永磁同步电动机功率因数的仿真分析--转矩电流最大比控制模型毕业设计.doc

I 本科本科毕业设计毕业设计 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控 制模型 II 毕业论文 设计 原创性声明毕业论文 设计 原创性声明 本人所呈交的本人所呈交的毕业论毕业论文 文 设计设计 是我在 是我在导师导师的指的指导导下下进进行的研究工作及取得的研行的研究工作及取得的研 究成果 据我所知 除文中已究成果 据我所知 除文中已经经注明引用的内容外 本注明引用的内容外 本论论文 文 设计设计 不包含其他个人已 不包含其他个人已经经 发发表或撰写表或撰写过过的研究成果 的研究成果 对对本本论论文 文 设计设计 的研究做出重要 的研究做出重要贡贡献的个人和集体 均已在献的个人和集体 均已在 文中作了明确文中作了明确说说明并表示明并表示谢谢意 意 作者作者签签名 名 日期 日期 毕业论文 设计 授权使用说明毕业论文 设计 授权使用说明 本本论论文 文 设计设计 作者完全了解 作者完全了解 学院有关保留 使用学院有关保留 使用毕业论毕业论文 文 设设 计计 的 的规规定 学校有定 学校有权权保留保留论论文 文 设计设计 并向相关部 并向相关部门门送交送交论论文 文 设计设计 的的电电子版和子版和纸质纸质版 有版 有权权将将论论文 文 设计设计 用于非 用于非赢赢利目的的少量复制并利目的的少量复制并 允允许论许论文 文 设计设计 进进入学校入学校图书馆图书馆被被查阅查阅 学校可以公布 学校可以公布论论文 文 设计设计 的 的 全部或部分内容 保密的全部或部分内容 保密的论论文 文 设计设计 在解密后适用本 在解密后适用本规规定 定 作者作者签签名 名 指指导导教教师签师签名 名 日期 日期 日期 日期 III 注 意 事 项 1 设计 论文 的内容包括 1 封面 按教务处制定的标准封面格式制作 2 原创性声明 3 中文摘要 300 字左右 关键词 4 外文摘要 关键词 5 目次页 附件不统一编入 6 论文主体部分 引言 或绪论 正文 结论 7 参考文献 8 致谢 9 附录 对论文支持必要时 2 论文字数要求 理工类设计 论文 正文字数不少于 1 万字 不包括图纸 程序清单等 文科类论文正文字数不少于 1 2 万字 3 附件包括 任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 4 文字 图表要求 1 文字通顺 语言流畅 书写字迹工整 打印字体及大小符合要求 无错别字 不准 请他人代写 2 工程设计类题目的图纸 要求部分用尺规绘制 部分用计算机绘制 所有图纸应符 合国家技术标准规范 图表整洁 布局合理 文字注释必须使用工程字书写 不准用 徒手画 3 毕业论文须用 A4 单面打印 论文 50 页以上的双面打印 4 图表应绘制于无格子的页面上 5 软件工程类课题应有程序清单 并提供电子文档 5 装订顺序 1 设计 论文 2 附件 按照任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 次序装订 3 其它 IV 摘摘 要要 永磁步电动机以其体积小 效率高 功率密度大等优点而成为最具竞争力 电机 目前已得到了广泛的应用 为了实现优良的 PMSM 控制系统 不少学者将 先进的控制理论应用于交流伺服系统 并取得了很好的控制效果 功率因数和 效率一样 都是永磁同电动机最具实用价值的特征指标 无论是异步起动的永 磁电动机 还是调速永磁电动机 设计时都力求提高其功率因数 高功率因数 是永磁同步电动机的一个突出优点 它有利于降低定子电流和绕组铜耗 提高 效率 能使永磁同步电动机拥有比异步电动机高很多的力能指标 本文将对永 磁同步电动机的功率因数进行的详细分析 并且提出了功率因数控制策略 首先 在 dq 坐标系中建立永磁同步电动机的数学模型 在 MATLAB SIMULINK 中建立仿真模型 仿真分析永磁同步电动机的电源和励磁状 况对其功率因数影响 其次 在 MATLAB SIMULINK 中建立了转矩电流最大比控制的仿真模型 通 过控制定子电流矢量的角度 来控制转矩 并且分析了不同情况下永磁同 步电动机的功率因数 最后 建立永磁同步电动机功率因数的仿真模型 在转速控制的基础上 通过控制定子电流来实现功率因数的控制 关键词 永磁同步电动机 功率因数 转矩电流最大比 控制理论 V Permanent magnet synchronous motor power factor of the simulation the maximum ratio of torque current control model Abstract Permanent magnet synchronous motor with its small size high efficiency