（电力电子与电力传动专业论文）永磁同步电机直接转矩控制系统.pdf

a b s t r a c t 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 r nm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , t h ee l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dt h ec o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y , s e r v os y s t e m sa r eu s e d m o r ea n dm o r ei nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o l l e r sa n dh o u s e h o l da p p l i a n c e s d i g i t a l c o n t r o l l e da cs e r v os y s t e m sw i l lb et h et r e n d ，w h i c hu s e sp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r s ( p m s m ) 8 1 8p o w e ru n i t sa n dd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g y , b a s e do nd s p s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h eh i g l lp e r f o r m a n c ea cs e l n o s y s t e m s i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rd o e sr e s e a r c ha n di m p r o v eo nt h ed i r e c tt o r q u e c o n t r o ls y s t e mo ft 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 r s d i r e c tt o r q u ec o n t r o l i san e wt e c h n o l o g yo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n ga f t e rf i e l do r i e n t e dc o n t r o l ( f o c ) i nt h ef i e l do fa cd r i v es y s t e m s t h ed t cc o n t r o li sav e r yg r e a tc o n t r o l m e t h o d ，b e c a u s ed t c h a sv e r yf a s tr e s p o n s eo ft o r q u ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n di t s s t r u g g l ei s a l s ov e r ys i m p l e ，b u to n l yo n es p a c ev o l t a g ev e c t o ri su s e di ne a c h s a m p l i n gp e r i o di np m s md t c s e r v os y s t e m st h a tr e s u l t si nl a r g er i p p l e so ft o r q u e a n ds t a t o rf l u xl i n k a g e ，b e c a u s eo fd t c sw e a k n e s s ，an e wd i r e c tt o r q u ec o n t r o lo f p m s mb a s e do nr e d u c i n gt h et o r q u er i p p l ei sp r o p o s e d i tc a nr e a l i z ec o n t i n u o u s v o l t a g ev e c t o rm o d u l a t i o na n dd e c r e a s e t h e t o r q u er i p p l e a n de n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo f a cd r i v es y s t e m s t h es i m u l a t i n gm o d e l so fd t ca n dd t c - - s v ma l eb u i l t ，a n de x p e r i m e n t so n t h e s ea r ea l s oc a r r i e do u t t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ss h o w ：t h e c o n t r o ls t r a t e g yo f d t ci sv e r yg o o da n dt h ec o n t r o lo f d t c - - s v mi sp e r f e c t ! k e yw o r d s ：p m s m ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，s v p w m ，d s p u 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：诩匕通羔 2 0 0 8 年弓月琴e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 概。