（光学工程专业论文）电动车用永磁同步电动机控制系统设计与实现.pdf

摘要 随着人们节能与环保意识的不断增强，电动车的研究越来越受到关潍。本文研究了电 动牵掰永磁同步电动规的控制暴统，提出了一种纂予空闯电压矢量控制冀汝( s v p w 5 1 ) 采用英 飞凌( i n f i n e o n ) 1 6 整摹冀糗瓷控剿单元嚣全数字魄飘控蒜l 器解决方案。 本文首先分析了电动举对予电动辊控制系统鹣骚求，并滗较了直流电机、交流感盛电机、 永磁同步电机及开关磁阻电机备种控制系统的特点。分析了采用永磁同步电机控制系统的优 势。本文根据矢量控制原理建立了永磁同步电动机的数学模型。并对整个控制系统进行仿真 建模，建立了电流一转速取闭环的永磁同步电动机控制系统仿真模型，通过系统仿真观察系 统晌斑，为实际系统参数选择提供参考。 零系统采萎l 基手菸p 国孩豹英飞凌1 8 位萃茸瓿为控裁擎元，裁蠲冀後越熬运葬疑理畿 力与浆成的外围硬件组成了水磁同步电机的全数字控制系统。编写基于必赞控制算法的程序 并选用一台4 0 0 w 的永磁同步电动机做为控制目标进行软硬件联调，最后结果显示控制系统 能较好地满足要求实现宽藏围的变频调速。 关键诞：采磁霹步电动瓤，p m s m ，电压空间矢餐控制，s v p w m ，x c l 6 4 a b s t r a 娃 w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ec o n s c i o u s n e s so fe n e r g ya n de n v i r o n m e n tt h er e s e a r c ho n e l e c t r i cv e h i c l ei sm o r ea n dm o r ep o p u l a r 飘蠹p a p e ri n t r o d u c e sad i g i , a ir e a l i z a t i o nb a s e do n s p a c ev e c t o rp u l s e - w i d t hm o d u l a t i o nw i t hi n f i n e o n1 6b i tm c u x c l 6 4 f o l l o w i n gas i m p l ed e s c r i p t i o no f t h ed e m a n do fe l e c t r i cv e h i c l e , ac o m p a r i s o no fd cm o t o r , p m s m ，i n d u c t i o nm o t o ra n ds w i r e h e dr e l u c t a n c em o t o ri sp r e s e n t e d ，w i t c hs h o w st h a tp m s m h a sm a n ya d v a n t a g e si nt e r m so f e f f i c i e n c y , p o w e rd e n s i t ya n dm a i n t e n a n c e t h i s p a p e r f i r s t e s t a b l i s h e s t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r , i no r d e rt og e t 也eh i 曲e f f i c i e n ta n ds i m p l ec o n t r o ls y s t e m ，t h ea p p r o p r i a t ee x p r e s s i o n sa r c c o n f i r m e d t h e ut h es i m u l a t i o no f t h ec o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o n t a i n sm o d e lo f p 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 r , m o d e lo fs v p w mg e n e r a t i o n , t o wc l o s c d d o o pc o n t r o lm o d e l 。w i t h t h es i m u l a t i o nac o n c l u s i o ni sp r e s e n t e dt h a tt h ec o n t r o lm e t h o di sf i tf o rr e a ls y s t e m t h ee v a l u a t i o nb o a r do fi n f i n e o nx c l 6 4i su s e da sc o n t r o lu n i t , w i t c hc o n t a i n sf a s tc a l c u l a t i n g c a p a c i t i e sw i t hd s pc o r ea n dc o n t a i n sa b u n d a n c ep e r i p h e r a lr e s o u r c e s 。