（电机与电器专业论文）永磁同步电动机无传感器直接转矩控制研究.pdf

沈i 业人学颇 “学似论文 s e n s o r l e s sd i r e c tt o r q u ec o n t r o lf o rp 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 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c l _ 1 1 o n o u sm o t o r ( p m s m ) d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i np m s mi sr e p r e s e n t e ds y s t e m a t i c a l l y t h ez e r o v o l t a g ev e c t o r s ， 、h o s cf u n c t i o n sa r ek e e p i n gt h eo u t p u tt o r q u ea n c h a n g e da n dr e d u c i n gt h et o r q u er i p p l e ，a r e a n a l 、，z e di nd e t a i l sb a s e do i lt h es c h e m e ，t h es i m u l a t i o nm o d e lf o rp m s md t c i ss e tu pu s i n g m a t l a b s u 1 1 u l i x l k t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ed y n a m i cr e s p o n s et i m eo ft h et o r q u ea n d s p e e do n l yi ss e v e r a lm i l l i s e c o n d s w h i c hv e r i f i e sa d e q u a t e l yt h ev i m l eo fd t ca n dt h e e f f e c t i , , e n e s so f t h ep r o p o s e ds t r a t e g y i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e s ，t h ed t cb a s e do ns p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( s v m ji sp r o p o s e df o rp m s m ，i n c l u d i n gs p a c ev e c t o rc h o i c ea n d m o d u l a t i o n t h es v md t c c a nd r a m a t i c a l l yi m p r o v et h es t e a d ) , a n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s a tt h es a m et i m e ，t h e f e a s i b i l i t ) ，o fs e n s o r l e s so p e r a t i o nf o rp m s md t ci sa n a l y z e da n das p e e de s t i m a t i o ns c h e m ei s p r o p o s e d 1 1 0 、，e lc yt h ef c l m b i li t yo fd o v c ，t h ec o n v e n t i o n a lp m s md q e x p e r i m e n tj sm a d e a h i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a lp l o c e s s o r ( d s p ) i s u s e da sa c o n t r o l l e r t h eu s e di n t e l l i g e n tp o v e e r m o d u l e ( 、i p m ) a si n v e r t e rg r e a t l yd e c r e a s e st h eb u l k o fs y s t e r n t h es e n s o r so fl e m c o r p o r a t i o na r ea p p l i e dt ot h ec t m e n ta n dv o l t a g ed e t e c t i o n ，w h i c hi n c r e a s et h es y s t e m s a m p li n gp r e c i s i o n f h ec o n t