（电力电子与电力传动专业论文）三相永磁同步电动机控制系统研究.pdf

a b s t r a c t 一- 一 a b s t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c h sas e l v oc o n t r o ls y s t e mo ft h r e e p h a s ep e r m a n e n tm a g n e t s v n c h r o n o u sm o t o r ，w hi c hb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p e s p e c i a l l y ，av e c t o r c o n t r o ls v s t e mw i t ht h es t r u c t u r eo ft h r e el o o p si sd e s c r i b e di nd e t a i l s ，w h i c hc o n s i s t s o fv e c t o rc o n t r o lp r i n c i p a l t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ee n g i n e e r i n gd e v e l o p m e t h o d s f o rc l a s s i ca u t oc o n t l o ls y s t e m 7 t h e n ，t h i sp a p e ri m p l e m e n t ss i m u l a t i o no nt h em o d e l o fm o t o rc o n t r o ls y s t e m ，t op l o r et h i sc o n t r o ls y s t e mi sf e a s i b l e t h i sp a p e rc o n t r a s t s t w od i f r e r e n tp w mm e t h o d s ，a n a l y z e st h er e a s o na n de f f e c to fd e a db a n d ，a n dt h e n g i v e sam e t h o dt oc o m p e n s a t et h ed e a db a n d 。t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g n o f h a r d 、 ，a r eo fs e r v oc o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z e st h ed e s i g no fp o w e rc i r c u i ta n dd r i v e r i n t e r f a c ei nd e t a i l s ，i m p l e m e n t sa l li n d e p t hr e s e a r c hi np o s i t i o ns e n s o ra n ds w i t c h i n g p o w e rs u p p l y t h i sp a p e r p r e s e n t s s o m e c o n c e p t i o n s o fe l e c t r om a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y , a n dg i v e sas o lu t i o nt or e s o l v et h ep r o b l e m so fe m ci n ap e c u l i a r s y s t e m t h i sp a p e rp r o g l a m m e ds o f t w a r et ov a l i d a t et h ec o n c l u s i o ni nc o n t r o lt h e o r y r e s e a r c h ：f i n a l l vw eg e tt h ec o n f i r m a t i o no ft h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h i s s e r v oc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：a cs e r v o m o t o r ；v e c t o rc