t h ec o n t r o lb o a r da n d p o w e rb o a r da r ed e s i g n e df o rm o t o rc o n t r o la n dt h es o f t w a r ei sc o m p i l e d t h ec a l c u l a t i o nw i l l 捌 l i w i t h i nap w mp e r i o d 。 f i n a la4 0 0 wp 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 ri su s e df o rd e b u gh a r d w a r ea n ds o r w a r e ， t h ec o n t r o lu n i tc a nc o m p l e t em a n yw o r ks u c ha sc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nb a s e do nv e c t o r c o n t r o l ，p ir e g u l a t i o n , s p e e dc a l c u l a t i o n , o r i e n t a t i o nw i t hi n c r e a s e de n c o d e r , s v p w mp u l s e g e n e r a t i o nf a u l tm o n i t o ra n ds oo i l k e y w o r d s ：e v , p m s m ，x c l 6 4 。s v p w m 独创性声明 零夫声明瑟星交躺论文是我令久在譬癖指导下进行的研究工作及取褥豹研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 耋葶珏致谢的地方羚，论文中不包含其链 人已经发表娥撰写过的研究成果。也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 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 邑在论文中作了疆确的谎嘴并表示了谢意。 研究生艇名：时间： 口5 年厂月膨e l 关于论文使用授权的说明 零久完全了解串匿农娩大学有关糅整、绩耀学位论文鹄瓶定，帮：学校有较 保整邀交论文的复印l 牛和磁盘，允诤论文被查阅和惜阕，可以采耀影印、续印或 j 搿描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中缀农业大学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。 ( 保密鹩学位论文在解密后应遵守诧协议) 研究生煞名； 时闻： d 年y 月巧基 鬈鉴囊签名：撕 时溺： p 年r 秀为蟊 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1电动汽车的发展及其对电机驱动系统的要求 随着能源危机及人们环保意识的增强，为适应节能和环保不断提高的要求，电动车的研 究和开发已经成为一个趋势。电动汽车除了在能源、环保和节能方面显示出优越性和具有强 大的竞争力外，在车辆性能方面也显示出了巨大的优势。电动汽车的转矩响应迅速、加速快， 电机可分散配置，通过线传电子控制技术直接控制车轮转速易实现四轮独立驱动和四轮转 向。 电动汽车作为机械、电子、能源、计算机、汽车、信息技术等多种高新技术的集成是典 型的高新技术产品，其最终目标是实现智能化、数字化和轻量化。高密度、高效率、宽调速 的车辆牵引电机及其控制系统既是电动汽车的心脏又是电动汽车研制的关键技术之一。 电动车电驱动系统包括电机驱动，变速装置和车轮。其中变速装置是可选的。电机驱动 包括电机、变频器和控制电路，是电动汽车电驱动系统的核心部分。现代电动汽车对电机驱 动主要有以下要求： 1 高恒功率比和高功率密度； 2 起动和爬坡时低速大转矩，同时在正常行驶时要求高速高功率： 3 恒转矩和恒功率区域要有较宽的调速范围； 4 快速的转矩响应： 5 在较宽的速度和转矩范围内保持较高的效率； 6 高效的制动能回收能力； 7 对不同的汽车运行状态有较高的可靠性和鲁棒性； 8 合理的价格。 ： 电驱动系统的研究重点是各种类型的驱动电机及其控制并以电机为中心展开。 1 _ 2 电机及驱动控制系统发展历程 电机及驱动系统的发展主要经历了如下几个过程： 一直流电机驱动系统。2 0 世纪9 0 年代前的电动汽车几乎全是直流电机驱动的。直流电机 结构简单，具有优良的电磁转矩控制特性，但本身效率低，体积和质量大，换向器和电刷限 制了它转速的提高，另外换向机构易产生电火花，电火花产生的电磁干扰，对高度电子化的 电动汽车来说将是致命的。1 9 9 7 年华南理工大学研制出了e v 一6 6 3 0 电动轻型客车。目前国 内外已经很少应用直流电机驱动系统“1 。 二交流感应电机驱动系统。该系统是2 0 世纪9 0 年代发展起来的新技术，目前尚处于发展 完善阶段。电机控制技术主要有三种，v f 控制、转差频率控制和矢量控制。由于前两种控 制技术因转速控制范围小转矩特性不理想，而对于需频繁起动、加减速的电动车不太适宜， 所以一般采用矢量控制技术。