r o ls o f t w a r ei sd e s i g n e d i n la s s e m b l el a n g u a g eb a s e do nd s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 t h i ss o f h v a r eh a sr e a l i z e df l m c t i o n so ft h es t a t o rp h a s ec u r r e n ts a m p l i n g c a l c u l a t i o no f t h ep h a s ev o l t a g e ，o b s e r v i n gs t a t o rf l u xm r dt h eo u t p u to f s w i t c h i n gs i g n a l ，e t c ，a s t h ed r i v i n gs i g n a l so fi p ma r el o wa c t i v e ，t h es w i t c h i n go fs p a c ev o l t a g ev e c t o ri sr e d e s i g n e d f h ep r i t l l l r ve x p m i m e n t s0 1 t h eo p e n l o o pa n dt h ec l o s e d l o o pw i t h o u tl o a da r ec o m p l e t e d t h e o b ta l i n c dr c s u h sa 1 ca n a l 3z c d t h ef e a s i b i l i t yo fs y s l e ms c h e m ei sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n a n d e x p e r t m e t l t s w h i c hh a se s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h 、 沈r 业人学硕十学位论文 k q ，w o l d s ：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 ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，s p a c ev e c t o r m o d u l a t i o n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o i i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究】： 化孜取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，沦文t l 一不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也刁i 包含为获得 沈刚：i ：业j 人学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校：阿权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布沦文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 掺 ：焘垂是导师签名：聋堑丛亟| 三| 期：堕2 ：堡 沈口f f 业入学硕十学何论文 1 绪论 1 1 永磁同步电机的发展概况 永磁同步电机是同步电动机的一个分支。最早的永磁材料由于性能低下，永磁电机 非常笨重，不久就被电励磁电机取代。但是新型永磁材料的出现，使永磁同步电机的性 能有了很大提高。与电励磁同步电动# j l ，i h 比，永磁同步电机具有体积小、功率密度高、 效率和功率因数高( 功率因数c o s 妒= 1 或者接近于1 ) 等明显的特点，在7 0 年代术 和8 0 年代初引起了从事电机及其驱动系统研究学者的广泛关注。 与传统的异步电机相比，永磁同步电机具有以下的优点【2 j ： ( i ) 明显的节能效果。永磁日步电机以永磁体代替电励磁，且无励磁损耗，吐 于 定、转子同步，转予铁心没有铁耗，因此，永磁同步电动机的效率比电励磁同步电动机 和异步电动机的效率高，而且不需要从电网吸取滞后的励磁电流，从而大大节约了无 功，极大地提高了f 乜机的功率因数。 ( 2 ) 永磁同步电机具有较硬的机械特性，剥。r 因负载变化而引起的电机转矩变化 具有较强抑制作用。 ( 3 ) 稀土永磁同步电机较异步电机尺寸大大减小，成为高密度，高效率电机。 ( 4 ) 永磁周步电动机的转速与电源频率问始终保持准确的同步关系。控制电源频 率就能控制j l l 帆的转速。 e l m 永磁同步f 乜机已经广泛应用于国民经济各个领域。如建筑行业中的混凝士搅 拌机、数控机床、轮船推进机等。