o n t r o l ；p w m ；d s p ；e m c 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、使川学位论义的规定 i 刊意如下各项内容：按照学校要求提交学位论义的印刷木和电子版 本：学校有权保存学位沦文的e i j 刷本和i1 1 子版，：j i ：采川影印、缩l = | j 、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供日录检索以及提供 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f 【i 子版；在f 、= 以赢利为e l 的的前 提下，学校可以适：与复制论文的部分或全部内容刚于学术活动。 学位沦文作者签名： 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在，年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月 日 学位沦文作者签名：矗奄约 加孓年；月夕日 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。 签名：铂菊 硝年岁月7 曰 目录 第1 章绪论 1 1 引言【1 】【9 】 位置伺服系统是数控机床、工业机器人等高性能机电产品的重要组成部分， 也是构成工厂自动化不可缺少的基本单元，在低速速率控制和对瞬时转速有要求 时，也必须采用位置伺服。过去直流电机酊于便于通过调节励磁和电枢电流实现 对转矩的控制，而在伺服领域得到广泛应用，但其由于电刷和换向器的原因，直 流电机具有制造复杂、需要定期维修、速度受到限制、难以在防腐防爆场合应用 等缺点；而交流电机结构简单、坚固耐用、价格便宜，因此交流伺服系统近年来 得到迅猛发展。 矢量控制理论是在机电能量转换、电机统一理论和空间相量理论基础上发展 起来的，它的出现对于交流电机控制技术来讲具有划时代的意义，随着电力电子、 微电子、计算机技术和永磁材料学科的发展，矢量技术得到迅速的应用和推广， 在一些先进国家，已逐步替代了直流系统，正朝着数字化方向发展。矢量控制技 术首先应用于三柏感应电机，很快扩展到三相永磁同步电动机，目前这两类电机 尤其是三相永磁同步电动机组成的高性能交流伺服系统已占国际市场的主导地 位。 1 2 常用电动机的比较和伺服驱动电动机的选型【1 】f 3 】【6 】【8 】 对中小功率伺服驱动电动机的选择，首先决定采用直流电动机还是无刷电动 机，然后选择交流电动机还是开关磁阻电动机，其次是选感应电动机还是永磁电 动机，最后是确定三相永磁同步电动机( p m s m ) 还是无刷直流电动机( b l d c ) 。 有刷直流电动机结构复杂，成本高，故障多，维护困难且工作量大机械换向 器的换向能力限制了电动机容量、电压和速度，又限制了直流电动机的使用场合。 电动机的电枢在转子上，导致效率低，散热差，冷却费用高。为了改善换相能力， 需要减小电枢漏感，转子就会变得短粗，影响系统动态性能。 与有刷伺服电动机相比，无刷伺服电动机有转矩高、速度范围宽、坚固耐用、 维修量小等特点，而有刷直流伺服电动机采用机械换向，限制了电动机最大速度 和电流的过载能力现在，矢量控制技术的广泛应用，解决了交流电动机的动态 控制问题，使交流伺服驱动系统的性能接近和超过了直流系统，在转矩惯量和 峰值转矩方面，交流优于直流，而功率密度方面，交流也占优势。在很多应用场 第1 章绪论 合中，特别存某螳高精度系统巾，交流电动机逐步取代了直流电动机。 开关磁m 1 1 三机本身媳订较大的转矩脉动，若要求有相当平滑的转矩输出的场 合，就应优先选择感应i 乜动机或交流永磁电动机。 无刷直流f 乜动机和三水l 永磁同步电动机两者有许多相似之处，但又有严格的 区别两者在转子上都装有水磁体，定子都馈入交流电流，但无刷直流电动机的 感应电动势为梯彤波，而三棚永磁同步电动机的感应电动势为正弦波。要产生恒 定电磁转矩，无删直流电动机的定子电流为相位上与感应电动势严格同步矩形 波，而三相水磁步i u 动机j r i 【i 流应为正弦波。 无刷直流l u 动机和州i 水磁f i 可步咆动机转子结构上基本相同，多为面装式。 但三相永磁同步电动机还可以采用内装式，而无刷直流电动机很少采用这种结 构。三相永磁同步电动机的励磁磁场应尽量正弦分布，而无刷直流电动机的励磁 磁场应为矩形分嘶j ，5 i f 顶宽度4 i 能低于1 2 0 度电角度。无刷直流电动机多为整距 和集中绕组，三们永磁旧步i u 动机多采用短距和分散绕组。 