power density etc and become the most competitive motor has been widely used In order to achieve good control system of PMSM many scholars of advanced control theory is applied to servo system and achieved a good result Power factor and efficiency are both permanent magnet motor with the characteristics of the most practical indicators Both asynchronous permanent magnet starter motor or speed permanent magnet motor the design will strive to improve the power factor High power factor is a prominent permanent magnet synchronous motor advantages it helps reduce the stator current and the winding copper loss improve efficiency make the permanent magnet synchronous motor asynchronous motor has a much higher than the power index This paper will make a detail analysis of the power factor of the permanent magnet synchronous motor and power factor control strategy is proposed First in the dq coordinate system to establish the mathematical model of permanent magnet synchronous motor in the MATLAB SIMULINK to create simulation model of permanent magnet synchronous motor for its power and power factor of excitation conditions Secondly in the MATLAB SIMULINK to establish a maximum ratio of torque current control simulation model by controlling the stator current vector angle to control the torque and analyzed under different conditions of permanent magnet synchronous motor power factor Finally a permanent magnet synchronous motor power factor of the simulation model based on the speed control by controlling the stator currents to achieve power factor control Keywords Permanent Magnet Synchronous Motor Power Factor Maximum Torque Current Ratio Control Theory VI 目录 摘 要 III Abstract IV 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 永磁同步电动机的发展历程 1 1 2 1 永磁同步电动机 1 1 2 2 永磁同步电动机的发展概况与趋势 1 1 3 电动机的分析方法 2 1 3 1 电机的分析步骤 2 1 3 2 运动方程的导出 3 1 4 永磁同步电动机功率因数的研究 3 1 5 课题研究的主要内容 4 2 永磁同步电动机的功率因数 5 2 1 永磁同步电动机功率因数的基本概念 5 2 2 同步电动机的功率特性 5 2 3 影响功率因数的因素 6 2 3 1 影响永磁同步电机功率因数的原因 6 2 3 2 提高永磁电机功率因数的方法 6 2 4 永磁同步电动机的功率因数分析 6 2 4 1 电源与功率因数的仿真分析 6 2 4 2 频率与功率因数的仿真分析 7 3 