（电力电子与电力传动专业论文）高精度转速源的研究.pdf

西北工业大学硕： 学位论文 a b s t r a c t t h eb e n c h m a r kr e ve q u i p m e n ti s d e s i g n e da n du s e df o rt a c h og e n e r a t o r s t e s t i n g ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fw h i c hi sh i g hv e l o c i t yp r e c i s i o n ，w i d es p e e dr a n g ea n d s t e p l e s ss p e e da d j u s t m e n t t h i ss y s t e mu s e sr e p m s m ( r a r ee a r t hp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ) a se x e c u t i n gm o t o r t h e c o r eh a r d w a r e p l a t f o r mo f t h i ss y s t e mi sd e s i g n e d o n8 0 c19 6 k cm c ua n dc p l dd e v i c ea n d i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d e l ) c o m b i n i n g t h em e t h o d so f i n - p h a s ev a r i a b l e r f r e q u e n c ya d j u s t i n gs p e e dw i t h b r u s h l e s sd c c o n t r o l ，t h i ss y s t e mm a k e sf u l lu s eo fc h a r a c t e r i s t i co fh i g hs t a t i c p r e c i s i o na n dd y n a m i c f a s tr e s p o n s e i nt h es y n c h r o n o u sm o d e l ，b a s e do nt h ei d e ao f s y m m e t r i c a ls v p w mp a t t e r n g e n e r a t o ru s i n gc p l d d e v i c ei m p l e m e n t a t i o n p u l s ew i d t hm o d u l a t i o ni su s e di n p o w e rc o n v e r t e r s ，t h i sc o n v e r s i o nc a nb ec a r r i e do u tu s i n ga n a l o gc i r c u i t so rd i g i t a l c i r c u i t s ，s u c ha sd s p sa n dm i c r o p r o c e s s o r s t h em o r ee f f i c i e n ta n df a s t e rs o l u t i o ni s t h eu s eo f p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e t h i sp a p e rd e m o n s t r a t e sh o w t og e n e r a t e v a r i a b l ep w mw a v e f o r mb a s e do ns t a n d a r dc p l dd e v i c e t h ep r o p o s e dc i r c u i ti s i n c o r p o r a t e dw i t hm c u t op r o v i d es i m p l ea n de f f e c t i v es o l u t i o nf o r h i g h p e r f o r m a n c ep w m c o n v e r t e r s i nt h eb r u s h l e s sm o d e l ，t h ei g b t ( i s o l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) s w i t c h s t a t e p e r i o d t a b l ei s g a i n e db ym c 3 3 0 3 5w h i c ha n a l y z e st h es i g n a l o fp o s i t i o n f e e d b a c k k e vw o r d sp 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 b r u s h l e s sd c s p a c ev o l t a g e p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e l i 西北工业大学硕士学位论文第l 章概述 第1 章概述 1 1课题背景 本课题是为某飞机制造厂航空发动机转速测量所用的测速发电机校准而设 计的基准转速源，它由永磁电机和调速驱动电路控制实现。