家电行业的海尔、长岭圣方等知名厂家萨在准备在冰 箱、空渊的衙冷机内采用水磁同步f 色动机。数控机眯的主4 ；f i i 伺服系统也逐步采用永磁同 步i o l 。蚓c i 且且j = j 汽午rg m ) 公j t t e l ：甜j j = f k 功1 7 f ，j 用j i a m 能电池赛车的永磁同步 乜机t 7 该 太能褰牟在1 9 8 7 年澳大利且巨的“世界太阳能车”大赛，：| j 荣获冠军) ，功率为 1 5 k w ，重量为3 7 k g ，其功率比同尺寸的普通型电机大3 0 4 0 ，效率高达9 2 。 荚、英、法等嗣家的海军已将永磁电机应用于舰船制造，下代潜艇的推进电机将使用 水臌例步 h 动机。 沈r ii 业人学硕卜学似论文 永磁同步电动机可直接用于开环变频调速系统，尤其适用于由同一变频电源供电的 多台电机要求准确同步的传动系统中，既简化控制系统，又可以实现无刷运行，而且较 高n 0 效率刷功率因数叮以减小价格昂贵的配套变频电源的容量，因而在各种调速系统中 的应用越来越广泛。这类电机通常山变频器频率的逐步升高束起动，在转子上可以不设 置起动绕组。德国制成的6 相变频电源供电的1 0 9 5 k w 、2 3 0 r m i n 稀土永磁同步电动 机，用于舰船的推进，与过去使用的直流 乜动机相比，体积减小6 0 左右，总损耗降 低z f ) 五红，1 n j 且省去了电刷利换向器，维护方便5 i 。 变频器供电的永磁同步电动机加上转予位置闭环控制系统构成自同步永磁电动机， 既具有电励磁直流电动机优异的调速性能，又实现了无刷化，这在要求高控制精度和高 可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外围 改备和家用电器等方面都获得了广泛应用。 永磁同步电动机在结构上要比笼型异步电动机复杂，比直流电动机简单。它和同容 量的直流电动机相比，具有效率高、过载能力大、体积小、转动惯量小、省维护等优 点，并且町以做到大容量、商转速和高i ej j i 和异步电动机阔速系统相比，还具有功率 川数i 苛、转于参数可洲、效率高、定转予气隙大、控制性能好等方丽的优势。新型永磁 材料的出现，使得永磁同步电动机具有很高的功率密度，优良的动、静态品质( i f 反转 时州约为1 3 m s ，空载加速度达到1 0 0 0 r a d s 2 ) ，因而在各种家用电器、数控机床的进给 系统和机器人。扣得到了广泛应用。 综l ? 所述在j 种渊迎系统中，直流调速系统虽然历史悠久，技术成熟，并且在不 断地完善自己( 如全数字化) ，但由于直流电动机的固有缺陷，必然被交流调速系统所 取代，与异步电动机传动系统相比，有竞争能力的当祸永磁同步电动机传动系统，它已 引起人们的极 ：避，衲! f b 气传动领域中t 与有很大比重，从俐内外研究和国内引进设备 术再，水臌i , j 步 乜动机洲速系统趟米越受到电气传动专家、学者、j ：程技术人员的，。泛 重视，相信不久的将来，在取代直流调速系统方丽其作用将超过异步电动机调速系统i “ 7 1 2 型生生些丛兰必笆垡羔 1 2 直接转矩控制技术的发展现状 无论是交流传动还是直流传动，无论是电机动态还是稳态，传动系统的根本问题是 转矩的控制。因此，很多学者致力于电机直接转矩控制的研究。在同步电机普遍采用的 矢量控制中，由于磁体位置的偏移、磁性材料的分布不均、电流传感器非线性化和电流 调节器的局限等因素，以及非优化的参考电流等导致电机转矩和电机的铜耗增大，因 此，矢量控制并不能实现 张t 4k 1 9 宜接控制。可以看出，矢量控制在理论上f 1 趋完美，但 在实现过秘+ - 较为复杂，而且矢量控制在转矩控制、弱磁控制和无传感器技术方面都存 在由于本身控制思想带来的实现上的复杂性，因此，人们试图寻找种新的思路来摆脱 矢量控制所面临的困难。 1 9 8 s 乍山德豳鲁尔大学d e p e n b r o c k f 8 】教授首次提出了直接转矩控制( d i r e c tt o r q u e c o n t r o l ，旃称d 1 c ) 的理论，l 9 8 7 年推广到弱磁调速范围。这种控制方式使定子磁链 依照f 六边形轨迹运动，由于正六边形的六条边分别与六个非零电压空间矢量对应，因 此可以通过三个施密特触发器来简单切换逆变器的六个工作状态，直接通过六个非零电 l ：字州矢量实现磁链轨迹控制。与其它方式相比，这种控制方式结构简单，在输出f 剐咩 的频；铷元r i ：jr 关次数最少，丌关损耗低，因而在要求元件丌关频率不太高的大功率场 合得到广泛应用。这种技术已成功地应用于兆瓦级交流电气传动机车上，如德国的大功 率g t o 电力机车，s i e m e n s 新研制的样车e g r o s p r i n t e r 等。 扫于在这种方法中定子磁 链足投j ! ：i 八边形轨迹运动的敞f 巳、 1 j 流波形畸变比较严最低迷时转矩脉动较火， 会n 定程嫂诞制直按转砸挖制的性能发挥。 直接转矩控制的另种形式是由f = ：| 本学者i t a k a h a s h i l 提出的，是一种定子磁链 运动轨迹近似为圆形的控制方案。