全数字永磁同步电机伺服驱动器矢量控制系统设计与仿真.doc

毕业设计（论文）1 绪论目前，随着电力电子技术、微电子技术、电机制造技术、现代控制理论和计算机技术的发展，伺服控制系统在机电一体化、工业机器人、柔性制造系统等等许多高科技领域中得到了广泛的应用。人们对伺服控制产品的性能、功能及性价比要求越来越高。因此，研究与开发高品质的交流伺服控制系统，具有极其重要的现实意义1,2,3。1.1 课题研究背景和意义伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说的伺服驱动器己经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在90年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。进入21世纪，交流伺服系统越来越成熟，市场呈现快速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争，目前交流伺服技术己成为工业自动化的支撑性技术之一4。随着电力电子技术及控制理论，微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，特别是智能功率集成模块(IPM)和高速数字信号处理器(DSP)的应用，使交流伺服系统模块化和全数字化的实现成为可能，大大提高了系统的柔性、精度和控制性能。基于DSP的全数字化、高性能的PMSM(永磁同步电机)伺服系统已经成为关注和研究的热点。永磁同步电机交流伺服系统由于其控制简单、性能好，在高性能的交流伺服系统领域占据了很重要的地位5。1.2 国内外研究现状及发展趋势伺服系统的相关技术，一直随着用户的需求而不断发展。电动机、驱动、传感和控制技术等关联技术的不断变化、造就了各种各样的配置。就电动机而言，可以采用盘式电机、无铁芯电机、直线电机、外转子电机等，驱动器可以采用各种功率电子元件，传感和反馈装置可以是不同精度、性能的编码器、旋变和霍尔元件甚至是无传感器技术，控制技术从采用单片机开始，一直到采用高性能DSP和各种可编程模块，以及现代控制理论的实用化等。在这里我们主要选取国内外一流厂商及其先进的技术来进行对比说明6。1.2.1 国外伺服系统发展情况国外的一些大型厂商在交流伺服系统的相关技术研发上面十分重视，它们的水平代表了当前的国际水平。贝加莱工业自动化公司推出的AcoposMulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，每个轴模块可以提供1到2个伺服轴控制，并集成了一个24VDC的辅助电源模块，为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接，来获得开路、短路和过载保护。其他特性包括通过空气，油或水进行冷却的模块化设计，通过一个能量再生系统确保环境的安全性。在国内，我们还没有看到有厂商进行类似的模块式设计，并在产品中融入机器安全概念7。RoekwellAutomation公司展出了PowerFlex驱动技术。PowerFlex的发展路线图显示，将于20062007年出现的“公共工业协议(CIP)运动应用协议”，有望同步在同一系统中运行的多轴伺服与变频驱动器中。在适合运动控制的工业协议方面，我们还看到Beckhoff的EtherCAT，B&R的PowerLink，Danaher下面的MEI开发的SynqNet，Siemens的ProfiNet，还有久负盛名的Sercos己经发展到Sercosl。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去。在国内，甚至CAN这样的中低端总线也没有变成伺服驱动器的标准配置，采用高性能实时现场总线的商品化驱动器还没有出现。这一方面是因为我们的伺服基本性能还没有达到相应的水准，另一方面也是因为市场还没有发育到这个程度。可喜的是，我们己经看到一些单位进行了有益的研发实践，一方面消化国外的先进技术，一方面尝试推出自己的总线标准。和利时电机预计在自己的下一代伺服产品中集成多种可选的通讯模块，其中包括CAN、USB、Fireware和Sercos，还有和利时电机和北航联合开发的CANsmc(用于多轴同步运动控制的总线)，基于蓝牙无线通讯的模块也在研发中。中科院沈阳高档数控研发中心等个别单位也研发了自己的运动控制总线协议。施奈德电气(Schneider Electric)的Lexium05型伺服控制器具有和VFD变频器一样外形，目标是低成本应用。实际上，利用变频器的批量生产能力推出低端伺服，己经成为一些厂商的竞争手段。该公司旗下的Berger Lahr品牌在其展台上随处可见。其智能、集成电机与控制器产品(Icla)主要有以下三个电机版本：步进电机、交流伺服电机与三相无刷直流电机。Icla(来源于“集成、闭环、执行器”的首字母缩写)将电机、功率电子与反馈集成在一个紧凑单元中。