为使测速发电机准 确地反映转速，必须对它的输入转速和输出电压对应曲线进行校准，通常的方 法是利用速度精确的电动机作为转速基准源提供准确的速度驱动，来对照相应 的电压。因此作基准的转速源要有很高的速度精度，以及较宽的调速范围，能 够实现平滑的无级调速。本系统要求达到的调速范围是5 0 9 0 0 0 r p m ，精度是 1 r p m ，要求有较高的稳态特性，对动态性指标没有严格要求。 1 。2 交流电机调速技术的发展现状与趋势 随着现代生产技术对电机调速性能、成本、使用环境等各方面要求的提高， 直流拖动的缺陷逐步显示出来，由于换向器的存在，使得直流电机的维护、速 度、使用场合都受到限制。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，及控制 理论的完善、仿真工具的日趋成熟，使得交流电机的高性能控制成为可能。其 性能完全可以和直流调速相媲美，目前已步入交流调速时代。 1 电力电子技术向高频化大容量进军 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。目前在高频变换器中采 用较多的器件有：功率晶体管( g t r ) 、功率m o s 场效应晶体管( 功率m o s f e t ) 、 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、 m o s 控制晶闸管( m c t ) 以及功率集成电路( p i c ) 。i g b t 由于兼有m o s f e t 的电 压控制与双极型大功率晶体管的大电流、低导通电阻的优点，是用于中小功率 最为流行的器件：m c t 则综合了品闸管的高电压、大电流特性和m o s f e t 的快速 西北工业大学颂士学位论文第1 章概述 开关特性，是极有发展前途的大功率、高频率开关器件。 目前，大功率半导体器件向着模块化、智能化方向发展，智能功率模块( i p m ) 是向第四代功率集成电路( p i c ) 的过渡产品，不但提供功率输出能力，而且具 有逻辑、控制、传感、监测、保护和自诊断等功能。外界只需提供p w m 信号给 i m p ，就可以实现已往复杂的主电路及其外围电路的功能，不但提高了可靠性还 提高了效率，是功率器件的发展方向。 提高开关频率是抑制谐波、提高系统性能和缩小电气传动自动化控制设备 的体积、重量的关键。软丌关技术是近年来得到较快发展，传统的变换器中的 丌关器件工作在硬件开关状态，开关器件的开通和关断损耗随频率的提高而增 加。容性开通时，当开关器件在很高的电压下丌通时，储存在开关器件结电容 中的能量将全部耗散在丌关器件内，引起过热损坏；感性关断时，感应电压加 在丌关器件两端，易造成电压击穿；二极管反向恢复期间，易造成瞬时短路。 近年来，软丌关技术被引进各类电力电子变换器中，并逐渐推向实用。采用软 开关技术可以克服以上几个缺陷，从而可以省掉缓冲吸收电路，减小散热器体 积，并为工作频率和容量的提高做好准备。 2 控制理论方面 除了电力电子器件制造技术的发展外，基于电力电子电路的新型电路变换 器的不断出现，现代控制理论向电气传动领域的渗透，特别是微型计算机及大 规模集成电路的发展，使交流电机变频调速从电压频率比值恒定控制法、转差 频率控制法发展到矢量控制法，使交流电机瞬时转矩的控制已实现，它可完成 加速度、速度和位置等各种控制。交流电机调速技术正向高频化、数字化和智 能化方向发展。 矢量控制理论的主要思想是将异步电动机模拟成直流机，通过坐标变换的 方法，分别控制励磁电流分量与转矩电流分量，从而获得与直流电机同样好的 动态调速特性。这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能 力等性能要求较高。异步电动机直接转矩控制系统，不需要坐标变换和转子数 学模型，理论上非常诱人，但低速时转矩观测器和转速波动问题未能解决。除 西北工业大学硕士学位论文第1 章概述 此之外，基于现代控制理论的滑模变结构控制技术、采用微分几何理论的非线 性解耦控制、模型参考自适应控制等方法的引入，使系统性能得到了改善。 近年来，智能控制研究很活跃，典型的如模糊控制、神经网络控制和基于 专家系统的控制。由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性， 能克服非线性因素的影响，预示着将开创电机控制系统的新纪元。概括地说， 智能控制具有以下基本特点： 1 ) 应能对复杂系统( 如非线性、快时变、复杂多变量、环境扰动等) 进行 有效的全局控制，并具有较强的容错能力： 2 )定性决策和定量控制相结合的多模态组合控制； 3 ) 其基本目的是从系统的功能和整体优化的角度来分析和综合系统，以实 现预定的目标，并应具有自组织能力； 4 )同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制 过程，人的知识在控制中起着重要的协调作用，系统在信息处理上既有数学运 算，又有逻辑和知识推理。 