（电机与电器专业论文）基于单神经元pi控制的永磁同步电机伺服控制系统研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr e l e v a n tt e c h n o l o g i e s ，t h e r ei sat r e n dt h a t a cs e r v os y s t e mw i1 1r e p l a c ed co n e e s p e c i a l l yw h e nh i g hp r e c i s i o na n d p e r f o r m a n c ea r en e e d e d s p e c i a l l y p m s ma cs e r v os y s t e mt h a tu s e sp m s ma sa c t i o n c o m p o n e n ti sd e v e l o p i n gr a p i d l y ，a n di tw i l lb et h ef i r s tc h o i c e o fm o d e r na c s e r v od r i v es y s t e ms t e pb ys t e p t h isp a p e rm a k e sm a t h m o d e lso fp m s m ，t h e na n a l y z e st h et r a n s v e c t o rc o n t r o l t h e o r ya n dc h o o s e sv o l t a g et r a n s v e c t o rc o n t r o lp r o j e c tb a s e do ns v p 删w e e s t a b l i s ht h es y s t e mm o d e li nm a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，a n df i n i s ht h e e m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a 1 s o w ed e s i g na n de x p e r i m e n taf u l ld i g i t a lp m s ms e r v o c o n t r o ls y s t e mw h i c hu s e st m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ad s pt h a tt ic o r p o r a t i o nd e s i g n sf o rm o t o r c o n t r o ls p e c i a l l ya ss y s t e mc o r ea n di n t e l li g e n tp o w e rm o d u l ea sp o w e rc o n v e r t o r t h er e s u l t sb o t ho fe m u l a t i o na n dh a r d w a r es h o wt h es y s t e mh a sg o o dd y n a m i c p e r f o r m a n c e sa n ds t a t i co n e s b e c a u s eo ft h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rw h i c hc a n t r e g u l a t ec o n t r o lp a r a m e t e r sa u t o m a t i c a l l y ，w eu s ean e wc o n c e p t i n t e l l i g e n tp i d c o n t r 0 1 w eu s es i n g l en e u r a lc e l lp ic o n t r o l l e rw i t ha d j u s t a b l eg a i nt od o p o s i t i o ns e r v oa c t i o n t h i sc o n t r o l l e rh a ss i m p l es t r u c t u r e ，s t r o n gs t u d ya b i l i t y a n da d j u s t a b i l i t y t h er e s u l t so fe m u l a t i o ns h o wt h a ti t sp e r f o r m a n c ei sb e t t e r t h a n t h a to fn o r m a lp ic o n t r o l l e r k e y w o r 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 s v p w m s i n g l en e u r a lc e l lp i f u l ld i g i t a ls y s t e m 第一章绪论 第一章绪论 随着相关科学技术的迅速发展，伺服控制系统在许多场合得到了广泛的应 用，人们对伺服控制产品的性能要求也越来越高。