这种方法通过实时计算电机转矩和磁链误差，结台电 机i f r 磁链的空问位置来选择棚应f f , ，7 1 关矢量。由于磁链运动轨迹近似为图形，e b j j ：、 l 也流中的谐波岔量存定程度上减少了，但控制系统显得复杂一一些，这种控制方式能充 分发挥新型电力电子器件( 如i g b t ) 的丌关频率优势。因而在中小功率场合获得广泛 应用。 _ _ f ：久量控制刁：同瓯棱转矩控制摒弃了解耦的思恕取消了旋转坐标变换，简即地 j 1 1 过枪删f l 定予1 乜l l 冲ir n 流，借助瞬时空州矢鼠理沧训算电机的磁链和转矩，并根据 沈刚f 业人学硕 j 学位论文 与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。因此，该方案一经提出就有很多 学者进 j - - t 大量的研究，并力图转为实际应用。直接转矩控制技术足现代先进的电机控 制技术之一，它的优秀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 界祁产业界的热切关注。t h 于该控制方法理沦的不完备和对计算机处理速度的要求，真 到】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， 他们认为宜接转矩控制将是一f 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 强发展这个系统i l 。由此可见，泼控制方法的科学意义和巨大的经济价值。 直接转矩控制与矢量控制相比，它的主要特点是【h 】： ( 1 ) 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动 机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机和直流电动桃进行比较、等效和转化；既不必 要模仿随流电动机的控制，也矸i 需要为钾粕而简化交流电动机的数学模型，省掉了复杂 的矢量旋转变换与汁算。矧此，它所需要的信号处理工作简单，所用的控制信号易于观 察，能够对交流电动机的物理过程作出蓖接和明确的判断。 ( ”，“接转矩控制的磁场定向采_ l = j 的是定_ 磁链轴，只要知道定子电阻就可以把 它观测；b 柬。而矢疑控制的磁场定向所用的足转予磁链轴( 异步r 乜动机) ，观测转子磁 链需要知道电动机转予电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控 制性能易受参数变化影响的问题。 ( 3 ) 饩接转矩控制采用空间电压矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和 j 弼州符物删量，矬04 题摘。坼明了。 ( 4 ) 阻接转矩控制强渊的是转矩的：直接控制效果，因为无沦足直流传动还是交流 传动，无论f 乜机是处于动态还是稳念，传动系统n j 良本问题都是转矩的控制。 尽许爱 州摔；训11 砰步hl t ；el ：获得了如此破人的成功，似咳项技术戍朋到同步电 饥j ：蚓j 己符l i 之后的事了。其问的困难土要是因为同步电机和异步电机运行的机理不 同。异步电机蓖接转矩控制是建立在对电机转差角频率控制的理论基础_ l f i ：j 而同步电 机中从宏观上来讲不存在异步电机捌有的转差角频率。因此，直接转矩控制技术应用于 步r l k , f y l , l 首先需要斛决其控制理沦的问题。 沈f ：业人学硕十学位论文 多年来一直希望有突破性的工作来打开同步电机直接转矩控制的局面。c h r i s f r e n c h 等人在1 9 9 6 年提出的转矩控制方案中采用转矩控制器取代电流控制器，但这也 不是真哪对 矩进行商接控制，因为还是使期了电流环，电流环的时闯常数限制了电 机快速性的提高，所以无法体现出直接转矩控制系统快速性的优点和精华。直到：1 9 9 7 年南京航空航天大学与澳太利亚新南威尔士大学合作，l z h o n g 、m f r a h m a n 和 y w h i _ 等人j 率先把真按转矩控制与永磁同步电机结合起来，提出了基于永磁同步电 ；j 1 ( i 9 1 随接转矩控制理论，实现厂永磁闹步电机南接转矩控制方案，并且成功地拓展到了 剩磁恒功率范围，1 ；f j ( 得了一一系列成果，为同步电机直接转矩控制玎创了新的篇章i b i 直接矩控制技术经过近二十年的发展，各方面性能都在不断提高，并已进入实用阶 段，国外目前已成功应用于大功率高速电力机车、地铁和城市有轨电车的主传动系统 中。例如穿越英吉利海峡的高速列车采用的就是这种控制系统。德固和闩本在这方面的 研究屠于领先地位。当前研究主要侧重于以下几方面盼1 5 j ： ( 1 ) 磁链调节器和转矩调节器的细化改进； ( 2 ) 智能7 f ：关状态选样器的研究： ( 3 ) i 巳压矢鞋选择方式的改进： ( 4 ) 改善低速性能的研究； ( 5 ) 无速度传感器直接转矩控制系统。 总之，直接转矩挖制的发展得益于现代科学技术的进步。现代控制理沦和智能控制 列! 沦( 以模弼控制和人工 ：1 1 i 经网络为主) 是人们改进d t c 系统最主要的理论依据。