这种一体化设计的思路在美国的Animatics等公司身上也体现得很明显，来自德国的AMK公司也有类似的产品。这是真正的机电一体化产品，为设计者带来了一系列的工程挑战，包括电磁兼容、热控制、元器件小型化、特殊的结构设计等。在国内，没有见到有厂商推出自主知识产权的产品。包米勒(Baumuller)公司提供的带集成行星齿轮传动系统的高性能伺服电机，拥有高达98%的效率和很低的噪音；直接驱动型高力矩伺服电机，可以在100300rpm范围内输出13500nm。1.2.2 国内伺服系统发展情况我国在20世纪80年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国家“七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技攻关，取得了一定成果。华中科技大学是我国自主创新的伺服驱动技术的发源地之一。“八五”期间，华中科技大学的自控系和电力系分别开始了伺服驱动的研发工作。1996年，自控系与华中数控合作，共同研制基于单片机的模拟数字混合式交流伺服驱动和主轴驱动(HSV-9)，后来又开发了基于DSP的全数字交流伺服驱动装置(HSV-16/18/20)并投入大批量生产。到目前为止己累计生产销售30000多台，被评为国家攻关重大成果和国家重点新产品。华中科技大学电力系与广州数控、上海开通数控合作，研制的伺服驱动技术也己实现产业化8。北京时光科技公司自主研发的“全数字化交流伺服控制技术”，采用32位微处理器为基础的系统级芯片和智能化功率器件，成功实现了对三相交流异步电机(鼠笼式电动机)的高精度伺服控制。基于此项技术研制生产的IMS系列伺服控制器可通过编程方式，灵活、准确地对电机的转速、加速度和输出转矩实现高精度控制，其产品能广泛应用于机床、电梯、包装机械、印刷机械、塑料机械、搬运机械、电动车及自动化生产线等各种领域，用户反映良好。北京航天数控公司生产的DSCU系列全数字伺服控制单元和DSSU系列全数字主轴控制单元、北京凯奇数控设备成套有限公司生产的全数字伺服控制单元和全数字主轴控制单元及电机也己经得到了大规模应用，伺服功率范围20W7.5kW，主轴伺服功率范围3.5kW22kW，可以满足企业实际需要。从2003年开始，我国的经济型数控系统从配用步进驱动装置，开始大规模改用伺服驱动装置。中国人自主创新的伺服驱动技术为促使我国数控系统产业的升级，立下了汗马功劳，伺服驱动产业也取得了很大进步空间。1.2.3 交流伺服系统的发展趋势伺服系统的发展紧密地与伺服电机、微处理器、控制理论、电力电子器件等发展相联系着。综合交流伺服系统的发展与现状，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。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、软件化伺服方向发展，以满足高精度数控机床、机器人、特种加工设备精细进给的需要，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、数字信号处理器，实现全数字化、软件伺服技术，增强交流伺服系统设计与使用的柔性；(4) 由于高速数字信号处理器用于交流伺服系统，现代控制理论、人工智能、模糊控制、神经元网络等新成果将应用于交流伺服系统研究中；(5) 交流伺服系统中所用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遍应用，逆变器也将逐渐转变为高频化、小型化的无噪声逆变器9,10。1.3 课题任务和研究内容1.3.1 课题任务在机械、纺织、国防等传动领域对伺服驱动控制器的要求越来越高，选用合理的控制策略，研制全数字永磁同步伺服驱动器矢量控制系统成为当代科技工作者的研究热点。采用Simulink仿真工具实现系统级仿真，为利用高性能的电机控制芯片实现控制算法，提供参考。设计一伺服驱动控制系统实现对永磁同步电机的有效控制，永磁同步电机的额定功率400W，额定转速3000rpm，额定转矩为1.247Nm，电机永磁磁通0.167Wb，定子电阻4，定子电感0.007H，转子电感0.007H，转动惯量kgm2，摩擦系数0，极对数为2。伺服驱动器能完成的基本功能有：(1) 能带额定负载直接启动；(2) 输出三相对称交流电，实现滞环控制，输出定子电流波形接近正弦波；(3) 能实现正反转功能；(4) 转速指令跟随功能；(5) 有较强的抗干扰性能；(6) 具有过电压、欠电压，温度检测功能，出现故障时，切断PWM输出，对永磁同步电机进行保护。1.3.2 课题研究的内容根据课题任务提出的基本要求，本文重点研究了以下基本内容：(1) 首先对永磁电机矢量控制进行理论上的分析，介绍了永磁同步电机的结构原理及其非线性、强耦合的控制特点。从而对电机进行解耦控制；(2) 建立基于电流滞环跟踪控制的电机矢量控制系统仿真模型，得出在此种逆变器控制方法下PMSM双闭环矢量控制系统的仿真效果并分析；(3) 系统硬件电路的初步设计，硬件电路包括：电源电路，逆变器电路设计，控制板电路设计。