随着交流电机调速理论的不断 发展，以交流伺服电机为执行电动机的交流伺服控制系统由于具有了可与直流伺 服系统相媲美的性能，并且能够发挥其自身优势，因而现代伺服驱动控制正逐渐 朝着交流伺服控制的方向发展。而永磁同步电机( p m s m ) 因其卓越的性能正逐渐 成为交流伺服控制系统执行电动机的主流之选。在此背景下，研究与开发高品质 的p m s m 伺服控制系统，具有极其重要的现实意义。 1 1 伺服驱动控制概述 伺服系统的主要任务就是按照控制命令的要求，对信号进行处理，使执行元 件的输出力矩、速度及位置都能得到灵活精确的控制。 按执行元件的不同，伺服系统可以分为两类：( 1 ) 电气伺服控制，以电机为 执行元件；( 2 ) 流体动力伺服控制，这其中又可分为液压控制和气压控制，它们 分别以矿物油和压缩气体作为工作介质。 液压系统能进行高速，大功率控制，其缺点是发热大、效率低、易污染环境、 不易维修等。气压系统维护容易，无污染，能在各种恶劣环境下工作，缺点是空 气可压缩会使其运动性能恶化。电气系统易于控制，节能，环保，随着相关技术 的发展，性能有了大幅的提高，在一些场合已经有了取代液压，气压系统的趋势。 伺服系统发展紧密地与伺服电机发展相联系，至今为止经历了三个阶段1 3 6 】： 第一阶段：2 0 世纪6 0 年代以前，液压伺服和步进电机直接驱动得以广泛应 用，系统响应时间短，而且多为开环系统。这一时期是液压伺服系统的全盛期。 第二阶段：2 0 世纪6 0 到7 0 年代间，直流伺服电机迎来了全盛发展期。由 于直流电机的励磁电流和电枢电流可独立控制，电磁转矩和电枢电流成正比，转 矩响应速度快，因而具有良好的调速性能。但是，赢流电机机械换向方式会产生 电火花，这加重了电刷和换向器的损耗，限制了其在易燃、易爆、多尘等环境中 的应用。 第三阶段：2 0 世纪8 0 年代至今，以机电一体化发展为时代背景。由于电机 理论及材料科学、控制理论取得了突破性进展，出现了无刷直流伺服控制，永磁 浙江大学硕士学位论文 同步伺服控制等多种新型电动机伺服控制技术。同时微处理器的迅速发展使伺服 驱动装置经历了从模拟式到数字模拟混合式再到全数字化的发展历程。 步进电机是一种存在转差率的同步电机，用电脉冲信号进行控制。每输入一 个脉冲，步进电机就转动一个角度，无需位置反馈，容易实现开环控制。作为一 种性价比较高的伺服执行元件，步进电机广泛应用在数控机床、计算机外设、医 疗设备、包装机械等系统中，其结构见图1 1 。 图1 1 步进电机掩侧系统 步进电机需要配备专用的驱动电源爿能工作，控制器输入脉冲信号和方向 信号，环形分配器实现电机绕组通电逻辑的控制，其输出信号经过功率放大电路 驱动步进电机运转。 为了获得更好的控制效果，步进电机驱动器常采用微步细分驱动。一般情况 下，根据脉冲分配方式，步进电机各相绕组电流轮流切换，使步进电机转子步进 旋转。如果每次进行脉冲切换时，只改变对应绕组中额定电流的一部分，那么转 子每步转动也只是原有步距角的一部分。额定电流分成多少个级别进行切换，转 子就以多少步完成一个原有的步距角。换句话讲，微步细分控制就是把传统上用 简单方波实现的控制，改用正弦阶梯波束实现1 3 4 】。 微步细分驱动不仅可以使步进电机完全消除电机低频振荡，获得更小的步距 角，提高电机的分辨率和输出转矩，也可以显著减少电机的发热和噪声p 孔。 步进电机存在矩频特性，即当其处于高速运行时，输出转矩特性会急剧恶化， 从而限制了步进电机的应用场合。 常用的交流伺服电机主要有感应式异步电机( i n d u c t i o nm o t o r ，i m ) 和永磁 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 ，p m s m ) 两种。 感应式异步电动机具有以下优点：宽弱磁范围，低齿槽脉动转矩，制造简单， 整机价格低廉。它的缺点在于：须从定子端励磁，功率因数低，所需变频装置容 量大，而且转子参数随温度变化会影响磁场定向的准确性。同时，低速运行时发 热比较严重，而低速运行又往往是伺服控制机构经常所处的运行状态。异步电机 2 第一章绪论 交流伺服系统的一个显著特点就是：容易进行弱磁控制，实现高速运彳亍【”。 永磁同步电动机与感应电动机相比，转子采用永磁材料，不需要励磁电流， 可以显著提高功率因数，减少了定子电阻损耗，而且在稳定运行时不用担心转子 电阻损耗。 就永磁同步电动机的控制形式来分，通常可分为方波电流控制型和正弦波电 流控制型两种。前者多被称为无刷直流电动机( b l d c m ) 交流伺服系统，后者多 被称为永磁同步电动机( p m s m ) 交流伺服系统。 永磁同步电机伺服系统与异步电机伺服系统相比具有下列优点【1 1 1 2 1 ： ( 1 ) 永磁同步电机没有笼型转子，与异步电机相比，具有较低的惯性，对于 电机转矩具有更加快速的响应能力，即转矩惯性比较高； ( 2 ) 永磁同步电机不需要转子励磁电流，无转子损耗，且转子无发热问题； ( 3 ) 异步电机控制比永磁同步电机复杂； ( 4 ) 永磁同步电机效率较高，对于同等容量输出，需要的功率整流器、逆变 器较小。 