（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊参数自整定pid控制的交流伺服系统研究.pdf

哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 s t u d yo f a c s e r v os y s t e mb a s e do nf u z z y s e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l a b s t r a c t a cs e r v ot e c h n o l o g yi st h ec r i t i c a lt e c h n o l o g yw h e nw es t u d ya l lk i n d so f m e c h a t r o n i ce q u i t p m e n t sl i k en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n ea n di n d u s t r i a lr o b o t ，e t c i n o r d e rt oi m p r o v et h ec o n t r o lc a p a b i l i t yo fa cs e r v os y s t e m ，w em u s ti m p r o v et h e d y n a m i ca n ds t a t i cr e s p o n s eo fm o t o r , w h i c hm a i n l yl i e so nt h ec o n t r o la l g o r i t h mi n s e r v oc o n t r o l l e r s o ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d yo fp a r a m e t e ra d ju s t i n go f p i dc o n t r o l l e ri nm o t o rc o n t r o la l g o r i t h m a n dt h e s t u d yg e t ss u p p o r tf r o m h e i l o n g i i a n gp r o v i n c es c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o j e c t a f t e rc o n s u l t i n gag r e a td e a lo fl i t e r a t u r e ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ec u r r e n t p r o b l e mi nd o m e s t i ca cs e r v os y s t e m ，a n dc o m p l e t et h ed e s i g no fd i g i t a lc o n t r o l c e n t r eu s i n gt m s 3 2 0 f 2 812 o ft ic o m p a n y , a l s oc o m p l e t et h ep o w e ru n i tu s i n gi p m a sp o w e rc o n v e r s i o nd e v i c e ；i na d d i t i o n ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n dp o w e rs o u r c eu n i ta r e r e a l i z e d c o n s t r u c tt h em o d e lo fp m s mb a s e do nv e c t o rc o n t r 0 1 a n dc o n s t r u c tt h e s i m u l a t i o nm o d e lo ff u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e rb a s e do nt h es t u d yo fr e g u l a r p i dc o n t r o l l e r t h e nc o m p l e t et h ed e s i g no fp r a c t i c ep r o c e d u r e d e s i g no ff u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e ri st h ek e y n o t eo ft h i st h e s i s i ti s i n t r o d u c e db yt h ea cs e r v os y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l ，a n dt h ev a l i d i t yh a sb e e n p r o v e db yc o m p a r i n gw i t hr e g u l a rp i dc o n t r o l l e r