（电机与电器专业论文）基于智能控制pass的研究.pdf

a b s t r a c t p 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 sm o t o r ) w i t hi t sh i 【g ht o r q u e h i g hp o w e r f a c t o r , l o w 1 0 s sa n dp o w e rd e n s i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，b e c o m et h eb e s te x e c u t i v eb o d yi n t h ea e r o s p a c e ，m a c h i n et o o l s ，r o b o t s ，e l e c t r i cc a r sa n do t h e rh i g h t e c hf i e l d s m e a n w h i l e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rc h i p ， a d v a n c e dm o t o rc o n t r o lt h e o r ys u c ha sv e c t o rc o n t r o la n di n t e l l i g e n tc o n t r o l a l g o r i t h m ，t h ec o m p l e xh i g h p r e c i s i o np a s s ( p m s ma cs e r v os y s t e m ) h a sb e e n d e s i g n e d t h ep a p e rf i n das e to fp i a s sd e s i g n i n gb a s e do ni n t e l l i g e n tc o n t r o lb y s t u d y i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kc o n t r o lo ft h ea p p l i c a t i o no fp a s sa n dr e l a t e d t e c h n o l o g i e s p m s m f i e l do r i e n t e dd e c o u p l i n gm o d e li nd q 0c o o r d i n a t e sh a sb e e ns e tu p a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h em o t o rp r i n c i p l ea n dc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n u s i n g t h er o t o ro r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lm e t h o d 幻= ot oa c h i e v et h ed e c o u p l i n go ft h em o t o r , u s i n gp ic o n t r o lt oa c h i e v et h er e g u l a t i o no ft h ec u r r e n ta n ds p e e d ，d e s i g nt h ec u r r e n t i n n e rr e g u l a t o ra n ds p e e do u t e rr e g u l a t o rt oc o n v e r t o rt h et o r q u e ，f l u xa n ds p e e dt o t h er e f e f e n c ev o l t a g es i g n a l r e s e a r c ho nt h es v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) t e c h n i q u e i m p l e m e n t e ds v p w md r i v es i g n a l st oc o n t r o lt h ei n v e n e r o n l i n ei d e n t i f i c a t i o ni d e n t i f i e rb a s e do nb pn nh a sb e e ns i g n e dw h e nt h ea n n c o n t r o lt h e o r yu s e di ns e r v om o t o rp a r a m e t e r so n l i n ei d e n t i f i c a t i o n ，t r a c k i n g ，a n d a d a p t i v eo ff l u xa n ds p e e dc o n t r o l l e r a n