该系统调速范围宽，而且能实现低速恒转矩，高速恒功率运转， 很好地满足了汽车实际行驶所需的转速特性，但是控制系统易受电机用户及负载变化的影 响。而且交流电机控制系统成本较高。目前美国通用公司及菲亚特公司已开发了电动车用感 应电机驱动系统”1 。 三永磁同步电机驱动系统。其中永磁同步电机包括方波驱动的无刷直流电机( b d c i ) 和正弦 波驱动的三相永磁同步电机( p m s m ) 。永磁同步电机p m s m 由于具有较高的功率密度和效率以 及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，已在国内外多种电动车辆中获得应用。永磁同步电 机结构灵活，设计自由度大，有望得到高性能适合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵 引驱动。随着矢量控制在永磁同步电机中的广泛应用，永磁同步电机是最有希望的高性能电 机，是电动汽车电机的发展方向。采用永磁同步电机是目前电动车的优选驱动系统。日本 n i s s a n 公司和丰田公司相继开发了基于p m s m 的混合动力电动车驱动系统“1 。国内沈阳工业 大学特种电机研究所于2 0 0 0 年研制出了一台电动车用p m s m ，目前清华大学也正在积极这方 面的研究和开发”。 四开关磁阻电动机驱动系统( s r m ) 。目前法国f i a t 公司研制的电动车和中国第二汽 车制造厂研制的电动客车都曾采用了开关磁阻电动机”1 。s r m 具有简单可靠、在较宽转速 和转矩范围内高效运行、控制灵活、响应速度快、成本较低等优点。但s r m 有转矩波动大、 噪声大、需要位置检测器、系统非线性特性等缺点，所以目前应用还受到限制。 1 3 永磁同步电动机的优势 随着生产技术的发展和工业生产过程的进步，对电气传动中电动机的启动，制动调速 精度和调速范围方面提出了更高的要求。由于直流电动机比交流电动机在技术上更容易满足 要求，所以2 0 世纪以来，在需要可调速于高性能控制的电气传动技术领域中，相当长的时 期采用的是直流电气传动系统。由于传统的直流电动机具有电刷和机械换向器。因而存在相 对的机械摩擦，由此带来了噪声。火花，无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成 本高和维修困难等缺点，从而大大地限制了他的应用范围，特别限制了直流电动机向高转速， 高电压，大容量方向发展。 随着新型电力电子器件g t o ， i g b t 等的出现使同步电动机调速系统发展到了一个新 的阶段，永磁同步电动机调速系统具有良好的静态和动态特性，适合应用于机床，机器人和 柔性制造系统中。电动机的转子采用永久磁铁励磁，消除了转子励磁损耗。由于转子磁钢几 何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此当转子选装时在 定子上产生得反电动势波形也有两种，一种为正弦波，另一种为梯形波。这样形成了两种永 磁同步电动机，即正弦波永磁同步电动机和梯形波永磁同步电动机。习惯上将正弦波永磁同 步电动机( p m s i v l ) 调速系统称为正弦型永磁同步电动机调速系统，而梯形波永磁同步电动机 得调速系统在原理和控制方式上基本与直流电动机系统类似，可称为无刷直流电动机调速系 统( b l d c m ) 。前者转矩更为平稳，控制特性更加平滑，后者功率密度大。同其他控制系统 相比，永磁同步电机有以下优点： 1 高性能永磁材料提供励磁，给定功率下体积可以减小： 2 转子无励磁绕组，故无转子铜耗，因此效率较高： 3 转子转动惯量较小，因此动态性能好； 4 低转速下其具有较高的效率和大的输出转矩： 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 5 省去了滑环和电刷，提高了电机的可靠性。 对于电动车电机控制系统而亩，在输出同样功率的情况下电机的体积尽可能小，所以电 机的功率密度是选型的重要指标。在这方面永磁同步电机体积小，重量轻。功率密度高， 有较大的优势。现有的永磁同步电机功率密度可以达到或超过1 k w k g ，高于感应电机。混 合动力车低速行驶时发动机关闭，这就需要低速下可以产生大转矩的电机，这正是永磁同步 电机的优点。 1 4 永磁同步电动机控制系统的研究现状和发展方向 由于永磁同步电机具有体积小，惯性低，效率和功率因数高等明显特点，在7 0 年代末 和8 0 年代已引起了从事电机及驱动系统技术的学者和研究人员的重视。英国学者m e r r i l l “” 最早提出了称为”p e r m a s y n 的永磁式交流电机的设计方案，德国西门子公司研制成功 了”b u r i e dm a g n e t 转子“”。从1 9 7 9 年开始，英国著名学者，利物浦大学k j b i n n s 教授长期 致力于永磁同步电机及其驱动系统的研究与开发，先后发表了有关永磁电动机结构，工作原 理，性能分析参数估算以及驱动系统的稳定性和新型的转子位置检测装置等内容的论文“” 1 对进一步推动此领域的理论及应用发展有极大的作用和影响。此外英国曼彻斯特大学 b j c h a l m e r s 对永磁同步电机变频运行时参数及性能的分析”，波兰e m p e t e z e w s k i 对永磁 同步电机最优模型跟踪控制位置驱动系统的研究。”。 到目前，永磁同步电机的在恒转矩区控制大体上已经比较成熟，主要的研究集中在高性 能闭环控制上。