永磁同步电动机的数学模型及控制理论 9 3 1 永磁同步电动机的数学模型 9 3 2 永磁同步电动机的控制策略 11 3 3 永磁同步电动机控制策略的发展趋势 12 4 转矩电流最大比控制系统的功率因数仿真分析 14 4 1 转矩电流最大比控制理论 14 4 2 转矩电流最大比控制原理 14 4 3 转矩电流最大比仿真与功率因数分析 15 4 3 1 电流滞环控制方法的仿真与功率因数分析 15 4 3 2 额定工作状态下的仿真实现与功率因数分 析 16 4 3 3 变负载时的仿真实现与功率因数分析 18 4 3 4 3000 转时的仿真实现与功率因数分 VII 析 19 4 3 5 低转速下的仿真实现与功率因数分析 21 5 功率因数的仿真分析 24 5 1 功率因数的控制原理 24 5 2 功率因数的仿真分析 24 5 2 1 给定功率因数角为 0 的仿真分 析 24 5 2 2 其他功率因数下的仿真分析 26 结论 29 参考文献 30 致谢 31 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 1 1 绪论 1 1 引言 电机是一种能量转换或信号转换的电磁机械装置 就能量转换的功能来看 电机可以分为发电机和电动机两大类 其中电动机作为动力设备 已广泛应用 于机械行业的工作母机 根据应用场合的要求和电源的不同 电动机有直流电 动机 交流同步电动机 交流感应电动机 以及满足不同需求的特种电机 20 世纪 70 年代以后 由于大功率电力电子器件 变频技术以及计算机技术取得的 一系列进展 还研制出了调速性能优良 效率较高 能满足不同要求的交流电 动机调速系统 以及有变频器供电的一体化电机 就信号转换功能的控制电机 而言 大体上有测速电机 2 伺服电机 旋转变压器和自整角机等几种 这些 电机主要用于自动控制系统中作为检测 执行 随动和解算元件 例如机床加 工的自动控制 舰船方向舵的自动控制 大炮和雷达的自动定位 飞机的飞行 控制 计算机 自动记录仪表运行的控制等 这类电机通常称为微型电机 对 精度和快速响应的要求较高 1 1 2 永磁同步电动机的发展历程 1 2 1 永磁同步电动机 在交 直流电机中 用永磁体来取代直流励磁以产生气隙磁场的电机 称 为永磁电机 永磁电机具有体积小 效率高 运行可靠等优点 在许多情况下 可以实现无刷化 因此在家用电器 医疗器械 汽车 航空和国防等各个领域 内获得广泛的应用 由于永磁体的益处很多 在电机中用永磁材料代替传统的励磁绕组 已成 为新型高效节能电机的一个重要发展方向 现代永磁电机采用稀土永磁材料励 磁 如钐钴 Sm Co 台金 钕铁硼 NdFeB 台金等 不仅使电机尺寸大大减小 重量减轻 而且使之维护方便 运行可靠 效率提高 永磁电机的种类繁多 根据电机功能大致可分为永磁发电机和永磁电动机两大类 永磁电动机又可分 为永磁直流电动机和永磁交流电动机 而永磁交流电动机指的是带有永磁转子 的多相同步电动机 所以常被称为永磁同步电动机 PMSM 永磁直流电动机如 果按有无电刷和换向器来分 又可分为永磁有刷直流电动机和永磁无刷直流电 动机 BLDCM 1 2 2 永磁同步电动机发展趋势 2 永磁同步电机 PMSM 的研究现状 虽然 BLDCM 的转矩比 PMSM 具有 控制简单 成本低 检测简单等优点 但因为 BLDCM 的转矩脉动比 PMSM 较 大铁心损耗也较大 所以在低速直接驱动场合的应用中 PMSM 的性能比 BLDCM 及其它交流何服电动机优越得多 不过在发展高性能 PMSM 中也遇到 几个 瓶颈 问题有待于作更深入的研究和探索 7 1 PMSM 程中会出现 退磁 现象 而且在低速时 也存在齿槽转矩对 其转矩波动的影响 2 测误差对控制器调节性能有影响 发展高精度的速度及位置检测器件 和实现无传感器检测的方法均可克服这种影响 3 以 PMSM 作为执行元件构成的永磁交流伺服系统 由于 PMSM 本身 就是具有一定非线性 强耦合性和时变性的 系统 同时其伺服对象也存在 较强的不确定性和非线性 加之系统运行时易受到不同程度的干扰 因此采用 先进控制策略 先进的控制系统实现方式 如基于 DSP 控制 以从整体上提高 系统的 智能化 数字化 水平 这应是当前发展高性能 PMSM 伺服系统的 个主要的 突破口 永磁同步电机 PMSM 的发展趋势 PMSM 伺服系统从其应用领域的特 点和自身技术的发展来看 将会朝着以下两个方向发展 一是适用于简易教控 机床 办公自动化设备 家用电器 计算机外围设备以及对性能要求不高的工 业运动控制等领域的简易 低成本 PMSM 伺服系统 另一方向则是向适用于高 精度数控机床 机器人 特种加工设备精细进给驱动以及航空 航天用的高性 能全数字化 智能化 柔性化的 PMSM 伺服系统发展 19 而且后一个发展方 向更能充分体现 PMSM 伺服系统优点 今后必将成为重点发展方向 