鹚 伽口汐年弓月萝e l 1 1研究背景 第1 章绪论 直流调速系统控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调 速系统领域里占统治地位。但是由于直流电动机结构复杂、成本高、故障多、 维护困难且工作量大，经常因火花大而影响生产；机械换向器的换向能力限制了 电动机的容量、电压和速度，接触式的电流传输又限制了直流电动机的使用场 合：电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高，这些固有的缺点 限制了直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。而交流电动机相对而 言，结构简单，坚固耐用，便于维修，价格便宜，特别是7 0 年代以来，随着电 力电子技术、微电子技术和现代电机控制理论的发展，使得交流传动逐步具备 了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能， 取代直流电动机调速传动已是必然的发展趋势。 交流调速系统由异步电动机调速系统和同步电动机调速系统两大部分组 成。由于同步电动机调速系统具有功率因数高、转子参数可测、效率高、定转 子气隙大、控制性能好等方面的优势，而异步电动机则不具备这些特点。因此 同步电动机调速系统越来越受到国内外专家学者的广泛重视。 永磁同步电机用永磁体代替了绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，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，很大地提高了效率和功率 因数。由于其体积小，重量轻，控制系统相对较为简单，能够达到快速、准确 的控制要求，同时由于近年来稀土永磁材料和控制技术的发展，永磁同步电机 更是以其高转矩惯性比、高功率密度、高效率、牢固性和维修性好等优点，在 中小容量的伺服电动机中占据了重要的地位，被广泛地应用于风机、水泵、纺 织、化纤、工业机器人、办公自动化、数控机床以及航空航天等领域。 2 0 世纪8 0 年代永磁材料特别是高磁能积、高矫顽力、价格低廉的钕铁硼 永磁材料的发展，使人们研制出了价格低、体积小、性能高的永磁同步电动机 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 ) 不需要外加励磁电流在逆变器 供电的情况下，阻尼绕组效率和功率因数都比较高而且体积较同容量的异步电 机小，因而由永磁同步机以其高转矩惯量比、高功率密度、高效率、牢固性和 维修性好等优点，在数控机床、工业机器人等场合都获得了广泛的应用。 永磁同步电机自1 8 3 1 年世界上第一台电机问世以来，其应用范围已普及 国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中本世纪2 0 年代，美国g e 公司研 制出第一批微机永磁同步电动机( p m s m ) ，但功率很小。六七十年代，第一代 和第二代稀土钐钴永磁材料s m c 0 5 ，s m c o l 7 相继问世八十年代，第二代稀土钕 铁硼( n d f e b ) 永磁材料也诞生于世，其优异的磁性能使永磁电机的发展星现出 新的、繁荣的生机。从1 9 8 1 年起。各工业发达国家竞相研制高性能永磁电机， 日本住友公司和美国通用公司分别批量制造用于计算机外存储器的音圈电机及 n d f e b 永磁汽车起动电机：德国西门子公司经十多年努力采用多种结构研制成 功用于化纤工业的高速永磁电动机和用于交流调速系统的i u a 3 系列永磁同步 电动机，与传统的异步电机相比，永磁同步电机具有如下优点： 1 ) 明显的省电效果永磁同步电机用永磁体取代电励磁，且无励磁损耗。 无转子绕组，转子中就无铜耗：由于定转子同步。转子铁芯中也无铁耗，因此， 永磁同步电机的效率比电励磁同步电机和异步电机为高，而且不需要从电网中 吸取滞后的励磁电流，从而大大节约了无功，极大的提高了电机的功率因数。 2 ) 永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载变化而引起的电机转 矩的扰动具有较强的承受力。 3 )由于没有笼形转子永磁同步电机具有较低的惯性，即转矩惯性比高。 4 ) 电机转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能 控制电机的转速，控制比异步电机简单。正由于永磁同步电机具有如此优优异 的特性，它的问世引起了国内外专家、学者的关注。 目前永磁同步电机已广泛用于国民经济的各个领域。如建筑行业的混凝土 搅拌机、数控机床、轮船推进机等。家电行业中的海尔、长岭圣方等知名厂家 正准备在冰箱、空调的制冷机内采用永磁同步电机。在数控机床的主轴和伺服 系统也在逐步地采用永磁同步电机。因此开发驱动永磁同步电机的电源具有非 常阔的市场应用前景。 