其中控制板电路主要使用德国Infineon公司最新推出的专用MCU完成；(4) 系统软件的初步设计，系统软件设计主要包括：显示程序、电流调节程序、速度调节程序、坐标变换程序，以及系统控制和故障保护软件等。本文章节内容具体安排如下：第1章主要论述永磁同步电机伺服系统的发展历程和国内外交流变频调速的发展现况和趋势，给出课题任务并概述本文研究主要内容；第2章对永磁同步电机的结构和控制策略进行分析和选择，主要介绍矢量控制和id=0控制方法；第3章以第2章的理论为基础，逐步建立全数字永磁同步电机控制系统的仿真模型，对其仿真并分析仿真结果。为下面章节硬件设计和软件设计提供参考；第4章以仿真模型为基础，对系统硬件电路进行初步设计，包括元器件的选择、主电路、控制电路的初步设计；第5章以硬件设计为基础，对系统软件进行设计，对系统软件流程进行了初步设计。2 控制策略的确定2.1 永磁同步电机的结构及种类永磁同步电机(PMSM)与普通同步机在定子结构上是一致的，由三相绕组及铁心构成，且电枢绕组通常为星型连接，要求输入定子的电流仍然是三相正弦电流，除了具有一般同步电机的工作特性外，还具有效率高、结构简单、易于控制、性能优良的特点。在转子结构上，是用磁体取代普通同步机的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。PMSM的气隙长度在物理上是均匀的。但是，由于永磁材料的磁阻和铁磁材料的磁阻不一样，气隙磁阻的分布并不均匀，通常d轴即磁极轴线的磁阻比q轴相邻两个磁极的中心线的磁阻大。PMSM按永磁体在转子上安装位置的不同，可分为三类：表面式、嵌入式和内埋式。前两种结构转子直径较小，从而降低了转动惯量，一般PMSM多采用这两种形式的转子结构。内埋式转子是将永磁体装于转子铁心内部。它的机械强度高，磁路气隙小，适于弱磁控制。本文讨论表面式永磁同步电动机11。 （a）表面式 （b）嵌入式 （c）内埋式图2.1 永磁同步电机转子结构2.2 永磁同步电机的数学模型由于永磁同步电机的定子、三相对称绕组、永磁体和绕组、绕组和绕组之间存在相互影响，并且有磁路饱和等非线性因素的影响，很难建立精确的数学模型。于是在建立数学模型的时，作了如下假设：(1) 定子绕组三相对称并且完全相同，各相绕组轴线相差120；(2) 忽略磁路饱和、磁滞和涡流的影响不计，磁路是线性的，可以用叠加原理进行分析，定子上没有阻尼绕组；(3) 当定子绕组电流为三相对称正弦波电流时，气隙空间中只产生正弦波分布的磁势，无高次谐波分布；(4) 永磁体在气隙空间中产生的磁势为正弦波分布，无高次谐波，也就是电机定子在空载时电势为正弦波12。电机若满足以上条件可视为理想电机。则永磁同步电机三相ABC坐标系下电压模型为： (2.1)式中，R 绕组等效电阻（）； 等效d轴电感（H）；等效q轴电感（H）； P 电机磁极对数； 转子机械角速度（rad/s）； 每对磁极磁通（Wb）；折算到电机轴上的总转动惯量（kgm2）；d轴电流（A）； iq q轴电流（A）；J 折算到电机轴上的总转动惯量（kgm2）。2.2.1 定子坐标系下数学模型及变换矩阵在三相静止ABC坐标系中，定子电压方程为式(2.2)所示。 (2.2)其中、为三相绕组相电压，为每相绕组电阻，iA、iB、iC为三相绕组相电流，、为三相绕组的磁链，p=d/dt为微分算子。定子每相绕组的磁链不仅与三相绕组电流有关，而且与转子永磁磁极的励磁磁场和转子的位置角有关，磁链方程为式(2.3)所示。 (2.3)、为每相绕组自感；、为两相绕组互感；、为三相绕组的转子每极永磁磁链，其表达式如式(2.4)所示。 (2.4)为定子电枢绕组最大可能的转子每极永磁磁链。对三相静止坐标系进行Clarke变换后转换成定子静止两相坐标系，其中Clarke变换矩阵为式(2.5)所示。 (2.5)经过变换后的电压和磁链方程分别为式(2.6)和式(2.7)。 (2.6) (2.7)其中的三个矩阵分别如式(2.8)和式(2.9)所示。 (2.8) (2.9)上述方程中，都含有位置角，这样分析起来就比较麻烦，需要进行位置角的解耦变换。于是利用Park变换，将坐标系变换成dq坐标系。Park变换和Park逆变换矩阵分别为式(2.10)和式(2.11)所示。 (2.10) (2.11)经过Park变换后转子dq坐标系下的电压、磁链方程分别为式(2.12)和式(2.13)所示。 (2.12) (2.13)从式(2.12)和式(2.13)可以看出，定子电压方程中没有转子位置角信息，并且定子电压直轴分量ud除了直轴电流id产生的定子电枢压降外，还有直轴电枢反应磁场变化产生的变压器电势，以及由于转子运动引起的交轴电枢电流在直轴上产生的运动电势。交轴电压分量除了包括交轴电枢电流引起的电阻压降、交轴电枢反应磁场引起的变压器电势，还有转子永磁磁场在交轴上产生的运动电势。零轴电压分量只有零轴电流产生的电阻压降和漏电感引起的变压器电势。