与无刷直流f 乜动机和三榭永磁同步电动机相比而言，感应电动机成本低廉、 只需要相对位置传感器、容易实现弱磁速度范围宽、没有退磁危险，但功率密度 和转矩惯量低、功率i 羽数低1 ；l i 4 卡b 大、转子电阻值随温度变化较大，尤其是感应 伺服电动机由于转子感心电j & ，在电机的轴上会出现轴向电流，损坏电机轴和连 接部件，这也是限制感心 乜z 力机在伺服中应用的主要原因。由于上述原因，近年 来随着磁性材料和永磁f 乜机制造披术的发展，伺服电动机的选用越来越倾向于永 磁电动机。 下面对无刷商流f 乜动机和三棚永磁同步电动机进行进一步的比较和评价。 1 ) 功率密度 电动机散热能力限制il l 动机的功率密度，散热能力取决于电动机的散热方式 和表面积大小。对于给定的i 【l 动机外形尺寸，降低损耗就可以提高功率密度。 在永磁电动机，转子损$ e 很小，损耗集中在定子上。不考虑铁损的情况下， 由于馈入电流方波和一弦波l ，i 勺差异，在造成相同铜损的情况下，三相永磁同步电 动机的定子电流有效值足无l f ；| j 直流电动机定子电流峰值的1 1 5 倍，无刷直流电 动机的输出功率足三相水磁h 步电动机的1 1 5 倍。 2 ) 速度范围 三相永磁列步电动机住弱磁运行时最大速度受到逆变器电压和电流极限的 制约，也与电动机的参数有关。当感应电动势的峰值等于逆变器的直流电压，定 子电流的相位超f j 订反l 乜势9 0 度i 乜角度时，可以获得最好的弱磁运行效果。典型 的三相永磁同步l 邑动机，在恒功率输出的最大速度可以达到额定速度的1 5 倍。 无刷直流电动机采以定子电流提前换相来扩大速度范围，但这样会引起较严 2 第1 章绪论 重的转矩脉动，使平均转矩下降。只有当感应电动势小于逆变器直流电压时，才 有可能将电流强迫馈人电动机，所以当感应电动势的峰值等于逆变器的直流电压 时，相电流波形只能为6 0 度电角度跨度的矩形。无刷直流电动机的去磁作用显 然不如三相永磁同步电动机。就是说，三相永磁同步电动机的速度范围较窄。 3 ) 转矩电流 我们希望伺服驱动系统每单位电流产生的转矩尽量大，这样对于一定的转矩 输出，定子电流最小，电机的铜耗和逆变器的损耗就小，就降低了逆变器和整流 器的额定容量，降低了系统的成本。 面装式三相永磁同步电动机在低速下以磁场定向方式控制可以得到最大的 转矩电流值。内装式三相永磁同步电动机除了励磁转矩的存在，还有凸极效应 引起的磁阻转矩，为了获得最大的转矩电流值，要适当的控制转矩角使之大于 9 0 度。 如果三相永磁同步电动机j 下弦波电流的峰值等于无刷直流电动机矩形波电 流的峰值，而且两者感应电动势大小相等，无刷直流电动机输出转矩是三相永磁 同步电动机的1 3 3 倍。 4 ) 齿槽转矩与纹波转矩 三相永磁同步电动机和无刷直流电动机的齿槽转矩都是因为定子齿槽的存 在产生的脉动转矩，同属于磁阻转矩，是永磁体与定子铁心作用的结果，与转子 位置有关，是电动机空f h j 的函数。两者削弱齿槽转矩的措施基木相同。如，定子 斜槽或转子斜极，或选择适当的极弧系数，让从转子看上去的磁阻即在转子旋转 时也始终保持恒定。 纹波转矩是定予电流与永磁磁场作用的结果。当定子电流偏离理想波形时会 产生纹波转矩。 我们能够使三棚永磁同步电动机的电流为正弦波，但不能使无刷直流电动机 的电流为矩形波，因为电感使电流不能突变，实际电流波形就变成为梯形。这样， 无刷直流电动机的转矩就包含了较大的换相纹波， 在高速区，这种转矩纹波能被转子惯量滤掉。但低速区，会影响伺服系统的 性能。 无刷直流电动机的电流波形除了偏离理想的矩形波外，围绕参考值还会发生 高频振荡，振荡的幅度取决于电流控制的带宽或电流控制器的开关频率。电流高 频振荡使输出转矩也产生了高频振荡，但它们很容易被转子惯量滤掉。 同样，三相永磁同步电动机转矩中也会出现这种高频振荡。 无刷直流电动机的转矩脉动要比三相永磁同步电动机的大，只能用于性能要 求不高的速度伺服和位置伺服。对高性能速度伺服和，应考虑三相永磁同步电动 第1 章绪论 机，这是三相水磁同步电动机最显著的优点。 由上述分析，转矩脉动的影响是高性能速度伺服和位置伺服主要优先考虑的 因素，而三栩永磁同步i l ：! l 动机较无刷直流电动机在这方面具有最大的优势，因而 也在伺服领域得剑了最广泛l ，j 应用。 通过上述的众多比较和考虑，在位簧伺服控制系统中采用的伺服电机多选定 为三相永磁同步巾。列j 机。 1 3 交流电动机调速方式和控制理论的发展1 1 1 1 2 1 1 4 1 1 7 1 1 3 1 交流电动机调速方式 a ) 变极对数凋速，改变定予绕组的接线方式来改变电动机定子极对数，达 到调速目的，调速范相当仃限。 b ) 变频调速，改变电动机定子电源的频率，从而改变同步转速。调速范围 大，特性硬，精度高。适川j - 要求精度高、调速性能较好的场合。 c ) 串级溯述，指绕线式i 也动机转子回路中串入可调附加电势来调速的目 的。