3 控制器方面 可靠性高，实时性好是对控制系统的基本要求。作为专用集成电路 ( a s i c a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 重要组成部分，电机控 制专用集成电路品种繁多，资料丰富。但是电机控制的多样化、复杂化，有些 时候还不能满足具体而苛刻的性能要求，主要的解决方法是使用微处理器和制 作专用集成电路。 这时可以考虑利用可编程逻辑器件( p l d p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ) ， 目前在数字系统设计领域中使用较为广泛的器件有两种类型，即：c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i ed e v i c e ) 和f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e sa r r a y ) 。 这两种器件在结构上有所差别，因此在实际应用中各有优缺点，但都多为在系 统可编程( i s p i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 器件，可以先装配后编程，成为产 品后还可升级修改，使生产维护和系统更新都发生了革命性的变化。它借助于 硬件描述语言( v h d l 或v e r i l o gh d l ) 来对系统进行设计，采用三个层次的硬 西北工业大学硕士学位论文第1 章概述 件描述和自上至下的设计风格，并能逐层进行仿真，具有良好的灵活性与移植 性。 现在通用的变频器大多采用单片机来控制，应用较多的是8 0 9 6 系列产品。 但单片机的处理能力有限，在处理数据量大、实时性强、精度要求高时，单片 机难以满足要求。i ) s p 器件具有更快的c p u 处理速度和运算能力，内置有波特率 发生器和f i f o 缓冲器。越来越多的用户开始选用d s p 器件来提高产品性能，d s p 器件取代高档单片机的时代已经成熟。 4 计算机辅助设计方面 目前为系统的设计和仿真提供的软件越来越多，有代表性的如：m a t l a b 、 p s p i c e 、m a t h e m a t i c a 。m a t l a b 功能强大，工具箱丰富，是设计控制系统的得力 助手；p s p i c e 是个模拟电路仿真软件，可以对控制系统的主电路和执行元件进 行仿真；m a t h e m a t i c a 是个数学软件，可以对控制系统的控制理论进行仿真。在 实际应用中可以将不同的仿真软件结合起来，例如将m a t l a b 的系统功能和 p s p i c e 器件功能相结合，对系统从控制器到主电路方面进行完全的仿真。 1 3 论文研究的主要内容与结构安排 本文所做的主要工作包括： 1 根据系统的性能要求，选取永磁同步电动机为系统的执行电机。 2 分析永磁同步电机的各种控制方式。确定控制方案，以他控式变频调速 为主无刷直流方式为辅助的变频调速策略。 3 研究在同步方式下电压空间矢量法( s v p w m ) ，进行实时磁链轨迹跟踪， 确保调速系统的精确性与稳定性。 4 设计在无刷方式下基于锁相环控制的闭环速度调节系统。 5 调速系统仿真。 6 功率电子器件的选择分析其驱动保护电路的设计和调试。 7 设计基于8 0 c 1 9 6 k c 的单片机与c p l d 器件为控制核心的系统硬件平 台。 4 西北工业大学硕士学位论文第l 章概述 8 系统控制软件设计和基于v h d l 语言的c p l d 器件的开发。 9 系统调试与论文撰写。 本文的结构安排如下： 首先在论文的第2 章探讨了目前主流的几种p m s m 调速控制理论及其优缺 点，在此基础上，第3 章给出本系统的总体方案，即他控式s v p w m 为主，直 流无刷式控制为辅的控制策略，结合系统的具体性能要求，提出以单片机 8 0 c 1 9 6 k c 与c p l d 器件为核心的控制系统构成。第4 章给出硬件的具体实现： 第5 章阐述c p l d 器件的详细开发设计：第6 章是软件设计况明；第7 章为总 结与展望部分。 西北工业大学硕士学位论文第2 章p m s m 调速系统 第2 章p m s m 调速系统 同步电动机的主要特点是电动机转速 与电动机定子电流频率f 以及电动 机极对数p 。存在着严格不变的关系，即n = 6 0 f , p ，= n 。( ，称为同步转速) 。也 就是况，在稳态情况下，同步电动机获得恒定转矩，平均转速为由定子电流频 率厂确定的同步转速，而与电机的负载的大小无关，因此容易实现准确的速度 控制。永磁式同步电动机( p m s m ：p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r ) 的工作原理与普通三相同步电动机的作用原理相同，即由定子绕组产生的旋转 磁场以磁拉力拖着永磁体产生的磁极同步旋转运行。 