定子磁链直轴分量包括电枢电流产生的电枢反应磁场和转子永磁磁场；交轴分量只有电枢电流交轴分量产生的电枢反应磁场，零轴分量只有零轴电流在定子漏电感上引起的磁链。2.2.2简化的数学模型本设计所采用的永磁同步电机是采用星型连接，三相定子电流在中性点处的电流和为零，可以将上面二式简化得出定子电压方程式(2.14)和(2.15)。 (2.14) (2.15)式(2.16)和(2.17)为简化后的定子磁链方程。 (2.16) (2.17)式(2.18)为简化后的电磁转矩方程。 (2.18)永磁同步电机电磁转矩驱动负载、克服转子摩擦阻尼和惯性作用处于平衡状态的转矩平衡机械运动方程式为式(2.19)。 (2.19) 其中Pn为电机的极对数，J为系统的转动惯量，B为系统转子粘滞摩擦系数，TL为负载转矩。因采用的矢量控制方式，此时有： (2.20)式(2.20)即为PMSM 的解耦状态方程。在零初始条件下，对PMSM 解耦状态方程求拉氏变换，以电压uq为输入，转子速度为输出的PMSM原理框图，如图2.2所示。图2.2 永磁同步电机原理框图2.3 控制策略分析2.3.1 永磁电机的控制方法伺服控制器的控制技术是实现高性能的伺服系统的关键和难点所在。对交流永磁伺服系统来说，电机控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制两种控制方法。矢量控制法将逆变器和电机看成一个整体，从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时的交流电动机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通，从而达到较高的控制性能。直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电动机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电动机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制13。从理论上讲，矢量控制是建立在被控对象准确的数学模型上，通过控制电机电枢电流实现电磁力矩控制。电流环的存在，使电机电枢电流动态跟随系统给定，满足实际对象对电机电磁力矩要求。电机实际电流受到电机转子位置的实时控制，保证电机电流形成的电枢磁场与转子d轴垂直，实际交轴电流和系统控制所需交轴给定电流相等，系统保证实际负载对象的力矩要求，电机所产生的电磁力矩平稳，电机可以运行的转速较低，调速范围较宽。电机启动、制动时，所有电流均用来产生电磁力矩，可以充分利用电机过载能力，提高电机启、制动速度，保证电机具有优良的启、制动性能。此外，转子磁场定向矢量控制下，不需要逆变器为电机提供无功励磁电流，单位电流产生最大电磁力矩。直接转矩控制则不然，它只保证实际力矩与给定力矩的吻合程度，并根据力矩误差、磁链误差及磁链所在扇区，选择主电路器件开关状态，使电机磁链按照所定轨迹运行。电磁转矩及磁链滞环控制时，电机转矩不可避免地存在脉动，直接影响电机低速运行平稳性和调速范围。另外，通过电机反电势积分求得定子磁链，这种磁链电压模型在低速时准确性很差，受逆变器死区时间、电机电阻及电压检测误差的影响，影响电机低速运行性能，影响电机转速运行范围。且电机静止需要启动时，因电机定子初始磁链位置未知，系统无法发出正确的控制信号，电机启动困难。通常是将电机转子拉到固定位置再进行启动。表2.1给出了永磁同步电机使用矢量控制和直接转矩控制两种控制方案时，控制系统的性能对比。从表2.1中不难看出，矢量控制比直接转矩控制具有输出转矩平稳、电流脉动小、电机调速范围宽、启制动性能良好等优点，能满足交流永磁同步伺服系统的高性能控制要求。因此，本课题所研究的永磁同步伺服传动系统选取矢量控制方案14。表2.1 永磁同步电机使用两种控制方案构成的控制系统的性能对比对比项目矢量控制直接转矩控制电流脉动小大动态调节电流冲击小较大电流特性与转矩成正比与转矩的关系非线性调速范围高于10000:1几百比一低速性能好较差启动性能好、软启动不好、需要采取辅助措施电流利用率高低常用的矢量控制方法有：控制、最大转矩电流比控制、功率因数控制、弱磁控制、恒磁链控制、最大输出功率控制等。这些方法各具特点，适用于不同场合。2.3.2 矢量控制的控制方法(1) 控制的控制称磁场定向控制。该控制方法简单，计算量小，没有电枢反应对电机的去磁问题，使用比较广泛。永磁同步电机电磁转矩为： (2.21)当时，场空间矢量正交，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁电动机转矩中只有转矩分量，其值为： (2.22)上面两式中：Pn为定子绕组极对数；为转子磁钢在定子上的耦合磁链；Ld、Lq为电机直轴、交轴同步电感；id、iq为直轴、交轴电流。由式(2.22)可知，控制时电机电磁转矩和交轴电流成线性关系。