a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t r e s u l t s ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h mc a nb ev a l i d a t e d f u z z ys e l f - a d j u s t i n g p i dc o n t r o l l e rc a ni m p r o v et h ed y n a m i ca n ds t a t i c c a p a b i l i t yo fa c s e r v os y s t e m ，w h i c hc a nb ev a l i d a t e db yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t r e s u l t sw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d sv e c t o rc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，p i dc o n t r o l l e r , p a r a m e t e rs e l f - a d j u s t i n g i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于模糊参数白整定p i d 控 制的交流伺服系统研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明的部分 外，不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：苏佛日期：阳 弟弓绍彳曰 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于模糊参数自整定p i d 控制的交流伺服系统研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：弓纠睁 导师签名：压荨良 日期：切7 季岁7 习了日 日期：泗7 孑弓日了丹 哈尔滨理r 丁大学t 学硕j ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 伴随着现代工业的快速发展，标志着一个国家工业实力的相应设备如精密 机床、工业机器人等对其“驱动源”一电伺服驱动系统提出了越来越高的要求。 而基于正弦波反电势的永磁同步电动机( 简称p m s m ) 因其卓越的性能已日渐成 为电伺服系统执行电动机的“主流”i 1 1 。随着现代电力电子技术、微电子技术及 计算机技术等支撑技术的快速发展，以永磁同步电动机作为执行机构的交流伺 服驱动系统的发展得以极大的迈进。然而伺服控制技术是决定交流伺服系统性 能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。随着国内交流 伺服电机及驱动器等硬件技术逐步成熟，以软形式存在于控制芯片中的伺服控 制技术成为制约我国高性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈。研究具有自主知 识产权的高性能交流伺服控制技术，尤其是最具应用前景的永磁同步电动机伺 服控制技术，具有重要的理论意义和实用价值【2 ，3 1 。 1 2 伺服系统简介 1 2 1 伺服系统的定义 伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环 节等五部分，其系统结构如图1 1 所示。 图1 - 1 伺服系统结构 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo f s e r v os y s t e m 根据伺服系统图1 1 中各组成部分的区别，伺服系统有多种不同的分类方 法。按照执行元件即电机的类型通常可分为直流伺服系统和交流伺服系统；根 据控制器实现方法不同，可分为模拟伺服系统和数字伺服系统；根据控制器中 哈尔演理| t 人学工学硕上学位论文 闭环的多少，可分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制 系统f 5 】o 1 2 2 伺服系统的发展状况 对于发展高性能交流伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式 存在的伺服电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因数 的制约；而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控制理 论新的发展，尤其智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术 的迅猛发展，使得基于智能控制的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控 制策略的“集成 得以实现，并为其实际应用奠定了物质基础【6 l 。 