高性 能的数字处理器d s ，和众多新型器件的出现，则为改进d t c 系统提供了强大的物质基 础。现在，人们对d t c 系统的研究往往还是从改善系统某些性能出发，对所用的理论思 想逆行部分的改进，也就是晚整个领域的研究还基本停宦f 在个局部完善的水平一h ，而 没仃达到全面提高的层次。因此，追求整体性能最优将成为今后亩糍转矩控制研究的：# 要方向。 1 3 本课题的研究意义及主要内容 i l 接牝斟! 控制羊 | 采t 【1 f j 斛梆控m ij 思想的控制方法不问邑是一种瞬时转差控制方 案，其柏小州j 二矢量控制的全新的优点：快速动态响应，对参数依赖小，控剖结构简 一) 一 也它已成功地应用到了交流测速系统中。当前，国际交流调速技术的发展相当迅速， 各种应刚先进控制策略的变频器也层出不穷。相比之下，我囡的交流调速技术起步较 魄，虽然近年来发展较快，但与西方发达国家的发展水平仍有不小的差距，特别是在产 业化方谣，差距更大。国内的变频器市场基本上被国外的产品所占领，对于高性能的交 流调速系统，国内也还基本上不具备批量生产的能力。随着现代工业的发展，对交流调 逾技术的要求必然会越柬越高。因此研制开发高性能的交流调速装置是项紧迫的任 务，荆我阳国民经济的笈疑具有重要的意义。 本课题是国家自然科学基会数控机床阿转进电直接驱动技术及其控制策略研究 i 5 0 3 7 5 1 0 2 ) 和辽宁省自然科学基金无传感器永磁直线电机直接推力智能控制综合性研 究( 2 0 4 0 t 6 4 ) 的一部分。本课题的设计目标是研究永磁同步电动机直接转矩控制原理 及控制策略，哎汁并渊试撼于j d s p 控制方案的直接转矩控制系统，同时在此基础上进行 无传感器方案的研究。具体包括以下内容： 第一章：简述永磁同步电机的发展状况及其应用，并介绍了直接转矩控制技术的特 点，现状和发展方向，提出了论文研究的意义。 第- 帚：建立了永磁同步电机的数学模型，并对永磁同步电机直接转矩控制原理和 控制系统进行了详细的分析，同时对整个系统进行了仿真研究。 第三章：介绍了空间矢量调制原理，并把它引入到直接转矩控制中，对空间矢量渊 制的直接转矩拧制方案进行了l ：棼细的理沦分析，然后介绍了永磁同步电机无传感器直接 4 ：矧- 羟制乃案。 第心章：详细介绍了直接转矩控制硬件系统的实现过程，硬件系统主要包括功率驱 动电路、信号检测电路和d s p 控制电路，为了实现直接转矩控制系统的需要，深入学习 租掌握了公司的l f 2 4 0 7 及其丌发系统电路扳的一些特殊功能，并在此基甜：上设计和 史现了术系统所需要的数字控制电路板。 第扎章：介绍了t i 公司提供的软件悄试环境c c c 2 0 0 0 ，详细描述了软件系统的构 成情况，并提供了各个程序的流程图和软件算法。 第厶章：对实验测试结果进行分析和讨沦。 6 沈ih 眦人学顺十学位论文 2 永磁同步电机直接转矩控制原理 2 1 永磁同步电机的数学模型 硝j 电机连续运行的情况下，为了实现对永磁同步电机电磁转矩的有效控制，在同步 旋转坐标系中把定子电流矢量分解为两个分量，一个分量与电枢磁动势重合，称为转矩 电流分量( 即q 轴电流分量) ：另一个分量与励磁磁场重合，称为励磁电流分量( 即d 轴f 乜流分量) 。通过控制定子电流空问矢量的相位和幅值的大小，也就是控制转矩电流 分量和励磁电流分量的相位和幅值的大小，来实现对磁场和转矩的解祸控制。 在同步旋转的坐标系下，小口轴的定子电压方程可表示为 1 6 1 式中p = d 折，其峙 j = r 。1 d + p 中。f f or 中， z t q = | t 、i q p 掣q 七c 。，i ，d 缈d = l a i d + 妒i 眠= li q 式中： 。、“。一分别为定予绕组d 、口轴电压： i 。、i 。一分别为定子绕组d 、口轴电流； ，、i ，一分别为定予绕组d 、q 轴磁链： 上。、上。一分别为定予绕组d 、q 轴l 乜感； ，转予永磁体磁链； 躬，一定二f 绕组电1 5 i l ； m - - 4 。07 f i o f n 频： ：； 综合( 2 1 ) 至( 2 4 ) ，写成矩阵形式有 u 。, 。, q = 。r 珊+ ，- p ，l ar 一, 出+ p l j l 。i 。 j + 二， 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中甜，盼实际上是d 轴永磁体磁链在g 轴线圈中产生的运动电动势，也就是空载 电动势，既有d 。= o ) 。3 ，又有= 三磊，所以l 7 1 p ，：- , 压e o ( 2 6 ) 式中e o 是永磁体励磁磁场在相绕组中感生的j 下弦空载电动赞有效值。 j 足，可通过宅载实验确定，。 ：=。co。si(。o。,印)，一co。si(no。,b-一2万：厅3，)，：薯笏；：；：lfi1 c z - ， p 。= 昙也+ d q l 。) t 7 2 8 ) p m = i t ，j jq ， z d ， p 。，= a - ，p c 2 ，( p ，0 一f 。) ( 2 9 ) 2 - w 一咿q l d1 、二j 式中：t 9 一电机的极对数 一0 一电机的机械角速度 川乱产生n 勺电磁转矩为 瓦。