永磁同步电动机定子与普通感应电动机基本相同，转子多数采用使用稀土 永磁材料永久磁铁励磁，具有结构简单、重量轻、惯性低、响应快、高效节能、 高功率因数和运行可靠等特点，因此由p m s m 组成的伺服系统已受到国内外的普 遍重视。由于旋转磁场的转速可以调节，曾经困扰同步电机的起动振荡及失步 问题也随之得到解决。根据性能指标要求，本文选用正弦波稀土永磁同步电动 机。 根据p m s m 变频调速的原理和控制方式，可分为他控式变频调速和自控式 变频调速两大类。他控式变频调速系统由独立的变频装置给p m s m 提供变频变 压电源，精确地控制变频器的输出频率就能精确控制同步电动机的转速，调速 系统无需设茕转速反馈装置。自控式变频调速系统通常借助转子位置检测器确 定逆变器的开关管的导通与关断，变频器输出的频率不再是独立的，而是与转 子的转速、位置相依存的，直接受磁极位置检测器位置信号控制的，使定子电 流和转子磁链总是保持确定的关系，从而产生恒定的转矩，从根本上消除了同 步电动机转子振荡和失步的隐患。 同步电动机转子上有励磁，在空载时转子磁场轴线的位置可以确定，这给 同步电机进行磁场定向控制带来方便，对同步电动机运行状态的控制也较灵活， 容易实现。在变频调速系统中常用的有三种运行状态控制： 6 两北l 业人学坝i 。学位论史 第2 章p m s m 渊速系统 ( 1 ) 定、转子磁场乖交运行状态，也称，= 0 控制方式，它能把矢量控 制简化为转子磁极位置控制。 ( 2 ) 定子电流j 与电子绕组电压疗同相位，即c o sc p = l 运行状态，也称 定子磁场定向控制。 ( 3 ) 五超前驴运行状态，用于p m s m 弱磁升速控制，以扩大永磁同步电 动机的调节范围，常称永磁同步电动机的弱磁升速控制。 2 。1p m s m 矢量控制理论的探讨 p m s m 采用三相交流供电，其数学模型比直流电动机复杂得多，具有多变量、 强耦合及非线性等特点，所以控制较为复杂，为使p m s m 具有高性能的控制特性， 基本上都采用转子磁场定向的矢量控制技术进行线性化解耦。 矢量控制思想是由德国学者f b l a s c h k e 于1 9 7 1 年提出的，按照产生同 样旋转磁场的等效原则，先将三相对称绕组等效成两相对称绕组，再将其等效 成旋转的两个直流f 交绕组，以两个直流f 交绕组为基础组成f 交坐标系，相 当于直流电机的等效磁通和等效电枢电流，故称其为矢量变换控制。通常的矢 量控制系统如图2 - 1 ，分别实现p m s m 的位置、速度和电流控制。 幽2 - 1p m s i d 欠量控制系统框幽 西北工业大学硕士学位论文第2 章p m s m 调速系统 2 1 1坐标变换 在同步电机瞬态过程中，其运行参数( 电压、电流、磁通、转矩和转速等) 的微分方程有多种表达形式。在a b c 静止轴系的变量表达式中，由于同步电 动机的转子在磁、电结构上的不对称，构成的电机方程为与转子瞬时位置有关 的非线性方程组，不宜直接求解，使同步电动机动态特性的分析遇到困难。矢 量控制技术利用坐标变换可将变系数变换成常系数，消除时变参数，从而简化 运算与分析。因此坐标变换在矢量控制的p m s m 系统的分析中是十分重要的概念。 p m s m 的矢量控制系统常用的坐标系有两种：两相旋转坐标系( d q 坐标 系) 和两相静止坐标系( o 一6 坐标系) 。它们不仅可以用于分析p m s m 的稳态 运行性能，也可以用于分析p m s m 的瞬态性能。 1 d - q 坐标系 该坐标系统随定子磁场同步运行，q 轴超前d 轴9 0 0 ，如图2 - 2 所示，若把d 轴取在转子总磁链的方向，则成为转子磁场定向坐标系统。a 、b 、c 坐标系与 d - q 坐标系的关系为： ；： = 戽篇c 幽o s ( 1 2 n 0 。- o ) c o 眦s ( ：2 。4 n 0 。- 例o ) l i k i ；| 沪 西北工业大学硕士学位论文第2 章p m s m 调速系统 逆变换为 ( 2 2 ) 2 d b 坐标系 该坐标轴线放在定子上，o 轴与a 轴重合，1 3 轴超前a 轴9 0 0 ，如图1 所示， a b 坐标系中的电压和电流通过简单线性变换就可以直接从实际测量的三相 电压和电流得到。旋转矢量从三相定子坐标系变换到。一p 坐标系，又称3 2 变 换，如下式所述： 逆变换为 l1 1 2 q ：荐2 |： 3 d - q 坐标系与a t 3 坐标系的关系 2 1 2p m s m 的数学模型 ( 2 3 ) ( 2 4 ) p m s m 和带转子绕组的同步电动机的数学模型是相似的，为使分析简化起见 9 、i_=列 咖啪瑚 呱呱茹删 压怄 一恍 ：岳 1ij匕 0 ，0 卜iiiu卜lj。后拄，。卜 厅怄 一 ，v0 丌i 业 舳湖 一 cp 毋m 厨 = l=一l=二一 习 m 础舢 c 一 压悟 = n 一 西北工业大学硕上学位论文 第2 章p m s m 调速系统 作如下假设： ( 1 ) 忽略铁心饱和效应； ( 2 ) 不记涡流和磁滞损耗； ( 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f 弦的。 