dp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t sw e r ea n a l y z e d i nt h en e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e ro ff a s s u s c o m p a n yi i d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 ，d e d i c a t e df o rm o t o r c o n t r o l ，i sc h o s e na st h e ( x m t r o lc o r e i n t e u i g e n lp o w e rm o d u l e si n f i n e o n f p l 5 r 1 2 y t 3i su s e d 嬲t h em a i nc i r c u i tp o w e rm o d u l e ，p l u sav a r i e t yo fs i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t s ，p r o t e c t i o nc i r c u i t s ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y c i r c u i t sa n d c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s w i t hw h i c hv e c t o rc o n t r o lh a r d w a r ep l a t f o r r no ft h e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sa cs e l v os y s t e mi sd e s i g n e d i ns o f t w a r ed e s i g n c o m b i n e dw i t ht h et m $ 3 2 0 f 2 8 1 2s o f t w a r ep r o g r a m m i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d s o f t w a r ep l a t f o 加c c s 3 3 t h es y s t e mc o n t r o ls o f t w a r ei sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h e o r g a n i z a t i o nf o rt h es o f t w a r e ，t h eu s ef o rd s p c o n t r o l l e rr e s o u r c e s ，t h es e l e c t i o nf o r v a r i a b l ed a t af o r m a t sa sw e l la st h ec o n c r e t er e a l i z a t i o nf o rm a i nm o d u l e s p m s ms e r v oc o n t r o ls y s t e m s i m u l a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e db v m 棚a b s i m u l i n kw h i c hi n c l u d ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n s ，p ir e g u l a t o ra n d s v p w ms i m u l a t i o nm o d u l e a tl a s tw ef i n i s h e ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a n dg e tt h e c u r r e n t ，s p e e d ，e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ew a v e f o r i l lw h i c hv e r i f i e st h ea c c u r a c yo ft h e p i a s s k e yw o r d s ：p a s s ；v e c t o rc o n t r o l ；b pn e u r a ln e t w o r k ；m a t l a b s i m u l i n k i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学 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已在 论文中作了说明并表示了致谢。 