串级调速j f 常运行时无制动转矩，只适用于单象限运行的负载。 d )换向器电动机涮迷，低速用电源电压，高速用电动机反电势换流。具有 交流同步电动机结构简单和i 置流电动机调速性能优的特性，但过载能力较低。适 用于高速大容量同步电动机。 e )定子调压调速，通过改变电动机的定子电压得到组不同的机械特性曲 线，实现调速。电动机的转矩与电压平方成正比，最大转矩下降很多，调速范围 较小，效率较低，特r ! ：较软。 交流电动机理想的凋速方法是变频调速。随着电力电子技术的发展，变频调 速的性能完全可以达到和超过商流电动机调速系统。 1 3 2 交流变频技术 交流变频技术按控制方式可分： a ) 滑差控制 滑差控制，电路结构简，社、成本较低，但性能不高、控制曲线随负载的变化 而变化，转矩n 向应慢、f 乜动机转矩利用率不高。滑差控制的优点是可以进行电机 的开环速度控制。主要问题是低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能 下降，稳定性能变差等。原因是低速时异步电动机定子电阻压降所占比重增大， 不能忽略，已不能认为定子i 乜压和电动机感应电势近似相等，此时按v f 恒定控 制已不能保持电动机磁通恒定。电动机磁通的减小，造成电动机的电磁转矩减小， 4 第l 章绪论 影响性能。另外，其机械特性没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能 都不尽人意。v f 恒定控制能够满足一般传动平滑调速的要求，常用在通用变频 器上，以及对调速范围要求不高的场合。 b ) 矢量控制 这种原理的出发点是，异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的变参数系 统，很难直接通过外j j l l 信号准确控制电磁转矩，但如以转子磁通这一旋转的空间 矢量为参考坐标，利用从静止坐标系至旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电 流中的励磁电流分量和转矩电流分量变成标量分离开来分别控制。这样，通过坐 标变换建立的电机模型就可等效为一台直流电机，从而可以像直流电机一样进行 快速的转矩和磁通控制。 矢量控制实质是将交流电动机等效为直流电动机，将三相坐标系下的定子电 流通过3 2 变换，等效成静止坐标系下的交流电流，再通过旋转变换，等效成 同步旋转坐标系下的直流电流，等效为直流电动机的励磁电流和电枢电流，然后 模仿直流机的控制方法，分别对速度、磁场分量进行独立控制。矢量控制可以从 零转速起进行速度控制，调速范围宽广；可以对转矩实行精确控制；系统的动态 响应速度快：电动机的加速特性好。 c ) 直接转矩控制 直接转矩控制掘弃了解耦的思想，取消旋转坐标变换，只要简单地通过检测 电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论来计算电机的磁链和转矩，根据与 给定值比较所得差值，实现磁链和转矩直接控制。 与矢量控制相比，直接转矩控制有以下主要特点： i 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，控制电机 磁链和转矩。不需要与直流电机作比较、等效和转化；不需要模仿直流电机控制， 也不需要为解耦简化交流电机的数学模型。省掉了旋转变换等复杂的变换计算。 因此，所需要的信号处理特别简单，所用控制信号使观察者对于交流电机的物理 过程能做出直接和明确的判断。 i i 直接转矩控制磁通估算使用定子磁链，只要知道定子电阻就可以把定子 磁链观测出来。磁场定向矢量控制使用转子磁链，观测转子磁链需要电机转子电 阻和电感，而转予电阻受温度变化影响很大。直接转矩控制减少了矢量控制技术 控制性能受参数变化影响的问题。 iii 直接转矩控制采用空间矢量来分析三相交流电机的数学模型、控制各物理 量，使问题简单明了。它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而直接 控制转矩。因此它并非极力获得理想的正弦波，也不强调磁链完全理想正弦轨迹。 而从控制转矩出发，强调转矩的直接控制效果，它采用离散的电压状态和六边形 第1 章绪论 磁链轨迹或近似网形磁链轨迹的概念。 i y 。直接转矩控；l i j h 支术刈。转矩直接控制。通过转矩滞环调节器把转矩检测值 与转矩给定值进行比较，把转短波动限制在容差范围内，因此它的控制效果不取 决于电动机的数学模型的简化情况是否理想，而取决于转矩的实际状况。这种直 接控制方式也称之为“商接n 控制”。“直接自控制”的思想不仅用于转矩控制， 也用于磁链自控制，但以转矩为中心来综合控制。 