由上所述，永磁同步电机具有功率因素高、动态响应快、运行乎稳、过载能 力强等优点，自然被选作本文所研究伺服系统的执行电机。 1 2 交流伺服领域相关理论 目前产业应用的交流伺服系统主要包括以下几方面技术【3 】： ( 1 ) 永磁同步电机 永磁同步电机的发展与永磁材料的发展进步密切相关。目前，永磁同步电机 采用的永磁材料主要有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁材料三大类。稀土永磁材料主 要包括钐钴和钕铁硼。其中钕铁硼永磁材料具有高的剩磁感应强度、矫顽力和磁 能积，因而其特别适合在电机中使用。以前它存在温度系数大，容易氧化生锈等 不足。经过近年来的不断改进，这些缺点大多已经克服。现在钕铁硼永磁材料最 高的工作温度己可达1 8 0 。，一般也可达1 5 0 。，己足以满足绝大多数电机的使用 要求。到2 0 世纪9 0 年代初期，钕铁硼永磁材料已经占据了世界铁磁市场的 5 0 】。我国钕铁硼资源非常丰富，随着制造工艺的不断进步，性能的逐步提高， 价格逐渐下降，钕铁硼永磁材料在永磁同步电动机中的应用也会越来越广泛【4 】。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 控制策略 在交流伺服系统设计中，控制策略的正确选择发挥着至关重要的作用，优良 的控制策略可以有效弥补硬件设计上的不足，从而进一步提高系统的综合性能。 高性能交流伺服系统对控制策略的要求可以概括为：系统具有快速的动态响应和 高的动静态精度，而且对参数的变化和外部扰动具有不敏感性( 即鲁棒性好) 。 现在交流伺服系统常用的控制策略有：v v v f 控制、矢量控制、p i d 控制、 直接转矩控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经网络控制等。 ( 3 ) 全数字化技术 最初的电机控制系统大都是采用分立元件的模拟电路，其往往具有体积大， 可靠性低，抗干扰能力差等缺点。随着电子技术的进步，采用微处理器和集成电 路模块，实现数字化控制，能显著提高系统可靠性和抗干扰能力，同时也能实现 各种复杂控制算法。d s p ( 数字信号处理器) 和f p g a ( 现场可编程门阵列) 在交流伺 服控制系统中就得到了越来越广泛的应用。 全数字化是未来伺服驱动技术发展的必然趋势。全数字化不仅包括伺服驱动 内部控制的数字化，伺服驱动到数控系统接口的数字化，而且还包括测量单元数 字化。因此伺服驱动单元内部三环( 位置环速度环电流环) 的全数字化、现场总 线接口、编码器到伺服驱动的数字化接e l ，是全数字化的重要标志 3 3 1 。 随着d s p 芯片价格不断下降，性能不断提高，特别是电机控制专用d s p 芯 片的出现，为交流伺服系统的全数字化提供了硬件支持。如美国r n 公司的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列，主频可达3 0 m h z ，芯片内集成了a d 转换模块、p w m 模 块及一些通用的i o 口，可以实现将交流伺服系统中的位置、速度和电流控制全 部由软件完成【5 】【6 】。 而像f p g a 或者c p l d 这样的可编程逻辑器件，可以多次反复擦写，集成度 极高，一块芯片往往就含有上万个门电路。所以一块f p g a 就能够替代多块分立 元件，从而极大的简化了系统，降低了成本。 ( 4 ) 电力电子技术 电力电子技术横跨“电力”，“电子”与“控制”三个领域，是现代电子技 4 第一章绪论 术的基础之一，已被广泛地应用在工农业生产，国防，交通等各个领域，有着极 其广阔的应用前景。在电机调速与控制中，运用电力电子技术所构成的各种调速 装置更是弱电对强电实现控制的桥梁和纽带1 7 1 。自5 0 年代末世界上第一个功率 半导体开关晶闸管发明以来，出现了一大批高电压，大电流的大功率半导体电子 器件，如大功率二极管，各类晶闸管，大功率晶体管( g t r ) ，m o s f e t ，i g b t ， i p m 等等。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，极大地推动了各类电机的控制。可以说每一次电力电子器件或者 理论上的突破都会使电机控制系统的性能有所提高。 1 3 交流伺服系统研究现状 伺服系统通常包括电流环、速度环和位置环三个控制环节。相应地，针对这 三个环节，国内外众多学者进行了大量研究。 1 9 7 1 年，德国的b l a s c h k e 等人提出了矢量变换控制理论，通过坐标变换的 方式在交流电机上模拟直流电机的控制规律，极大提高了交流伺服控制系统的性 能。矢量变换控制涉及变量众多，运算量大，致使其系统往往比较复杂。 1 9 8 5 年，德国d e p e n b r o c k 和日本t a k a h a s h i 提出了直接转矩控制理论。通 过定子磁链定向，实现对电磁转矩的直接控制。直接转矩控制系统简单，但是也 存在着逆变器开关频率不固定，转矩电流波动大等问题。 