关于论文使用授权的说明 讼f 6 ，厂 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部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或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 研究生( 签名) ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ： 等 导师( 签名) 弋彳日期弘 奠吖 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着科技的发展，特别是电机制造技术与控制技术的飞速发展，大规模集 成电路、大功率半导体器件和微处理器技术的进步，使得高性能伺服控制系统 的应用越来越广。p m s m 以其结构简单、重量轻、效率高、功率因数高，转子 无发热和过载能力强等优良特点使得p a s s 成为当代伺服系统研究和发展的主 要方向之一。 然而，作为决定p a s s 性能好坏的关键技术之一的伺服控制技术成为业内众 多专家学者研究的重点。随着交流伺服用电动机相关技术逐步成熟，以软件算 法形式存在于芯片存储器中的控制技术成为制约我国高性能永磁交流伺服技术 及产品发展的软肋。所以研究具有自主知识产权的交流伺服控制技术，尤其是 最具前景的永磁交流伺服控制系统是十分紧迫的。 为此，本人针对自己的专业特点和研究方向，在导师的建议与指导下，选 择了“基于智能控制p a s s 的研究”这一课题。由此可见，研究该课题不但具有 学术研究价值，更具有其实际工程价值。 1 2 永磁交流t 司f l t 系统相关技术的进展 1 2 1 永磁同步电动机的发展 上世纪中期，随着稀土材料的大量应用，铝镍钴和铁氧体永磁材料性能的 迅速提高，各种小型p m s m 不断出现，在日常生活、工农业生产、航空航天、 军事工业中应用越来越广泛。然而磁能积较低的铝镍钴和铁氧体永磁材料导致 p m s m 性能低、体积大，并不能满足人们越来越高的要求，极大的限制了p m s m 的发展。 1 9 6 7 年是作为开创p m s m 新纪元的一年钐钴永磁材料出现了。钐钴永 磁材料性能好却价格高，所以研究开发的重点是航空航天用电机等要求高性能 而不考虑价格因素的高科技领域。2 0 世纪8 0 年代末，国外p m s m 的代表是 s m m e m n s 公司生产的船舶推进用的功率为1 1 m w 、转速2 3 0 r m i n 的6 相 武汉理工大学硕+ 学位论文 p m s m 和德国k e g 公司研制的功率为3 8 m w 的4 极调速p m s m 。在国内， 3 k w 、2 0 0 0 0 r m 永磁发电机率先由沈阳工业大学开发，同时沈工大与东方电 机厂、哈尔滨电机厂联合开发了6 0 1 6 0 k v a 稀土钴永磁副励磁机埋3 。 1 9 8 3 年，钕铁硼永磁材料问世后，磁性能得到了很大提高，而永磁材料价 格却有所下降，于是业内研发重点变为工业和民用电机的开发上。七年后，西 北工业大学研制了0 8 k w 纺织用p m s m ，此种电动机相对于同功率的三相异步 电动机，提高了5 的效率，并节能1 0 ，性能提高明显。沈阳工业大学唐任远 院士研制的1 2 m w 永磁同步电动机，是目前国内单机容量最大的永磁电动机担1 。 2 l 世纪以来，随着钕铁硼材料耐高温性能的提升和价格的降低，使得钕铁 硼永磁电动机在工农业生产和日常生活的应用更加的广泛，同时向着大功率化、 高性能化和体积小型化方向发展，永磁电动机应用领域将会不断扩大。 1 2 2p a s s 中常用大功率半导体器件的发展 大功率半导体器件的蓬勃发展和迅速换代成了永磁交流伺服技术的迅猛发 展一个重要因素。 大功率半导体器件是永磁交流伺服装置的主要支柱之一，它的发展直接影 响着永磁交流服伺系统的发展。上世纪8 0 年代，变频设备的功率回路上主要使 用晶闸管。8 0 年代中后期以后开始使用第二代大功率半导体器件g t r ( g i a n t t r a n s i s t o r ) 、g t o ( g a t et u r n o f ft h y r i s t o r ) 、i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) ，这使得交流调速系统拥有了和直流调速系统相当的性价比。9 0 年代 后期，变频器产品开始采用第三代大功率半导体器件，中、小功率( o 1 1 m w ) 的 变频装置主要是使用i g b t ，中、大功率的变频调速装置( i i o m w ) 采用g t o 器 件。2 1 世纪以后，大功率半导体器件进入第四代，s i e m e n s 公司的h v i g b t ( 高 压i g b t 器件1 、a b b 公司的i g c t ( i n s u l a t e dg a t ec o n t r o l l e dt r a n s i s t o r ) 、通用电 气公司研制的i e g t ( i n j e c t i o n e n h a n c e dg a t et r a n s i s t o r ) 、罗克威尔公司的 s g c t ( s y m m e t r i c a lg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) 都是其中的优秀代表，其模块化 程度更高，技术更成熟。