综上所述，直接转矩控制是川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，其实质1 ：是l f j j 接的控制电流和磁链，而把转矩直接作为控制 对象。直接转矩控制直接在定予坐标系分析交流电动机的数学模型，控制电动机 的磁链和转矩：不需要将交流i u 机等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中 的复杂计算，不需要模拟赢流f 乜动机的控制，不需要为解耦而简化交流电动机的 数学模型。它使膈双位模拟i j 4 - - t 了器产生p w m 信号，对逆变器的开关状态进行最佳 控制，来获得转矩的高动态性能。它省掉复杂的矢量变换，其思想新颖，结构简 单，手段直接，物理概念明确。系统的转矩响应迅速，是一种有高静、动态性能 的交流调速方法，具有快速的转矩响应、很高的速度精度、高转矩精度。直接转 矩控制最大的缺陷是转矩脉动较大，只适用于调速范围要求不高的场合。 综上所述，v f 恒定雨i 班弦脉宽调制( s p w m ) 控制和电压空间矢量控制没有引 入转矩调节，尤其系统低速性能没得到根本改善，不适合用作伺服系统。直接转 矩控制思想新颖，结构简印，手段直接，物理概念明确，系统的转矩响应迅速。 但其最大的缺陷足转矩脉动较大，只适用于调速范围要求不高的场合。矢量控制 可以从零转速起进行速度控；l i 4 ，调速范围宽广；可以对转矩实行精确控制；系统 的动态响应速度快：电动机的加速特性好。主要缺点是控制性能受电机参数变化 的影响。但由二j f 二三相永磁同步电动机性能受电机参数变化影响并不象异步电机那 么明显，因此，在使用三棚永磁同步电动机的高精度伺服控制系统中，矢量控制 技术仍旧是其主流技术。 1 。4 本文内容提要 本文研究内容是以中幽电子科技集团第二十一研究所承接的军用型谱系列 伺服电机项目展丌的，文中所述的内容在该系列的伺服电机控制器实践中得到了 有效的应用，其控制性能达剑了项目标准的要求，并且电机本体和控制器的驱动 性能通过该项小号家组的t ，期考核。从工程应用实际的角度出发，本文将对三相 、永磁伺服电机较为实片j 的控制方法和相关的p w m 理论进行较为全面的研究，对 、7 7 、一，一、 基于d s p 的具体控制系统n 勺软件和硬件设计进行详尽的阐述，并对系统电磁蒹 一、 一，、一一 7 容性和试验方法进行详细的论述，其t l ，对硬件系统的研究还覆盖了主电路、开关 p 、_ _ _ _ 。一一、。，一一、一 、一_ ，、p ，一一 6 第1 章绪论 电源和旋转变压器轴角数字转换电路( r d c ) ，以期使本文更加系统完整。本文 共分七军甭弓骄；玎矿r 一一一 第一章对常用的电机类型从各个方面进行了详细的对比，给出了交流伺服 系统电机选型依据，概述了交流电动机调速方式和控制理论的发展和现状。 第二章基于三相永磁同步电动机的数学模型，对较为实用的矢量控制系统 进行了详细的闸述，并且对控制系统进行了目标明确、切合工程实际、具有确实 指导意义的仿真研究，期间贯穿了控制系统工程设计的思想。 第三章对p w m 和空i 白j 电压矢量理论进行了详细的阐述，对死区的产生原 因、死区的影响和补偿和抑制死区的方法进行了系统的分析。 第四章系统闸述了硬件系统，内容覆盖了主电路、驱动电路、基于t i t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的控制电路、旋转变压器轴角数字转换电路( r d c ) 、开关电源。 第五章系统分析了数字信号处理器芯片( d s p ) 的结构和功能特点，解释了它 适合在电机控制系统巾广泛应用的根本原囚，并对伺服电机驱动器矢量控制系统 的软件设计结构和软件流程一一进行了简要的阐述。 第六章简述了电机控制系统电磁兼容性国家标准及试验内容，在伺服系统 电磁干扰模型的基础上，系统分析了系统电磁兼容性机理和抑制手段，并对功率 电路设计和控制电路印刷电路板设计两个主要方面，详细阐述了电磁兼容性设计 的方法和要求。 第七章简述了易于在d s p 的仿真调试环境c c s 中实现的波形记录的试验 方法，在系统的调试巾得出了实验结果，并对其进行分析，总结系统的优缺点， 并提出新的改进方案。 7 第2 章三相永磁同步电机矢量控制理论与仿真研究 第2 章三相永磁同步电机矢量控制理论与仿真研究 三相永磁同步电动机由于不需要励磁电流，在逆变器供电的情况下，不需要 阻尼绕组，效率及功率因数都比较高，体积较之同容量的异步电机小。三相永磁 同步电动机矢量控制系统能实现高精度、高动态性能、大范围速度和位置控制， 尤其在数控机床和机器人等应用场合对高精度、高动态性能和小体积的伺服驱动 的需求不断增长的情况下，三相永磁同步电动机数字伺服驱动控制系统逐渐成为 主流。 