脉宽调制( p w m ) 控制技术是利用半导体功率器件的通断把直流电压变成 电压脉冲列，并通过调节脉冲列的宽度或周期以达到变压变频目的【s 】，主要有滞 环调制、正弦波调制( s p w m ) 、空间矢量调制( s v p w m ) 等。 滞环调制实现简单，但电流谐波分量大，系统性能较差；s p w m 调制由正 弦波信号波和三角载波相交形成电压脉冲，在数字实现时出现了多种不同规则的 采样方法。2 0 世纪8 0 年代德国b r o e e k 提出了空间矢量脉宽调制，它具有线性 范围宽，电流高次谐波少，调制比高，易于数字化实现等优点【2 9 】。 永磁同步电机伺服系统是典型的非线性、参数时变系统，采用传统的p i d 控 制难以获得令人满意的控制效果，因此需要设计一种有更强自适应能力和鲁棒性 的控制器。现在智能控制理论得到了很大发展，比如滑模变结构控制，自适应控 制，模糊控制，神经网络控制等。将其同p i d 控制相结合，构成的智能p i d 控制， 浙江大学硕士学位论文 因其出色的控制性能，在交流伺服控制领域已经得到了越来越多的应用。 1 4 交流伺服系统发展趋势 综合交流伺服系统的发展现状，展望其未来，全数字化、微型化、高性能化 和智能化将是交流伺服系统今后发展的必然趋势1 3 9 1 。主要表现为： ( 1 ) 伺服技术将继续迅速地由直流伺服系统转向交流伺服系统； ( 2 ) 交流伺服系统将向两大方向发展：一个方向是简易低成本的交流伺服系 统将迅速发展，应用领域进一步扩大；另一个方向是向更高性能的全数字化、智 能化、软件化伺服发展，以满足高精度数控机床、机器人、设备精细加工的需要， 这是交流伺服系统发展的主流，反映了交流伺服系统发展的水平和主导方向； ( 3 ) 交流伺服系统内采用数字电路，实现全数字化，同时提供十分丰富的自 动诊断、保护、显示等功能，根据运行要求，可以很方便地设置参数，增强与上 位控制机的通讯能力； ( 4 ) 未来交流伺服系统将引入软件伺服控制的设计思想，重点突破软件伺服 功能模块的算法以及电机动态参数辨识和控制模型重构等问题，通过功能模块在 线编程，针对被控对象负载变化要求，对交流电机的位置，转速和输出转矩实现 高精度的软件伺服控制； ( 5 ) 高性能数字信号处理器将越来越多的用于交流伺服系统，在控制上由通 常所采用的p i d 控制开始转向将智能控制理论，如模糊控制、神经网络等应用于 交流伺服系统研究中； ( 6 ) 交流伺服系统中的电力电子器件将不断向高频化方向发展，智能功率集 成电路将进一步得到普及； ( 7 ) 交流伺服控制系统的性价比会进一步提高。 1 5 本课题的意义及主要内容 高性能交流伺服系统作为一个高尖端技术产品，在航空航天、军事、机器人 及精密加工等高科技领域具有十分重要的地位。近年来，研究和开发高性能交流 伺服系统也理所当然的成为了工业控制领域的一大热门。 本课题选择主流的永磁同步电机为控制对象，运用先进的空间矢量变换控制 6 第一章绪论 策略。由于控制对象是时变及非线性的，传统p i d 控制难以达到要求，我们引入 了先进的智能控制理论对其进行改造。硬件上，采用d s p 芯片为核心构建数字 控制系统，利用其高性能完成一系列复杂的算法。总的来讲，本课题对于高性能 交流伺服系统的研究是具有一定参考意义的。 本文共分为五个章节： 第一章：简述了伺服控制系统的发展过程，从各方面比较了交流伺服控制常 用的两种执行电机。介绍了交流伺服控制领域相关理论，研究现状和发展方向， 以及本课题的意义及主要内容。 第二章：首先简单介绍了永磁同步电动机的结构和特性，然后介绍了矢量控 制理论和相关的数学推导过程，通过建立数学模型分析了转子磁链定向控制的原 理。提出了基于空间矢量p w m 控制的永磁同步电机矢量控制实现方案，最后分 析了空i 日j 矢量p w m 控制的理论和具体实现。 第三章：介绍了几种常用的系统仿真软件，接着在m a t l a b s i m u l i n k 环境 下建立了永磁同步电机矢量控制的模型，再按模块进行了具体介绍。最后给出了 相关仿真实验波形，并分析了结果。 第四章：首先介绍了p i d 控制的原理，针对传统数字p i d 控制的局限性， 引入了智能p i d 控制。接着介绍了神经网络相关理论，提出了一个基于单神经元 自适应的位置环p i 控制方案。最后用m a t l a b 建立模型，对单神经元自适应 p i 控制器进行了仿真试验。 第五章：首先介绍了d s p ( 数字信号处理器) 的特点，接着提出了以t i 公司 专用电机控制d s p 芯片为核心构架的永磁同步电机伺服控制系统。按模块对硬 件设计做了介绍，然后分析了软件编程的相关问题，并给出了软件流程图。最后 对系统进行了实验，并对实验结果作了简单分析。 7 第二章永磁同步电机矢量控制相关原理 第二章永磁同步电机矢量控制相关原理 电机控制的关键是转矩控制。在很长一段时间里，直流电机以卓越的控制性 能成为了控制系统执行元件的主流之选。相应的，交流电机由于电机定，转子各 绕组之间耦合紧密，形成了一个复杂的非线性系统，使其转矩与电流不成正比， 瞬时转矩控制困难，导致其动态控制性能较差。直到1 9 7 3 年，德国的f b l a s e h k e 等人提出了矢量变换控制方法，它以坐标变换理论为基础，参照直流电机运行方 式，极大的提高了交流电机的控制性能【1 0 1 。 