伺服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时 伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干 扰，因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。为此，如何结 合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进控制器性能 是当前发展高性能交流伺服系统的一个主要“突破口 7 1 。 2 0 世纪8 0 年代至今，以机电一体化发展为时代背景。随着永磁材料和控制 技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电机( 方波电流驱动) 、交流伺服电机( 正 弦波电流驱动) 等多种新型电动机，同时电力电子技术、微处理器、传感器的迅 速发展引发伺服驱动装置进入了一个全新的数字化的阶段。作为交流伺服系统 的执行机构，交流伺服电机应尽可能体积小，重量轻，力矩大，并以准确、快 速的动作完成指令要求的任务。所以，交流伺服电机应具备以下基本条件： 1 体积小，重量轻，大转矩输出； 2 惯性小，以适应速度指令或位置指令的快速变化； 3 良好的控制性能； 4 宽广的调速范围，即要求伺服电机的转速能随控制电压的改变在宽广的 范围内连续调节； 5 控制转矩脉动小。 常用的交流伺服电机主要包括感应式异步电机( i m ) 和永磁同步电机( p m s m ) 两种。感应式异步电动机制造容易，价格低廉，不需要特殊维护。但在控制上 采用矢量变换控制，将转子电流分为与转子磁通方向一致的励磁电流和与之垂 直的转矩流，系统比较复杂。另外，转子电阻随温度而变化，会影响磁场定向 的准确性。低速运行时电机发热比较严重，而低速运行又往往是伺服控制机构 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 经常所处运行状态。因此，在交流伺服系统发展初期，感应式异步电动机交流 伺服系统虽一度得到发展和应用，但由于存在上述一些问题，异步伺服系统一 般应用于千万级及以上大中电机驱动，在中小容量低速伺服系统中大多采用永 磁同步电机。永磁同步电动机的磁场由转子上的永磁体提供，不需要励磁电流， 可以显著提高功率因数，而且减少了定子电流和定子电阻损耗，在稳定运行时 没有转子电阻损耗1 8 , 9 1 。永磁同步电机伺服系统与异步电机伺服系统相比具有以 下优点： 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 一定的电机转矩具有快速响应的能力，转矩惯性比高； 2 永磁同步电机无转子损耗，效率较高，且转子无发热问题； 3 永磁同步电机转子为永磁体，不需要定子励磁电流，对于同等容量输出， 异步电机效率低，需要更大功率的整流器、逆变器； 4 永磁同步电机控制要比异步电机简单。 永磁同步电动机转子所采用的永磁材料主要有铁氧体、钦铁硼、稀土钻等。 初期生产的永磁同步电动机转子以铁氧体材料居多，新一代伺服电机大都采用 了最新的钦铁硼材料，该材料的剩余磁密、矫顽力、最大磁能积均好于其他永 磁材料，再加上合理的磁极磁路及电机结构设计，大大提高了电机的性能，同 时又缩小了电机的外形尺寸。我国钦铁硼资源非常丰富，随着永磁材料制造工 艺的不断进步，性能的逐步提高，价格逐渐下降，钦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。 永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了优良的低 速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服 驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生 产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主i j c 【1 0 ，1 1 l 。 1 3 交流伺服技术的发展 1 3 1 微处理器 微处理器是交流伺服控制系统的核心。在交流伺服系统中，由于电机本身 具有非线性和耦合性的特征，在高级的电机微机控制系统中，例如全数字交流 位置伺服系统，也要求极快的矩阵运算，一些以前不考虑的复杂算法，如电机 的矢量控制、电机的和系统的非线性控制、系统的最优控制、适应性控制等都 哈尔滨理丁大学工学硕上学位论文 在变成现实，除了d s p ，用一般的微处理器无法满足现实要求。因此为了满足 要求开发出电机控制用的专用d s p 。这种d s p 集成了电机伺服控制所必需的可 增加死区且灵活多变的多路p w m 信号发生器、高速高精度d a c ，以及用于电 机速度和位置反馈的编码器接口等电路，因而可以说这种d s p 是目前用于电机 伺服控制中功能最强大的控制器。 1 3 2 电力电子半导体器件 电力电子技术的发展对电机控制技术的发展影响极大。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( 大功率晶体管g t r 、可关断晶闸管 g t o 、功率场效应管m o s f e t ) 和第三代复合型场控器件( 绝缘栅功率晶体管 i g b t 、静电感应式晶体管s i t 、m o s 控制的晶体管m c t 等) ，直至9 0 年代出 现的第四代功率集成电路i p m ，它将输入隔离、能耗制动、过温过压过流保护 及故障诊断等功能全部集成在一个模块中。