等2 主加) ( 2 1 ( ) ) = 导p ，+ ( t ，一厶) i ， 警小? j ( 21 1 ) ，8 直接转矩控制是在静止参考坐标系下实现的，不需要像矢量控制那样进行复杂耗时 的坐标变换一 二面的论述仅仅讨沦了旋转坐标系下的数学模型，下面则对在混合参考坐 标系下的各个物理量进行拙述，以便推导出可以充分说明囊接转矩控制原理的数学模 型。 图2 1 表示的是永磁同步电机定予和转子混合参考坐标系。d q 坐标系是固定在定 予上的两j 、1 1 静l i 二坐标系， i q 坐标系是固定在转子上的旋转坐标系，其中转予磁链的轴 向为d 轴的订i 方向，d 轴与a 相绕组的央角为口，x y 坐标系为固定在定子上的旋转坐 标系，定予磁链的方向为x 轴的正方向。本文定义x 轴与d 轴的兴角占为转矩角，x 轴 超前d 轴时，转矩角为j f 。在忽略定子电阻的情况下，转女l ! 角即为我们熟知的功角。当 l 乜机稳态运行时，定、转予磁链都以同步速旋转。因此，在恒定负载的情况下转矩角莎 为阻定值。当电机瞬态运行时，转矩角则因定、转予磁链旋转速度的不同而不断改变。 幽2 1 混合参考坐标系 根捌各怫j ：系在空蚓l 的刘应必系，可得d 一口坐标系到x j ，坐标系的变换式为 z 耻篇占刘 ( 21 2 ) 反之铂 则下列关系成立 z b i r 9 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 沈ii 。业人学倾十学位论文 阱z 霉纠 又依9j 矧定于磁链的c ，一印轴分量为 帆= 川c o s d 【= 帆i s i l , 占 将( 2 1 4 ) 、( 2 ，1 6 ) 代入式( 2 1 0 ) 中得： 瓦2 扫虬l ( 2 】5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 式( 2 1 7 ) 泌明t f 包机转矩随着定子电流y 轴分量和定子磁链幅值变化。在定子磁链幅值 一一定的。i # b 见t ，电机转矩则与定子电流y 轴分量成比例。 将( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 14 、代入( 2 1 5 ) 可得： 孑： 2 。一l t c o s 26 + ls i n - d -。l，。,，。s。in!dd+co厶s8。i+。l。qjssindcosd+l。sindcosdi n j c 。s 占 ： j jl 一 一o s ! d “一i n 。j忆f + 将式( 2 1 6 ) 代入( 2 1 5 ) 得 蹦f 铷 + 丁专( lc f 9 6 + l , g d ) 1 v 2 去h ，一沪i m i 洲) 如倒 将f 2 2 0 ) 代八( 2 1 7 ) 得电机转矩一般表达式 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 j ( 2 2 0 ) i = 丢p 去呲2 v f l 。蜘d 他i 胁咖舵铂( 2 2 1 ) 1 0 一 1，j j 帕誊吲 p，。，l 南 得 卜 ，一 及 ，r嘲 沈l 。业人、产硕 j 学：何沦文 从以上推导过程得出的结论是，永磁同步电机的转矩除了与电机自身的结构和电感 参数有关外，还与定子绕组磁链幅值和定子绕组电流y 轴分量有关，或者说与定子绕组 磁谜幅值、永磁体磁链及它们之间的夹角有关。 2 _ 2 直接转矩控制系统的基本原理 2 2 1 电压型逆变器的数学模型 在交流澜速系统中，一个最重要的部件就是逆变器，通过对逆变器的控制，来调节 电机| 勺转速。逆变器有电压型逆变器和电流型逆变器。直接转矩控制系统中采用的是电 压型逆变器，如图2 2 所示，其中同一桥臂的上、下两个开关元件是互补动作的，即在 任f j - h , j 刻，它们总是只能一个断开，个闭合，这样电压型逆变器就可以由三个单刀双 掷丌关来表示，如图2 3 所示。 一 u d c瓦；瓦 lf ) 上| | 司if ii 图2 2 电压型逆变器 由图2 3 可以看出： 则三相合成电压矢量为 2 。n ：= 2 u ， ； 2 尹一 ， = 亏( u 一 ， 2 弘， a b c f u w = u “厂u m i uh v = u 一u l 【u m = u “) 一u m ”+ u ：q e m 2 ”+ u e 7 4 。 图2 3 电压型逆交器等效电路 ( 2 2 2 ) t 跹 ，+ n l e 沈i 业人学硕十。半，f 就论文 把5 。、墨，称为a 栩开关，毛、s 为b 相开关，s 。、为c 相开关。规定a 、 b 、c 三相负载的某一相与难极接通时，该相的开关状态为“l ”态；反之，为“0 ” 态。则8 种”关组台如袤21 所示。 表2 1 逆变器8 剥t 开关状态 状态 ol234567 s 。 00oo1ll1 s ， 0 n lt lo 0l s 。 0 1loo0 l 1 以a 相为例，逆变器输出电压与7 f 关状态的列应关系为 ，：心一， ( 2 2 4 ) l 一上，3 。= 一l 8 种丌关状态分为两类。