2 1 永磁同步电机简介 同步电机是转子励磁，定子电枢绕组通以对称正弦波电流的交流电机。同步 电机要稳定运行，定子电枢绕组产生的旋转磁场与转子励磁磁场在空间要保持相 对静止，这也是称其为同步电机的原因。 永磁同步电机与普通电励磁同步电机有很多相似之处，定予由三相电枢绕组 和铁芯构成，而且通常按星形连接。它们之间的区别主要在于转子励磁方式不同， 前者采用高性能永磁体提供励磁磁场，永磁体相当于具有恒定电流的直流励磁线 圈，而后者则采用转子励磁绕组励磁，励磁电流既可以是直流电流，也可以是交 流电测1 。 目前常用的永磁材料多为稀土永磁材料，比如钕铁硼( n d f e b ) 合金，钐锢 ( s m c o ) 合金等，高性能稀土永磁材料的剩余磁感应强度达到了1 1 2 t 以上， 娇顽力达到了7 0 0 k a m ，而且退磁曲线为直线，因而回复线与退磁曲线重合f l l 】。 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，可大大减少电枢反应。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【1 1 。 永磁体在电机转子上的安放方式主要有两种：面装式和内置式。面装式见图 2 1 ( a ) ，利用强力胶将片状永磁极粘贴在转子表面( 也有在转子铁芯表面开槽埋 入永磁体片的做法，在效果上相似) 。这种结构下，永磁体提供径向磁通，是较 为常见的一种转子结构。内置式见图2 1 0 ) ，在转子内部开槽，将永磁体放置在 槽内。根据永磁体放置方式的不同，可能提供径向磁通也可能提供轴向磁通。但 是这种结构存在磁极短路的风险，需要在适当位置填充非磁性材料，使转子结构 浙江大学硕士学位论文 趋于复杂。由于这种转子磁路结构不对称，会产生磁阻转矩，有助于提高电机的 过载能力和功率密度，适于恒功率弱磁控制运行场合。 尸、弋 ( ) ( - - ) 、_ ( a ) 表面式( b ) 内置式 图2 1 永磁同步电机转子磁极结构 永磁同步电机运行可进行开环或者闭环控制1 1 1 。 ( 1 ) 对于丌环控制系统，不需要安装位置传感器，简单改变供电电源频率就 可以达到调速目的。不过，对永磁同步电机来讲，转子转速要同定子电源频率保 持同步。由于转子转动惯量的存在，定子电源频率不能改变太快，否则会出现失 步的现象。转子转速落后于电源频率，会严重影响控制精度，甚至出现停机。 ( 2 ) 对于闭环控制系统，需要转子位置信息，以避免失步现象发生。转子位 置信息的获取可以采用精度相对较高的光电编码器，也可以采用无位置传感器的 方法。 永磁同步电机具有电磁转矩波纹系数小、动态响应快、运行平稳、过载能力 强等优点，非常适合用于负载转矩有较大波动的场会：它的功率因数高，轻载节 能效果明显；而且电机体积小、重量轻、结构多样化，环境适应性强。正是由于 永磁同步电机突出的特点，非常适合在交流伺服系统中的应用，目前已经得到人 们越来越多的关注 4 1 。 2 2 矢量控制原理 2 2 1 矢量控制原理的提出 电动机调速的关键是转矩的控制，电动机的电磁转矩是由主磁场和电枢磁场 相互作用产生的。交流电机之所以比直流电机控制性能差，主要就是由于转矩关 系中各变量相互耦合，互不独立，难以直接控制。例如以隐极同步电机来说，其 9 第二章永磁同步电机矢量控制相关原理 电磁转矩满足公式乃= k 。f f 7s i n0 ，两个磁动势互不垂直，互相耦合。 要想控制好转矩，不但要控制好定转子电流的幅值，还要控制好定转子电流矢量 之间的夹角，用一般方法很难实现。 1 9 7 1 年，由德国b l 勰c l l l ( e 等人首先提出了交流电动机的矢量变换控制( t r a n s v e c m rc o n t r 0 1 ) 理论。其基本思想是在三相交流电动机上设法模拟直流电动 机的控制规律，将电流矢量分解成产生磁通的励磁分量和产生转矩的转矩分量， 并使两分量互相垂直，彼此独立，分别进行调节。这样，交流电机的转矩控制， 从原理和特性上就与直流电机相似了【l l 口 矢量控制的最终实施仍然是落实到对定予电流的控制上。由于定子侧的物理 量都是交流量，其空间矢量以同步速旋转，控制不方便。因而这里需要借助坐标 变换，将各物理量由静止坐标系转化到同步旋转坐标系，站在同步旋转坐标系上 观察，空间矢量就都变成了标量。再设法找到转矩与被控空间矢量的关系，得出 相应的直流给定量，从而就可以按照直流电机那样的方式去控制交流电机。 考虑通常的三相绕组，在空间位置上互差1 2 0 。机械角度，当在其中通入三 相对称电流，在相位上互差1 2 0 。电角度，则会产生一个按同步速转动的圆形旋 转磁场，在旋转过程中，其合成磁场强度不变。而且产生这样的旋转磁场不一定 非要三相绕组，单相，两相及多相对称绕组都能产生这样的旋转磁场，关键是要 通入相应的对称电流。比如说两相对称绕组，空间上相互垂直，当通入9 0 。相 位差的两相对称电流以后，它产生的旋转磁场与三相绕组的旋转磁场有完全相同 的特性。 以上考虑的都是电流静止的情况，现在我们在一个旋转体上放置两个匝数相 等，相互垂直的直流绕组m 和t ，对其分别透入直流电流l m ，1 7 ，它们的合成 磁场也是恒定磁场，可以通过调节其中任意一个电流来改变合成磁场的强度。