随着负载增加，电机端电压增加，系统所需逆变器容量增大，功角增加，电机功率因数减小。电机端电压、功角及功率因数见式(2.23)(2.25)。其时间相量图如图2.3所示。 (2.23) (2.24) (2.25)图2.3 id=0控制时电机相量该控制方法因没有直轴电流，电机没有直轴电枢反应，不会使永磁体退磁。电机所有电流均用来产生电磁力矩，电流控制效率高。对表面式电机，时电机电流所产生电磁力矩最大，此时，从电机端口看，电机相当于一台他励直流电动机，定子电流所形成的空间磁势与永磁体励磁磁场正交，所有电流都用来产生电磁力矩。但对有凸极效应的永磁同步电机而言，电机磁阻转矩没有得到充分利用，不能充分发挥其输出转矩能力。(2) 最大转矩电流比控制最大转矩电流比控制也称单位电流输出最大转矩的控制，是在电机输出给定力矩的条件下，控制定子电流最小的控制方法。在dq同步旋转坐标系中，电机定子电流为： (2.26)借助于式(2.26)构造拉格朗日辅助函数： (2.27)式中，为拉格朗日算子。对上式分别对id、iq、求偏导，并令各式等于零，求得： (2.28) (2.29) 在控制时，随着输出力矩增加，电机直、交轴电流按所求解析关系变化，电机特性便按转矩电流比最大的曲线变化。电机输出同样力矩时电流最小，铜耗也最小，效率最高，对逆变器容量要求最小。在此控制方式下，随着输出力矩增加，电机端电压增加，功率因数下降。但输出电压没有时增加得快，功率因数也没有时下降得快。对表面式永磁同步电机，一般采用控制方式，所以本课题控制方式就是的控制方式。(3) 功率因数控制控制交、直轴电流，保持电机功率因数恒为1的控制方法。电机直、交轴电流间的关系为： (2.30)结合式(2.30)可得电机定子电流、直轴和交轴电流与电磁转矩间的关系如式(2.31)、(2.32)所示。 (2.31) (2.32)在功率因数等于1时，电磁转矩存在极大值。当定子电流从0开始增大时，输出电磁转矩随之增大。当电磁转矩达到最大值时，对应定子电流isnmax过了转矩最大值点后电磁转矩将随定子电流的增加而减小。isisnmax时，电机工作在转矩随电流增大区间。对给定电磁转矩，总有两个电流值与之对应。为保证系统正常工作，一般工作点都选择在电枢电流小于isnmax区间，此时，电机定子电流较小，铜耗也较小，有利于逆变器工作。如果电机速度较高，而逆变器输出电压能力不够时，也可以使电枢电流大于isnmax 。(4) 弱磁控制永磁同步电动机弱磁控制的思想来自对他励直流电动机的的调磁控制。当他励直流电动机端电压达到极限电压时，为使电动机能恒功率运行于更高的转速，应降低电动机的励磁电流，以保证电压的平衡。永磁同步电动机的励磁磁动势因由永磁体产生而无法调节，只有通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡，达到弱磁扩速的目的。永磁同步电动机电压方程式为 (2.33)由上式可以看出，当电动机电压达到逆变器所能输出的电压极限时，要想继续升高转速，只有靠调节id和iq来实现，这就是电动机的弱磁运行方式。增加电动机直轴去磁电流分量，以维持电压平衡关系，都可得到弱磁效果，前者弱磁能力与电动机直轴电感直接相关。由于电动机相电流也有一定极限，增加直轴去磁电流分量而同时保证电机电枢电流不超过电流极限值，交轴电流分量就相应减小。因此，一般是通过增加直轴去磁电流来实现弱磁扩速的。当电动机运行于某一转速时，弱磁控制时电流矢量轨迹方程为 (2.34)由(2.34)可以得出转速的表达式 (2.35)当电动机端电压和电流达到最大值，电流全部为直轴电流分量，并且忽略定子电阻的影响时，电动机可以达到的理想最高转速为 (2.36)实现弱磁控制有多种方式，常用的是采用直轴电流负反馈补偿控制的方法。因为电压达极限值时，电动机转速达到转折速度，迫使定子电流跟踪其指令值所需的电压差减小至零，逆变器的电流控制器开始饱和，定子中的直轴电流分量与其指令值的偏差明显增大，因此在控制中必须增加直轴电流负反馈环节。(5) 四种控制策略的特点比较及控制方案确定 的控制方法比较简单也最常用，实现了永磁同步电机的解耦控制，最大优点是电机的输出转矩与定子电流的幅值成正比，无去磁效应。其主要的缺点是功率角和电动机端电压均随负载而增大，功率因数低，要求逆变器的输出电压高，容量比较大。对有凸极效应的永磁同步电机而言，该方法没有充分利用磁阻转矩，没有充分发挥电机转矩输出能力。 功率因数控制的特点是电机功率因数恒为1，逆变器的容量得到了充分的利用：但是在永磁同步电动机中，由于转子励磁不能调节，在负载变化时，转矩绕组的总磁链无法保持恒定，所以电枢电流和转矩之间不能保持线性关系。而且最大输出力矩小，退磁系数较大，永磁材料可能被去磁，造成电机电磁转矩、功率因数和效率的下降。 最大转矩电流比控制在电机输出力矩满足要求的条件下使定子电流最小，减小了电机的铜耗，有利于逆变器开关器件的工作，逆变器损耗也最小。同时，由于运用该控制方法时，逆变器需要的输出电流小，可以选用较小运行电流的逆变器，使系统运行成本下降。