其中，第一种为工作状态，为表中“1 - 6 ”状态，此时三相 负载并不接到相同的电位上去；第二种为零丌关状态，为表中状态0 和“7 ”，此 时三棚负载接剑相同的电位上，故负载电压为零。对应予上表的8 工】开关状态，对夕| 部 负载来说，逆变器输出的是7 种不同的电压状态。7 利，电压状态也有两类，一为工作电 压状态，一为零电压状态。若用电压空间矢量“。( ，) 来表示，则形成了7 个离散的电压 宅l _ i l j 父精。 劁2 r 1 给出了7 个空划r l ! 爪矢量的分自j ，其- t ( 0 0 0 ) ，( 1 i 】) 对应坐标系的原 点。 f l 爪空| 1 l l j 矢最的幅位不变，都等于4 1 r 3 。矢量的顺序从状态“i ”到状态“6 ”逆 时针旋转。所对应的丌关状态是0 0 1 0 1 1 一0 1 0 一11 0 l o o 一1 0 l ，所对应的逆变器电 队态， ! l j 电眍空间矢撬足 f ，l i ，。：一? f 。3 2 、i 一“5 一u 。6 。 山以上可得出结论： ( 1 ) 逆变器的六个工作电压状态给出了六个不同方向的电压空间矢量。它们刷圳 性现，相邻两个矢量之问相隔6 0 度： 1 2 ( 2 ) 各个电压空间矢量的幅值相同，等于4 e 3 ( e 为逆变器直流侧输入直流电 压的一半) 。因此六个空间电压矢量的顶点构成了正六边形的六个顶点。六个电压空间 失鼍的顺序足：“。( 0 0 0 一 f 。2 ( o r1 ) 一l ，3 ( o i o ) - - u ，。( 11 0 ) 一2 l ，5 ( 1 0 0 ) 一z ，“( 1 0 1 ) 它们沿逆时 针方向依次旋转： ( 3 ) 零电压空问矢量位于六边形的中心。 ( 0 0 1 ) + 圈24 空阃电压矢量 7 2 2 直接转矩控制的基本原理 永磁同步电动机定子绕组的磁链方程如下所示： = ( 以一r f 。，) d r ( 2 2 5 ) 在空间电压矢量作，h 的一段时m ，罩，磁链可描述如下【堪1 ： i = ?14 0 。= 、7 要u 。k s 。+ 邑p 了十疋p 了 f r ，f + i l f ，瑚 ( 2 2 6 ：) 1j 当输入电压为一非零矢量时且忽略定子电阻压降的影响，定予磁链将沿输入空l w 电 j k 灭毓的疗向，以_ i 比于输入电e 的速度移动。因此，适当地选择施加到电机上的空洲 l ! ：久量，j 以使磁链的运动轨迹近f 以为划。如图2 j 所示，为了保持磁链幅值恒定， 列根掘磁链偏差大4 , , l l 磁链的具体方向，适当选取空划电疆矢量达到控制磁链的目的。 逆变器的六个空问电压矢量相差6 0 度，通常将空间分成六个扇区，本文用口表示，i 为 卜6 。巧i 州嘲i 曩采f i j 刁i 同的 u 爪矢量术增大或减小磁链。例f | 】在第一扇区，磁链逆州引 1 3 沈刚i 业人学硕十学f t 论文 旋转时， 乜压矢量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 实际运行条件随时选用。 圈2 5 电压矢量选择不惑图 式( 2 2 1 ) 的永磁同步电机转矩一般表达式说明，当定予三相绕组产生的磁链幅俊和 永磁体产生的磁链一定时电磁转矩随着定予绕组磁链和永磁体磁链之间的夹角6 变化 丽变化。r u 机稳态运行时，定子绕组磁链和永磁体产生的磁链在空问上以同步速度旋 转，转j ：h 角6 _ i 变。r b 机暂念运j j ：时，定子绕组磁链以电气时间常数变化，而永磁体磁 链的动态过程则以机械时间常数变化。换句话说，定予绕组磁键远快于永磁体磁链的变 化，即它在空间上旋转速度变化，转矩角6 随之变化，进而转矩随之变化。 刈j i 表阿安装磁板式永磁i 也机l ，= l ，= l 。，转l l i 为 7 ：= 妄f ，i 帆1 rs i n d ( 2 2 7 ，) “ 对于内埋式永磁电机三，产丘，依式( 2 2 1 ) 知电磁转矩包括两部分：其一为永磁体 r “电磁转矩：其一为由于交g & h 电感不等引起的磁阻转矩。 以上分析州知，在永磁同步电机笸一安转矩控制中，在保持定子磁链幅值蠢i 变的情 况下，控制定、转予磁链之| _ 扫的必角( 转矩角) 即可以控制电机的电磁转矩。要获得快 速的转- ) i o i l f l l 应赢快速改变定、转子磁链之划的央角。在赢接转矩控制中，既要限制定了 1 4 沈刚叫k 大学硕十学位论文 磁链幅值，以保证转矩变化与转矩角的变化一致，又要限制电机最大转矩的输出，使转 矩角限制在最大值范酎之内，以保证一定的过载能力下电机的稳定运行【1 9 t 1 。 2 3 直接转矩控制系统的实现方法 征阿接转l l j 挖制系统中，定予磁键与电磁转矩的控制是由两个p a n g p a i 唱控制器 来调节完成的。调节器的输出是由输入误差信号的符号来决定的，其实质是由磁链、转 矩与给定值的比较束决定的。将磁链和转矩两个调节器结合起来，共同控制逆变器的输 出电压矢量，就可以既保证电机的磁链在给定值附近变化，又可以使电机的输出转矩快 越跟随指令值，实现磁链和转矩的双闭环控制，从而使系统获得高动态性能。下面给出 具体的实现方法。 