1 3 电动机的分析方法 1 3 1 电机的分析步骤 电机的分析步骤 大体上可以归纳为以下四步 1 电机内部物理情况分析 首先是弄清电机的基本结构和主要部件的功 能 再根据电机的磁路和电路 分析空载和负载是电机内部的磁场 初步弄清 这种电机的工作原理 2 导出电机的运动方程 运动方程是磁动势方程 磁链方程 电压方 程和转矩方程的总称 3 求解运动方程 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 3 4 结果分析 通过对解答的分析 确定所需的运行性能 特性 和主要 运行数据 如过载能力 稳定性 效率 电压变化率 速度变化率等 1 3 2 运动方程的导出方法 运动方程的导出方法主要有三种 1 主磁通 磁通法 此法是把电机内的磁通按其作用和分布 分为主磁通 和漏磁通 然后用电磁感应定律和基尔霍夫定律列出各个绕组的电压方程 2 动态电路法 此法是把电机作为一组动态电路对待 把定子 转子之 间的电磁关系用一组时变的自感和互感系数来表达 即 L L 为 转子的转角 3 变分法 设电机系统的总能量为 T 总势能为 V 系统的拉格朗日状 态函数 L T V I 为 L 的积分 I 2 1 t t Ldt 变分法是通过求 I 的极值所得到的方程 此法的优点是可以自动导出运动方程 中的机电耦合项 1 4 永磁同步电动机功率因数的研究 图 l 永磁同步电动机和异步电动机功率因数 图 1 是永磁同步电动机和异步电动机随负载变化时的功率因数曲线 可以 看到 永磁同步电动机的功率因数较异步电动机高 5 尤其在轻载和空载情况 下 要比异步电机高许多 这是因为永磁电动机的转子中设置有磁钢 可以不 从电网或减少从电网吸收无功电流来建立磁场 因而功率因数较高 异步电动 机却必须靠电网提供的无功功率建立磁场 而且当异步电动机负载下降时 只 减少 电流中的有功分量 无功分量却几乎不变 因此功率因数低并随着负载快 速下降 可见 高功率因数是永磁同步电动机的一个突出的优点 它有利于降 4 低定子电流和绕组铜耗 提高效率 使永磁同步电动机拥有比异步电动机高得 多的力能指标 但也必须通过合理设计的永磁电动机 才能获得较高的功率因 数 1 5 课题研究的主要内容 1 在dq坐标系中建立永磁同步电动机的数学模型 详细分析永磁同步电动 机的转矩电流最大比的控制理论 2 在电励磁同步电动机的功率因数控制方法的基础上 讨论永磁同步电动 机的功率因数问题 利用电机的矢量图 分析影响永磁同步电动机功率因数的 因素 通 过仿真分析永磁同步电动机的功率因数与电源和永磁体之间的关系 3 转矩电流最大比控制系统 3 中永磁同步电动机功率因数的仿真分析 建立 转矩电流最大比控制仿真模型 4 在不同转速和负载下进行仿真 分析系统的 各参数之间的对应关系 并着重分析了在不同情况下永磁同步电动机的功率因 数 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 5 2 永磁同步电动机的功率因数 2 1 永磁同步电动机功率因数的基本概念 功率因数的大小与 电路的负荷性质有关 如白炽灯泡 电阻炉等电阻 负荷的功率因数为 1 一般具有电感性负载的电路功率因数都小 于 1 功率 因数是电力系统的一个重要的技术数据 功率因数是衡量 电气设备效率高 低的一个系数 功率因数低 说明电路用于交变磁场转换的无功功率大 从而降低了设备的利用率 增加了线路供电损失 所以 供电部门对用电单 位的功率因数有一定的标准要求 2 2 同步电动机的功率特性 同步电动机运行时 从电源吸收的电功率 P1 除一小部分消耗在电枢绕组 外 其余部分都通过气隙传递到转子 通过电磁作用传递到转子的功率 就是 同步电动机的电磁功率 Pem 再经过电磁转换转变成输出功率 P2 同步电动机 的功率方程为 P1 Pcu Pem Pem Pfe P P2 2 1 式中 Pcu 定子铜耗 Pfe 铁耗 P 机械损耗 忽略电枢电阻时 同步电动机的电磁功率为 PemP1 3U1I1cos 2 2 式中 电枢的功率因数角 由此可知功角特性为 6 Pem 2 sin 0 xd UmE 2sin 11 2 2 xdxq mU 3 式 2 3 就是功角特性的表达式 式中第一项 Pe1 称为基本电 sin 0 xd UmE 磁功率 第二项 Pe2 称为附加电磁功率 附加电磁功率与 2sin 11 2 2 xdxq mU 励磁无关 且仅当 XdXq 即交 直轴磁阻互不相等 时才存在 故也称为磁阻 功率 2 3 影响功率因数的因素 2 3 1 影响永磁同步电机功率因数的原因 永磁同步电动机运行是靠定子线圈在气隙中产生的旋转磁场与转子上磁钢 间的相互吸引 使转子与定子气隙磁场同步旋转而做功 其转子等效为电阻电 路 故功率因数高 因无励磁电流 其空载损耗小 电动机效率可达 96 左右 较三相异步电动机高 