在该方法的基础上，采用适当的弱磁控制方法，可以改善电机高速时的性能。因此该方法是一种较适合于永磁同步电机的电流控制方法。但是，该控制方法运算复杂，运算量比较大且功率因数随着输出力矩的增大下降较快。 弱磁控制方法可以让永磁同步电机恒功率地运行于更高的转速；但利用电枢反应弱磁的方法需要较大的定子电流直轴分量。短时运行时，这种方法才可以接受；长期弱磁工作时，还须采用特殊的弱磁方法。以上各种电流控制方法各有特点，适用于不同的运行场合。本课题中选择的转子磁场定向矢量控制方案相对于其他控制方法而言最简单易行，而且该控制方法对面贴式永磁同步电动机来说也就是力矩电流比最大控制。具有相应的优良特性，因此使得电机的调速更容易实现。3 永磁同步电机控制系统建模仿真本章是在掌握了永磁同步电机特点和原理的基础上，根据永磁同步电机的数学模型构建了电机的控制系统，并在Matlab/Simulink中建立模型，对结构进行系统的分析和仿真 16,17,18。3.1 永磁同步电机伺服驱动器矢量控制系统 矢量控制的PMSM控制系统一般由电流环、速度环构成的双闭环调节系统，各环节性能的最优化是整个控制系统高性能的基础，而外环性能的发挥依赖于系统内环的优化。尤其是电流环，它是高性能PMSM控制系统构成的根本，其动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现，也直接影响整个系统的动态性能。系统中必须有快速的电流环以保证定转子电流对矢量控制指令的准确跟踪，这样才能在电机模型中将定转子电压方程略去，或仅用小惯性环节替代，达到矢量控制的目的。因而电流环的动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现，研究同步电动机矢量控制系统必须涉及到电流环的研究。根据矢量控制方式，可以给出在这种控制方式下 PMSM 矢量控制系统原理图，如图3.1 所示。图3.1 三相永磁同步电机磁场定向矢量控制系统结构框图3.1.3 控制系统的工作原理控制系统为速度环电流环双闭环结构工作原理，简介如下：(1) 速度环为外环，它的作用是使电机的转速与给定转速值一致，控制电机加速、减速或匀速运行，消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响，其工作过程为： 速度环工作周期到后，位置检测单元获取电机转子的角位置，测速单元根据转子不同时刻的角位置计算出电机的转速； 把当前转速和转速指令的差值送给速度调节器，速度调节器的输出为表示转矩大小的电流指令值，且该值为标量。由于我们采用了的矢量控制方法，速度调节器输出的电流指令值和电流矢量在q轴分量的模值相等，因此q轴给定电流iqref的值就等于速度调节器的输出值； 进行电流内环控制。(2) 电流环为内环，它的作用是控制逆变器在电机定子绕组上产生准确的电流，其工作过程为： 电流环工作周期到后，电流检测单元获取电机定子三相绕组的瞬时相电流； 对绕组相电流进行坐标变换运算，计算出电流空间矢量在d轴、q轴上的等效电流分量id、iq ； 把id、iq和电流指令idref、iqref的差值分别送给电流调节器，电流调节器的输出值经过坐标变换后送给PWM波形产生器，控制逆变器产生三相定子绕组电流。3.2 永磁同步电机控制系统的仿真模型的建立3.2.1 MATLAB简介MATLAB软件是Mathwork软件公司推出的，适于矩阵分析和计算，并且使用方便，人机界面直观，输出结果可视化。目前，MATLAB已经成为一种非常流行的软件，除了传统的交互式编程，它还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图象处理、方便的Windows编程等便利工具，出现了各种以MATLAB为基础的实用工具箱，广泛应用于自动控制、图象处理、信号分析、系统建模、优化设计等领域。对于电气工程领域主要的工具箱包括控制系统、系统辩识、多变量频率设计、神经网络、最优化、信号处理、模糊控制、小波分析工具等。为了准确的把一个复杂的控制系统模型输入给计算机并对之进行分析与仿真，Mathwork公司为MATLAB使用者提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink。Simulink是一个用于对动态系统建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。Simulink工具箱包括了专门用于电力电子与电力传动学科进行仿真的电气系统模块库(Power System Blockset)。电力系统模块库主要由以下六个子模块库组成：(1) 电源模块：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等；(2) 基本元件库：包括串联RCL负载、串联RCL支路、并联RCL负载、基线性变压器、饱和变压器、互感、断路器、单相型集中参数传输线路和浪涌放电器等；(3) 电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET和理想开关等。