如：智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 、专 用功率器件模块a s i p m ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e l l i g e n tp o w e rm o d e l ) 等h 。 1 2 3p a s s 中微型计算机技术的应用 早期的伺服系统采用了模拟控制，到2 0 世纪8 0 年代以后，微处理器的出 2 武汉理工大学硕士学位论文 现和发展对伺服系统完成了数字化革命。最早的微处理器有8 位z 8 0 ，m s c 一5 1 和1 6 位的m s c 一9 6 系列1 ，但随着控制策略和算法的复杂化，8 位和1 6 位微处 理器已满足不了其要求了，于是乎专用于工业控制的d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r s ) 走向工程师面前。优秀代表有耵公司c 2 0 0 0 系列、a d 公司a d c 系 列和飞思卡尔公司的5 6 f 8 0 0 0 系列。 2 1 世纪以为，为了使控制系统的实时性和控制结构简单化，专用控制芯片 开始逐步取代通用芯片。如专用于无刷直流电机的控制专用芯片：m c 3 3 0 3 3 、 m c 3 3 0 3 5 等，用于步进电机控制专用芯片：u c 3 7 7 0 、h a l 3 5 3 2 n t 等。2 0 0 3 年 m 公司开发了永磁电机和交流感应电机的专用芯片i r m c k 2 0 1 、i r m c k 2 0 3 等。 这些专用芯片完全不需要编程，而是使用硬件电路来实现各种复杂算法，包括 闭环的无传感器磁场定向算法1 。所有功能由硬件电路实现，使得这些芯片具有 快速计算能力和极佳的实时性，减小了伺服系统的软件设计和调试的工作量。 1 2 4 调速控制理论在p a s s 中的应用 1 交流调速理论 1 9 7 1 年，德国b l a s c h k e 教授的研究团队提出了交流电动机的矢量变换控制 理论，高性能控制在理论上可以在交流电动机上面实现口1 。矢量控制原理是将三 相静止坐标系中的电机模型转化到同步旋转的两相坐标系中，在此坐标系中， 把定子电流矢量分解为两个分量：一个分量产生磁通，称为励磁电流分量f ； 另一个分量产生转矩，称为转矩电流分量0 。通过控制两相旋转坐标系中定子 电流矢量的位置及大小，即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小阻，也就 是分别的控制了交流电机的磁场和转矩，实现了交流电机的完全解耦。因此， 电流矢量的幅值和相位的控制仍然是矢量控制的关键之所在。矢量控制首先在 感应电动机上应用了，但不久也应用到了同步电动机。 1 9 8 5 年，继矢量变换控制技术之后，交流调速领域的一种新理论直接 转矩控制技术，由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授提出，并首先使用在异步电 动机中，。与矢量控制不同，直接转矩控制的被控量为转矩，具体控制方法是： 将电机与逆变器视为一体，提出空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系中计 算电磁转矩，采用定子磁场定向，运用离散的两点式调节产生p w m 信号，直接 对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能呻1 。直接转矩控制 武汉理工大学硕士学位论文 摒弃了矢量控制中解耦的思想，克服了矢量变换计算复杂，控制系统结构简单， 转矩响应迅速，鲁棒性增强。但缺点是控制效果受转子参数变化影响较大。 2 无速度传感器技术 由于机械位置传感器的安装增加了交流控制系统的成本；增加了电动机与 控制系统间的连线和接口电路，可靠性降低；时同位雹传感器受到湿度、温度 和振动的条件限制，降低了伺服系统适用的场合。因此无位置传感器技术是近 年来伺服控制技术中的一个研究热点。 无速度传感器技术基本思想就是减小位置检测成本，彻底取消位置检测装 置，通过电流、电压等变量，并结合电动机自身参数，以软件算法为主实现转 子速度与位置的估算，并将其应用于控制策略。近年来，各种转子位置估算算 法大量涌现，其中最具代表性的有基本磁链关系的估算方法、模型参考自适应 方法、基于各种观测器的估算方法、高频注入方法和人工智能理论基础上的估 算方法n 0 】。 1 3 智能控制理论在p a s s 中的应用 线性p i d ( p r o p o r t i o ni n t e g r a t i o nd i f f e r e n t i a t i o n ) 控制算法简单、容易实现，但 是无法满足较高精度的伺服系统控制要求。于是本文将引入智能控制算法，可 以使系统获得高质量的动态和稳态性能，还可以使加强系统的抗干扰能力。 智能控制的伺服系统应具备如下特征：具各自我学习能力，利用有限信息 对被控对象进行识别、记忆、学习，在其基础上快速改善自身知识结构和控制 策略】；具备自适应能力，对认知对象的参数、运行环境和运行条件的变化具 有适应性，使控制性能不依赖于控制对象的具体模型；具备鲁棒性，即使系统 具有很强的抗干扰能力，对不确定因素的干扰不敏感；具备容错性，使系统具 有故障自诊断、自屏蔽和自恢复的能力。