影响永磁同步电机功率因数的原因是电压质量 电压幅值 和负载率 当 电网电压高于电动机的反电势点时 永磁电机呈感性负载运行 反之 电动机 呈容性负载运行 因此 电网电压波动会造成电机的功率因数波动 补偿困难 若电压幅值与电动机反电势点接近 偏差在 2 电压范围内时 电机功率因数 大于或等于 0 9 否则 功率因数较低 另外 当永磁同步电机的负载率低于 25 时 电机功率因数也偏低 2 3 2 提高永磁电机功率因数的方法 通过对各单井点功率因数低的原因分析 分别采取了以下方法进行调整 1 根据实测负载率适当调换电机 以保证适当的负载率 2 稳定系统电压 尤其是重载线路末端 电压普遍偏低 3 稳定单井电压使其接近永磁同步电机的空载反电势 4 当运行电压高于永磁电机的反电势点时 可根据感性无功功率的大小 加电 容补偿 以提高功率因数 5 当运行电压低于永磁电机的反电势点时 可调节变压器分接开关 适当提高 二次电压的幅值 使电机运行电压在反电势点附近 提高功率因数 6 对于重负荷长线路 调节变压器分接开关后 变压器二次电压幅值仍低于永 磁电机反电势点时 可更换永磁同步电机 采用电容柜补偿 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 7 2 4永磁同步电动机的功率因数分析 2 4 1 电源与功率因数的仿真分析 在额定负载时 在电机的励磁不变情况下 改变定子供电电压时 通过仿 真记录多组数据 最终绘出电流幅值和功率因数角随电压变化的波形如图 2 1 所示 图 2 1 电源与功率因数的仿真分析曲线 图中仿真曲线表明在 Pem 不变的情况下 随着电压 U 的增大 定子电流先 减小然后增大 相位由容性变为感性 对于永磁同步电动机 励磁是恒定的 但是调整外部电压 U 相当于调整励磁电流 If U f Ia 当电机的负载不变时 减小电枢电压 为了保持平衡 绕组就会相应产生 较小的气隙感应电势 由于电枢反应 气隙合成磁场就应减小 又因为励磁磁 链不变 所以此时电枢电流应该具有去磁的作用 即应超前于电压 电流呈容 性 功率因数角为负值 当增大电压时 情况与之相反 由上可知 可以通过控制电机电源来达到调节功率因数的目的 对于永磁 同步电动机我们可以通过控制定子电流 达到调节电机综合磁场的效果 从而 实现对电机功率因数的控制 2 4 2 励磁与功率因数的仿真分析 永磁同步电动机的励磁状况对电机的性能有很大的影响 为了直观的了解 永磁体的强度对电机的影响 在永磁同步电动机带额定负载 正弦电压供电时 进行仿真分析 可以得到相电流幅值和功率因数角与磁链的关系曲线 如图 2 2 所示 8 图 2 2 励磁与功率因数的仿真分析 由上述波形可知 正常励磁时 电机的功率因数角为 0 即功率因数为 1 定子电流幅值最小 在电流为感性的情况下 随着励磁的增大 定子相电流幅 值减小 功率因数角减小 即功率因数增大 容性电流时 随着励磁增强 功 率因数减小 所以在电机设计时 恰当地选择永磁体对永磁同步电动机的功率 因数是有很大的影响的 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 9 3 永磁同步电动机的数学模型及控制理论 3 1 永磁同步电动机的数学模型 在以下条件下建立 d q 坐标系下的 PMSM 的数学模型 1 忽略磁路中铁心的磁饱和 2 不计铁心的涡流损耗与磁滞损耗 3 定子电枢绕组的空载电势是正弦波 定子电压方程 qrd dsd p iru 3 1 drq qsq p iru 3 2 磁链方程 3 f dd diL 3 iL qq q 3 4 电磁转矩方程 2 3 iiT d q q d e p 3 iiLLi qdqdq f p 2 3 5 上述式中 Rs为定子绕组相电阻 和是定子磁链 d 轴和 q 轴上的分 d q 量 uq和 ud是定子电压 d 轴和 q 轴上的分量 Ld和 Lq分别是 d 轴和 q 轴电感 是转子电角速度 是永磁磁极产生的与定子交链的磁链 p 为电动机极对 r f 数 PMSM 的状态方程 10 3 6 L u L u i i L R L L L L L R i i q fr q d d q d qq dr d qr d s q d p p 1 式中 p 为微分算子 对于 PMSM 来说 定义坐标系的轴与定子 A 相绕组重合 轴比 轴超前 90 度 因为轴固定在 A 相轴线上 因此坐标系为静止坐标系 定义 dq 坐标系的 d 轴与转子主磁极轴线重合 q 轴超前 d 轴 90 度 并且 d 轴 与 A 相轴线夹角为 dq 坐标系以电角速度一起旋转 因此称为旋转坐标系 r 如图 3 1 所示 图 3 1 坐标变换图abcdq 在图 3 1 中 三相静止坐标系下 三相电流可以为 1 cos I ia 3 3 2 cos 1 I ib 7 3 2 cos 1 I ic 在恒定转速下 合成磁场与d轴的夹角 