根据前面所述的直接转矩控制原理，本文所设计的直接转矩控制系统的基本框图如 2 6 所示，本系统采用的是无速度传感器的方案，速度信息的获取是山软件的计算方 法得到n 0 ： 罔2 6 控制系统基本框图 1 5 沈i qb l k 人学硕+ 学协论文 定予磁链与电磁转矩在直接转矩的实际控制中，是刁；能直接测量获得的。因此用状 态重构的方法来观测电机的磁链和转矩。一般都是通过检测定子电流、电压，然后山软 件计算的方法获得。 常用的定子磁链观测模型有电j i 模型和电流模型。根据式( 2 2 j ) 可以得到定予磁链 的电压模型也称2 f - f 模型。通过对反电势的积分得到磁链在定子两相静止坐标系口轴 和口轴的分量： 炉晔t r 瑚 ( 22 8 ) l r 2 扣f 一ib r 、瑚 因此磁链幅值为： p ，= ：+ ； ( 2 2 9 ) 该模型比较简单，理论上很精确。在计算过程中唯一所需要了解的电机参数是易于 确定的定：弘也阻，刚此列i 乜机的参数具有较强的鲁棒性。但该磁链观测模型也存在着一 些缺点，在低速时实现起来会存在一些困难： ( 1 ) 积分器存在漂移问题； ( 2 ) 当电机转速 低时，l ij f 邯h m 降所带来的误差会增大。 l w b + ， 二的i 巳磁转矩“j 以刚估算的磁链和采样的电流来计算，其表达式如下： 瓦= 丢p ( 。i 一p p 屯) ( 三3 0 ) 山直接转矩控制的基本原理可知，最终是要根掘转矩、定予磁链调节器的输出以及 定j ：磁链的能霞来决定逆变器合理的丌关状态，以输出合理的工作电盯i 矢量。在赢接转 矩挖街j 中，| ：j _ f 的是控制定予磁链按近似恒定圆形轨迹运行和控制转矩按给定指令值运 行。即要求定予磁链幅值运行在允许误差范围内，转矩波动值也在允许误差r 范 嘲l 勺，要满足以下条件： ：麓爹羞= _ j ， ? j 一i 7 ：玉巧+ 7 ： 其磁链和转矩控制分别圳到2 7 和2 8 所示： 1 6 沈1 业人学硕十学位论文 t + a t 一王 a 图2 7 圆形磁链轨迹控制图图2 8 转矩变化控制图 在永磁同步电机南接转矩控制系统中，由于系统通过控制电机两个磁场央角束 控制转矩，即f b 村l - 9 i t z 的变化是转矩角变化的函数。加入零矢量时，不考虑定千电 阻压降对定予磁链的影响，此时，定子磁链旋转速度为零，而永磁体动态过程则以 机械时唰常数变化，可视为定子和转予的相对位置不变化，即占= o 。因此，零矢 毓刈转矩变化没有贡献，即转矩变化为0 。仅当电机重载且考虑定予电阻的压降 1 ，定f 磁链幅值略有减少，从而转矩也将略有减小。如果定子磁链幅值变化不 大，可近似为o 。由此得到，在永磁同步电机直接转矩控制中，零矢量的作用是保 持当前转矩不变。根据所选运动矢量和零矢量的不同，电机_ 丌关表中的转矩可处于 二i 种状态：增加、保持和减小。基于零矢量的作用，它的控制规律如式( 互3 2 ，) 、 弘) 刊表2 2 所示。当实际转矩与给定转矩的洪差在给定误差环宽范围内时，选 _ | 4 | 零矢撮以保持转矩输出，减小电机转矩脉动，从而改善电机稳念性能。 ( 意) = t ( k ) = 1 y ：一。 i l ( k 1 ) 一陲a i , , ( 2 3 2 ) 0 i ? 一l l j 。一、| i l ，7 ：一瓦 c o ，l c 一刊7 ： 一1 r i 一瓦 ( 2 3 ： ) “接转矩控制是通过控制定予磁链的走向来控制转矩的，认为所加电爪矢昔戟 足定r 磁链的走向。如果要增加转矩，就要施加增大转矩角的电压矢量，从而增加 转钢! 。似是当转矩角增大到9 0 度的时候，如果再增大转矩角，电磁转矩不但不增 1 7 沈目t f - 业人学硕士学位论文 大，反而减小。如果控制系统不知道这利，情况的发生，仍然控制定子磁链向转矩角 增大的方向旋转，输出转矩继续减小，会造成系统的不稳定使永磁同步电机失 步，这种情况的发生足不允许的。所以系统必须对转矩角进行检测，防止这种情况 的发生。 表2 2 采用零矢景的) l ：关表 ? ： 目 口， 岛 只 只吼 lu 2 ( 1 1 0 )u 3 ( 0 1 0 )u 4 ( 0 1 1 )u 5 ( 0 0 1 )u 6 ( 1 0 1 )u 1 ( 1 0 0 ) l 0u 7 ( 1 1 1 )u o ( 0 0 0 )u 7 ( 1 1 1 )u o ( 0 0 0 )u 7 ( 】i l ) u o ( 0 0 0 ) 一l u 6 ( 1 0 1 )u 】【1 0 0 )u 2 ( 1 】0 )u 3 ( 0 1 0 )【j 4 ( 0 1 1 )u 5 ( 0 0 1 ) lu 3 ( 0 1 0 )1 4 ( 0 )u 5 ( 0 0 1 )f 3 6 ( 1 0 1 )u l ( 1 0 0 )u 2 ( 1 1 0 ) 0 0 u o ( 0 0 0 )u 7 ( 1 1 1 )u 0 ( 0 0 0 )u 7 ( 1 l i )u o ( 0 0 0 )u 7 ( 1 1 1 ) 一l u 5 ( 0 0 1 )u 6 ( 1 0 1 )u 1 ( 】o o )u 2 ( 1 1 0 )u 3 ( 0 1 0 )u 4 ( 0 1 1 ) l i 旧( 22 7 ) 1 1