为提高控制系统的性能，闭环控制系统利用了转子位置传感器的磁场位置信 息来控制永磁同步电机的定子的电流频率和相位，以使定子电流和转子磁链在位置和幅值上 总保持确定的关系，从而产生恒定的转矩，这一般称为自控式变频调速方法。 通常在定子电流控制中使用的是转子磁场定向矢量控制，矢量控制的目的是为了改善转 矩控制性能。经过p a r k 变换，电机中各个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，在 同步旋转坐标系上，各空间矢量都变成了直流量。按给定的要求对这些矢量进行独立的控制 就可以达到直流电动机的控制性能。 根据永磁同步电机的具体应用的要求不同，电流矢量控制的方法也有很多种。比如： 1 i d = 0 控制：最为简单，无电枢反应的去磁作用，输出力矩与定子电流成正比。主要缺点 是随着输出力矩的增大，漏感压降增大功率因数急剧降低，且输出转矩中磁阻转矩为 o ： 2 最大转矩电流控制：在满足力矩要求条件下定子电流最小，减小了电机铜耗，有利于逆 变器开关器件的工作，同时也可降低系统成本； 3 弱磁控制：通过增加直轴去磁电流来实现扩速运行，可以提高转折速度，并在高于转矩 速度的较宽范围内保持恒功率运行； 4 c o s q ，= l 控制：使电机的功率因数恒为l 。逆变器的容量得到充分的利用，但该方法的 最大输出力矩很小； 5 最大输出功率控制：在某一确定转速下，电机的电压极限跟椭圆上存在一点，该点对应 的电流矢量使电机的输入功率晟大； 6 效率最优控制：对某一确定的输出，一定存在最佳频率和合适的去磁电流，使电机的铜 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 耗和铁耗近乎相等。此时电机的效率达到最优。其控制的确定取决于电机的参数，输出 功率和永磁励磁磁链”1 ： 同时，为了进一步提高控制性能和降低成本，人们也在不断探索先进的控制理论在永磁 同步电机中的应用，其中主要有以下几个研究方向： 1 磁场控制包括磁场轨迹法和异步电动机磁场加速法： 2 无传感器矢量控制； 3 p w m 调制从原理上讲有面积法，图解法，计算法。优化法，采样法，斩波法，控制向 量法，跟踪法和次谐波法1 ； 4 功率器件智能化广泛采用| g b t ，g t r ，m o s f e t 等新型只能功率集成模块 5 数字化硬件由模拟电路向微处理器单片机为核心部分的数字电路方向发展； 6 最新控制理论的应用由于微处理器的使用，一些最新的控制理论得到了广泛的应用； 7 负荷转矩观测，自适应，滑模变结构，状态反馈，h 控制： 8 智能化将人工智能与控制理论结合起来，完成一定的控制功能。应用专家系统，模糊 逻辑及神经网络等理论来实现自学习或自组织控制。 1 5 课题研究内容及意义 我国的电机控制技术，与国外还有很大的差距。国外最新推出的高性能伺服系统几乎全 部实现了数字化，并且都采用了1 6 位或3 2 位高速信号处理器芯片，有的还采用了运算速度 更快的r i s c 芯片，而我国交流伺服系统产品仍以数字模拟混合式为主，采用控制芯片多为 i n t e l 8 0 9 8 或8 0 c 1 9 6 单片机，由于受该种单片机运算速度的限制，动态响应最快的电流环仍 由模拟电路完成，因此国产交流伺服系统普遍存在外观尺寸大，可靠性低等缺点。研究和开 发全数字化交流伺服系统主要集中在国内的一些高校和研究所，他们大多采用d s p 处理芯 片。 此课题提出了一种新的永磁同步电机控制变频调速系统的全数字解决方案，而且选择英 飞凌汽车级的1 6 位单片机x c l 6 4 具有很高的现实使用意义及先进性。除了应用于电动车 驱动还可用于交流伺服驱动系统，如工业缝纫机，机器人，工控机床等。系统框图如下： 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 l ! 坠翌li ! 竺! l 屯 驱动控制 r i 驱动i 逆变器 r s 2 3 2l 坠竺 ii ! 旦坠l 诊断i 【，、1 i g b t p i1 ”“l “l s s c c 巫 tl 机 i a g垒竺1 1土 ，、 c p e c g p t _ _ h永磁同步电 - - j 位置转速反馈 栅p m s m j c p u 、- - 控制单元 固卜1永磁同步电机变频调速控制系统框图 课题的主要内容包括： 1 永磁同步电动机数学模型建立 对于建立永磁同步电机控制系统来说，其数学模型的建立是非常重要的。这一部分主要 内容是明确模型各参数的特点及提出针对矢量控制算法的本系统的永磁同步电机模型。 2 矢量控制方法研究与分析 矢量控制方法在永磁同步电机的控制中应用比较广泛，提出的控制策略也很多。本文详 细阐述了矢量控制的原理并比较了正弦脉宽调制与空间矢量脉宽调制两个控制方法，并 针对此系统提出了相关控制策略。 3 控制系统的仿真 利用m a t l a b 软件进行整个控制系统的仿真，建立永磁同步电机p m s m 电机仿真模型 与空间矢量脉冲发生仿真模块等各个模块，建立电流转速双闭环控制系统的仿真模型， 并根据电机原型进行了仿真分析，得到了较理想的转矩和转速特性。 4 控制系统的设计实现 参与完成永磁同步电动机控制系统的功率板和控制板的硬件设计工作。在英飞凌的 x c l 6 4 控制板基础上完成对永磁同步电机的变频调速控制和控制策略的实现。