永磁同步电机伺服系统经常采用的 电力电子器件主要有功率场效应管m o s f e t 和绝缘门极晶体管i g b t ，二者均 具有电压控制、驱动功率小、并联容易、工作频率高的特点，但i g b t 通态电 阻要比m o s f e t 小得多，且其具有很高的耐压和工作电流。在i g b t 模块中内 置整流模块电路、逆变主回路和制动回路，以降低损耗和降低成本，这种新型 模块称为功率集成模块，简称i p m 。本文中应用的电力电子器件就是功能全面 的功率集成器件i p m t l 2 】。 1 3 3 传感器 永磁同步电机伺服系统中通常需要传感器检测转子位置和定子电流。目前 常用的位置传感器有霍尔集成电路传感器、光电编码器、旋转变压器等，其中 光电编码器按脉冲与对应位黄( 角度) 的关系，通常分为增量式光电编码器、绝对 式光电编码器以及将上述两者结合为一体的混合式光电编码器三类，实际应用 较广的是增量式光电编码器，它有a 、b 、z 三相输出信号。a 和b 两相信号每 转输出脉冲数相同，但两者相位相差9 0 度，通过检测哪一相超前得到转向，控 制信号控制可逆计数器对脉冲进行向上或向下的计数，z 相信号又称为零位信 号，每转仅输出一个窄脉冲f 1 3 1 。在本伺服系统中，位置检测即采用增量式光电 编码器，而电流信号的检测则采用磁场平衡式霍尔电流检测器。 哈尔滨理t 大学t 学硕j 二学位论文 1 3 4 控制策略 目前在交流伺服系统中常用的控制策略主要有：p i 控制、模糊控制、神经 网络控制以及复合控制策略等等。 p i 控制由于比较简单，易于实现，在伺服控制中应用比较广泛，但是p i 控 制通常其参数调整、确定比较麻烦，并且对控制系统的模型要求较高，其应用 存在一定的局限性。 模糊控制得以广泛发展并在工业实践中得以成功应用，其根源在于模糊逻 辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方 法，因而能够解决许多复杂而无法建立精确的数学模型系统的控制问题，是处 理控制系统中模型不精确和不确定性的一种有效方法。从广义上讲，模糊控制 是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的 一种控制方法，它是模糊数学同控制理论相结合的产物，是智能控制的重要组 成部分。模糊控制的突出特点在于： 1 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场 操作人员的经验知识及操作数据；。 2 控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及 滞后系统； 3 模糊控制是用语言变量代替常规的数学变量，构成模糊推理规则库； 4 模糊控制的模糊推理是一种不精确的推理方式，是模仿人的思维过程。 由于交流电动机是一种非线性、强耦合、多变量的控制对象，所以模糊控 制在解决交流电动机的控制方面有着非常大的优势，取得了许多重要的结果， 是一种在运动控制中比较成熟的智能控制方法。 本伺服系统中采用的控制策略是将模糊控制与常规p i d 控制相结合的方 法，即模糊参数自整定p i d 控制方法。 1 4 本文的研究内容及工作安排 1 4 1 研究内容 本课题的主要研究内容围绕永磁同步电机交流伺服控制系统来展开，主要 关注系统硬件电路及控制策略的研究。其中控制系统的硬件电路主要包括：数 字控制单元，功率驱动单元，系统保护单元，电源单元。系统控制策略部分主 哈尔演理下大学工学硕士学位论文 要采用了模糊参数自整定p i d 控制的方法，应用m a t l a b 中的仿真模块s i m u l i n k 对此控制方法进行仿真，并与传统p i d 控制方法进行比较，凸现出这种新方法 的优点。仿真过程中采用m a t l a b 语言编程与仿真模型相结合的方法，简洁直观。 此外文章也对系统控制的软件部分进行了介绍，完善了整个伺服控制系统。最 后，通过实验结果与系统仿真结果的对比，进一步验证了模糊参数自整定p i d 控制的优越性。 1 4 2 工作安排 第l 章是绪论，对课题的研究背景和研究现状，以及交流伺服技术的发展 进行了概述，对论文的研究内容给予了详细介绍。 第2 章对本课题的研究对象永磁同步电机进行介绍，在给出其结构和数学 模型的基础之上，对其控制系统的矢量控制方法进行了阐述，详细介绍了 s v p w m 算法的实现原理。 第3 章是本文的重点，开展对模糊参数自整定p i d 控制策略的研究工作， 主要包括模糊控制原理，参数自整定原理，模糊参数自整定p i d 控制器的设计， 以及m a t l a b s i m u l i n k 环境下所做的仿真模型。并与传统p i d 控制进行对比分析。 第4 章也是本文的重点，着重设计伺服系统的硬件控制电路，包括数字控 制单元，功率驱动单元，系统保护单元，以及电源单元。总结分析了系统的电 磁兼容特性，改进电路以提高系统的抗电磁干扰能力。 第5 章对系统的软件策略进行了介绍。给出了系统的仿真模型和实验结果。 最后通过实验结果与仿真结果的对比，验证了本文所设计的模糊参数自整定p i d 控制器所具有的优越性。 哈尔滨理t 人学工学硕士学位论文 第2 章永磁同步电机的矢量控制 高性能的永磁同步电机伺服系统需要现代控制理论的支撑，目前对交流电 机最为实用的、准确的控制方法是空间矢量控制。而矢量控制需要精确的电机 数学模型及空间矢量控制实现的原理。