为满足不同的仿真要求并提高仿真速度，还包括晶闸管简化模型；(4) 电机模块库：包括激磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等；(5) 测量模块库：包括电流测量和电压测量模块；(6) 附加电气系统模块库，包括均方根测算、有功与无功功率测算、傅立叶分析、可编程定时器、同步脉冲发生器以及三相库等。3.2.2 各模块仿真模型的建立(1) PMSM本体模块在整个控制系统中，在整个控制系统的仿真模型中，PMSM本体模块是最重要的部分。Matlab/Simulink的SimPowerSystem提供了按交直轴磁链理论的定子绕组按Y连接的PMSM模块，如图3.3所示。PMSM模有四个输入端，一个输出端，其中三个输入端A、B、C连接三相电压，输入端Tm借入机械转矩信号。输出端m用于测量和观察同步电机的工作状态。图3.3 永磁同步电机模型永磁同步电机模型可以工作于发电机状态或电动机状态，它的工作方式取决于输入机械转矩的极性，当Tm0时，为电动机模式，当Tm0时，发电机模式。永磁同步电机模型的电气部分和机械部分都用二阶状态方程表示，并且模型假定定子磁通是正弦分布的，因此产生的感应电动势也是正弦的。因为一般永磁同步电机气隙比较大，因此模型没有考虑定子磁路的饱和和铁损，并且永磁同步电机模型建立在两相旋转坐标系（dq坐标系）上，所有参数也折算到旋转坐标系上。电机方程如下：电路方程为式中，Ld、Lq为d、q轴电感；R为定子绕组电阻；id、iq为d、q轴电流分量；ud、uq为d、q轴电压分量；为转子角速度；p为极对数；Te 为电磁转矩。机械方程为 式中，J为转子和负载的转动惯量；F为转子和负载的摩擦系数；为转子位置角；Tm为轴上机械转矩。永磁同步电机模型对话框如图3.4所示，对模型设置参数。图3.4 永磁同步电机参数设置对话框(2) dq向abc转换模块dq向abc转换模块是根据转子的位置角，按dq变换的反变换，其公式如下：式中包含零序分量，在对称三相条件下，没零序分量，dq向abc转换结构框图如图3.5所示。dq向abc转换模块输出三路基准信号，该曲线的横坐标按转子位置标注，纵坐标按电流标注根曲线分别代表对应转子某一位置的3个绕组自驱动电流瞬时值，通过矢量合成可知此刻的转磁场矢量的角度。图3.5 dq向abc转换框图 (3) 三相电流源型逆变器模块三相电流源型逆变器模块是按照矢量控制论，利用滞环电流控制方法，实现电流逆变控制输入三相参考电流和三相实际电流，输出为逆变器电压信号，如图3.6所示。图3.6 三相电流源型逆变器模块结构框图当实际电流is惯性环节低于参考电isr且偏差大于滞环比较器的环宽时，电机对应正向导通，负向关断；当is经惯性环节超过isr且偏差大于滞环比较器的环宽时，对应相正向关断，负向导通。选择适当的滞环宽，实际电流可不断跟踪参考电流的波形，实现电流闭环控制。(4) 速度控制器模块速度控制模块的结构如图3.7所示，参考转速和实际转速的差值为单输入项，三相参考相电流幅值iqref为单输出项，Saturation饱和限幅模块将输出的三相参考相电流幅值限定在要求范围内。在MATLAB中，可以直接拿PI模块来取代速度控制模块，其效果是一样的。图3.7 速度控制器模块框图(5) 整个控制系统模型通过PMSM本体模块、dq向abc转换模块、三相电流源型逆变器模块、速度控制器模块的有机整合可以画出永磁同步电机伺服系统的整个控制系统模型，因为MATLAB里有些模块可以直接用，总模型图如图3.8所示。图3.8 永磁同步电机控制系统模型图3.3 仿真实验结果及分析系统模型建构完成后，可以用Simulink提供的仿真功能进行仿真运行。通过软件提供的示波器（scope）可以在仿真运行时看到仿真的输出结果，通过示波器（scope）可以观察交流电机的转速，转矩和三相定子电流19。为了验证所设计的PMSM控制系统仿真模型的静、动态性能，做了以下仿真。3.3.1 额定转矩下启动仿真系统首先在转速给定为314rad/s，负载TlTN1.247Nm启动，由PMSM Measurement Demux 模块可以得到三相定子电流ia、ib、ic，转子角速度，电磁转矩Te。可得到系统定子电流、转速、转矩仿真曲线（观察周期设为0.06s）如图3.93.11所示。图3.9 三相定子电流波形图图3.10 转子角速度波形图图3.11 电磁转矩波形图由仿真波形可以看出：ia、ib、ic在开始时刻比较大，但很快达到设定值。转速在起动之后，很快达到稳定值；在起动的时刻，电磁转矩Te达到15Nm，有轻微波动。启动阶段系统保持转矩恒定，因而没有造成较大的转矩和相电流冲击，参考电流的限幅作用十分有效；稳速运行时，忽略系统的摩擦转矩,因而此时的电磁转矩均值为kgm2。综合可得，系统响应快速且平稳。