定子侧的各物理量( 电压、电流、电动势、磁动势) 都是交流量， 其空间矢量在空间以同步转速旋转，对其调节、控制和计算均不方便。因此， 需借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在 同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了静止矢量，在同步 坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量，由此可以根据转矩公式，找到转 矩和被控矢量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量 值，即直流给定量。按这些直流给定量实时控制，就能达到直流电动机的控 制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，因此，还必须再经过坐 标变换的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量 变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实 际值等于给定量。由此可见，在矢量控制方法中，各坐标系之间矢量的变换 是非常重要的一个环节。 2 。3 。2 矢量变换 矢量控制中所用的坐标系有两种，一种是静止坐标系，一种是旋转坐标 系。 ( 1 ) 三相定子坐标系( a b c 坐标系) ：三相定子里有三相绕组，其绕组 轴线分别为o a 、0 b 、o c ，彼此互差1 2 0 ”空间电角度，构成了一个a b c 三相坐 标系。 ( 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，数学上习惯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 ”0 c t 轴9 0 。空间角度。由于口轴固定在定予a 相绕组轴线上，故 筇坐标系亦称为静止坐标系。 ( 3 ) 转子坐标系( d - q 轴系) ：转予坐标系固定在转子上，其d 轴位于 转子轴线上，q 轴逆时针超前d 轴9 0 。空间电角度，该坐标系和转子一起在空 间上以转子角速度旋转，故称其为旋转坐标系。对于永磁同步电动机，d 轴 1 2 哈尔滨下程大学硕十学位论文 - - m 是转子磁极的轴线。 1 c l a r k e 变换 c l a r k e 变换是将三相平面坐标系o a b c 向两相平面直角坐标系0 筇的 变换。 图2 1 三相a 1 3 c 绕组和两相q1 3 绕组各相磁势 图2 1 所示是定子三相电动机绕组a 、b 、c 的磁势矢量和两相电动机绕 组口、的磁势矢量的空间位置关系。其中选定a 轴与口轴重合。 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 + 3 f bc o s l 2 0 。+ n 3 i cc o s ( 一1 2 0 。) ( 2 1 3 ) 2 f b = o + n 3 i bs i n l 2 0 。+ 3 f cs i n ( 一1 2 0 。) ( 2 1 4 ) 也即： = 札一扣 咕= 瓮 。+ 譬i b 一孚毛】 ( 2 - 1 6 ) 上式中，、m 分别表示两相电动机和三相电动机定子每相绕组的有 效匝数。 式( 2 一1 5 ) 和式( 2 一1 6 ) 用矩阵表示，即： n ：丝 l 咕j 2 1l 1 2 2 05 矗 22 ( 2 - 1 7 ) 哈尔滨j i ：程火学硕十学位论文 由上式可知，转换矩阵不是方阵，因此不能求逆阵。所以需要引进一个 独立于屯和乇的新变量毛，称它为零轴电流。零轴是同时垂直于口和轴的坐 标轴，因此形成口、o 轴坐标系： 或： 2 i o = k n a + ，3 f b + 天r 3 f c ( 2 - 1 8 ) f 02 瓮( 取+ 瓴+ 瓯)( 2 1 9 ) 式( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 中，为待定系数。所以，式( 2 - 1 7 ) 改写成： 式( 2 2 0 ) 中： 因此， 其转置矩阵为： 嘲io ：丝 2 ，一2 3 l 一一 a n ： 1 一! 一三 22 o 笪一笪 22 kkk 1 1 1 22 o 笪一笪 22 kkk o 1压 22 1压 22 1 4 n 剀 q _ 2 1 2 k l 2 k l 2 k ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) m m = o c 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 c r ：2 n 3 3 n 2 1一!