当 此旋转体以同步速开始转动，它们产生的合成磁通也会同步旋转，这个旋转磁场 同前面提到得三相，两相绕组产生的磁场也是可以完全等效得。我们可以简单通 过调节直流电流量来控制转矩，这与直流电机的运行原理是相一致的。 上面提到的三种旋转磁场磁极对数相同，磁场强度相等，转速一样，则可以 认为三相磁场系统，两相磁场系统和旋转的直流磁场系统是完全等效的。因而这 三种磁场系统之间可以相互进行等效变换。 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 坐标变换 在矢量变换理论中，涉及到四个相关的坐标系，如图2 2 所示： ( 1 ) 定子静止三相a b c 坐标系，三条坐标轴在空间上间隔1 2 0 。均匀分布； ( 2 ) 定子静止两相a p 坐标系，两条坐标轴垂直，b 轴为逆时针方向超前a 轴9 0 。，而且a 轴与a 轴重合； ( 3 ) 转子旋转d - q 坐标系，两条坐标轴垂直，d 轴定向在转子磁链歹。方向上， q 轴为逆时针方向超前d 轴9 0 。，坐标轴随转子同步旋转； ( 4 ) 定位坐标系m t ，两条坐标轴垂直，t 轴逆时针方向超前m 轴9 0 。， 坐标系以同步速转动。在转子磁链定向的情况中，此坐标系同d - q 坐标系完全等 效，m 轴同d 轴重合。 t 网2 2 欠跫变换坐标系 1 ，三相静止坐标系a - b - c 与两相静止坐标系a b 之间的变换。 一个旋转矢量i 从三相定子a - b c 坐标系变换至两相定子a b 坐标系，通常 称之为c l a r k e 变换，也叫做3 2 变换，其矩阵形式为： 卜吲 ( 2 - 1 ) 由于定子三相绕组按星形连接，一般中性点不接地，故其零序电流乇= 0 。 其逆变换为 第二章永磁同步电机矢量控制相关原理 t c e i = 嘲 j t ；己慨= 1 1 2 1 2 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 2 ，两相静止坐标系a - b 与定位坐标系m - t ( 在转子磁链定向的情况下，也 就是同转子旋转坐标系d q ) 之间的变换。 一个旋转矢量i 从两相定子静止坐标叶b 变化到转子旋转坐标系d - q ，称为 p a r k 变换，也叫做交直流变换，其矩阵形式为： 肛豳 这里的e 为d 轴与a 轴的夹角。 其逆变换为 i - c o st 9t w - k2 【- - s i n t 9 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 1 2 一2后一2一| 2 笪2 一2 5一： l 0 l 2 3 0b七 ，。l o笪2笪2 r_，j 秒矽 l s o s c 浙江大学硕士学位论文 肛豳 - c o s 秒 破2 医秒 l ( 2 7 ) ( 2 8 ) 2 2 3 标么值系统 众所周知，用有名值表示的变量采用实际的单位，如电压为v ( 伏) ，电流 为a ( 安) ，其物理概念清楚，但不同容量电机的参数问不便于比较【惶1 。而且它 们所处的数量级差别很大，像转速电压这些量往往是1 0 2 ，1 0 3 这样的量级；时间 常数，采样周期往往是l o 。，l o 。这样的量级。如果我们直接把这些数值代入微 处理器中计算，很容易引发数值溢出的现象，从而造成很大的误差。 故在工程计算中常采用标么值系统，其定义为 标么值= 甄毒 显然，各变量的标么值是没有量纲的；而且通过适当选择基值，可以把标么 值的数值控制在较小范围，对于数字化系统的处理来说，这是非常有利的。 我们之前提到的坐标变换通常有两种类型：一个是恒相幅值变换，变换前后 各相变量的瞬时值幅值不变；另一个是恒功率变换，变换前后的功率保持不变。 恒功率变换使变换后定转子互感是可逆的，但是变换前后标么值不同。恒相幅值 变换能够保证变换前后标么值不发生变化，而且通过适当的选择基准量，可以解 决互感系数可逆问题，因而本文采用恒相幅值变换。 下面的关键是选择适当基值，选择的原则为： ( 1 ) 使采用标么值后方程式的形式与采用有名值时的相同； ( 2 ) 用标么值表示的电枢与转子绕组间的互感系数是可逆的。 分析电机中各物理量的量纲可知，各量纲都可以表示为电压，电流与时间三 个量纲的组合。因而我们先选取这三个变量的基值，然后再导出别的基值 1 2 l 。 1 j p m 秒 商 吣 一 c 第二章永磁同步电机矢量控制相关原理 通常电j 土，电流基值米用具额定僵的幅值，而不用有效值，故而： = = 2 ( 2 9 ) ib = i n m = q 2 i n 1 2 1 0 ) 其中，厶为电压，电流基值；，凡为相电压，相电流额定值。 对于时间基值，定义如下： 11 2 百2 瓦万( 2 - 1 1 ) 其中，为时间基值，即在额定频率 下经过一个电弧度所需的时间。 由此可以推导出其他各变量的基值如下： 阻抗基值 角频率基值 z 。：警 6 ( 2 1 2 ) 1 缈62 = _ ( 2 1 3 ) b 机械角速度基值g 2 警 c z - 电感基值 电容基值 磁链基值 功率基值 转矩基值 铲毒2 铷 c a2 壶= 缶缈a髀，国 6 = l 6 l = u 6 t 6 ( 2 1 7 ) 只= 3 u ，= 詈u 。