这部分主 要工作是逐步调试各个模块，使系统能按要求正常工作。达到预定的控制效果，最终构 成完整的电流转矩双闭环系统。 中国农业大学硕士学位论文 第二章永磁同步电动机数学模型及控制原理 第二章永磁同步电动机数学模型及控制原理 2 1永磁同步电动机结构 永磁同步电动机按产生的反电动势波形不同分为正弦波永磁同步电动机和梯形波永磁同步 电动机一般将梯形波永磁同步电动机称为无刷直流电动机一- b l d c , 正弦波永磁同步电动机称为 永磁同步电动机一p m s m ，此系统是针对控制永磁同步电动机p m s m ( 若没有特殊说明，后文所指 的永磁同步电动机均指p m s m ) 。 永磁同步电动机本体是由定子和转子两大部分组成的。 永磁同步电动机的定子指的是电动机在运行时不动的部分，主要是由硅钢冲片，三相对称同 分布在它们槽中的绕组，固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。其定子和异步电动机的定子结 构基本相同。空间上三相对称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。 永磁同步电动机的转于是指电动机在运行时可以转动的部分，通常由磁铁铁心、励磁绕组、 永磁磁钢等部分组成。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。 2 2 永磁同步电动机数学模型的建立 正弦波永磁同步电动机具有正弦形的反电动势波形，其定子电压电流也应为正弦波。假设电 动机是线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞和涡流损耗转子无阻尼绕组，则基于转子d - q 坐标系的正弦型永磁同步电动机定子磁链方程为： ：； 式中：妒为转子磁钢在定子上的耦合磁链；岛，厶为永磁同步电动机的直交轴主电抗：露 e 为定子电流分量的直，交轴分量 定子电压方程为： l “；= 茹+ p 蟛一c o l 嵋 = 薯+ 州+ w v ； 将( 2 - 1 ) 代a ( 2 2 ) 式得到电压方程： 怫= t 艺+ l d p i a c o l q i , 【“；= 2 1 - 。， q s + 鸣茹+ c a v 7 相应的转矩方捍为： 6 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) l p r y + j 幻j 幻 d 吁 l l 中国农业大学硕士学位论文 第二章永磁同步电动机数学模型及控制原理 乃= 己( 忻薯一虻茹) = 己【+ ( 厶一) e 苟】 ( ：4 ) 从转矩公式可以看出，正弦波永磁同步电动机的电磁转矩基本上取决于定子交轴电流分量和 直轴电流分量。在永磁同步电动机中，由于转予磁链恒定不变，所以采用转子磁链定向方式来控 制永磁同步电动机。在额定速度以下恒转矩运行区内，采用转子磁链定向的永磁同步电动机矢量 图如图2 - l 所示。定子电流矢量位于q 轴上，无d 轴分量，即定子电流全部用来产生转矩此时 正弦波永磁同步电动机电压方程可写为： 、= 一心f 5 气 【甜；= t f 。+ 厶p 尹+ 国y 2 气 乃= 巴f 。= 巴”( 2 - 6 ) l l i s q = i 3 1 l r d 图2 _ 1 转子磁链定向永磁同步电动机矢量图 通过从三相静止坐标系变换到旋转坐标系中可以看到： 1 在旋转坐标系d - q 轴中的变量都为直流分量，并且由转矩方程可以看到电动机的输出转矩与 电流i q 成线性关系，只需控制l q 的大小就可以控制电动机的输出转矩了； 2 在旋转坐标系d - - q 轴上的绕组中，如果分别通入直流电流i d i q 同样可阻产生旋转磁场，并 且由此可以知道电流i d ，i q 为互差9 0 度的正弦量，其角频率与d ，q 轴的旋转角频率一致。 此种控制方式非常简单，只要能准确检测到转子空间位置( d 轴) ，通过控制逆变器使三相定 子的合成电流( 磁动势) 位于q 轴上，则永磁同步电动机的电磁转矩只与定子电流幅值成正比， 即控制定子电流的幅值就能很好地控制电磁转矩。 7 中国农业大学硕士学位论文第二章永磁同步电动机数学模型及控制原理 2 3 同步电动机变频调速 2 3 1 同步电动机调速的基本概念 同步电动机是以其转速n 和供电电源频率f 之间保持严格的同步关系而命名的，即只要供电 电源的频率f 不变，则同步电动机的转速就恒为常值而与负载大小无关。 2 3 2 同步电动机变频调速原理 给同步电动机三相对称的定子绕组通入对称电流会在气隙内产生旋转磁场，旋转磁场的同步 转速为n 0 。同步电动机转子的励磁绕组通入直流，在转子内产生一恒定磁场，此时，转子可以看 成一块磁铁，由电动机统一理论知道，两磁场在电动机稳态运行时，必须保持相对静止才能产 生稳定的电磁转矩，驱动电动机以同步转速旋转。 改变同步电动机转速的主要方法是改变供电电源的频率，即变频调速。从控制方式上可将同 步电动机变频调速分成两种：一种为他控式变频调速：一种为自控式变频调速。 他控式同步电动机变频调速系统所用的变频装置是独立的，变频装置的输出频率是由速度给 定信号决定的，这种系统一般为开环控制系统；自控式同步电动机变频调速系统所用的变频装置 是非独立的，变频装置的输出频率由电动机轴上所带转子位置监测器控制的，组成的是电源频率 自动跟踪转子位置的闭环系统。此同步电动机变频调速系统中采用的是后者自控式变频调速系 统。 