同步电动机的最大特点是：转速n 与供电频率f 之间保持严格的同步关系。 因此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。 目前p m s m 的主要控制策略有两种：即磁场定向矢量控制v c 和直接转矩 2 控制d t c 。 以上两种控制方式各有各自的特点，且在不同的应用场合取得了较好的控 制效果。而矢量控制实际上由于转子磁链难于准确观测，由于系统特性受电动 机参数的影响较人以及在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转坐标变换的 复杂性，使得实际的控制效果难于达到理论分析的结果。直接转矩控制技术， 用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系计算与控制交流电动机的转矩，采用 定子磁场定向，借助于离散的两点式调节( b a n d - b a n d 控制) ，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。它省掉了复杂的矢量变换与 电动机数学模型的简化处理，没有通常的p w m 信号发生器。它的控制思想新硕， 控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，转矩响应迅速，对 转子参数不敏感：该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调， 是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。由于直接转矩控制在很大程度 上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机转子参数变化的影响、实 际性能难于达到理论分析结果等一些重大问题，德国、日本、美国都竞相发展 此项技术，因此，本课题就是在这种背景下提出的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1永磁同步电机调速系统发展概况 电气传动系统是由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成的一个有机 整体。各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电气传动系统。虽然调速传 动从电流型式上分为直流调速和交流调速两大类，但在交流调速中，异步电动 机调速系统和同步电动机调速系统己发展成为占有相当比例的两类调速系统， 目前己形成直流电动机、异步电动机、永磁同步电动机三大类调速系统。 直流调速系统控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调 速系统领域里占统治地位。但是由于直流电动机结构复杂、成本高、故障多、 维护困难且工作量大，经常因火花大而影响生产；机械换向器的换向能力限制 了电动机的容量、电压和速度；接触式的电流传输又限制了直流电动机的使用 场合；电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高，这些固有的 缺点限制了直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。 3 在交流电网上，因异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低， 保养维护简单等优点，所以长期以来，在不要求调速的场合，异步电动机占有主 导地位，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，人们广泛使用交流异步电动机来 拖动机械工作。但是，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低，并且 在这类拖动中，其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因数低，轻 载时尤甚，这大大增加了线路和电网的损耗，无形中损失了大量电能。 自7 0 年代以来，科学技术的发展极大地推动了永磁同步电动机的发展和应 用，主要的原因有： 1 高性能永磁材料的发展 1 9 8 3 年问世的钕铁硼永磁材料，由于其磁特性和物理特性优异，成本低廉 且材料来源有保证( 我国占有世界蕴藏量8 以上的钕资源) ，所以在开发高磁 场永磁材料( 特别是钕铁硼永磁材料) 方面具有得天独厚的有利条件，我国的钕铁 硼永磁材料特性水平已达到世界的先进水平，为永磁同步电机的发展提供了物 质基础。 永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机 中用永磁体取代传统的电励磁磁极的好处是：简化了结构，消除了转子的滑环、 电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积；省去励磁直流电源，消除了励磁损 耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。 2 新型电力电子技术器件和脉宽调制( p w m ) 技术应用 电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之 间的桥梁。自1 9 5 8 年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电 子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件、第 三代复合场控器件直至9 0 年代出现的第四代功率集成电路p m 。