2 1 三相永磁同步电机矢量控制理论【1 】【2 】f 6 】【8 】 2 1 1 正方向的定义与矢量变换 将正向电流流经一相绕组时产生的正弦磁动势轴线定义为相绕组的轴线。假 定感应电动势的正方向与电流正方向相反( 电动机原则) 。取反时针方向为转速正 方向。定子电流空间矢量i ，定义为 ，压i 丙 l 口= e - 2 一， 甲，为每极永磁励磁磁链空间矢量，与磁极磁场轴线一致。 在建立数学模型之前，先做如下假设： 忽略铁心饱和； 不计涡流和磁滞损耗； 转子上没有阻尼绕组； 永磁材料的电导率为零； 相绕组中感应电动势波形正弦。 对于三相永磁同步电动机，用固定于转子的参考坐标系来描述和分析十分方 便。此时，取永磁体基波励磁磁场轴线( 磁极轴线) 为d 轴( 直轴) ，顺着旋转方向 超前c l 轴9 0 电角度为q 轴( 交轴) 。d q 轴系同转子以相同电角速度一道旋转，它 的空间坐标系统以d 轴与参考轴q 间的电角度来确定。如图2 1 所示： 8 第2 章三相永磁同步电机矢量控制理论与仿真研究 蜘m d 卅b 图2 1d q 轴坐标系的定义 d q 轴坐标系山定子三相绕组经坐标变换或矢量变换得来的，即三相轴系a b c 到旋转轴系d q 的变换。变换关系如式2 2 和式2 - 3 。 r 卧闫 l c o s 玩 一s i n 矿 ( 式2 2 ) 匕j 2 括l - ：二摹；二：季# 引 。式2 3 ， 2 1 2d q 轴系中的电机方程 a b c 三相轴系表示的定子电压矢量方程 驴驸厶堕d t + 学 ( 式2 _ 4 ) 戡q = r s lq + p g q 七国d h = 尺。，d + p g d q 2 一i ) 式中，第一项为电阻电动势，第二项为变压器电动势，第三项为运动电 动势。 变换到d q 轴系中的磁链方程： i= 厶 l = 厶+ y ， 9 ( 式2 6 ) 州川叫 t4 争塾3 竹 媳 螂 确 执了 蝌 第2 章- - 丰1 1 永磁同步电机矢量控制理论与仿真研究 式巾，r s 为川绕纰i 乜| 5 f l 值；l d 和l q 为d q 线圈的自感。 l q = l 。，+ l m q h = ，a + 三m d ( 式2 7 ) 式中，t 。是d q 轴线幽的漏感；k 和k 为两线圈的励磁电感。 另外，将永磁体模拟为 有一定电流分布的励磁线圈，将这个励磁线圈再归 算到d 轴，可以得到等效励磁电流，它能产生与永磁体相同的基波励磁磁场。 ，。厶d 。 r ( 式2 - - 8 ) 磁链方程变为 。，：t 。 t 屯q - - + 三l 。q i d q 。+ 。， 定义d q 轴系上的兮裁i l l 动势： e o2c o r vf 利用这个关系式可以通过空载试验测试基波励磁磁场， 效励磁电流? ，： 少，：塑 。 缈， 用空载电动势表示的( j ( 轴系电压方程： l t 。l = r s i q + p l q j q + ( o r l d i d + e o l 蚴= r 屯+ p l a i d w r l q i q 稳态时 u q = r 3 q + r l d i d + e o 戡d = r 。i d 一r l q q 矢量表示的转矩方程为： t = p 。虮f ， d q 轴系表示为 z = 只，( 沙。，一) = 所( y 厂+ ( 厶一l q ) i e i l q i a ) i e i g ) le = p ，w 。f 一毕q ) 2p n 婶f l q + l l j q ) ( 式2 9 ) 式2 1 0 ) 及进而换算出等 ( 式2 1 1 ) ( 式2 1 2 ) ( 式2 1 3 ) ( 式2 1 4 ) ( 式2 1 5 ) 式中，第一项为定子电流转矩分量与永磁体励磁磁场作用产生的，称为励 磁转矩。第二项为转子凸极效应引起的，成为磁阻转矩。内装式式电机由于直轴 磁路上有永磁体，l d l q ，存在磁阻转矩。面装式电机l d = l q ，不存在磁阻 转矩。 1 0 第2 章三相永磁同步电机欠最控制理论与仿真研究 若按照图2 - 2 定义一个转矩角， e 彩 。 图2 - 2 转矩角的定义 则 l 屯= tc o s p 【乞2o s i n ( 式2 一1 6 ) 转矩方程变为 瓦= p 。 沙，s i n + 圭( 厶一厶) 2s i n 2 ( 式2 1 7 ) 由此式可以得到三棚永磁同步电动机的矩角特性： 图2 3 三相永磁同步电动机的矩角特性 图2 3 中，曲线1 为励磁转矩，曲线2 为磁阻转矩，曲线3 为合成转矩。 对于内装式三相永磁同步电动机，可以灵活控制转矩角来利用磁阻转矩。 在恒转矩区，使7 r 2 , 。 ( 式2 2 2 ) 与转子一倍的惯量负载厂= 现o o l 0 2 ；, k g zb - - 0 0 0 0 3 0 4 n 屁s 。