3.3.2 额定转矩下反转仿真在额定转矩下，给定一个负转速-200rad/s，电机参数不变，仿真时间为0.06s，启动仿真模型，由PMSM Measurement Demux 模块可以得到三相定子电流ia、ib、ic，转子电角速度，电磁转矩Te。可得到系统定子电流、转速、转矩仿真曲线（观察周期设为0.06s）如图3.123.14所示。图3.12 三相定子电流图图3.13 转子角速度波形图图3.14 电磁转矩波形图由仿真波形可以看出：ia、ib、ic在开始时刻比较大，但很快达到设定值，接近正弦波。转速在起动之后，实现反转并很快达到稳定值；在起动的时刻，电磁转矩Te达到12Nm，有轻微波动。达到课题任务性能指标的基本要求。3.3.3 转速指令跟随仿真在额定转矩下，电机参数不变，给定转速300rad/s，启动仿真模型，在t=0.04s时给定转速变为100rad/s。由PMSM Measurement Demux 模块可以得到三相定子电流ia、ib、ic，转子电角速度，电磁转矩Te。可得到系统定子电流、转速、转矩仿真曲线（观察周期设为0.1s）如图3.153.17所示。图3.15 三相定子电流波形图由仿真波形可以看出：定子电流在转速指令转变的瞬间发生变动，并很快达到稳定值；转速波形随指令转变并很快达到稳定值；转矩在转速指令转变的瞬间发生震荡，但很快恢复额定转矩。图3.16 转子角速度波形图图3.17 电磁转矩波形图3.3.4 抗干扰性能仿真额定转矩下启动仿真模型，在t=0.04s时突加负载,使转矩值从1.247Nm变成3Nm，由PMSM Measurement Demux 模块可以得到三相定子电流ia、ib、ic，转子电角速度，电磁转矩Te。可得到系统定子电流、转速、转矩仿真曲线（观察周期设为0.06s）如图3.183.20所示。图3.18 三相定子电流波形图图3.19 转子角速度波形图图3.20 电磁转矩波形图从仿真波形可以看出：突加负载后，ia、ib、ic有波动，但很快达到设定值。突加负载后，转速发生轻微波动，但又能迅速恢复到平衡状态，稳态运行时无静差，基本没受影响。突加负载后，电磁转矩略有增大，这主要是由电流换向和电流滞环控制器的频繁切换造成的。综合可得，系统有较强的抗干扰性能。通过对PMSM控制系统仿真建模，由仿真结果可以看出系统能平稳运行，具有较好的静、动态特性和较强的抗干扰性能，它为分析和设计PMSM控制系统提供有效手段和工具20。4 系统硬件设计4.1 控制系统硬件总体结构图4.1为所设计的交流永磁同步电机控制系统的硬件结构框图。如图所示，系统硬件由逆变器输入电源、逆变功率模块和控制部分构成。其中，控制电路包括：MCU复位电路及外部EEPROM、输出显示电路、输入控制电路、逆变输入电源控制电路、过流保护电路、逆变驱动接口电路、电源转换电路、电流检测电路及其它必要的外围电路等21,22,23。图4.1 系统硬件总体框图4.2 元器件的选择4.2.1 电源及逆变器的选择电源部分采用前桥整流滤波电路，220V、50Hz的交流电经过整流桥整流及滤波电容平滑后得到300V左右的直流电压，将其作为逆变器的直流输入电源。同时，考虑到系统的EMC性能，在整流桥前加装了EMI滤波器。逆变器部分采用IGBT模块作为三相全桥电路的开关器件，采用IR公司生产的三相全桥驱动芯片IR2136作为IGBT的驱动电路。另外采用Infineon公司生产的单片开关电源芯片2A165设计了小功率的系统内部电源，为整个系统提供供电电源。4.2.2 微处理器选择本系统采用以微处理器为控制核心的控制方案。芯片选择本着以高性能、高可靠性、低成本以及在电机控制方面的通用性为原则，同时应具有便利的软件开发环境，因此我们选择了Infineon公司推出的16位电机控制专用单片机XC164CM作为系统的控制核心。XC164CM的特点是：(1) 采用C166SVZ内核，具有5级指令流水线，指令执行时间达到25ns，可以与DSP相媲美；(2) 片内FLASH容量达64kB；(3) 2k字节片内双口RAM，2k字节片内数据SRAM及2k字节片内程序数据SRAM；(4) 有功能强大的CCU6单元，用来产生驱动三相电机(交流、直流无刷电机)的信号；(5) 具有自校检的10比特14路A/D转换器，转换速度2.1s；(6) 具有单周期1616位乘法、3216位除法及乘法累积指令，可快速处理复杂的数学运算。 XC164CM的最大优点是：内部CCU6单元使电机控制的外部硬件电路大大简化，其强大的运算能力可以完成很多复杂有效的算法，非常适应于变频调速的电控系统。而且其价格低廉，具有广泛的市场前景。同时，采用Keil公司开发的KeilC166软件对该芯片提供完善的支持，该软件开发环境支持C及汇编语言的编译、汇编，可进行全面的软件仿真及硬件在线仿真下载，使用十分方便。4.3 系统各单元模块硬件设计4.3.1 逆变器输入电源设计逆变器输入电源完成的主要功能是：将220V交流电变换成300V左右的直流电压，作为逆变器的电源输入；同时应能检测逆变器的输入电流值，并将其送入MCU进行监控；为满足系统的EMC要求，交流进线侧还应具有EMI滤波器，以减