半导体开关 器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，它极 大地推动了各类电机的控制。7 0 年代出现了通用变频器的系列产品，为交流电 机的变频调速创造了条件。同时对同步电动机而言解决了起动问题。对最新的 自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统 中必不可少的功率环节。 3 电子技术和控制理论的发展 4 集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，规模集成电路和计算机技 术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制。随着电子技术的发展，各种 集成化的数字信号处理器( d s p ) 发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越 来越多，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到了很大提高，出现了专 门用于电机控制的高性能、低价位的d s p 。这使以单片机为核心的全数字控制 系统取代模拟器件控制系统成为可能。计算机技术的应用除了实现复杂控制规 律，便于故障监视、诊断和保护等功能外，还可以用于计算机辅助分析和数字 仿真。集成电路和计算机技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的 推动作用。它们的飞速发展促进了电机控制理论的发展与创新。7 0 年代人们对 交流电机提出了矢量控制的概念。这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组 的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而将交流电 动机模拟成直流电动机来控制，获得与直流电动机一样良好的动态调速特性 【3 6 3 7 。 目前，交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻；结构简单，运行可靠； 损耗小，效率高等一系列优点，越来越引起人们重视。永磁电机几乎遍及航空， 国防，工农业生产和日常生活的各个领域。如汽车工业，电机现以永磁电机为 主：数控和精密机床也大量应用永磁电机；信息产业中永磁电机的应用面广、 类型多；家用电器中永磁电机取代异步电机的地方也不少，如空调器已开始用 永磁直流无刷电动机带动空调压缩机和通风机，洗衣机用永磁直流无刷电动机 带动洗衣桶旋转等。随着高磁场永磁材料价格和电动机转子制造价格降低，以 及驱动系统的理论研究和实践应用的不断完善与提高，永磁同步电动机及其驱 动系统将会得到进一步的发展及应用。 1 2 2 永磁同步电机调速系统发展趋势 当前，科技的飞跃发展，特别是高科技的兴起，需要电机技术有长足的进 步。随着科学技术的前进，永磁电机己在电机领域中占有重要的地位。今后永 磁电机的发展主要趋势为： ( 1 ) 探索最佳永磁磁场和合理选择永磁材料 永磁电机的关键是永磁励磁，而永磁励磁又与永磁磁场和永磁材料密切相 关。因此，要发展永磁电机，就要探索最佳永磁磁场和合理选择永磁材料与工 5 作点。 ( 2 ) 数字化 目前，永磁电机的应用是与电子技术、数字技术和自动化技术紧密联系的， 这些也是永磁电机的研究方向。从长远来看，电机这个用模拟量转换的机电装 置，要适应数字社会的发展，永磁电机的数字化就必须被提到议事日程上来。 以d s p 为核心的全数字伺服系统，由于其控制灵活，智能化水平高，参数易修 改，便于分布式控制等，己成为当今交流伺服系统发展的趋势。 1 2 3 永磁同步电机直接转矩控制的研究现状 直接转矩控制是德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授于1 9 8 5 年提出的，它具有 不同于矢量控制的全新的优点：快速动态响应，对参数依赖小；控制结构简单。直 接转矩控制和采用解析控制思想的控制方法不同，它是一种瞬时转差控制方案。 因此，该方案一经提出就有很多学者进行了大量的研究，并力图转为实际应用。 这种控制方法不控制定子电流，直接控制定子磁链和转矩，即根据转矩和 磁链滞环控制器的输出信号以及定子磁链矢量的位置信号，从一个离散的最优 开关表中选择合适电压空间矢量来控制逆变器中的电子开关状态，来实现对转 矩的b a n g - b a n g 控制。d t c 避开了电机轴系的坐标变换和解耦控制，方法简单， 无需通过电流控制，直接控制电机转矩。系统的转矩响应快速，然而不可避免 地产生转矩脉动，降低了系统的动态性能。直接转矩控制技术是现代先进的电 机控制技术之一，它的优秀的动态性能以及对电机参数的鲁棒性，引起了国内 外电力电子技术界和产业界的热切关注。由于该控制方法理论的不完备和对计 算机处理速度的要求，直到1 9 9 5 年瑞典a b b 公司第一台采用直接转矩控制方 案的异步电机高档变频器才面世，他们认为直接转矩控制将是下一代交流电机 的最优秀的控制方式，并宣称以后a b b 公司只发展这个系统。由此可见，该控 制方法科学意义和巨大的经济价值。尽管直接转矩控制在异步电机上获得了如 此重大的成功，但是，该项技术始终没有应用到同步电机上，在一般情况下， 这是很难想象的。回忆电机控制策略的发展史，多次出现一种技术在某一类电 机上成功后，很快被移植到另几类电机上，并获得成功的例子。