乃为负载 转矩可模拟扰动情形。 图2 - 7 负载模型 1 4 第2 章三相永磁同步电机矢量控制理论与仿真研究 2 3 4p w m 模块及电压型逆变器模型 在m a t l a b 中，采用p o w e r s i mt o o l b o x 的i g b t 模块进行仿真要进行大量的 运算，耗用大量的时1 1 i j ，会影响用来解决关键问题的注意力。在本章，为了简化 系统模型，将p w m 模块及电压型逆变器假定为理想的受控电压源。同时，兼顾到 实际系统的电压关系和p w m 逆变器实际电压输出总要延迟一个p w m 周期并且时间 上离散的实质，通过近似手段构造了如图2 8 所示模型。 图2 8p w m 模块及电压型逆变器等效模型 2 3 5d q 坐标系到a b c 坐标系变换的仿真运算模型 d q 坐标系到a b c 坐标系变换的的运算针对p m s m 模型作了相应修改，仿真运 算模型如图2 8 ： 图2 - 8d q 坐标系到a b c 坐标系变换的仿真运算模型 在三相永磁同步电动机的各种矢量控制策略中，差别主要反应在速度环( 或 转矩环) 的处理的不同，下面将就电流环和速度环进行不同的策略的仿真研究。 2 3 6 三相永磁同步电动机的电流控制环 三相永磁同步电动机的电流闭环调节的仿真模型如图2 - 9 所示，考虑到电流 传感器的检测延时和硬件电路滤波附加的延时，在仿真模型中添加了l o o u s 的一 阶惯性环节： 第2 臻：i 褶水磁同步l 毯机欠鹭控制理论与仿真研究 1 l e 一4 s + 1 ( 式2 2 3 ) 俐2 - 9i 也流闭环调：1 7 的仿真模型 电流环的f ) i 凋节器传递函数可以用下式表示： 暇加k + 等鸣i z s + l ( 式2 叫) 式中： 仿真模型如图2 - 1 0 所永 矿k p 尺f2 。 f 图2 - 1 0 电流p i 调弦器 用空载电动势表示的d q 轴系电压方程： 卜强乏嚣立糍 ( 式2 2 5 ) 由于戤所代表的机械时问常数与电流时间常数相比要大的多，因此在p i 调 节器中积分环节有足够时f i j 来抵消运动电动势的影响，可以认为在电流环中i 。、 i 。完全解耦。而将式2 2 6 改成式2 - 2 7 ： 由此可以得到i d 、i q 的传递函数 1 6 ( 式2 2 7 ) 0 哼 d 砒地 + + 0 0 r r l l l l 如础 ，、【 第2 章二相永磁同步电机矢量控制理论与仿真研究 ( s ) = 雨1 面= 可1 ( j ) 2 币1 面。百1 ( 式2 2 8 ) 另外p w m 逆变器i 乜流坏控制固有滞后时间为耳刚，引入了一个纯滞后环节 e - t u 5 ，由于瓦唧m 远小于电机的电气时间常数，因此可以近似为一阶惯性环节 加) 2 去 ( 式2 柏) 这样，d 轴的电流控制框图为： 图2 - 1 1d 轴的电流控制框图 将非单位反馈化简成单位反馈 图2 - 1 2 单位反馈的d 轴电流控制框图 令t o y = l d r s 系统得到简化： 图2 - 1 3d 轴电流控制框图 由于f 。和l ，删较小，可以认为是小惯量系统，可以进一步按照小惯量系统 合并，同时忽略较小的微分环节f 。，可得： - x- l k p l r s i d 一 7 ，“t o f _ 翳t p w m ) ， 图2 - 1 4d 轴电流控制框图 这样系统简化成i 型系统，对于阶跃的响应无静差。对于要求的动态指标为 吼 o ) a = 1 ； e l s e a = o ； i f ( v b 0 ) b = 1 ； e l s e b = o ； i f ( v 。 o ) c = 1 ； e l s e c = o ； 3 l 第3 章p w m 模式的实现与优化 s e c t o r2a + 2 水b + 4 牛c ： 对两种p w m 模式进行简要的比较，如图3 5 所示，s p w m 的电压矢量合 成方式决定，其最大输f 也压矢量u l 是在以母线电压u o c 所环绕的电压极限 圆上，电压极限网u d c 赴s p w m 基本电压矢量构成的正六边形的外圆：s v p w m 的电压矢量合成方式决定，其最大输出电压矢量u 2 是在以母线电压u d c 所环 绕的电压极i i o 1 爱l 外，电堰极限圆u t x z 是s v p w m 基本电压矢量构成的正六边形 的内切圆。因此s v p w m 的最大电压是s p w m 的1 1 5 倍。 口 一一i 旷赫 一 念乡 u ： 弋7 ， i 图3 - 6 两种p i l a f 模式的比较 3 5 死区及死区补偿( 1 3 】【1 6 】 3 5 1 死区以及死区的影响 三相桥式逆变器由于丌关管固有存储时间的影响，使开通时问往往小于关 断时间，因此很容易发生同相上下桥臂贯通短路，为了避免这种故障，通常设置 开关死区时间a t ，以保证一个管子可靠关断后，另外一个管子才能开通。 