t 1 采用变换 静止坐标系与 abc 的关系为 2 3 3 c b a i i i i i 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 11 8 采用变换 abc 坐标系与的变换关系为 3 2 3 i i i i i c b a 2 3 2 1 2 3 2 1 01 3 2 9 采用 abc dq 变换 有 3 c b a q d i i i i i 3 2 sin 3 2 sin sin 3 2 cos 3 2 cos cos 3 2 10 采用 dq abc 变换 有 3 q d c b a i i i i i 3 2 sin 3 2 cos 3 2 sin 3 2 cos sincos 3 2 11 3 2 永磁同步电动机的控制策略 PMSM 的高性能控制策略 6 主要有以下几种 1 变压变频控制 控制变量为电机的外部变量 即电压和频率 这种控制方法的突出优点是 可以进行电机的开环速度控制 控制电路简单 该控制系统的特点是易实现 价格低廉 比恒定控制方式通用性强 是目前通用变频器产品中使用较多的一 种控制方式 但是 由于系统中不引入速度 位置或其它任何反馈信号 因此 不能实时获得电机的工作状态 无法精确控制从而得出最佳的电磁转矩 2 矢量控制 由于矢量控制理论 8 需要坐标旋转变换 矢量运算以及高速的数字信号处 理器 所以在最初几年里 该理论一直无法实得到证实 直到 1979 年 日本首 次将该技术用于异步电机驱动造纸机 仅过一年 日本又将该技术首次引入永 磁同步电机驱动轧钢机 12 矢量控制的核心思想是参照直流电机的控制策略 将电机三相电流 电压 磁链经坐标变换 形成以转子磁链定向的两相参考坐标系 实现电机转矩的控 制 磁场定向矢量控制的优点是有良好的转矩响应 精确的速度控制 零速时 可实现全负载 矢量控制的优点是具有精确的速度控制和良好的转矩响应 并可实现零速 全负载控制 具有类似于直流电机的工作特性 矢量控制的前提是获得转子磁 场的准确位置 通常通过安装绝对编码器等转子位置传感器来获得转子磁场的 准确位置 由于矢量控制要经过坐标变换 对电机参数的变化敏感 运算量大 系统结构复杂等缺点 使得矢量控制的快速性受到 3 直接转矩控制 10 矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案 但因其需要复杂的 矢量旋转变换 而且电动机的机械常数低于电磁常数 所以不能迅速地响应矢 量控制中的转矩 针对矢量控制的这一缺点 提出了直接转矩控制 9 其控制 思想是通过对定子磁链定向 实现定子磁链和转矩的直接控制 11 4 转矩电流最大比控制 在交流伺服的各种控制方法中 控制定子电流 d 轴电流矢量为零的磁场定 向方法应用最为普遍 但是 完全采用的控制方法在某些情况下并不是0 id 最佳的 12 因此 永磁同步电动机也采用最大转矩控制及其他特殊控制方法 采用转矩电流最大比控制嵌入式永磁同步电动机是可能的 在输出同样转矩时 的铜损耗减小 在这种情况下 系统对逆变器额定功率的要求降低 即可以优 化逆变器的利用效率 5 功率因数控制 上面我们已经讨论了比较常用的矢量控制和转矩电流最大比控制 无论是 哪种控制方法都是优缺点并存的 如果我们能够在调速系统中同时实现对电机 功率因数的控制 13 那么就可以保证永磁同步电动机具有良好的功率因数特性 功率因数为 1 时永磁同步电动机就不会对电网造成污染 而且还可以使逆变器 的容量得到充分利用 同样如果调节功率因数超前或滞后就可以像电励磁同步 电动机那样对电网进行无功补偿 本文下面将专门研究永磁同步电动机的功率因数问题 在讨论电励磁同步 电动机功率因数的基础上 分析永磁同步电动机功率因数的相关问题 并且针 对广泛应用的控制系统分析永磁同步电动机的功率因数特性 最后建立仿真模 型控制电机的功率因数 3 3 永磁同步电动机控制系统的发展趋势 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 13 以 PMSM 为执行元件构成的永磁同步电机控制系统因其良好的性能 自诞 生以来 伴随着相关支撑技术的发展 如永磁材料 电力电子器件 微处理器 传感器和变频调速控制策略等 获得了迅速的发展和广泛的应用 并日渐成为 电机驱动系统的主流 14 尤其在高性能要求的中小功率的伺服领域更是具有一 取传统直流伺服系统的趋势 从其应用领域的特点和 PMSM 伺服系统自身技术 的发展来看 今后 永磁同步电机控制系统的发展方向主要有以下几个方面 1 全数字化 随着高性能专用数字信号处理器的出现 使得在电机控制系统中应用现代 控制理论 如人工智能 神经网络 最优控制等 成为可能 实施全数字化电机 控制系统 将原来的硬件控制变成了软控制 提高了电机控制系统的柔韧性 降低了成本 使得系统的控制精度和可靠性大大增强 