为此，本章首先介绍了永磁同步电机结 构和坐标变换原理，在此基础上列出了其数学模型，最后研究了永磁同步电机 的矢量控制技术原理。 2 1 永磁同步电机的结构、分类和数学模型 2 1 1 永磁同步电机的结构和分类 永磁同步电机由定子、转子、机体三大部分组成，由于永磁同步电机是由 绕线式同步电机发展起来的，因此其定子结构与绕线式同步电机的定子结构基 本相同，由三相绕组以及铁心构成。定子三相绕组通过三相交流电，产生与电 源频率同步的旋转磁场。在转子结构上，永磁同步电动机用永磁体取代电励磁， 从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。机体是整个电机的支撑框架，是整个系统 的依托，它的好坏直接影响整个电机的性能。由于永磁同步电机具有高效、高 转矩惯量比、高气隙磁场密度等优点，因此，广泛应用于伺服系统中1 14 1 。图2 1 是永磁同步电机( 单极) 结构示意图。 c 图2 - l 永磁同步电机( 单极) 结构示意图 f i g 2 1s k e t c hm a po fs t r u c t u r eo fp m s m ( s i n g l e - p o l e ) 由永磁体构造的转子匀速旋转，将在空间上形成旋转磁场，切割定子三相 绕组，并在定子绕组上形成感应电动势。根据感应电动势的不同，将永磁同步 哈尔滨理t 大学丁学硕上学位论文 电机分为正弦波永磁同步电机和梯形波永磁同步电机，我们习惯称正弦波永磁 同步电机为永磁同步电机；把梯形波永磁同步电机称为直流无刷电机，因为其 在控制上更接近于直流电机的控制。 根据永磁体在转子上安装位置的不同，永磁同步电机又可分为表面式和嵌 入式两大类。表面式的永磁铁是使用环氧粘合剂粘贴在转子表面。在嵌入式或 埋入式永磁同步电机中，磁铁安装在转子内部。这种结构上的差异必然带来性 能上的不同，前者具有制作简单、能像异步电机一样的启动性能。后者具有更 加坚固、允许更高速率等特性。 2 1 2 永磁同步电机的数学模型 数学模型是描述实际系统性能和各物理量之间关系的数学表达式。对于永 磁同步电机这类强耦合的非线性系统，其数学模型是分析电机性能、设计电机 及其控制的基础，同时也为改善控制系统的性能提供了理论依据【1 5 l 。 在讨论永磁同步电机的数学模型前，认为电机的定子和转子具有光滑的表 面，忽略铁心磁饱和、不计涡流和磁滞损耗，永磁材料的电导率为零，定子三 相对称，转子上没有阻尼绕组并且在结构上对称，相绕组中感应电动势波形为 正弦。以上几点就形成了我们要研究的理想电机【1 6 ，1 7 】。虽然实际的永磁同步电 机可能不具备理想电机的苛刻条件，但是这样可以使分析工作大大简化。况且 也可以采用修正相关参数等办法来弥补。下面研究的工作都是建立在坐标变换 原理的基础上。所以先讨论坐标变换。 2 1 2 1 坐标变换在永磁同步电机中存在两种坐标系，一种是固定在定子上 的，它相对我们是静止的，即：三相静止坐标系a b c 和两相静止坐标系a - p ， 它们的方向和定子三相绕组的位置相对固定，另一种是固定在转子上的旋转坐 标系，我们通常称之为d - q 坐标系，其中d 轴跟单磁极的n 极方向相同，即和 磁力线的方向相同，g 轴超前d 轴9 0 度。图2 2 是定子两相静止坐标系投节与 转子两相旋转坐标系d - q 的位置关系图。 在矢量控制中，我们获取的是定子绕组上的三相电流，所以我们还需要解 决的问题是怎么让三相电流产生等效电流矢量，等效到仅彬坐标系和d - q 坐标系 中去。图2 3 是定子三相坐标a b c 与两相坐标a 弗的位置关系图。 哈尔滨理工大学t 学硕卜学位论文 图2 - 2a 印坐标系与d - q 坐标系的位置关系图 f i g 2 - 2p o s i t i o nr e l a t i o no fa - f la n dd - qc o o r d i n a t es y s t e m 对于任意矢量有 j夕 b 獗 ：l l 2 0 a i 么1 2 0a 影一 ， c 图2 - 3a b c 与a - # 的位置关系图 f i g 2 - 3p o s i t i o nr e l a t i o no f a b ca n d 口印 l = l a + l b + l c ( 2 - 1 ) 同时有 z = l a + 坫 把电流在图2 3 中分解得( 其中乇，毛，f a ，i b ，f c 分别是向量在口轴，轴， 彳轴，b 轴，和c 轴上的投影) 毛21 3 x c o s 3 0 。- i c c 。s 3 0 。( 2 - 2 ) = i a i b s i n 3 0 。一i c s i n 3 0 。 把该式写成矩阵形式，得到它们的转化阵为 哈尔滨理丁大学工学硕上学位论文 | ： = ( 2 3 ) j 考虑到电枢绕组在不同坐标系系的合成磁势相等和功率不变等因数，需要 在它前面加个系数。 a - f l a b c 变换也称c l a r k e 变换( 3 2 变换) 如下 a b c a - f l 变换也称为c l a r k e 逆变换( 2 3 变换) 0 1 - f 0 i 压忆 辩一 一了j 1 l( 2 4 ) j 小g 厥够也称p a r k 变换( 交直变换) 和其逆变换( 直交变换) 0 口- f s i n 0 1 i c o s o l , s i n0 i d c 。s 9 j l f q ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 式中：乡为两个坐标系之间的夹角。 