例如七十年代 矢量控制在异步电机上获得突破性成功后，不出2 ，3 年，这一技术就成功地应 用到永磁电机上，并得到广泛应用，其重要性甚至超过了异步电机的矢量控制。 6 直接转矩控制策略1 9 8 6 年在异步电机上发明后，也有人立即开始了将其应用到 同步电机上的探讨，但一直没有公开文献反映这方面的成果，其原因何在? 主要 是由于同步电机和异步电机运行机理有本质的不同。以下对异步电机直接转矩 控制原理作简要的介绍： 图1 1 转差角速度跳变时的转矩相应 图1 1 所示为不同转差时转矩的时间响应曲线。从响应曲线来看在很短的时 间内，转差越大，转矩越大，转矩随转差角频率的增长而增长。说明异步电机 的转矩和转矩增长率都可以通过控制定子磁场对转子的转差角频率来控制。异 步电机直接转矩控制是建立在对电机转差角频率控制的理论基础上的，而同步 电机中从宏观上来讲不存在这种电机的转差角频率。因此，直接转矩控制技术 应用于同步电机中首先需要解决其控制的理论问题。文献 4 2 】提出一种转矩控 制方案，与传统方案矢量控制不一致的是它用转矩控制器来代替电流控制器。 转矩控制器结构框图如图1 2 所示该方案最终不是真正的对转矩进行直接控制。 其表现在永磁电机转矩控制系统始终不能如异步电机的直接转矩控制那样，抛 弃电流环，直接由八个电压空间矢量来控制转矩。只有抛弃电流环，才能体现 出直接转矩控制系统快速性的优点，否则电流环的时间常数将限制电机系统快 速性的提高，从而丧失了直接转矩控制的精华。十多年来，新的有成效的同步 电机直接转矩控制系统一直没有面世，要有开创性的工作才能打开这个僵局。 针对这一要求，南京航空航天大学与澳大利亚新南威尔士大学合作提出了基于 永磁同步电机的直接转矩控制理论，初步实现了永磁同步电机直接转矩控制方 案，并且成功地拓展到了弱磁恒功率范围，为同步电机直接转矩控制开创了新 的一页。综上所述，直接转矩控制是一个很有潜力的新技术，它将在大范围内 7 对国民经济和社会发展起到重要作用，而在同步电机方面的研究在国际上有的 刚刚开始( 永磁同步电机) ，有的还是空白( 电磁式同步电机) ，还需要我们进 行开创性的工作，其意义是十分重大和深远的。 1 3 论文创新与章节安排 本文的主要创新点是在对永磁同步电机直接转矩控制系统的基础理论进行 深入学习和研习的基础上，对该控制系统进行了仿真模型的搭建，数字实验电 路的搭建，在证实了该系统的优良性能之后对该控制系统进行了改进研究，提 出了基于空间电压矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制策略，并对该改进控 制系统进行了仿真模型的搭建以及数字实验电路的搭建，证实了该改进控制策 略的很好的改进转矩脉动的优良性能。 第二章首先简要叙述了永磁同步电机的分类与结构，然后给出了永磁同步 电机的数学模型，并在此基础上，深入分析了永磁同步电机直接转矩控制系统 的控制原理。 第三章在对理论详细认知的基础上，对永磁同步电机直接转矩控制系统进 行了仿真研究，介绍了仿真工具箱m a t l a b s i m u l i n k ，搭建了永磁同步电机 直接转矩控制系统的各个仿真模块，给出了仿真结果，证实了永磁同步电机直 接转矩控制系统的优良控制性能。 第四章讲永磁同步电机直接转矩控制系统的不足，并且研究了一些比较基 础的改进方案，重点研究了永磁同步电机直接转矩空间电压矢量调制的方法对 减小转矩脉动的作用，并且通过仿真研究证实了该改进控制方法能够减小转矩 脉动的优良性能。 第五章介绍了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的永磁同步电机直接转矩控制数 字化系统的硬件组成，给出系统各个部分硬件电路的构成，并进行了永磁同步 电机直接转矩控制各种运行状态的实验测试。实验结果表明，常规d t c 具有 快速的动态响应性能，但是转矩脉动较大；而d t c - 一s v m 既保持了常规d t c 的快速动态响应特性，又有效抑制了转矩的脉动，使得电流波形畸变减小。 8 第2 章永磁同步电机直接转矩控制结构及原理 2 1永磁同步电机的数学模型 2 1 1永磁同步电机的结构及分类 1 永磁同步电机的特点 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高。和直流电 机相比，它没有机械换向器和电刷；与异步电动机相比，它不需要无功励磁电流， 因而功率因数高，定子电流和定子电阻损耗小，且转子参数可测、定转子气隙 大、控制性能好。近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，以及永磁电机 研究开发经验的逐步成熟，永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得 越来越广泛的应用，正向大功率化( 高转速、高转矩) 、高功能化和微型化方面 发展。 永磁同步电动机能满足诸如伺服系统的一些高精度要求 3 】： 1 ) 气隙磁密度高。 2 ) 高的功率质量比。 3 ) 大的转矩惯量比。 4 ) 转矩脉动小，尤其在低速并有高精度位置控制要求时。 5 ) 零转速时有控制转矩。 6 ) 能高速运行。 7 ) 短时间内快的加减速运行。 8 ) 高效率、高功率因数。 9 ) 装置紧凑。 可以看出永久磁铁励磁的同步电动机适合用于千瓦级伺服传动系统中，用 于快速、准确、精密的位置控制场合，这些伺服系统要求电动机有大的过载能 力、小的转动惯量、小的转矩脉动、线性的转矩一电流特性。控制系统有尽可 能高的同频带和放大系数，以使整个伺服系统具备良好的动静态性能。