1 d - q 坐标系下的p m s m 数学模型 d - q 坐标系是p m s m 最常用的坐标系 磁链、电磁转矩和机械运动方程 电压方程：= r i d + p 2 j 一积。 在上述假定下，可得到如下的电压、 u v = r i v + p 2 , t + v r 2 , 1 磁链方程：丑。= l , i i q a ，= l d i 。，+ 7 电磁转矩方程：l = p 。p ，f 。十( l l ) f 。j 机械运动方程：t = 瓦+ b w 。+ 咖珂， 刃，2p 。曰 对于凸装式的p m s m ，l ：，= l 。，于是电磁转矩为 t = p 。5 9 ，i q 式中所有符号的意义见下表： 符号意义符号意义 d d 轴定子电压“q 轴定子电压 - 0 d 轴定子l 乜流 l q q 轴定子电流 九d 轴定子磁链 a q q 轴定子磁链 ld 轴定子电感 q q 轴定子电感 r 定子电阻 尸， 极对数 t 9 转子角速度刃一机械角速度 瓦 电磁转矩 v j 负载转矩 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一1 3 ) 0 ， 2 一 一 一 2 2 2； 西北工业大学硕士学位论文第2 章p m s m 调速系统 2 a 一1 3 坐标系下的p m s m 数学模型 c t 一1 3 坐标系也是p m s m 比较常用的坐标系 的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程为： 电压方程： = r + p 乃 = r i , a + p a p 磁链方程：九= + y ，c o s o a b = l i p + s i n o p o = 万 在上述假定下，可得到如下 电磁转矩方程：瓦= p 。少，i 口c o s o p 。i 。s i n 0 机械运动方程与d - q 坐标系相同，从略。式中符号意义见下表。 符号意义符号意义 “口 a 轴定子电压“口b 轴定子电压 f 口 a 轴定子电流 p 轴定子电流 以 q 轴定子磁链九1 3 轴定子磁链 目转子位置角定子电感 2 1 3p m s m 的矢量控制方法 p m s m 根据用途不同，其电流矢量控制方法也不同，可采用的控制方法主 要有：i d = o 控制、功率因数c o s o = l 控制、恒磁链控制、最大转矩( 电流) 控 制、弱磁控制、最大输出功率控制等。不同的电流控制有不同的优点： ( 1 ) i n = 0 控制实现了p m s m 的解耦控制，最简单也最常用； ( 2 ) 功率因数c o s t p = 1 控制降低了与之匹配的逆变器容量； ( 3 ) 恒磁链控制可增大p m s m 的最大输出功率； ( 4 ) 最大转矩( 电流) 控制可使单位电流输出的转矩最大； ( 5 ) 弱磁控制p m s m 恒功率地运行于更高的转速： ( 6 ) 最大输出功率控制以保证输出功率最大为前提。 l l i 4 5 6 7 8 9 2 2 2 2 2 2vvv； 西北工业大学硕士学位论文第2 章p m s m 调速系统 对于凸装式p m s m 来说，l a = l ，转子磁路对称，磁阻转矩为零，因而 最大转矩( 电流) 控制就是i a = 0 控制。= 0 控制在p m s m 的矢量控制中应用最 为成功，也最为普遍。下面对t ，= 0 控制的机理进行深入的剖析。 电动机调速的关键是转矩的控制，矢量控制的实质也是为了改善转矩控制 的性能，而最终实施仍然是对定子电流的控制上，p m s m 也不例外。对于p m s m 的矢量控制系统，用d - q 坐标系来描述和分析它们的稳态和动态性能都十分方 便，力矩电流分量t ，和励磁电流分量，各行其责，所以，在转矩控制分析时，通 常采用d q 坐标系。 在采用由大功率电力电子器件构成的逆变器供电时，希望p m s m 的定子电 压z d 、“。与定子电流、满足电压方程：= r i 一+ p a 。一吮，“。= r i q + p 九+ 巩的关系，在0 、之间的耦合关系没有去掉时，状态变量0 、万不 能独立调节，不能实现转矩线性化控制。为此，需要解决i a 、i q 之问的耦合问题。 对于凸装式的p m s m ，t ，= 厶，t = p ，万，f 。，成立。其中力矩电流分量与 电磁转矩瓦成线性关系，而励磁电流分量与t 无关。0 通常有以下几方面作 用： ( 1 )起增磁或去磁作用。由( 2 - 9 ) ，当t ， 0 时，d 轴定子磁链分量增加。 ( 2 )增加铜耗。 ( 3 )对定子绕组端电压及视在功率有影响。p m s m 稳态运行时，定子端 电压最大值( 凸装式结构) 为： 。：届可= 瓶可面可习而砰可瓦丽( 2 - 2 0 ) 可以看出，同屯= o 时相比，0 o 时定子绕组端电压要高，也就是说驱动用 的逆变器必须具有较高的输出电压。 由于励磁电流分量f j 在三相p m s m 的转矩中所起的作用并不大，如果能控 制，= o ，则t ，、之问无耦合关系，实现了转矩线性化控制。当t ，2 0 时，即 使对于非凸装式的p m s m ，瓦= p 。万，f 。关系式也成立，电磁转矩正只与力矩电 塑! ! 三些查兰堡主兰生丝苎苎_ 三兰三坚坠生堕i ! j 堕 流分量有关，而与励磁电流分量无关，就能达到直流电动机的控制性能。 