2 1 2 2 在定子坐标彳b c 和a - p 上的数学模型永磁同步电机定子三相集中绕组 分别为a b c ，各相绕组的中心线在与转子轴垂直的平面上，分布如图2 4 所示。 三相绕组在空间上对称分布，而且通入三相绕组中的电流是对称的，又不 考虑磁场的各次谐波则有以下条件成立 k咕七 l 1l_ r3一l。一2压一2 一 一 一2压一2。一2万一2 i d 1 。l 一2 3 1，j a b c l = 一 一一 础舢 c 一 l 9 坩 兮出 c _ 。l 哈尔滨理工人学丁学硕 - e p 位论文 i 厶i = 上2 2 = 厶3 = m 1 2 = m 1 3 = m 2 1 = m 2 3 = m 3 l = m 3 2 = 一m ( 2 - 7 ) 【+ f b + c = 0 一 x 图2 4 三相集中绕组分布图 f i g 2 - 4d i s t r i b u t i o no f t h r e e p h a s ew i n d i n g s 基于以上条件三相绕组的电压方程可写为 誊兰=：+p三三：鬈二脚mr至一，sin(o)u p m r p lp m i c o r m s i n ( o + 吕； c 2 - 8 p m p mr c + p l j ，c j s i n ( o ， j bi = l b+ 一 0 bl 一， ! o o ) i ( ) l 【一 一 ：o 。) j 同理，根据前面介绍的c l a r k 变换可以得到电机在口够坐标系下的方程。 2 1 2 3 在转子旋转坐标系d - q 上的数学模型对于永磁同步电机来说，用固定 于转子的参考坐标来描述和分析其稳态和动态性能是十分方便的。图2 5 是d - q 旋转坐标系与a b c 坐标系的位置关系。 图2 - 5d - q 旋转坐标系与a b c 坐标系 f i g 2 - 5d - qr o t a r yc o o r d i n a t es y s t e ma n da b c c o o r d i n a t es y s t e m 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 其电路方程如下 d d t d d t 其中：厶，l 。为d ，q 轴上的主电感；r 为定子内阻；如，为d ，q 轴上的电流 分量；v d ，1 ，。为d ，q 轴上的电压分量；w r 为转子角速度；五为电磁转矩系数； 仇为转子磁极对数；瓦为电磁转矩。 转矩方程如下 疋= p 。h ，一( 。一l q ) i 。j 运动方程如下 瓦一瓦= ，等 式中：瓦，j 分别为电机阻转矩和转动系统的转动惯量。 2 2 永磁同步电机的矢量控制 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 矢量控制亦称磁场定向控匍j ( f o c ) ，其基本原理结构框图如图2 - 6 所示： 通过坐标变换实现模拟直流电机的控制方法来对永磁同步电机进行控制，其 实现步骤如下： 1 通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流f a 、f b ，经过d s p 的a d 转 换器转换成数字量，并利用式护( f a + f b ) 计算出f c 。通过c l a r k e 变换和p a r k 变 换将电流f a 、f b 、c 变换成旋转坐标系中的直流分量岛、幻，小岛作为电流环 的负反馈量。 2 利用增量式光电编码器测量电动机的机械转角位移民，并将其转换成电 角度见和转速，z 。电角度包用于参与p a r k 变换和逆变换的计算。转速力做为速 度环的负反馈量。 3 给定转速刀时与转速反馈量n 的偏差经过速度p i d 调节器，其输出作为 用于转矩控制的电流q 轴参考分量f s q 僧，。f s q 。，和s 如，( 等于零) 与电流反馈量f s q 、岛 的偏差经过电流p i d 调节器，分别输出d - q 旋转坐标系的相电压分量吃。，和 ，。，和再通过p a r k 逆变换转换成6 c 侈直角坐标系的定子相电压矢量 的分量。，和k 鲥。本系统中用到的转速和电流调节器采用模糊参数自整定方 9 盟厶 一 l q 生厶厶一k + + h k 旦k 旦k 一 一 上k 土k i i l i b 哈尔滨理t 大学丁学硕上学位论文 图2 - 6 矢量控制基本原理结构框图 f i g 2 6s t r u c t u r ed i a g r a mo f v e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l e 法。关于模糊参数自整定方法将在第3 章中详细介绍。 4 当定子相电压矢量的分量k 一，、k 加，和其所在的扇区数已知时，就可以 利用电压空间矢量s v p w m 技术，产生p w m 控制信号来控制逆变器。 我们必须根据不同的要求选择不同的控制方法，当转速在基速以下时，在 定子电流给定的情况下，控制如= 0 ，这时电磁转矩疋哦娇f q ，这样只要控制f q 的大小就能控制转速和转矩，实现矢量控制；当转速在基速以上时，因为永久 磁铁的励磁磁链为常数，电机感应电动势随着电机转速成正比例增加，电机感 应电压也跟着提高，但是电机相电压有效值的极限值u ；。和相电流有效值的极 限值f 1 ；。