随着矢 9 量控制技术的日渐成熟，永磁同步电机控制系统越来越受到人们的重视，并获 得了更加广泛的应用，p m s m 数字控制系统逐渐成为主流。 2 永磁同步电机的结构 根据磁性材料的不同类型，永磁同步电动机可有各种不同的设计。目前多 采用稀土永磁材料做磁钢，均具有很高的剩余磁通密度( 0 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。另外，转子表面式安装永久磁钢，可以获得足够的磁通 密度和高的矫顽力特性，且转矩重量比也将获得很大的改善。永磁同步电机结 构如图2 1 所示。磁极下的磁钢可以是整块式的，也可以是细条式的。对于齿槽 效应产生的不规则转矩和转矩脉动，可以通过定子开斜槽( 斜一个齿距) 的方 法来消除。 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 构的电动机交轴和直轴磁路磁阻均较大，可大大减少电枢反映。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。 图2 1 三相四极永磁同步电结构示意图 图2 1 给出了三相四极永磁同步电结构示意图。 3 永磁同步电机的分类 永磁电机的永久磁铁励磁目前多使用稀土永磁材料，由于转子磁钢的几何 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 转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也分为两种：一种为正弦波形；一 种为梯形波。这两种不同类型的永磁电机，其一相气隙磁场感应的反电动势和 供电电流之间的关系如图2 2 所示。 1 0 尔 烈 一 v 腻 一 剖一 ( a ) 永磁同步电机( b ) 无刷直流电机 图2 2 理想情况下永磁电机反电动势及激励电流波形图 这样就有了两种在原理，模型和控制方法上有所不同的永磁同步电机，为 了区分由它们组成的永磁同步电机控制系统，在习惯上，通常把正弦波形的称 为永磁同步电机( 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 ，简称为p m s m ) ，把梯 形波形的成为无刷直流电机( b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ，简称为b l d c ) 。 由于永磁同步电机和无刷直流电机在结构上的不同，它们在电机模型、控 制方法、控制系统组成以及应用范围上都有着较大的差别。本文主要介绍前者， 即p m s m 。 此外，还有多种永磁同步电动机分类方法：按工作主磁场原理方向的不同， 可分为径向磁场式和轴向磁场式，按电枢绕组位置不同，可分为内转子式和外 转子式；按转子上有无启动绕组，可分为无启动绕组的电动机和有启动绕组的 电动机( 又称为异步启动永磁同步电动机) ；根据极对数的不同，永磁同步电机 可分为单极和多极；按照隐极和凸极的分类，永磁同步电机可以分为，具有转 子表面贴附永久磁铁的表面贴装式永磁同步电机( s u r f a c ep e r m a n e n tm a g n e t ，简 称s p m ) 与转子铁心内部埋入永久磁铁的内埋式永磁同步电机( i n t e r i o r p e r m a n e n tm a g n e t ，简称i p m ) 两种型式。 隐极式 凸极式 图2 3 隐极式和凸极式示意图 凸极式转子具有明显的磁极定子与转子之间的气息是不均匀的因此其磁 路与转子的位置有关。隐极式转子呈圆柱形，定子与转子之间的气息分布均匀， 磁路基本上与转子的位置无关。凸极式永磁同步电机结构上较简单，力矩大， 但机械强度较低，一般用于低速场合。隐极式永磁同步电机制造土工艺较为复 杂，但机械强度高，一般用于高速场合。 2 1 2p m s m 的数学模型 p m s m 的数学模型包括电动机的运动方程，物理方程和转矩方程，这些方 程是永磁同步电机数学模型的基础。控制对象的数学模型应能够准确地反应被 控系统地静态和动态特性，数学模型地准确程度是影响控制系统性能好坏地关 键。 本章节将对静止三相坐标系中的p m s m 数学模型进行原理性介绍、推导和 分析，并在后面章节中推导两相旋转坐标系中的p m s m 数学模型。为简化分析， 在推导中，作如下的假设： 1 ) 定子绕组为y 型连接 2 ) 反电动势为正弦，忽略饱和和谐波的影响 3 ) 不计涡流和磁滞损耗 4 ) 转子上无阻尼绕组，永磁体也无阻尼作用 5 ) 励磁电流无动态响应过程 1 p m s m 的物理方程 永磁同步电机定子三相电压为： 其中：t o e ：转子电气角频率； 屹= v c o s ( ( - - o e 羊砂 ：v c o s ( o , * t - _ 2 r r ) ( 2 1 ) 匕：v c o s ( o j , * t - 4 _ r r ) v ：电压幅值。 其一相的电压方程可写为： y = z f = 尉+ 鱼兰= r i + d ( l d td t f + y 。( 眈) ) ( 2 2 ) 1 2 其中：r ：定子绕组的电阻； l ：定子绕组的电感； 1 l r ：定子磁链； 1 l r ：转子磁钢在定子上的复合磁链； 0 ：转子角位移。 可以看出，式中最后一项( f ，。( 见) ) 为转子磁钢在定子中产生的感应反电 势，并且它可以写成璺竺垂业木吐，由于我们假定反电动势波形为正弦波形， a 因此三相反电势为： 云憾； 2 p m s m 的转矩方程 s i n ( 8 , ) 一c o e * i f = 陋见一争 s i n ( o 一争 = 吃幸宰k ( 包) 】 ( 2 3 ) 永磁同步电机通用的转矩方程为： z = p 木k p y 朋木k ( 见) 】 r9 趴 = p 宰。