实现0 - - - o 控制通常有两种方法： 1 电压前馈解耦控制 如果引入、刃的状态反馈，则、“。可写为 = “j 一础i 。 “q = “v m l i , ， 式中“，、“：表示d 、q 轴非耦合部分的电压。 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 将虬：“j 一砒f 。、“。= “j m l i d 代入p m s m 电压方程( 2 _ 6 ) ，( 2 7 ) 可得到： “j = r i d 十印 ( 2 2 3 ) “：= r i q + 印十万， ( 2 2 4 ) 式( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 均为线性状态方程，当按式( 2 2 1 ) 和( 2 _ 2 2 ) 选取电压 指令。扩“。时，所得到的电压方程不合耦合项，故控制是解耦的。当“。，2 0 时， 有0 0 ) ：( o ) = 0 ，从而得到= 0 的解耦控制效果。 2 电流反馈解耦控制 从前面的分析可知，只要能够控制使0 = 0 ，就能使p m s m 得到线性化的解 耦控制效果，当采用电流反馈与电流指令的差值作为解耦控制输入变量时，也 可以使i a = 0 。 假定理想的电源以如下三相平衡电流供给三相p m s m 的定子绕组： 卜加n 9 沪1 s i n ( o , 一z 。) ( 2 - - 2 5 ) 卜肛n 睁叫。) 并假定a 十；定子电流相位只与d 轴和a 相定子绕组轴线的央角臼之恻的关系为 8 j = 0 七母 2 - - 2 6( ) 表示a 相定子绕组轴线和d 轴同向时，a 相定子电流的初始相位。 西北工业大学硕士学位论文第2 章p m s m 调速系统 把式( 2 2 5 ) 和( 2 - 2 6 ) 代入a 、b 、c 坐标系统与d - q 坐标系统转换公式( 2 1 ) 得 f i a = l s i n o 【i q 2 一i c o s 妒 ( 2 2 7 ) 因为p 是由d 轴与q 轴电流瞬时值确定的定子电流矢量的初始相位角，如果 通过磁场定向控制，确定定子电流矢量的初始相位角为1 8 0 0 ，使转子磁极轴线 和所定义的d 轴轴线重合，则由式( 2 - 2 7 ) 可知，i a = o 。当采用电压型逆变器 时，将电流指令f ：、i ：与反馈电流0 、i v 比较，其差值经电流调节器k 作用可 得d - q 坐标系下的定子电压、虬，即 圹k ，( i 一一j ? ( 2 - 2 8 ) 1 “。= k 0 。一，：) 。2 5 把式( 2 - 2 8 ) 代入p m s m 电压方程( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 可得 f ，： 丝 “一型! ( 2 - 2 9 ) 。2 瓦而。7 j 瓦了五 k + o2 瓦丽v 一 丝尘 一 ! 丝 ( 2 3 0 ) k + r + p lk + r + p l 若每当位置检测器检测到转子磁场方向与a 相定子绕组轴线一致时，便确 定定子电流的指令相位妒= 1 8 0 0 ，则i 。“0 。从控制上说，由于p m s m 系统的 电流响应比速度响应快得多，在调节过程中，可认为刃保持不变，则适当选 取电流调节器，使其有相当的增益，并且始终保持电流指令i ：= o ，就可使相位 妒= 1 8 0 。，即得到i “z i ：= 0 ，f 。z i ：。从而获得三相p m s m 的t ，= o 控制，即 线性解祸控制，并且使其在最大转矩下运行。 电压前馈控制是完全线性化的解耦控制方案，它能使屯、屯完全解耦。然而 在实现过程中，为达到此目的，需要实时测量和刃。，并做m l i 。从乘法运算。 如果采用微处理器实现，其控制实时性不容易保证，同时由于测量的精度会随 着运行的条件变化而发生相应的变化，因此要做到完全解耦是很困难的。电流 反馈解耦控制虽然是种近似的解耦控制方案，得到的是近似的线性化的解耦模 型，但却是行之有效的方法。只要采用适当的处理方式，该方法不仅能够获得 1 4 西北工业大学硕士学位论文第2 章p m s m 调速系统 快速高精度的转矩控制，而且控制电路简单，实现方便，且使p m s m 在动、静 态均能得到近似的解耦控制，目前的p m s m 产品均采用这种解耦控制方案。 在这种i 。= 0 的矢量控制方法下，需要准确地检测转子的位置和定子电流， 故抗干扰能力弱。还需准确预知电机参数，参数偏差将影响系统性能，除非采 用在线观测的方法得到准确的参数，但这将使系统变得很复杂。 2 2电压空间矢量控制技术 同步电动机使用正弦电压供电时，气隙磁场是圆形旋转磁场，如果按此思 路，把逆变器和电动机视作整体，在进行p w m 控制时让变频器所产生的电机 磁链轨迹在近似为圆周上均匀移动，就可以减少转矩脉动，并可控制电机的转 速，这就是磁链跟踪控制，磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所以又 称电压空问矢量控制( s v p w m ) 。具体地说，它以三相对称正弦波电压供电时 三相对称电动机定子的理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同丌关模式所形成 的实际磁链矢量来跟踪基准磁链圆，在追踪的过程中，逆变器的开关模式作适 当的切换，从而形成p w m 波。 