，砌= 詈u 。厶( z 一- 8 ) 瓦= 岳= 警2 c o1 2 m 厶( 2 - 1 9 ) 。 q 66 “、“7 7 2 2 4 转子磁链定向控制 永磁同步电机具有正弦形的反电动势，其定子电压，电流也为正弦波形 2 7 1 。 浙江大学硕士学位论文 假设电机参数不随温度变化，忽略电机铁芯的饱和，不计磁滞和涡流损耗。1 3 坐标为定子静止两相坐标系，d - q 为转子旋转坐标系，如图2 3 所示。 p d ， 尹w 。 、 7 k 雨 a u 翻2 3 转了滋链定阳矢麓鲻 所谓转子磁链定向矢量控制，就是将定位坐标系m 轴定向在转子磁链。方 向上，坐标轴随转子同步旋转，即是说m 轴与d 轴重合。由于m t 坐杯系与d - q 坐标系相重合，建立在这两个坐标系上的同步电机模型也应该是相同的。 基于电动机统一理论的结论可以得到，转子坐标系( d q 轴系) 中的永磁同 步电动机定子磁链方程为： 甲d s = l a 露+ 甲7 ( 2 2 0 ) 、壬，；= 厶 ( 2 - 2 1 ) 式中，、王，转子磁钢在定子上的耦合磁链； 厶，厶永磁同步电机的直，交轴主电感： ：s：s 幻，q - - - - d 定子电流矢量的直，交轴分量。 p m s m 定子电压方程为： u ：= 茹+ p 、壬，：一彩、壬，； ( 2 2 2 ) 甜；= 名葛+ p w ；+ 彩、壬，：( 2 - 2 3 ) 式中，甜d 8 ，u ：定子电压矢量甜5 的直，交轴分量； 缈转子角频率。 p m s m 转矩方程为： 第二章永磁同步电机矢量控制相关原理 乃= ( 嘭一k ) = 甲薯+ ( 厶一) 戮】( 2 - 2 4 ) 由转矩方程可以看出，永磁同步r t t 机转矩基本取决于转子磁链和定子电流的 交直轴分量。由于永磁同步电机的转子结构为永磁体，产生的磁链幅值基本恒定 不变，所以可以采用转子磁链定向的方式来实现永磁同步电机的高性能控制。 为了简化系统，可以把定予电流矢量始终控制在q 轴上，即茹= 0 ，那么电 磁转矩只与定予电流的幅值成正比。此时定子电压方程可以改为： 甜：= 一c o l g i ； ( 2 2 5 ) 甜；= + l q 盟d t + 洲 ( 2 捌) 转矩方程为： 乃= p 。甲7 菇( 2 2 7 ) 从上面一系列公式推导可以看出，转子磁链定向控制以后，乃只与转子转 矩分量( 交轴电流) i ；呈正比，且、壬，7 与i ；相互解耦。可以简单的通过调节f ； 达到控制转矩乃的目的，也就是说永磁同步电机矢量控制能达到直流电机那样 简单方便的控制性能。 2 3 矢量控制策略 永磁同步电机矢量控制策略根据不同的性能要求可分为如下几种【1 1 】： ( 1 ) 直轴电枢电流为0 的控制策略 这个控制策略在上面已经提到过了，即是在控制过程中保持永磁同步电机定 子电枢电流直轴分量等于0 。这种控制策略算法简单，控制灵活，在永磁同步电 机控制系统中有广泛的应用，本文也是采用这种策略。 需要注意的是，这种策略控制的永磁同步电动机，只能在额定转速以下范围 内运行，否则转子永磁磁场产生的感应电势就会等于甚至超过端电压，最终无法 作为电动机运行。 ( 2 ) 最大转矩电流比的控制策略 直轴电枢电流为0 的算法还有一个缺点，它致使永磁电机本身气隙磁阻不均 1 6 浙江大学硕士学位论文 匀，忽略了磁阻转矩的作用，使单位电流的电磁转矩没有达到最大。最大转矩 电流比的控制策略就是着眼于如何使单位电枢电流产生的电磁转矩最大。 当永磁同步电机转子气隙比磁导均匀时，类似于隐极同步电机。此时最大转 矩电流比控制与直轴电枢电流为0 控制完全一样。 当永磁同步电机转子气隙比磁导不均匀时，类似于凸极同步电机。 如果三d 0 ，电枢反应起助磁作用。这时以增强转子励 磁磁场，提高电机功率因数的方式束提高单位电流电磁转矩。当转速超过额定转 速时，这种控制策略的电机无法作为电动机运行。 ( 3 ) 弱磁控制 永磁同步电机弱磁控制的思想为：在电枢电压额定的条件下，永磁同步电机 转子励磁磁场被定子电枢反应磁场削弱的同时，定子电枢反应磁场的空间转速相 对于电枢绕组不断提高。因为当电枢电压达到极限值时，为了使电机能以更高的 转速运行，必须维持反电动势等于额定状念时的大小，反电动势与转速和气隙磁 通的乘积成正比，因而随着转速的上升，气隙磁通要相应减小，即所谓的弱磁控 制。 为了减小气隙磁通同时维持反电势不变，可以利用直轴电枢反应去磁作用削 弱转子励磁磁场。显然。永磁同步电机等效气隙越大，电枢反应去磁作用越小， 气隙越小越有利于电枢反应去磁。因此，弱磁控制永磁同步电机通常以凸极转子 内置式永磁同步电机居多，而表面式转子永磁同步电机由于等效气隙较大采用弱 磁控制相对效果不明显。 ( 4 ) 最大输出功率控制 电动机转速超过最大电磁转矩对应的极限转速以后，定子电流矢量沿着电压 极限曲线在电流极限曲线内部取值，对给定转速存在最大输出功率点对应的定子 电流矢量。 第二章永磁同步电机矢量控制相关原理 2 4 永磁同步电机矢量控制基本方式 永磁同步电机矢量控制通常有两种控制方式：电流型控制和电压型控制。它 们之间的区别在于形成d - q 参考电流之后处理的方式不同。 