卑( j 。幸k 。( 见) ) + j 6 幸k 6 ( 见) + j 。k 。( 色) ) 其中：p ：极对数；t e ：电磁转矩。 可以证明各相定子电流为正弦值时能够得到最大的转矩，所以： 所以p m s m 转矩方程为： i 。= i3s i n ( c o , t 、) l = i , s i n ( 国。宰卜了2 7 c ) l = s i i l ( 吐饥争 1 3 ( 2 5 ) 3 p m s m 的运动方程 p m s m 的运动方程为： j d o ，r a + k d o ) r n + 乃= t ( 2 7 ) 口l 其中：j ：转动惯量。 l ( d ：粘滞系数； t ，：负载转矩； ：机械角速度。 从式( 2 7 ) 可以看出，除电磁转矩外，再无其它控制量可影响转速。如果 能快速准确地控制转矩，使得传动系统在负载扰动时获得较小的动态速降和较 短的恢复时间，那么，调速系统就具有较高的动态性能。因此，调速系统性能 的好坏关键是电磁转矩控制得如何。 2 2 永磁同步电机直接转矩控制系统结构 2 2 1直接转矩控制特点及基本原理分析 直接转矩控制于1 9 8 5 年由德国鲁尔大学m d ep e n b r o e k 教授和日本学者 i t a k a h a s h i 分别提出的。直接转矩控制摒弃了传统矢量控制中的解耦思想，采用 定子磁场定向，通过实时检测电机转矩和磁链的幅值，并分别与转矩和磁链的 给定值比较，由转矩和磁链调节器直接输出所需的空间电压矢量，从一个离线 计算的开关表中选择合适的定子电压空间矢量，进而控制逆变器的功率开关的 状态。直接转矩控制不需要传统矢量控制里复杂的旋转坐标变换和转子磁链定 向，转矩取代电流成为受控对象，电压矢量则是控制系统唯一的输入，直接控 制转矩和磁链的增加或减小，但是转矩和磁链并不解藕，对电机模型进行简化 处理，没有p w m 信号发生器，控制结构简单，受电机参数变化影响小，能够获 得极佳的动态性能。 1 4 6o 厶 ” 生3 一 吐 n吼+ 垒3 一 吐 鸟s+ 力 敛 n g l + 研 m y 杪 宰 p p 3 2 一一 = t 直接转矩控制具有的这些优点使直接转矩控制系统简洁明了，容易实现数 字化控制，而这些优点是传统矢量控制所缺少的。本质上说，直接转矩控制就 是基于电机转矩和磁链的参考值与观测值之间的误差，通过直接控制逆变器的 开关状态，以使转矩和磁链误差限制在预定的容差范围内。直接转矩控制是 一种实时反馈控制，控制效果存在一定的延迟，这就造成了直接转矩控制系统 的一些性能不尽如人意，主要表现在转矩的脉动和电流的畸变。其中，转矩脉 动是控制系统低速性能变差的重要原因。在数字化控制系统中，通常使用电压 型逆变器，而电压型逆变器有限的电压矢量输出在一个采样周期内固定不变时， 必然会导致电机转矩的脉动。而电流畸变通常与磁链轨迹有关。直接转矩控制 中，电压矢量对磁链幅值的控制在不同的区域并不一样，这就可能导致连续选 择某一个相同的电压矢量，磁链轨迹就会呈现直线运动现象，进而产生转矩波 动和电流畸变，影响系统低速运行的性能。 1 直接转矩控制的特点 1 ) 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析电机的数学模型、控制电机的磁 链与转矩，不需要将交流电机与直流电机作比较、等效和转化，不需要模仿直 流电机的控制，不需要解耦，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算，因此 信号处理过程特别简单； 2 ) 直接转矩控制磁通估算所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以观 测出来，大大减小了控制性能易受电机参数变化影响的问题； 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电机的数学模型和 控制其各物理量，直接控制电机转矩，因此它并非极力获得理想的正弦波形， 也不专门强调磁链完全理想圆形轨迹，而是强调转矩的直接控制效果，因而它 采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念； 钔直接转矩控制技术对转矩实行直接控制，通过转矩两点式调节器把转矩 检测值与给定值进行滞环比较，由滞环调节器来控制转矩波动，控制效果取决 于转矩的实际状况，对转矩的这种控制方式也称之为“直接自控制”。 纵上所述，直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系 下计算与控制交流电机的转矩，借助于双位模拟调节器产生p v 月以信号，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这种控制方法 转矩响应迅速，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。 1 5 2 直接转矩控制原理分析 ( 1 ) 定子电压矢量对转矩与磁链的影响 由电机统一理论，从转矩的基本公式 t = ( 痧，乃 ( 2 8 ) 司以推得： 上式中，s 为定子磁链与转子永磁体产生的磁链之间的夹角。对于表面式永 磁同步电机，l d = l q = l s ，转矩可以表示为： 2 呻 疋2 寺p l 妙，i 吵聊s i i l 艿 ( 2 9 ) 一上l 一， 一转子永磁体产生的磁链妙肼为一恒定值，由上式可知通过改变定子磁链 妙，的幅值和定子磁链与转子磁链的夹角万可以控制电机转矩。