2 高度集成化 微电子技术的发展 CPLD FPGA 等大规模可编程逻辑器件的应用 使得 控制电路设计更加灵活 速度响应更加快捷 硬件电路设计更易实现一体化 制系统的集成度更高 电机控制系统的安装和调试等工作更加灵活 3 智能化 智能化是目前电机控制系统及工业设备所追求的实现目标 智能化主要表 现在设备不仅要有参数设置 参数记忆以及与上位机进行数据通信等功能 而 且还具备一定的故障自诊断与分析功能 高档一些的智能化设备还具有参数自 整定功能 控制系统智能化的实现 提高了系统的可靠性 简化了系统维修与 调试的复杂性 4 模块化和网络化 工业无线网络及各类现场总线的应用是工厂自动化工程技术的发展趋势 各类控制器的模块化是实现该控制方法的基础 电机控制器 15 作为工厂使用最 为广泛的控制单元 其模块化的实施 不仅增强了电机控制单元与其它控制设 备 如 PLC 等 的互联能力 而且使得工厂网络化的实施成为可能 当前为进一 步提高永磁同步电机控制系统的性能 必须更深入的研究和探索几个待解决的 影响其性能的 瓶颈 问题 1 发展高性能永磁材料及其加工技术 改进 PMSM 结构以克服 PMSM 在使用过 程中的 退磁 问题和克服其存在齿槽转矩对其转矩波动尤其是低速时转矩波 动的影响 2 改进逆变器 含驱动电路 性能 克服其存在功率开关关断延时对其电流跟踪 速度减慢和造成注入 PMSM 定子电流含有谐波成分从而使其存在转矩脉动的影 14 响 同时发展高精度的速度及位置检测器件和实现无传感器检测 克服因检测误 差对控制器调节性能的影响 3 采用先进控制策略 提高控制器性能尤其是其智能水平和自适应能力以克服 包含驱动器 PMSM 及负载在内的 广义被控对象 的不确定性因素对系统性 能造成的影响和弥补系统以 硬件形式 构成的部件 缺陷性 4 转矩电流最大比控制系统的功率因数仿真分析 4 1 转矩电流最大比控制理论 永磁同步电动机具有结构简单 体积小 重量轻 功率因数高等优越性能 由其组成的高性能驱动系统近年来受到了广泛的关注 对于凸极永磁同步电动 机 能够产生磁阻转矩 通过控制定子电流相位角可以控制定子电流 LLqd 在直轴与交轴上的分量 当定子电流一定时 存在一个电流相位角使输出转矩 值最大 这种控制方法可以得到最大转矩电流比 基于此种最大电流比控制方 法 建立高性能的三电平 PMSM 最大转矩电流比控制系统 对最大转矩电流比 控制系统进行分析研究 与传统的 0 控制在输出转矩 功率因数 动态性能 id 算法复杂程度 对参数的鲁棒性等方面进行比较 从而阐述了其优缺点 为永 磁同步电动机控制方法选择提供依据 经过理论分析及仿真得出 最大转矩电流比控制的动态性能优于控0 id 制 最大转矩电流比控制充分利用磁阻转矩 输出转矩相同的情况下与 控制相比定子电流小 电动机铜耗小 功率因数高 所以高转矩 大容0 id 量场合宜采用最大转矩电流比控制 最大转矩电流比控制中 电枢电流产生的 磁动势的效果为去磁效应 这种去磁效应可以用来实现弱磁调速 但随着负载 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 15 转矩的增大功角会迅速拉大 不利于系统的稳定运行 最大转矩电流比控制算 法复杂 且对电机参数鲁棒性不高 控制算法简单 鲁棒性高 16 0 id 4 2 转矩电流最大比控制原理 所谓转矩电流最大比控制 又称为定子电流最小控制 是指在转矩给定的 情况下 最优配置交直轴电流分量 使定子电流最小 即单位电流下电机输出 转矩最大 最大转矩电流比控制可以减小电机铜耗 提高运行效率 从而是整 个系统的性能得到优化 此外 由于逆变器所输出的电流较小 对逆变器的容 量要求可相对降低 上面已经在第三章中介绍了泳池同步电动机的电磁转矩的 数学模型 即电磁转矩方程 2 3 iiT d q q d e p iiLLi qdqdq f p 2 3 可以看出凸极式永磁同步电动机 由于其交轴电感大于直轴电感 采用转 矩电流最大比控制时其直轴电流分量小于零 换句话说 是通过利用直轴电流 的去磁作用来实现最大转矩电流比控制的 因此 实际使用时必须注意对直轴 电流分量的控制 要考虑磁饱和影响和功角特性的影响 4 3 转矩电流最大比仿真与功率因数分析 无论我们采用哪种控制方式 最终都是为了实现电机运行具有稳定的转速 20 转矩脉动小 系统具有快速响应性 17 在转矩电流最大比控制方法中 我 们仍然要对电机转速进行闭环控制 在控制系统中 转速给定信号与反馈转速 经过 PI 调节器运算给出电磁转矩给定信号 电磁转矩给定信号与实际值再经 过 PI 调节输出定子电流矢量幅值的给定值 有了定子电流矢量的幅值之后就 可以计算出 从而可以是计算出在此中情况下定子电流的直轴分量和交轴分 量给定值 然后通过 dq 到 abc 的坐标变换计算得到定子三相电流的给定值 定子三相电流给定值与反馈值经过电流调节器输出 