要受到与电机端相连的逆变器的直流侧电压和逆变器的最大输出电流 的限制，所以必须进行弱磁升速；通过控制毛来控制磁链，通过控制f q 来控制 转速，实现矢量控制。本系统选择f 。= 0 控制和弱磁控制相结合的矢量控制方式。 2 2 1 沪o 控制 当k - - - o 控制时，从电机端口看，p m s m 相当于一台他励直流电机，定子电 流中的直轴分量等于0 ，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交， 等于9 0 度，此时瓦巩奸f q ( 面装式) 。 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 此时的i d = o ，i s = i q ，在产生所要求转矩的情况下，只需最小的定子电流，从 而使铜耗下降，效率有所提高；对控制系统来说，只要检测出转子位置轴) ， 使三相定子电流的合成电流矢量位于g 轴上就可以了。从电机的电压方程( 忽略 转子上存在的阻尼绕组) 和转矩方程可得到采用i d = o 控制时，在逆变器极限电压 下电机的最高转速为： 缈一= “l 妇( 只少f ) 2 + ( 疋厶少f ) 2 ( 2 1 2 ) 从式( 2 1 2 ) 可以看出，采用i d = o 控制时，电机的最高转速受逆变器可提供的 最高电压和电机的输出转矩两方面的影响。其特点是控制简单，定子电流与电 磁转矩输出成正比，无弱磁电流分量【1 8 】。 2 2 2 弱磁控制 毛、如两个直流量各有不同的作用，f 。用于产生转矩；f d 用于产生磁场。当 f l 9 0 。时，妇为负值，即负的励磁电流，无起去磁( 弱磁) 作用。d 越大去磁作用 越强。 因为电动机的定子电流也受限制，所以在弱磁控制中，增大f d 的同时也要 减小毛。减小f d 的结果是减小了输出转矩，因此在弱磁控制时( 基速以上调速时) 的电动机机械特性表现为恒功率特性。而在基速以下调速时仍然是恒转矩特性。 机械特性图如图2 7 所示。 t t e o 图2 7 机械特性图 f i g 2 7s k e t c hm a po fm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c 该弱磁控制的算法如下 f ( ，f q ) = ( p 。) 2 + ( 乇+ 沙，。) 2 + 旯阢一只彤，i q + ( 三。一l q ) f d 】 ( 2 1 3 ) 式中：a 为拉格朗日乘子。 哈尔滨理工大学t 学硕i j 学位论文 2 2 3 电压空间矢量( s v p w m ) 技术 s v p w m 是空间电压矢量p w m 波产生技术，它具有电压利用率高、低谐 波成分、开关次数少和功率管功耗小等特点。同时，s v p w m 还能很好的结合 矢量控制算法，为矢量控制得实现提供得很好的途径，以最大限度的发挥设备 的性能。因此被越来越多的变频设备所采用1 1 9 , 2 0 l 。 2 2 3 1 基本电压空间矢量s v p w m 是通过三相交流逆变桥的6 个开关的不同 导通模式产生不同的电压基本矢量，通过矢量合成，来合成任意矢量( 在实际允 许范围内) ，通过导通时间的不同大小，来确定矢量的大小，这也就是p w m 调 制的原理。图2 8 是一个典型的三相电压型逆变器。 图中v l v 6 是6 个功率开关管。a ，b ，c 分别代表3 个桥臂的开关状态。 规定：当上桥臂开关管“开”状态时( 此时下桥臂开关管必然是“关 状态) ，开 关状态为1 ；当下桥臂开关管“开”状态时( 此时上桥臂开关管必然是“关”状 态1 ，开关状态为0 。三个桥臂只有“1 ”或“0 ”两种状态，因此a ，b ，c 形成 v ( o o o ) 、v ( 0 0 1 ) 、v ( 0 1 0 ) 、v ( 0 1 1 ) 、v ( 1 0 0 ) 、v ( 1 0 1 ) 、v ( 1 1 0 ) 、v ( 1 1 1 ) 共八种( 2 3 = 8 ) 开关模式。其中0 0 0 和1 1 1 开关模式使逆变器输出电压为零，所以称这种开关 模式为零状态。 j v 1v 3 v 5 整 - 1k- 1k- 1k 流 上 = 1t 8 i f = 。d c b 桥 一 s k b p c 2 5 0 8c 1 2 1 c 1 2 2 c 1 2 3 a cl l j 5 a c j _ _ 一 2 魄z n r 2 倒。 a cn 图4 - 9 整流电路 f i g 4 - 9r e c t i f i c a t i o nc i r c u i td i a g r a m 4 2 2 以i p m 为功率器件的驱动回路 本文中逆变回路采用的是智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 。i p m 不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和 过热等故障检测电路，并可将检测信号送到c p u 。它由高速低功耗的管芯和优 化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也 可以保证i p m 自身不受损坏【4 0 】。 4 2 2 1 i p m 的优点i p m 的优点可列如下： 1 开关速度快。i p m 内的i g b t 芯片都选用高速型，而且驱动电路紧靠i g b t 芯片，驱动延时小，所以i p m 开关速度快，损耗小； 2 低功耗。