永磁同步电 机定子磁链在定子坐标系中可以表示为： 呻 寸 斗 吵，= j ( 铭，一r ，i ，) d r ( 2 1 0 ) 如果忽略定子电阻尺，的影响，定子磁链则是电压空间矢量的积分： 斗 ，斗 妙，= j “，d t ( 2 - 1 1 ) 由此可知，通过选择不同的定子电压空间矢量，就可以很方便的控制定子磁 链的幅值和旋转方向。 ( 2 ) 控制原理框图 图2 4 控制原理框图 1 6 的。 在直接转矩控制中，电机的定子磁链是通过控制电机的端电压来加以控制 k 2 孤2 图2 5 给三相电机供电的电压型逆变器 电机的端电压靠逆变器开关管的导通或关断来切换的，该状态可理想化为 三个无接点开关( ss bs c ) 。当一桥臂上管导通时，电机接入正电源，则s i 为 l ：反之，下管导通时s 为0 ( 下标i 表示a ，b ，c ) 。根据三个开关的不同接通模 式，逆变器输出电压空间矢量有8 组，其中6 组u l ( 1 0 0 ) 、u 2 ( 1 1 0 ) 、u 3 ( 0 1 0 ) 、 u 4 ( 0 1 1 ) 、u 5 ( 0 0 1 ) 和u 6 ( 1 0 1 ) 为运动矢量，2 组u 0 ( 0 0 0 ) 、u 7 ( 1 1 1 ) 为 零矢量。零矢量表示电机三相同时接到正电源或同时接到负电源，电机的端电 压实际为零。逆变器电压矢量如图2 4 所示。六个矢量依次相隔6 0 电角度。 电机的电压空间矢量可表示为： u ( s 。，s 。，s c ) = 詈u 出【s 。+ s , - 了2 z + s c e 7 等】 ( 2 1 2 ) 由于定子磁链与端电压之间有下列关系：沙，= j ( u 1 一r ，i ) d t 在空间电压矢量作用的一段时间里，磁链的综合矢量可描述如下： j ， - 4 露 y ，2 、詈仉 s + s 口e j 等+ s c 。e j3 一 & 一r ，逾+ 妙肌 ( 2 1 3 ) 当输入电压为非零矢量时且忽略定子电阻压降的影响，定子磁链将沿输入 空间电压矢量的方向，以正比与输入电压的速度移动。因此，适当地电机的空 间电压矢量，可以使磁链的运动轨迹近似为圆。 为了保持磁链幅值恒定，可根据磁链偏差大小和磁链的具体方向，适当选 取空间电压矢量达到控制磁链的目的。逆变器的六个空间电压矢量相差6 0 度， 通常将空间分成六个扇区，本文用谚表示，i 为1 “。不同扇区采用不同的电压 矢量来增大磁链或减小磁链。例如在第一扇区，磁链逆向旋转时，电压矢量u 3 来减小磁链幅值，电压矢量u 2 来增大磁链幅值。在实际控制中，可根据磁链所 在的区域和磁链的旋转方向列出保持磁链基本恒定的开关表，再根据实际运行 1 7 条件随时选用。 转矩角的变化量由两项组成，即电压矢量使定子磁链空间位置变化量和转 子旋转造成转子磁链位置变化量。由于转子机械时间常数大，在一个控制周期 t 时间内，可认为转子位置没有改变，因此，可以认为，电压矢量可以线性地 改变电机的转矩角，从而改变电机的转矩。电压矢量分运动矢量和零矢量两种。 只有运动矢量才有改变转矩角，从而改变电机转矩的作用。当加零矢量时，u = 0 ，因此，零矢量在同步电机直接转矩控制中没有转矩减小的作用。文献( 1 】 提出永磁同步电机直接转矩控制理论之时，提出了仅采用运动矢量的开关表如 表2 1 所示。表2 1 中转矩状态量t 为l 表示控制系统需要增大转矩，t 为一1 时表示控制系统需要减小转矩，同理，磁链的状态量尹为1 表示控制系统需要增 大磁链，矿为0 时表示控制系统需要减小磁链。表示定子磁链所在空间的扇区。 表2 1 电压矢量选择开关表 l o i0 2e 30 如0 l u 2 ( 1 l o )u ( o i o )u ( o l i )u s ( o o j ) u d l o z ) v z o o o ) l 1 u d l 0 1 )u i ( 1 0 0 )u 2 ( i i o )u 3 ( o l o )u ( 0 1 1 )u s ( 0 0 1 ) l u 3 ( 0 1 0 )u ( 0 1 1 )u s ( 0 0 1 )u d l o j ) u t o o o ) u 2 ( 1 1 0 ) o 1 u z ( 1 0 0 )u “1 1 0 )u 3 ( 0 1 0 )u ( o l i )u 5 ( 1 )9 6 0 0 ) 电压矢量的选取原则是该矢量能使定子磁链在一控制周期内改变尽可能大 的角度，即转矩变化最大。 2 2 2 永磁同步电机直接转矩控制的实现 由电机的转矩表达式可知，电机的转矩可分为两部分，前一部分为电机的 电磁转矩，它由电枢交轴电枢反应产生，后一部分为电机凸极结构产生的磁阻 转矩。 当定子磁链保持为一恒定值时，电机的转矩因为转矩角的变化而变化众所 周知，电机机械时间常数远大于电机的电磁常数，亦即电机定子磁链的旋转速 度较转子旋转速度容易改变，因而转矩角的改变可通过改变定子磁链的旋转速 度和方向得以实现。因此，永磁同步电机直接转矩控制理论基础为：保持定子磁 链幅值不变的情况下，控制定、转子磁链之间夹角即可以控制电机转矩。要获 得快速的转矩响应应快速改变转矩角。在直接转矩控制中，既要限制定子磁链 1 8 幅值，以保证转矩变化与转矩角变化一致关系，又要限制电机最大转矩的输出， 使转矩角限制在最大转矩角范围之内，以保证一定的过载能力下电机的稳定运 行。 下面是永磁同步电机直接转矩控制的坐标图： 图2 6 永磁同步电机直接转矩控制坐标图 永磁同步电机中磁链、电流和电压的矢量关系如图所示，d q 坐标系是转子 上的旋转坐标系，其中转子磁链的轴向为d 轴