2 2 1s v p w m 控制原理 变频器采用双极性调制，三相桥臂的开关共有八种开关状态。若用三位二 进制数来表示，分别代表u 相、v 相和w 相。当各相桥臂上管导通时，对应位 为1 ，下管导通时，对应位为0 。八种开关状态如图2 - 3 所示。 蹬函母墨 墨墨蹬墨 v 。( o1 1 ) v j ( 0 01 ) v 6 ( 10i ) n ( 0 0o ) 两北丁业人学坝i j 学位论文鹕2 章p m s m 调速系统 其中六科，产生输出电压，在三相电动机中形成相应的六个磁链矢量，两种 丌关状态不输出电压，形成零矢量。这八个基本电压空问矢量在复平面上的分 布，如图2 - 4 所示。 酉l l ，碡! 一 剀2 - 4 基本电压久鼙分布 幽2 - 5s v p w m 变频器驱动的二相电动机 图2 5 为s v p w m 变频器驱动下的三相电动机。 假定变频器输出三相对称f 弦波电压，即 u j u ： c o s t r y t = 脚一c r 2 1 r 1 l 硎一了j c 。i t z r t + 2 x 1 3 6 ( 2 3 1 ) 西北工业大学硕士学位论文第2 章p m s m 调速系统 根据 f p ：出 0 = ，w ) ( 2 3 2 ) 如果定子绕组的电阻忽略不计，则电机各相磁链可由式( 2 1 ) 积分得到 妒f ， 沙i y d 2 u 甜 s i n w t 尉。f 耐一丝1 l3 研。f 删+ 丝1 l3 ( 2 3 3 ) 通过坐标变换，可将u v - w 三相坐标系变换至d - q 坐标系，变换公式如 褂 ( 2 3 4 ) 变换后得到d - q 坐标系的磁链矢量 吒蜘f 嚣 沼，s ， 式( 2 3 5 ) 中，p 。，为基准磁链圆半径，且y 。= 百q c s u ，其中厂为电源频率， u 。为电机相电压有效值：0 = 耐= 2 矿为电角度。若采用恒压频比控制，即 u 形：c ，磁链幅值妒。可保持为常值。随着占( r ) 的变化，磁链矢量以角速度河 运动，便形成以y 。，为半径的理想圆形轨迹。 电压空阳j 矢量对其持续输出时阳j 进行积分，可得三相磁链在电压空间矢量 作用下的增量。其中两种零矢量的幅值为零，方向任意，其余六种“有效”矢 量，方向与相应的电压空间矢量相同，长度与电压空间矢量的幅值及持续的时 间有关。利用上述六种“有效”磁链矢量可以很好地追踪基准磁链圆，而零磁 链矢量则具有调节追踪角速度的功能，保证实际磁链圆的平均角速度与基准角 频率一致。 西北工业大学硕士学位论文第2 章p m s m 调速系统 具体实现时，它需要解决两个问题： ( 1 ) 如何选择电压矢量； ( 2 ) 如何确定各种开关状态的持续时间。 2 2 2 对称式空间电压矢量的产生 随着电力电子技术的发展，对基于电压型逆变器v s i ( v o l t a g es o u r c e i n v e r t e r s ) 的p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制研究也更加深入，比较常见的如 基于三角载波的p w m 技术，所有这些方法的目标都是产生没有低次谐波的正 弦电压。 评价p w m 技术的性能通常有以下三个方面的因素： ( i ) 输出电压或电流的谐波失真总量t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) ； ( 2 ) 开关损耗； ( 3 ) 逆变器最大交流电压输出。 与其它p w m 技术相比，对称式空间电压矢量调制方法具有很好的直流电压 利用率，和较低的谐波失真。 ； v tv e 图2 - 6 基下- a b 坐标系的扇区切换图 图2 6 为基于。一1 3 坐标系的扇区切换图。空阳j 电压调制的目标即是利用六 个有效电压矢量和两个零矢量近似合成给定电压矢量v ，在图2 6 中，边界电压 8 西北工业大学硕士学位论文 第2 章p m s m 调速系统 l k l = ，i v = l = ( ) ，在每个扇区，以t s 为切换周期的区域，参照矢量 可以用两个相邻的电压向量( v i 和v ) 零向量( v o = v 7 或v 8 ) 表示。 各电压向量的作用时间如下： 仁等咎n c 6 0 0 - 0 ， ，= 等咎咿， ，o = ，n r ，一，f + l ( 2 3 6 ) 对称式s v p w m 方法，通过将每个切换周期分为对称的两部分。图形解释如 下( 2 7 ) ： 幽2 7 电压向量合成示意自 在图2 7 中磁通轨迹中： p lp 5 = p lp 6 t i + p 6p 5 t i + 1 2 p ip 2 b + p 2p 3 t j + j + p 3p 4 十1 + p 4p 5 t i ( 2 - 3 7 ) 其q t a t j = t i 2 ，t j + i = t i + i 2 。 当工作电压矢量作用时，中沿v i 方向移动，走过的长度为k ，；当零矢量作 用时，中停止移动。因此控制电压矢量即可控制击运动轨迹及其速率。在空 问电压矢量的作用下，中轨迹越逼近圆，则电机脉动转矩越小，运行性能也 1 9 西北工业大学硕士学位论文第2 章p m s m 调速系统 越好。 