i p m 内部的i g b t 导通压降低，开关速度快，故i p m 功耗小； 3 快速的过流保护。i p m 实时检测i g b t 电流，当发生严重过载或直接短 路时，i g b t 将被软关断，同时送出一个故障信号； 4 过热保护。在靠近i g b t 的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当基板 过热时，i p m 内部控制电路将截止栅极驱动，不响应输入控制信号； 5 桥臂对管互锁。在串联的桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁。有效防止 上下臂同时导通； 6 抗干扰能力强。优化的门极驱动与i g b t 集成，布局合理，无外部驱动 哈尔滨理_ t 大学t 学硕十学位论文 线； 7 驱动电源欠压保护。当低于驱动控制电源( 一般为l s v ) 就会造成驱动能 力不够，增加导通损坏。i p m 自动检测驱动电源，当低于一定值超过1 0 i _ t s 时， 将截止驱动信号； 8 大大减少了元件数目，体积相应减小。 4 2 2 2i p m 的内部结构i p m 的内部主要部件为i g b t 单元组成的三相桥臂， 内含续流二极管；内置驱动电路、保护电路和报警输出电路。 4 2 2 3i p m 的选取i g b t 正反向峰值电压为 = 而= 压x 3 8 0 = 5 3 7 v ( 4 1 ) i g b t 电压定额为 u d = 1 5 1 2 x u 。= 1 5 x 1 2 x 5 3 7 v = 9 6 7 v ( 4 - 2 ) 式中：1 5 为安全裕量；1 2 为考虑大电容滤波后的电感升高系数。 i g b t 通态峰值电流为 i 。= 2 4 2 1 = 2 4 2 2 8 = 7 9 a ( 4 3 ) i g b t 电流定额为 i d = 1 5 1 2 i m = 1 5 1 2 x 7 9 = 1 4 2 a ( 4 - 4 ) 式中：1 5 为安全裕量；1 2 为考虑电机的过载倍数。 依据上面的数据，本系统中所选i p m 的型号为p s 2 18 6 7 。这是一款功能强 大的功率开关器件。采用第5 代低功耗i g b t 管芯，内置优化后的栅极驱动和 保护电路，以超小型体积输出功率强劲的三相波形。其最高频率能达到2 0 k h z ， 建议使用的频率为1 6 k h z ，本系统中所采用的i p m 的开关频率是1 0 k h z 。 4 2 2 4i p m 的驱动电源当控制信号( 栅极驱动) 与主电流共用一个电流路径 时，由于主回路有很高的d i d t ，至使在具有寄生电感的功率回路产生感应电压， 而导致可能感应到栅极把本来截止的i g b t 导通。因此i p m 驱动电源需要采用 四组隔离电源。上桥臂每相各用一组电源，下桥臂三相共用一组。 驱动电源电压在1 3 5 v 1 6 5 v 之间，i p m 能够正常工作。若电源电压高于 1 6 5 v ，则i g b t 因驱动电源电压过高，保护性能得不到充分的保证，高于2 0 v 时i g b t 管的栅极会损坏。若电源电压低于1 3 5 vi g b t 驱动电源电压不足，这 时控制信号为无效操作。典型的工作电压一般取1 5 v 。 4 2 2 5i p m 的控制信号输入在p w m 信号输入端必须用高速光耦进行隔离， 一般取光耦的开关速度小于0 8 u s 、共模抑制比c m r 1 0 v u s ，通常的型号有： h c p l 0 4 6 6 ，t l p 5 5 9 ，6 n 1 3 6 ，并且在光耦的输出端接一个0 1 心的退耦电容。 故障信号f o 使用时必须注意，当t f o _ 1 8 m s ( 典型值) 有效时，i p m 会关断 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 开关并使输入无效。在f o 结束后，自动复位，同时使输入有效。因而在f o 输 出时系统必须在1 8 m s 内使p w m 信号无效，等故障排除后方可重新有效。低 速光耦可用于故障输出端。 4 2 2 6i p m 的故障输出信号i p m 内部集成自我保护功能，共有4 路故障输出 信号。分别是上桥臂三路输出故障u f o 、v m 、w f o ，下桥臂公用故障输出f o 。 每个故障都因以下情况引起：过温、过流、欠压、短路。只要有其中一种故障 发生，i g b t 栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号。 4 3 系统保护单元的设计 本节将分别介绍系统的各保护单元，包括软启动保护，制动保护，i p m 故 障保护，过压以及欠压保护。各保护电路指令信号输入保护电路，经过相应电 路对系统作出保护动作。保护信号输出后，进入d s p 进行处理。 4 3 1 软启动保护电路的设计 在开启主回路时，由于储能电容大，加之在接入电源时电容器两端的电压 为零，故当主电路刚合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电流是很大的，过大 的冲击电流将可能使整流桥的二极管损坏。因此为了保护整流桥，需在电路中 加入软启动电路，也即限流启动电路。电路如图4 1 0 所示。 当系统给出软启动信号r e l a y ，通过光耦和三极管控制电路，使继电器 r l 导通，对母线电流进行分流，分别流过电阻r 5 l 和r 5 2 ，从而