一三 22 o 鱼一笪 22 lll 2 j k2 j k2 j k ( 2 - 2 3 ) 为了满足功率不变变换原则，有c = c r 。因此，令式( 2 - 2 1 ) 与式( 2 - 2 3 ) 相等，可求得瓮= 握，足= 万l ，将其代入式( 2 2 2 ) 得： 一 压 j lo 1压 22 1压 22 1 压 1 压 1 压 因此，c l a r k e 变换( 或3 2 变换) 式为： 黔 1一!一! o 鱼一巫 22 li 1 压压压 c l a r k e 逆变换( 或2 3 变换) 式为： 水 一1 0 ：。 4 2 1历1 一互一2万 1压1 22压 圈ia 豳io ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) 对于三相绕组不带零线的星形接法，有f a + f b + f c = 0 ，因此，i c = 一厶一毛， 分别代入式( 2 - 2 5 ) 、( 2 2 6 ) ，得： 1 5 哈尔滨t 干旱大学硕士学何论文 卧 卧 店。 冱 耳 一吖z 2 店 。 11 rr 62 ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 2 p a r k 焚抉 p a r k 变换是将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系的转换。图 2 2 是两个坐标系，筇坐标系与d - q 旋转坐标系之间的位置关系。其中，d - q 坐标系以q 速度旋转，它与筇坐标系的夹角最( 幺= q ，) 随时间变化。 根据矢量坐标变换原则，由图2 2 ，可以得到乞、绉与屯、乇的关系为： 笔三毫c s 。i n s0 2 ，：乏s c 访o s 2 0 ， c 2 2 9 ， 【= 毛+ 一 其矩阵关系式为： 荔嚣蚴 3 。， 式( 2 珈) 中，瞄酱 = c 是两相旋转坐标孙q 至| j 两相静止坐标系 筇的变换矩阵。很明显，这是一个正交矩阵，因此有c = c r 。所以从两相 静止坐标系筇到两相旋转坐标d - q 的变换为： “c o s n o q 。跏朝 3 ， 式( 2 3 0 ) 、式( 2 - 3 1 ) 分导| i 县p a r k 逆蛮换和p a r k 蛮换。 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 gl d i 、 1 辞= ? 一 图2 2 筇坐标系与d - q 旋转坐标系的位置关系 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耦以及系 统构成的高效简洁。因此，在矢量控制当中，矢量变换的实质是从三相定子 坐标系到转子旋转坐标系之间的变换过程，从而实现三相电流解耦，完成电 流环调节的作用。在遵循矢量坐标变换原则，即变换前后电流所产生的旋转 磁场等效和变换自订后两个系统的电动机功率不变的条件下，可以将永磁同步 电动机的各个物理量在静止的三相a b c 坐标系和旋转的d - q 坐标系之间进行 变换，所用到的变换公式如下： 其逆变换为： c o s 9 s i n a 1 压 小伢店 e o s ( a 一1 2 0 。) - s i n ( o - 1 2 0 ”) 1 压 c o s ( e + 1 2 0 。) - s i n ( o + 1 2 0 。) 1 压 c o s a - s i n 口 c o s ( a - 1 2 0 。)- s i n ( a - 1 2 0 。) c o s ( a + 1 2 0 。)一s i n ( a + 1 2 0 。) 1 压 l 压 l 压 n 2 - 3 2 m l i 乇q j q 。3 式中，毛为电机的零序电流分量。因为永磁同步电动机的中心点不接地， 所以有 1 7 压盯 = 1，j kkk 。，l c = 1，j bkb 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 乇= 、( f a + 毛+ 七) = 0 ( 2 - 3 4 ) y ， 以上各式对于电压和磁链其变换公式也同样适用。 2 3 3 乇= 0 控制原理介绍 永磁同步电动机矢量控制系统是一种基于磁场定向的控制策略，按照磁 链定向控制的方法分类可以分为4 种方案：转子磁链定向控制、定子磁链定 向控制、气隙磁链定向控制、阻尼磁链定向控制。按照控制目标可以分为： f d = 0 控制、功率因数c o s = 1 控制、总磁链恒定控制、最大转矩电流控制、 最大输出功率控制、转矩线性控制、直接转矩控制。本文中矢量控制所采用 的坐标系为d - q 轴旋转坐标系，f d = 0 矢量控制方式。 乙= 0 控制是一种简单、计算量小并且使用比较广泛的电流控制方法，该 方法由于电枢反应中没有直轴去磁分量，因而不会产生去磁效应，不存在电 枢反应对电机的去磁问题，更不会出现永磁电机退磁而使电机性能变