具备自组织能力，使系统对复杂任务 和分散的传感信息具有自主的协调组织功能；具备实时性强特征，使实时性控 制系统具有快速的在线实时响应能力羽。 智能控制具有以上良好的控制性能，并且在非线性、时变的控制系统上显 示出了无与伦比的优势。然而在永磁交流伺服系统中，永磁同步电动机是一个 时变的、非线性和强耦和的控制对象，永磁同步电动机运行参数会随时发生改 变，难以估算，另外传动机构中也含有机械间隙等非线性的因素。永磁同步电 4 武汉理工大学硕上学位论文 动机也难于建立精确的数学模型。因此在永磁交流伺服系统中引入智能控制策 略，利用其非线性、变结构、自适应等特点，从而提高控制系统的快速性、自 适应性。 1 4 主要研究工作 本课题在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上，采用智能控制理论，实现 基于转子坐标定向矢量控制的p a s s 的全数字化设计。为进一步改善系统的性 能，对永磁交流电动机位置伺服和速度伺服的控制算法进行深入研究，并引入 智能控制理论中b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 神经网络算法。 在本课题的研究中，将通过以下五个方面的研究，来实现永磁同步电机交 流伺服系统的全数字控制，并设计硬件电路，进行软件调试、m a t l a b 仿真来 验证所设计方案的可行性，并最终设计具有较好稳态性能和动态性能的伺服系 统。 ( 1 ) 永磁同步电动机数学模型的建立；通过对永磁同步电动机在a b c 坐标轴 的数学模型进行三相到两相、两相静止到两相旋转坐标轴变换，得到d q 坐标轴 下永磁同步电动机的数学模型。 一 ( 2 ) 永磁同步电动机矢量控制实现方法研究；通过对永磁电动机调速理论的 研究，选择矢量控制方法，对永磁同步电动机转子磁场定向解耦，并通过引入 s v p w m 算法，并给出s v p w m 的实现方法。并设计出伺服系统的电流调节环 与速度调节环的双闭环结构。 ( 3 ) 基于b p 神经网络的伺服系统控制算法研究；对b p 神经网络的结构与算 法进行研究，并将此方法引入到永磁交流伺服系统的p l 参数辨识之中，设计出 p a s s 的速度调节器的在线辨识方法，并推导出了基于b p 神经网络自适应p i 调 节器对p a s s 的改善方法。 ( 4 ) p a s s 的硬件设计和软件设计；通过1 1 公司新型d s p 芯片 ( t m w 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 和e u p e c 公司的i p m ( i n f i n e o nf p l 5 r 1 2 y t 3 ) 设计出整个永磁 交流伺服系统的主电路，控制电路。通过t i 公司编程软件平台c c s 3 3 实现矢量 控制算法、s v p w m 波算法和b p 神经网络程序的编程调试。 ( 5 ) p a s s 系统在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台下的仿真设计研究；在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下的组建永磁同步电动机等模块、永磁交流伺服系统 和b p 神经网络p i 调节器的仿真，分析仿真结果，检验理论设计的可行性。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章p a s s 的矢量控制方案 电动机数学模型的建立是p m s m 实现矢量控制的前提。基于坐标变换思想 推导得到d q 坐标系中p m s m 的数学模型。并在深入分析p m s m 原理、矢量控制 原理、s v p w m 技术实现方法的基础上，确定永磁交流伺服系统的整体控制方 案。 2 1 矢量控制的坐标变换 在电机分析中，常用的空间坐标系统有定子静止坐标系统、转子定向坐标 系统、空间旋转坐标系统和磁场定向坐标系统口叼等。p m s m 矢量控制中用到的 坐标系统分为两大类，一类是静止坐标系统，包括静止三相a b c 坐标系统和静止 两相叩坐标系统。通常把这两类坐标系统放在同一复平面上，有一个公共坐标 轴位于实轴，也即静止三相坐标系统中的a 相绕组轴线和静止两相邵坐标系统 中的a 轴线，它们与复平面上的实轴重合，并以公共坐标轴为参考轴，其他轴 线按照逆时针方向排列。另一类是旋转坐标系统，常用的有转子d q 坐标系统。 由于p m s m 的电气参数与转子位置角有紧密关系，因此，为了简化电动机数学 模型需要对转子位置角进行解耦，坐标系统必须建立在旋转的d q 坐标系统中。 在功率不变的条件下，可以将p m s m 的各个物理量在三相静止a b c 坐标系 统、两相静止筇坐标系统和旋转的转子d q 坐标系统之间进行变换。这里我们给 出三相静止a b c 坐标系与旋转的转子d q 坐标系统之间的坐标变换方法n 4 1 。 2 1 1c l a r k 变换 图2 - 1 中绘n - fa b c 和筇两个坐标系，a 轴与口轴重合。