为了使磁链矢量轨迹尽可能逼近理想的旋转磁场，将圆形轨迹分成6 个区， 每区6 0 。，并且每个区划为成n 等份。如图2 - 6 中所划分的区域所示。 在i 区内，选择分别与两条虚线垂直的矢量v 和v i 作为工作电压矢量，依次类 推如图2 8 a 。 e 0 1 1 ) 图2 8 a 各扇区电压选取向龄图 _ ， 氍0 0 0 考虑使各开关元件的切换次数尽可能最少，需要针对各扇区分别选择了零 矢量v i 和v 。，实际插入v i 还是v 。，应根据开关器件动作次数尽可能少的原则选 取，它不改变磁链轨迹，但可调节作用时间。各扇区的电压矢量作用次序如图 2 8 b 。 1 a o l b 0 1 c o 0 0 01 0 0l l o 1 1 11 1 01 0 0b o o1 1 1 i1 1 00 1 00 0 00 1 01 l ol l l | 1 _ _ _ _ _ _ _ 。- “ ，0 ，l垒1 0f 2，1 ，0，( )，2，3，0 生鱼 ，【) 42 22 i 224422222 4 西北工业大学硕j 学位论文第2 章p m s m 调速系统 i 8 0 1 b 0 c i o 0 0 0 00 1 0o l l 1 1 l0 l l0 1 00 0 c1 1 1o l l0 0 l0 0 0o o l0 1 l1 1 1 l ，oj 3 ，4，01 4t 3，( i如 ，4，5，ob“，o 422 22 2 4 422222 i 】 0 0 d0 0 l1 0 11 1 1l o l0 0 lb o d l l l1 0 l1 0 0 0 0 01 0 01 0 1 1 1 1 ，_ ，0，5 ，6r 0，6，5，1 )f )，6 ，l，( jn，6f i ) 422222 442 22224 图2 - 8 b 各扇区电压向龉作川次序 图2 8 中，各个扇区的作用次序可总结为二维数表的形式，方便于计算机 查表运算。 表1 开关分配表 k t 。4 t ，2t 。+ 2t 。2t + ，2 t ，2t 。4 1 ( 0 0 0 )( 1 0 0 )( 1 1 0 ) ( 1 1 1 )( 1 1 0 )( 1 0 0 )( 0 0 0 ) 2( 1 1 1 )( 1 1 0 )( 0 1 0 )( 0 0 0 )( 0 1 0 )( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) 3( o o o )( o l o )( 0 1 1 )( n 1 )( 0 1 1 ) ( 0 1 0 )( 0 0 0 ) 4( 1 1 1 )( 0 1 1 )( 0 0 1 )( 0 0 0 )( 0 0 1 )( 0 1 1 ) ( 1 1 1 ) 5 ( 0 0 0 )( 0 0 1 ) ( 1 0 1 )( 1 1 1 )( 1 0 1 )( 0 0 1 )( 0 0 0 ) 6( 1 1 1 )( 1 0 1 )( 1 0 0 )( 0 0 0 )( 1 0 0 )( 1 0 1 ) ( 1 1 1 ) 其中s 代表所在扇区，t 代表向量作用时间。 2 l 西北工业大学硕士学位论文第2 章p m s m 调速系统 2 2 3空间矢量脉宽调制逆变器输出电压约束 对于三相交流电机系统，要求空间脉宽调制产生三相对称的基波相电压信 号，用方程式表示为： 矿。= ys i n p ) vb = v s i n ( 0 2 万3 ) ( 2 - 3 8 ) 矿( = vs i n f0 + 2 厅3 ) 式中v 为基波相电压的幅值；0 = 口，t ，刃，为基波相电压的角频率。 变换到得a 、d 坐标系，则有： 矿。，：vs i n 目一j v c o s o = 一j v e 伊 ( 2 3 9 ) 的参考电压空问矢量在复平面用半径为v ，旋转角速度为珂。的圆轨迹表示，如 图2 - 9 所示。从图中可以看出，采用空间矢量脉宽调制输出的最大基波相电压 幅值是与六角形相切的圆的半径o m 。在三角形o m l 中，o l = 2 3 。， o m = h 。j ，即空间矢量脉宽调制输出的最大基波电压幅值为： k m = 3 ，( 2 - 4 0 ) 辰孤_ 。7 图2 9 参考电压空间矢量圆轨迹 在实际系统中，特别是在电机系统突然加减速时电机转矩变化较大，数字 电流环提供的电压参考矢量，很可能超出逆变器输出最大电压时的参考信号。 因此，为保证合适的空间矢量脉宽调制方案，必须对电压参考信号或逆变器的 输出能力加以约束。 2 2 西北工业大学硕士学位论文 第2 章p m s m 调速系统 对电压参考信号的约束，可采用如下方法，若 吃+ 。 令v 、吲= y ：。；p 乙 则 吃：鲁+ _ 。 吃+ 2 畿w 。 对逆变器输出能力的约束，可采用限制开关的导通时间来实现。 若瓦+ 瓦+ ， r 则取 = 去+ 瓦 珐= 去 ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) 在以上的算法中，磁链近似圆的半径只与工作电压矢量作用时阳j 有关，当 各有效宅压矢量作用时闯确定后磁链的恒定控制就得到实现，变压变频的任务 由零矢量作用时间完成。当给定频率f 改变时，t s 改