2 3 3 自控式电动机变频调速原理 自控式同步电动机变频调速，和他控式相比，最大的特点是能从根本上消除同步电动机转子 振荡和失步的隐患。这得益于控制方法本身，因为给同步电动机定子供电的变频装置的输出频率 受转子位置检测器的控制，即定子旋转磁场的转速和转子旋转的转速相等，始终保持同步，因此 不会由于负载冲击等原因造成失步现象。 自控式变频调速系统主要由p m s m 电动机，变频器转子位置检测器及控制单元组成。控 制单元的作用主要是把来自转子位置检测器的信号进行分析，判明转子的真实位置和转速后，按 一定的控制策略产生控制信号，控制变频器输出三相电流的频率，幅值和相位大小，达到同步转 速跟踪转子转速的目的。 自控式同步电动机的调速仍属交流变频调速的范畴，只是频率的改变要靠转子角速度来决 定。和其他交流调速一样，归根结底都是要通过改变电磁转矩的大小和方向来达到调节转速的目 的，自控式同步电动机的电磁转矩和电动机的定予，转子电流有关，因此调节定子电流大小或相 位及转子磁动势的大小就可以达到调速的目的。 2 4 矢量控制原理 矢量控制首先是针对感应电动机提出的考虑到异步电动机是一个多变量、强耦合、非线性 8 中国农业大学硕士学位论文 第二章永磁同步电动机数学模型及控制原理 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。因此于2 0 世纪6 0 ，7 0 年代提出了 矢量控制的理论。这种原理的基本出发点是：以转子磁通这一旋转的空间矢量做为参考坐标，利 用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，可以把定子电流中的励磁电流分量和转矩电流分量变 成标量独立开来，分别加以控制。这样通过一系列坐标变换，重建电动机模型，就可以等效为一 台直流电动机从而可以象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。 在矢量控制算法发展过程中先后出现了各种针对不同类型电动机的矢量控制方法，如：转 子磁场定向矢量控制；转差频率矢量控制；气隙磁场定向矢量控制：定子磁场定向矢量控制和电 压定向矢量控制。针对永磁同步电动机，本系统采用了基于转子磁场定向的空间矢量控制方法。 2 4 1矢量控制中用到得坐标系 矢量控制中所用的坐标系有两种，一种是静止坐标系 1 三相定子坐标系( a ，b ，c 坐标系) 三相定子里有三相绕组，绕组轴线分别为a ，b 构成了一个a b c 三相坐标系。 2 两相定子坐标系( a 一1 3 坐标系) 另一种是旋转坐标系，以下分别说明 c ，彼此之间互差1 2 0 度空间电角度 两相对称绕组通以两相对称电流也能生成旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述 时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即q b 坐标系， 它的a 轴和三相定子坐标系的a 轴重合，b 轴逆时针超前。轴9 0 度空间电角度。q b 坐标系是静止坐标系。 3 转子坐标系( d - q 坐标系) 转子坐标系固定在转子上，其d 轴位于转子磁链轴线上，q 轴逆时针超前9 0 度空间电角 度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转。 4 磁场定向坐标系( m t 坐标系) 定向坐标系的m 轴固定在定向磁链矢量上，t 轴逆时针超前m 轴9 0 度空间电角度，该 坐标系和磁链矢量一起在空间同步旋转，故也为旋转坐标系。由于m 轴位于磁链轴上， 又称为定向磁链轴，和m 轴垂直的t 轴上的定子电流分量只产生电磁转矩，因此t 轴又 称为转矩轴。 在基于转子磁场定向的矢量控制中将磁场定向坐标系( m - t 坐标系) 与转子坐标系( d - q 坐标系) 重合这样把静止坐标系中的各交流分量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d 轴与转 子磁场方向重台。此时转子磁通d 轴分量为零。根据公式可知，此时电磁转矩与电流的q 轴分量 即可控制电磁转矩。 永磁同步电动机的电磁转矩取决于定子交轴电流分量和直轴电流分量，在永磁同步电动机 中，转子磁链恒为常数，因此采用转子磁链定向控制方式来控制永磁同步电动机。在转子磁场定 向控制中，是通过调节d - q 轴电流分量来实现电磁转矩及调速控制的。因此测量的电动机相电流 必须经过由静止坐标系向两相旋转坐标系的变换，从而通过p i 调节器来实现调速控制。 9 2 4 2 矢量在坐标系之间的变换 坐标变换分为以下两个步骤： c l a r k 变换 将相差1 2 0 度的三相定子绕组电流i u ，i v ，i w 变换到固定的正交直角坐标系a b 中。如 图2 2 ，计算公式如2 7 。 圈2 - 2c i a r k 坐标变换示意圈 o b 旷。) j p 护。 ( 2 _ 7 ) p a r k 变换 由正交直角坐标系m b 变换到旋转坐标系d - q 坐标系下。如图2 - 3 计算公式如2 - 8 。综合2 - 7 有 公式如2 - 9 。 - i sb 如i s d 形一 图2 - 3p a r k 坐标变换示意图 0 1 sq 蹦蜀哆s i n y 嘲： 沼s ， 州蜀圳一 协， 由旋转坐标系d - q 变换到三相定子坐标系下。计算公式如2 - 1 0 。 ：i 咿j = c 。o 。n s y yi c s 。i 。n ，y ) x 乏 c ：。， 2 5 空间矢量脉宽调制 所谓的p w m 技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序 列，以实现变频，变压并有效地控制和消除谐波的一门技术。目前已经提出并得到实际应用的 p w m 控制方案就不下十种。从晟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，再到消除噪声，p w m 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断 完善的过程。 2 5 1 正弦脉宽调制( s p 洲) 1 9 6 4 年，德国的a s c h o n u n 等人率先提出脉宽调制变频的思想，他们把通信系统中的调制技 术推广应用到交流变频器。所谓正弦脉宽调制波形就是与正弦等效的等幅不等宽的矩形波，如下 图2 5 所示： u u 圈2 4 正弦脉宽调制 u t 中国农业大学硕士学位论文 第二章永磁同步电动机数学模型及控制原理 等效的原则就是每一区间的面积相等。如果把正弦半波n 等分，然后把一等分的正弦曲线与 横轴所包围的面积用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，并且矩形脉冲的幅值保持不变，各脉 冲的中点与正弦波的每一等分中点重合。这样由n 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正 弦波的半波周期等效，称为s p 吼波形。同样正弦波的负半周也可以采用同样的方法与一系列负脉 冲波等效。这种正弦波正。负半周分别用正，负脉冲等效的s p 硼波形称为单极s p 帆。 单极式s p w m 波形在半周内的脉冲电压只在正“和”零”或者“负”和“零”之间变化，主电 路每相只有一个开关器件反复通断。如果让同一桥臂的上，下两个开关器件交替地导通与关断， 则输出脉冲在“正”，和“负”之问变化，这就得到双极式j 也s p w m 波形。双极式s p w m 波形的调制 方式和单极式s p 删波形调制方式相似，只是输出脉冲电压的极性不同。 2 5 2 空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 正弦脉宽调制s p 聊控制主要着眼于使逆变器输出电压尽可能接近正弦波，就是让输出p w m 电 压波形的基波成分尽可能大，谐波成分尽可能小。至于电流波形，还会受到电路参数的影响。电 流跟踪控制则直接着眼于输出电流是否按正弦规律变化。这比只考察输出电压波形更进了一步。 但是异步电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的 电磁转矩。把逆变器和异步电动机做为一个整体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制p w m 电压的方法 叫电压空间矢量脉宽调制s v p w m ”。 电压空间矢量脉宽调速控制思路并不直接着眼于得到正弦波电动机电压，而是关注于电动机 磁通空间矢量的圆形轨迹上，因此又称为磁链轨迹脉宽调制控制。 当忽略定子绕组电阻后电动机磁通空间矢量的变化速率等于电压空间矢量的模而其运动方 向与电压空间矢量的方向一致。因此。非零电压空间矢量能使电动机磁通空间矢量产生运动，而 零电压空间矢量使磁通空间矢量静止。这样只要用适当的方法顺次选择非零电压空间矢量，就可 以迫使电动机磁通空间矢量沿圆形轨迹运动。当线电压不变时，适当控制非零电压矢量的作用时 间就可以控制磁通空间矢量运动圆轨迹的直径，从而控制电动机磁通大小。当圆轨迹直径不变时 电动机处于恒磁通下工作，适当选择零电压空间矢量及其作用时间，就可以调节磁通空间矢量的 旋转速度从而控制电动机的定子频率，二者结合起来就可以实现恒磁通变频调速。显然，这是 在忽略电动机定子绕组电阻条件下得到的结论，当定子频率较高时，电阻的影响实际上是可以忽 略的，但在低频时会带来很大的误差。增加低频时非零电压矢量的作用时间实际上就等效于增加 电动机磁通或电动机电压，从而起到补偿作用。 2 孛瓣农篷夫学磋士学毽论文 第二章索驻弱劳瞧赫撬数学楼整及控翻溅鹾 i i i 2 5 3 扇区的确定 围2 5三相电压源型逆蜜鼹 强2 失典罄弱三糖亳基涿型逆嶷器瓣臻稳：m l - ￥1 6 是六令珐率鑫锩管，缝销海六个疆g 绥号 控制。当同一拼臂的上一晶体管处于导通时，下一晶体管处于关闭状恣。所以共有8 种工作状态， 分别输出8 个电压矢量： 0 0 0 ， 0 0 1 ， 1 1 0 ， o l o ， 0 1 1 ， 0 0 1 ， 1 0 l l ， t l l 】。 这8 个电嚣矢量，其争短话6 令鸯效电压矢鬣v 1 0 0 1 ，v 2 o l o ，v 3 0 1 1 ，v 4 1 1 0 0 ，v 5 1 0 1 】， v 6 1 1 0 和两个零矢量v o 0 0 0 ，v o 1 1 1 ，这样撒空间分成6 个区如豳2 - 6 ，首先需要确定所发 出的电压矢量属于哪一个空间扇区。确定扇区悬根据采样定予电流来判别的。 