设三相系统每相绕 组的有效匝数为n ，二相系统每相绕组的有效匝数为n ：，设磁动势波形是正弦 分布的，当三相磁动势之和与二相磁动势之和相等时，两套绕组瞬时磁动势在 口、芦轴上的投影都应相等n 副，于是有： 2 t 3 乞一3 c 。s 詈一n 3 i c c o s 争n 3 ( i o 一2 i o 一三) ( 2 - 1 ) 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 。3 f 6 s i n 争3 f c s i n 詈；譬3 ( ，t ) ( 2 2 ) b 图2 - 1 三相和二相坐标系与绕组磁动势的空间矢量位置 为了便于求逆变换，将变换阵表示成可逆方阵。为此，在二相系统上再人 为地增加一项零轴磁动势n 2 i 。， 并定义： 2 毛= k n 3 ( i o + + f c ) 将以上三式写成矩阵形式，得到 式中 h 3 l ：j = i 1一三一三 2 2 o 巫一巫 22 k kk ( 2 3 ) 卜：网 p 4 ， 武汉理工大学硕士学位论文 r 1n l b 2 。砖 1 l 一一 2 n 历 u 一 2 k k 1 2 一孚l 是三相坐标系变换到二相坐标系的变换矩阵。 当满足功率不变条件时应有= q 2 2 爱l 童 qk 压 矿 一a 2 压r 一一a 2 由于q ：啄一e ( 单位阵) ，因此可得瓮，信，且尺一疆1 代入得 。叵。 一3 2 2 、j 1一三一! o 鱼一鱼 厂-广- 22 111 压压厄 斤 c 加2 啄2 、孝 10 1 ； 4 2 14 31 22 2 131 22 4 2 逆c l a r k 变换矩阵即可由变换式求逆得出。 2 1 2p a r k 变换 图2 - 2 中绘出了二相静止坐标系筇和二相旋转坐标系d q 之间的关系。图中 静止坐标系的两相交流电流乞、名和旋转坐标系n 旬的两个直流电流岛、产生 相同大小的合成磁动势墨，其转速为。由图可见，它们存在着下列关系： i 4 一i d c o s 0 一i q s i n 0 i pi i d s i n 0 + i 2 c o s o 8 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 二相静止和旋转坐标系与磁动势空间矢量 由以上二式可得： 假想一个零轴， 就可以凑成方阵： j d = i oc o s o + i 8s i n 0 l q = 一i 4 s i n 0 + i 6s i n 0 。龟 川二署 c蓟。们so。00 1 蚓 i if 。l i i i ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - l o ) 将式( 2 4 ) 和( 2 1 0 ) 相乘，可得从三相静止坐标系a b c 到二相旋转坐标系d q 的 变换式c 3 ：，为： 9 武汉理工大学硕士学位论文 匹 b 归1 亏 一信 其反变换式为： c o s 0s i n 口0 一s i n0c o s 口0 oo1 c o s 口c o s 一刁2 r r j - s i n 0 “峥争 1 1 压压 ，t 信 c o s 0 c o s ( p 一了2 a t ) c o s ( p 专) 11 1 拈 压0坐一坐 22 1 11 压在压 酬口哼) 一s 泖+ 了2 j r ) 1 压 利用式( 2 - 1 2 ) 的变换阵求得定子电压的变换关系为 u d 材6 u f ；后 c o s 0 c 。s ( 口一了2 ；r ) c 。s ( 8 + 了2 a t ) 2 2 p m s m 的磁场定向解耦 2 2 1p m s m 的结构与种类 1 压 1 压 1 压 1 压 1 压 l 压 “鼋 蹦o ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 以p m s m 为执行部件的伺服控制是数控机床，机器人等运动控制产品的核 心技术之一。基于正弦波反电动势控制的p m s m 具有功率密度大、效率高、转 子损耗小等优点，在伺服控制领域得到了非常广泛的应用。正弦波p m s m 与普 l o 坩 幼一3幼一3 豇 p p n n 趾 阻 坶 劢一3豺一3 p n n 1 1 s s 一 一 武汉理工大学硕士学位论文 通的感应电动机相似，定子采用了分布式短矩的三相对称绕组，这样可以得到 接近正弦波的三相电动势，采用转子斜极或定子斜槽的方法也是为了降低齿槽 转矩、转动噪声n 7 1 。p m s m 的机械结构如图2 3 所示。 图2 - 3p m s m 的机械结构图 输出轴 根据安装在转子上的永磁体的位置不同，p m s m 的转子可以分为三类：凸装 式转子、嵌入式转子和内埋式转子，如图2 4 所示。凸装式和嵌入式结构转子具 有较小的直径，从而也具备转低的转动惯量。将永磁体直接粘在转轴上还可以 获得非常低的电感，这样有利于提高永磁电动机动态性能。而内埋式转子则是 在转子铁心内部安装永磁体，由于其磁路气隙比较小，适用于弱磁控制，所以 为了便于控制，短距分布绕组是p m s m 的定子绕组一般都采用的绕组方式，气 隙磁场设计为正弦波，以产生正弦波反电势u 引。 ( 1 ) 凸装式( 2 ) 嵌入式 ( 3 ) 内埋式 图2 - 4p m s m 转子的三种结构形式 武汉理工大学硕士学位论文 对于凸装式转子的p m s m ，其交轴和直轴磁路互相对称，因此有： 耐- l 删tl 朋 ( 2 - 1 4 ) 其中l d 和l 呻是d q 轴的励磁电感值，上。