2 4 1 电流型矢量控制 电流型控制方式基于电流跟踪s p w m 控制，通过电流参考值与测量值之差 控制p w m 信号，强迫定子电流快速逼近参考电流曲纠，系统如图2 4 ： 溯2 4 永磁同步电机电流矢镄控涮系统躐理嘲 系统主要由定子电流检测，2 一粥变换，电流滞环比较器，位置传感器等 构成。2 b c 是转子旋转坐标系到定子三相静止坐标系的变换，其矩阵如下： 件阁 h训 ( 2 - 2 8 ) 浙江大学硕士学位论文 c o s 占 c 。s ( o - 姿) c o s ( 一一4 - 7 1 ) j s i np “咄一争 “n ( 护一争 ( 2 2 9 ) 其过程如下：由电流传感器得到两相电流值乞，毛，由之= 一( 屯+ ) 求得l c ；转子位置传感器测得电机转子空问位置( d 轴) ，计算得到转予的转速 和电角度：经过速度调节器以后，得到转子交轴电流参考值耐：由一和 可通过由2 肥交换z 一- - 。窥参考值k 何，6 ，阿：e h - - - 相 定子电流参考值与测量值比较以后通过一个电流滞环控制器去控制三相逆变器。 电流型控制主要应用在模拟控制，优点是有快速的动态性能，但是模拟器件 存在温漂，元件老化，难于实现先进控制算法等缺点。 2 4 2 电压型矢量控制 图2 5 永磁降j 步电枫电m 矢鬃拧制系统原理图 电压型控制基于空间矢量p w m 控制策略，其系统结构如图2 5 ： 系统主要由定子电流检测，c l a r k e 变换，p a r k 正逆变换，s v p w m 模块，转 子位置传感器等部分构成。 1 9 第二章永磁同步电机矢量控制相关原理 其实现过程如下：由电流传感器得到两相电流值，由z 。= 一( 屹+ ) 求得乇，经过c l a r k e 变换和p a r k 变换得到转子交直轴电流值，o ；转子位 置传感器测到电机转子空间位置( d 轴) ，计算得到转子的转速和电角度；经过 速度调节器以后，得到转子交轴电流参考值k w ，再通过电流调节器得到空间 电压矢量交直轴分量“w 一，甜。蝌；经过p a r k 逆变换，形成s v p w m 控制信号， 驱动逆变器对电机进行控制。 电压型控制基于空间矢量p w m 控制，能提高逆变器的电压输出能力，且开 关频率固定，适合于数字控制。本文采用得正是这种方案。 2 5 空间矢量p w m 控制( s v p w m ) 匈牙利学者在1 9 世纪8 0 年代首先提出了空间矢量p w m 控制理论 3 9 1 。经典 的s p w m 控制是从电源角度出发，着眼于生成一个三相平衡正弦电压源。空间 矢量p w m 控制则是从电动机的角度出发，基于磁链跟踪控制思想，着眼于如何 控制逆变器功率开关以改变电机的端电压，使电机内部形成的磁链轨迹去跟踪由 理想三相对称j 下弦波电压供电时所形成的基准磁链圆【l 。 空间矢量脉宽调制技术，能有效改善电机转矩脉动，减少电流波形畸变，并 且易于实现数字化i 川。其原理图如图2 6 ： 系统由矢量时间计算环节，p w m 信号发生器，以及三相电压型逆变器组成。 p w m 以往常用模拟积分器和比较器产生三角形载波和开关动作时刻，本文 采用基于微处理器的数字化控制方式，用数字定时器代替积分器。数字化参考信 2 0 浙江大学硕十学位论文 号与高重复频率的实际定时器计数值相比较，可获得需要的高分辨率【1 3 】【2 9 1 。 典型的三相电压型逆变器是由六个可控开关器件组成，其结构如图2 7 ： 卜 ， i b f霉i 1 啦习 ，k 蚓 l 潮2 7 三栩电压型逆变器典塑结掏 逆变器同一桥臂上下两个开关元件状态互补，一个导通的同时另一个必然 关断，因而可以用上半桥臂的三个丌关a , b ，c 的状态来描述整个逆变器的工作过 程。 假如元件导通状态用“l ”表示，关断状态用0 表示，则逆变器共有8 个开关状态组合。根据不同开关状态下三相定予绕组电压值，u b ，u c 通过 c l a r k e 变换，可以得到复平面上8 个相应的基本空间电压矢量，即 “品o ，缩l ， u o i o ，1 1 0 0 ，u 0 1 i ，u 1 0 1 ，1 0 ，i i ，( u 0 0 0 表示a = 0 ，b = 0 ，c = 0 时的空间 矢量，以此类推) 。其中，和“ i 为零矢量，其空间分布如图2 8 。 n 1 8 夕 u b 勿毫? 。 o 图2 ，8 空问矢量分布图 空间矢量p w m 调制将电压矢量作为一个整体来考虑，利用基本空间矢量去 2 l 第二章永磁同步电机矢量控制相关原理 逼近电机参考矢量甜，其工作原理如下： 这里矿= 材。阿斗j “，阿，即是由定子两相静止坐标小p 上的电压参考值作 为复平面上实数值和虚数值得到电压参考矢量。参考矢量矿按固定的时钟频率 2 z 进行采样的，从图2 8 中可以看到，整个复平面被基本空间矢量分成了6 个区域，每部分占有6 0 。电机运行时，参考矢量u 4 总是会落入6 个区域之 一，因而我们可以用分割这一区域的两个基本矢量去逼近甜+ ，其满足公式： f t u = 五砰+ 正甜； 1 r = 互+ 五十霸( 2 - 3 0 ) 式中，材：，甜：甜+ 所处区域相邻基本空问矢量； t 一一一系统p w m 周期； 五一基本矢量甜i 施加时间： 乏一基