v 3 0 1 1 r v 2 o l 翻 v 6 1 1 0 1 入磁 一厂 v 1 o o l 】 v 5 1 1 0 l 】 困2 6 电艇窝间矢量示鬻翔 1 3 毪 中国农业大学硕士学位论文第二章承磁同步电动机数学模跫我控制原理 2 5 4 非零矢鬣作用时间 v 3 0 1 1 】 r k v 2 o l o v 6 e 1 1 0 1 v 6 他zv 厉1 一 m 。 ，4 【l 。晶 v v v v 1 0 0 1 v 5 1 1 0 i 圉2 - 7任一矢量分解示意圈 为了使逆变器输出的电压矢量接近圆形。并最终获得圆形的旋转磁通，必须利用遒变器的输 出电压的时间组合，形成多边形电压矢鬣轨迹，使之更加接近圆形。例如图2 - 7 ，当旋转磁通位于 i 区时，用晟近l i 句电压矢量合成，并按照谯秒平衡的原则，得出： v 4 t k + v 6 t k l + v o t o ：f 矿( 2 1 1 ) 冀中致和t k l 对斑彀燕矢：墓c v k 和v k l 熬捧蠲辩淘；t 为采样弱麓；v 为台成电压矢量。诗繁电嚣矢量 的作用时间按照如下公式2 1 2 搬1 哇+ ，西2 八了2 蹦) 十掀弓附) + t 0 x 0 = 删r ( 厶 令2 1 2 等号蕊边蜜郝，盘罄相等，得到缕聚如下： t k ：塑坚s 速8( 各1 3 ) 蹦 孤l = v 坚d s i 一口) 协 、3 难( 1 一鲁s 唔一釉 c 绷， 其中o ( a l f a 。b e t a ) 子系统，象限与角度输出子系统。象限判断 子系统和作用时间输出子系统。这个模块完成了根据当前时刻调整后的三相电压值来判断此时电 压矢量处于哪一个空间矢量象限，从而计算非零矢量的作用时间。子系统模块如下图3 4 所示： 圈3 - 4 象限判断与作用时间计算仿真模块 s v p w m 子模块包含时间分配子系统，各象限输出状态子系统及功率开关器件驱动子系统。 此模块完成s v p w v l 波形的发生及功率器件的驱动。 图3 - 5时间分配与功率器件控制 中国农业大学硕士学位论文第三章永磁同步电动机控制系统仿真 3 2 控制系统仿真分析 基于以上各个模块p m s m 电动机控制系统仿真模型建立如下，并对该模型进行了p m s m 双 闭环控制系统的仿真实验。p m s m 电动机参数设置如下：电动机功率p - - 4 0 0 w 。直流电压u = 2 2 0 v ， 定子相绕组电阻r - - - 6 0 2 0 ，定子d 相绕组电感l d = 0 0 2 6 h ，q 相绕组电感l q 踟。0 6 5 h ，转动惯 量j = 0 0 0 1 8 k g m 2 ，额定转速n = 3 0 0 0 r m i n ，极对数n p = 4 。 为了验证所设计的p m s m 控制系统仿真模型的静，动态性能。系统空载启动，待进入稳态 后，在间2 s 时突加负载t = 3 n m ，可得到系统的转速，转矩及相电流等参数曲线。 图3 - 7 为转速仿真运行波形，图3 - 8 为转矩响应仿真运行结果，图3 - 9 为三相电流仿真运行 结果。由仿真波形可以看到：在n = 1 5 0 0 r m i n 的参考转速下，系统响应快速平稳相电流波形较 为理想；启动阶段系统保持转矩恒定。因此没有造成较大的转矩和相电流冲击。在t - - o 2 s 时突加 负载，转速发生突降。但又能迅速恢复到平衡状态，温态运行时无静差。速度精度可达到5 ， 转矩响应的时间控制在1 0 m s 以内。仿真波形如下图。突加负载后，电磁转矩略有增大，这主要 是由电流转向和电流控制器的频繁切换造成的。仿真结果证明了本系统提出的这种p m s m 控制 方法对电动机的控制效果良好。 = ：_ _ 也f 叫： u = e f u a r -u a 1 1 几 1 a r e t 。 。oi7 u i u 9 卜 7 u b 1 a b c _ l a l 3 c ( a ) i 高刊qb 卜 u hr e f o ：f ! 隅 - l r蜒吲叫蚝 h | l k 二j 斗 ：_ - u c r e f - 。= l ；_ _ _ 1_ _ ：l _ !u c l 一 1 由 一n ( r r a i n l t h e t a 诤藤 ：。j 圃 娃i o 。 ! q o ： a 一 i - u d com ： l ： 1 5 【= _ j d c 爱耋匣敏趿逆变。既蔓 s t e l ：。 。：2 1 l 三_ ；t e ：( n x r j 司- - l ：j l m e 【a f 州 1 1 1 。 i r ： 中国农业大学硕士学位论文 第三章永磁同步电动机控制系统仿真 图3 7转速仿真运行结果 图3 - 8转矩仿真运行结果 国3 - e 兰相电漉俦舞运行臻祟 结论： 柱分析p m s m 数学模型的纂础上，提出了双闭环控制系统的p m s m 控制仿真模飘。该仿真 模鹫审采用矢整控制每经典的逮发，电流驳闭环籀稍方法j c | 该系统滚行了潞 遴，仿真缩梁表明： 波形撼本符合理论分析。系统能平稳运行，具有较好的静，动态特性。另外该仿真模型也验证了 瘊设诗戆控裁露法懿歪确毪与实耀蛙。 建立仿真模型可通过修改系统参变爨或认为加入不同扰动因素米考察不同实验条件下电动 规系统的动，静态性熊，或者横撤相同熬实验条传下，毙较不同控嬲燕硌戆优劣，菇努辑和设计 同步电动机控制系统据供了有效地手段和工具，也为实际电动机控制系统的设计和调试提供了新 的思路。 孛嚣农亚太学疆士学搜论文繁理章控制系统豹搜谤与实现 第四章控制系统的设计与实现 随着馓电子学及计算机控制技术的发腱，高速、高集成度、低成本的单片机、d s p