是励磁电感值。 对于转子为嵌入式的p m s m 则有： l 帕l 咐 2 2 2 p m s m 在d q 坐标系下磁场定向解耦数学模型 ( 2 一a s ) d q 轴系上的电压方程只规定了d q 两轴的垂直关系和旋转角速度。如果规定 了对d q 轴系的方向，就使其成为了特定方向的两相旋转坐标系，这对矢量控制 系统的实现具有重要的意义。 选择特定方向的两相旋转坐标系，即确定d q 轴系的方向，也叫做定向。选 择电动机某一旋转磁场轴作为特定的旋转坐标轴，则称之为磁场定向控带l j ( f i e l d o r i e n t a t i o nc o n t r 0 1 ) n 引，矢量控制系统也称磁场定向控制系统。 对于p m s m 矢量控制系统的磁场定向轴的选择有三种，即转子磁场定向， 气隙磁场定向啪1 ，定子磁场定向。 永磁同步电动机励磁磁场和电枢磁通势间的空间角度不固定，是随着电机 转子的旋转而不断的发生变化的，并不存在任何的线性关系，需要利用坐标变 换来实现电机中各个物理量的解耦，通过控制电枢电流大小变化从而控制电机 电磁转矩。本文使用转子磁场定向的d q 坐标系统下的p m s m 数学模型腔，对通 过坐标变换对p m s m 数学模型进行解耦。在假设不计铁心饱和及铁耗、三相电 流对称、转子无阻尼绕组的理想情况下，可得到d q 坐标系下正弦永磁同步电动 机的数学模型： p m s m 电压方程有： p m s m 磁链方程有： ”警一伽。嘲 驴等+ 伽d 嘲 “g 2 i + 伽d + o ( 2 1 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 i i y d i l d i d 士l , , , a i lal d i d + t l ，f 1 妒。一三。f g p m s m 电磁转矩方程有： ( 2 1 7 ) 疋。；p d 一! f ，9 ) 一p l , , , a i l i q + ( d - l g ) i a i ，】 ( 2 - 1 8 ) 式中u d 、材。为定子在d 、q 轴的电压分量； 屯、f 。为定子在d 、q 轴的电流分量； 妒d 为定子直轴磁链，包括定子直轴电流产生的磁链和永磁体产生的磁链； 妒。为定子交轴磁链，只包括定子交轴电流分量产生的磁链； 厶、三。为定子绕组d 、q 轴电感分量； f r 为永磁体等效励磁电流，其值为妒，l 州； 三耐为d 轴励磁电感；为角频率； 妒r 为在定子绕组中产生的永磁体基波磁场磁链，可由妒，= 3 毛o , 求取， 其中e n 为每相绕组空载反电动势的有效值( a b c 坐标系下) ； 为定子绕组相电阻。 把式( 2 - 1 6 ) 、式( 2 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 写成空间相量的形式，为 u 。一u d + 弘g 一i 。+ d v 。a t + 歹n 叩。 l 。l d + v ，一缈d + _ ，妒g m l 一p 、i ，lx l 。 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 如图2 5 所示p m s m 的空间相量图。从图中可以看出，定子电流相量与q 轴 之间的夹角为口，定子电压相量与q 轴之间的夹角为卢，因此，电机的功率因数 可以表示为： c o s t p = c o s ( f l a ) ( 2 2 3 ) 由式( 2 - 1 8 ) 可以看出，p m s m 的电磁转矩中可分为两个分量，分别永磁磁链 武汉理工大学硕上学位论文 作用产生的永磁转矩乙和不对称的转子磁路所产生的磁阻转矩r r 。对于凸极式 p m s m 有l a 2 0 时，扇区标志位n 后移一位，进入下一个扇区，刀值复位。 5 3 制动功能的软件设计 常用的电阻能耗制动与双频制动因各有优缺点，现将两种方法结合超来， 组成一种合成的制动方法。该方法的硬件电路如第四章中图4 3 ，在此基础上在 变频控制中增加双频制动的算法，再生能量消耗将由能耗电阻的消耗和电动机 的损耗共同分担，可以使电阻能耗减小，却硬件主电路中的水泥电阻( 能耗用) 可以减小，有节省伺服系统体积，同时也可充分利用电动机的损耗，并可以缩 短制动时间。 通入两种不同频率之后，工作点位于效率较低的振荡状态，为了平稳的制 动，可以做如下控制，算法流程图见图5 8 。首先使工作频率，；以步长矽逐步减 小，并转子转速大于同步转速，这样可使电动机工作处于发电状态，并产生制 动力矩，回馈再生能量，同时在定子通入另一比较高的频率厶的电压信号，此 时定子铜耗增加，铁耗急剧增大，因此效率极低，使秀生能量在高频作用下部 武汉理工大学硕上学位论文 分消耗于电机的定子中。图5 - 8 中的f 表示制动过程中厶与五的差值，以 产生 的制动力矩尽量大，但前提是不使电动机发生共振为选取原则。y 为判断是否 导通制动电阻的电压阀值，为制动过程中电机相电流的限定值h 9 1 。 图5 - 8 新型制动算法流程图 当电动机的温度丁超过电动机所能承受的温度上限值，。时应停止减速，并导 5 9 武汉理工大学硕士学位论文 通功率管g b ，让主电路直流母线中水泥电阻进行能耗制动。