死区的设置方式有两种：一是提前a t 2 关断，延迟a t 2 导通，为双边对 称设置；另一种按时关断，延迟t 导通，为单边不对称设置。 如图3 3 ，t l 公司f m s 3 2 0 f 2 4 0 7d s p 控制器的死区为单边不对称设置，当 d s p 全比较单元的死区被使能时，8 位减计数器检测一相p w m 输入信号的上 升沿和下降沿，通过比较j 芝辑输出死区时问d b 信号，然后叠加到上桥和下桥 p w m 输出信号，从而将它们的跳变沿分开固定长度的死区时间。死区时间由 d b t c o n 决定。 三相p w m 逆变器通常接感性的电机负载，电流波形滞后电压波形( p 角。 如下图所示，u 。o 为a 相与中点电位o 之间理想电压波形，u 为加入死区的电 压波形。在死区时间a t 内，开关管t l 、t 4 均不导通，但在感性负载的作用下， 续流二极管d l 或d 4 导通，以保持a 相电流连续。在i 。正半周，d 4 续流，将 3 2 第3 章p w m 模式的实现与优化 v 。与电源负极接通，v f i e 2 ：在i 。负半周，d 4 续流，将v 。与电源f 极接通， v a - e 2 ；这样，逆变器实际输出电压波形u 的 与理想电压波形u 比较产生畸 变，为误差波u d l 4 。可以看出，在i 。正半周，所有正脉冲宽度都减小t ，所 有负脉冲宽度都增加a t ：在i 。负半周，所有负脉冲宽度都减小t ，所有正脉冲 宽度都增加t 。 理想波 u n o 有死区 波 u ，实陌i 波 u n o 二抄十一 1 矿一多一。= 对3 k 卜 厶， f 、二千? h ：才 _ _ ，7、之“ 7 ? 。 - 、 一一。， d l 误簏波 u d l 、4 d 4 小 图3 - 7 死区对逆变器输出电压的影响 死区对逆变器输出电压的影响主要取决与如下几个因素： 1 功率因数c o s q ) 当c o s 9 = 1 时，续流二极管不续流，误差电压u d l 4 = o ；在感性负载下， c o s q ) l ，续流二极管续流，误差电压u d i 4 0 。 2 死区设置方式 对称设置方式较不对称设置方式而言，总谐波含量较小。 3 死区时间t 感性负载下，续流二极管续流引起的误差电压u d i 4 逆变器使输氓电压的 己匕隘国 基波幅值随着a t 增大而减小，并且基波相位超前9 角，并出现幅值为j 的3 ，5 ，7 ，次谐波( 彩。= n c o ，) ，t 越大，谐波幅值越大，输出电压畸变 率越高。 4 载波比n 第3 章p w m 模式的实现与优化 感性负载下，低次谐波的幅值随着n 的增大先减小而后显著增大，中间有 个使低次谐波含量最小的最佳载波比n 。 在p w m 逆变器中设置死区t ，可以避免同相上下桥臂发生贯通短路故障， 但使逆变器输出电压基波幅值减小，相位超前，并产生3 ，5 ，7 ，次谐波。 在电机低速运行时0 9 。较小，载波比n 较大，使电压基波幅值减小和3 ，5 ，7 ， 次谐波增加的影响更加严重，这时，为了保证变频调速的低速运行性能，必须 对死区进行补偿。 3 5 2 死区补偿的方法 常用的死区补偿的方法有两种：电流反馈型补偿和电压反馈型补偿，它们 共同的原理就是产生一个和误差波l l d i 4 波形相同相位相反的补偿电压u c 来抵 消或削弱误差波的影响。电压反馈型补偿需要准确检测逆变器输出p w m 波电 压，与给定的p w m 比较得到误差电压，这种方式难以达到很高的检测精度， 而且有一定的检测滞后。相对来说，电流反馈型补偿电路检测电流过零点，电 路简单，使用较多。 电流反馈型补偿基本思路 由对图3 - 6 的分析可以得到相电流方向和该相误差电压的关系，如下表所 示： 表3 2 相电流方向和误差电压的关系 电流方向正负 误差电压极性负 正 在实现过程中，首先检测相电流的方向，如果电流方向为正，则上桥臂 p w m 信号触发导通时间增加t ，同时，下桥臂p w m 信号触发导通时间减少 t ，以维持p w m 脉冲宽度不变；如果电流方向为负，则上桥臂p w m 信号触 发导通时间减少t ，同时，下桥臂p w m 信号触发导通时间增加t ，以维持 p w m 调制脉冲宽度不变。可以看出经过死区补偿后，误差电压仍旧存在，但 是在一个调制周期内，误差电压和为零，符合脉宽调制面积相等的原则，达到 了死区补偿的目的。 3 6 小结 本章在对脉宽凋制理论进行了仔细研究，对广泛使用的s p w m 和s v p w m 理论进行了分析和l 研究，并参照实际系统控帛0 芯片的硬件基础，设计了s p w m 和s v p w m 实现方法：本章对死区的