为了实现快速制动， 疋所产生的制动力矩应该足够大，厶使电机产生的损耗也应该足够大，另外 不 能减少一所产生的制动力矩，因此厶所产生的气隙磁通的转向应与z 转向相反， 即同时产生一个反向的协助制动力矩。实际上，由于厶的频率远远高于电机的 额定频率，电压幅值又较小，所以它所产生的气隙磁通很弱，产生的电磁力矩 也很小，所以它的转向对于厶所产生的制动力矩的影响并不大，当z 减d , n 较 小频率( 如3 h z 时) 停止给电机供电，制动算法流程如图5 8 。 武汉理工大学硕士学位论文 第6 章系统仿真 为了验证基于神经网络p i 控制p m s m 伺服系统实现调速的可靠性以及良好 的动、静态特性，利用了当前流行的计算机仿真平台m a t ia b s l m u u n k 软件对永磁交流控制系统进行了仿真。重点进行了系统仿真模型的建立、仿真 实验过程及其结果分析，并据此导出与其对应的结论。同时，把分析了仿真实 验的结果，进而肯定了此伺服系统设计的正确性。 6 。1m a t l a b slm u lin k 仿真平台 m a t l a b 是集命令翻译、科学计算和数值仿真于一体的交互式科学软件系 统。因为m a t l a b 语言表达形式与常规数学表达形式相同，不需要按传统的方 法编程，以及非富的图形绘制、数据处理及各种以其为基础的工具箱，使其在 控制系统等领域内得到了广泛的认同，同时展现了普通高级语言难以比拟的优 势。随着其应用领域不断扩大，其自身也得到了快速的发展，现在已成为学术 界最为常用的数值仿真软件之一。s i m u l i n k 是m a t l a b 语言的扩展，为用户 进行系统仿真和分析提供了极大的方便。s i m u l i n k 为用户提供了用方框图进 行建模的图形窗口，因此，其与传统用微分方程和差分方程建模相比更加方便 灵活、直观和省时等优点，尤其是对复杂系统的建模和仿真，从而为用户提高 工作效率创造了条件，可以说是仿真发展史上的一个里程碑。由于m a t l a b 和 s i m u l i n k 集成在一起，因此，对于仿真过程中所要观测的参数只需将其输 入到s i n k 中的s c o p e 上或w o r k s h o p ，即可随时进行观测咖1 。 6 2p a s s 的仿真模型 6 2 1 伺服系统各子系统仿真模块 p m s m 在d q 坐标系下的数学模型，已经在第4 章详细的分析过了，这里不 在详细叙述。m a t l a b 中的p m s m 的模块就是建立在上述数学模型之上的，主 要包括坐标变换子系统模块，s v p w m 子系统模块。 6 1 武汉理工大学硕上学位论文 1 坐标变换模块 p m s m 测量模块中直接提供了两相旋转d q 坐标下的定子电流屯、i q ，所以 就没有必要再进行c 乙咏k 变换和p a r k 变换，即将乞、转换为u a l a 、乩忉的 子系统模块如图6 1 所示。 h ：l 二：= ：l ：l i几 ，r ll p r o d u c t l 一 7 ： a d d l 咽 l 广1 ：lx ! - - r li p r o d u c t l l 1 、： ， 卜叫- 。 一q p r o d u c t 2 l 一7 i a d d 2 - 广 ，一 r 。、：l l _ 2 s v p w m 子系统模块 图6 - 1 坐标变换子系统模块图 s v p w m 信号的调制首先是根据u 柏、( ，6 咖的值判断矢量所处扇区，并计 算出x 、y 、z 的值，最后求出触发时间乙。，乙：，乙，。其具体计算方法也 在本文第二章中详细推导，这里不作重复。 矢量模块分成矢量所处扇区判断模块、扇区基本电压矢量的工作时间计算 模块( x 、y 、z 计算模块和互，疋等计算模块) 组成，所实现的功能就是产生 s v p w m 控制信号。 ( 1 ) 空间电压矢量所在的扇区模块 根据各扇区与u 啪、的关系，当u 啪 0 时，令a 。= 1 ； 当 x 3 u , a i o u 胁 o 时，令4 t 1 ； 当3 u 咖+ u 胁 0 时，令么2 = 1 。取 n 一4 + 矾+ 4 么：，可得到各扇区与的对应关系。其模型如图6 - 2 所示。 6 2 武汉理工大学硕士学位论文 图6 - 2 空间矢量扇区计算模块图 ( 2 ) 公式x 、y 、z 计算模块 由x 一每，k 番( 帆- ) ，压爰( 一河够+ ) 得 到两个相邻电压空间矢量在一个p w m 周期中的作用时间的公用公式x 、y 、z 。 其模块如图6 - 3 所示。 ( 3 ) 基本电压矢量作用时间模块 得用计算出的x 、y 、z 的值，得到n 与矢量作用时间正和瓦的对应关系。 其模型如图6 4 所示。 ( 4 ) s v p w m 波触发时间计算模块 由瓦，r 4 0 一三二弓二堡，瓦；l + 互2 ，疋；瓦+ ，得到与s v p w m 波的 触发时间乙。，乙：，乙，之间的对应关系。其模型如图6 - 5 所示。 武汉理工大学硕十学位论文 图6 - 3 公式x 、y 、z 计算模块图 ( 5 ) s v p w m 波的触发模块 计算得到的触发时间乙，乙：，乙，值与三角调制波进行比较，就可以生 成对称s v p w m 波形。将生成的p w m l ，p w m 3 ，p w m 5 取反就可以生成 p w m 2 ，p w m 4 ，p w