PWM 调制波控制逆变器的 工作状态 下面将采用电流滞环 PWM 方式来建立仿真模型 在不同的条件下进 行仿真 并且详细分析控制系统的性能以及电机的功率因数 4 3 1 电流滞环控制方式的仿真与功率因数分析 电流环采用滞环控制时 在 SIMULINK 中建立的仿真模型如上图 4 1 所 示 16 图 4 1 滞环控制方式模型 模型中有转速和转矩的闭环控制 转速给定值与反馈值经过 ASR 的 PI 调 节 并加以限幅输出电磁转矩的给定值 然后与反馈电磁转矩经过 PI 调节和限 幅环节后输出定子电流矢量的给定幅值 Is CACULATE 模块是一个封装子系统 它实现了根据定子电流幅值计算定子电流相对于交轴的相位角 的运算 直轴 电流和交轴电流给定值可以由定子电流矢量和 来确定 关系如下式所示 sin IIsd 4 1 cos IIsq 直轴电流和交轴电流的给定值经过坐标变换模块得到定子三相电流的给定 值 它们与反馈得到的实际值经过滞环环节输出 PWM 波控制逆变器 最终输出 永磁同步电动机所需的三相电压 在采用电流滞环控制方法时 定子流给定值 与反馈值经过滞环调节器输出开关信号控制逆变器的工作 设定滞环比较器的 环宽 调节就可以控制逆变器的开关频率 越小开关频率越高 定子h h h 电流的脉动就越小 系统的稳定性就会越高 图 4 1 中最后一个模块是永磁同 步电动机的封装形式 电机的输入信号有负载转矩和来自逆变器的三相电源 输出参数可以根据需要来选择 必须要有实现闭环控制的转速 电磁转矩和定 子电流以及转子位置的电角度信号以实现坐标变换 4 3 2 额定工作状态下的仿真实现与功率因数 采用凸极性明显的电机进行仿真 先分析在额定转速 1500rpm 额定负载 为 5N m 的情况下控制系统的控制性能以及电机的功率因数 本系统中调节器 均采用 PI 算法 在调试过程中 我们将不同 PI 参数下的仿真波形加以对比可 知 超出系统的稳定范围时 PI 参数增大都会造成振荡次数增多 过渡过程加 长 如图 4 2 所示 在图 4 2 中电磁转矩的波动过程很长 而且刚性很强 相 应的电机转速在起动过程中的超调量很大 而且振荡过程也很长 通过调节和 优化 PI 参数 在上述仿真系统中 当给定电机转速为 1500rpm 时 仿真结果 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 17 如图 4 3 所示 图 4 3 中 系统能够快速的达到稳定状态 振荡过程缩短了 闭环控制效果很好 横坐标 时间 s 纵坐标 转矩 N m 横坐标 时间 s 纵坐标 转速 rpm 图 4 2 a 电磁转矩 图 4 2 b 转速 横坐标 时间 s 纵坐标 转矩 N m 横坐标 时间 s 纵坐标 转速 rpm 图 4 3 a 电磁转矩 图 4 3 b 转速 在额定转速下 电机带额定负载时 对电机参数进行仿真分析得到波形如 下图 4 4 所示 横坐标 时间 s 纵坐标 电流 A 图 4 4 a A 相电流 18 横坐标 时间 s 纵坐标 电压 V 图 4 4 b A 相电压 横坐标 时间 s 纵坐标 电流 A 图 4 4 c 直轴与交轴电流 直轴电流为 2 7A 交轴电流为 9 3A 因为直轴电流分量为负值 所以定子 电流矢量超前于交轴 由此可以判断定子电流矢量超前于交轴的角度为 arctg id iq 16 2 这与仿真系统中 CACULATE 模块根据式 5 2 输出的仿真 结果是一致的 在上述分析的基础上 永磁同步电动机的功率因数角度如下图 4 5 所示 电机的功率因数角度稳态时约为 比矢量控制系统中电机的功率因数高得 7 1 多 横坐标 时间 s 纵坐标 角度 度 图 4 5 d 功率因数角 4 3 3 变负载时的仿真实现与功率因数分析 给定电机转速为 1500rpm 负载为 10N时 对电机参数进行仿真分析得m 到波形如下图 4 6 所示 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 19 横坐标 时间 s 纵坐标 转矩 N m 横坐标 时间 s 纵坐标 转速 rpm 图 4 6 a 电磁转矩 图 4 6 b 转速 横坐标 时间 s 纵坐标 电流 A 图 4 6 c A 相电流 横坐标 时间 s 纵坐标 电压 V 图 4 6 d A 相电压 20 横坐标 时间 s 纵坐标 电流 A 图 4 6 e 直轴和交轴电流 在带 10N m 负载的情况下稳定运行 仿真分析电机功率因数角度如下图 4 7 所示 电机稳定运行后 电机的功率因数角度为 3 1 可见在负载增大的 过程中 对应于内功率因数角的 值增大 电机输出功率增大 电机的功率因 数角度有所增大 横坐标 时间 s 纵坐标 角度 度 图 4 7 负载为 10N m 时功率因数波形 4 3 43000rpm 时的仿真实现与功率因数分析 在给定电机转速为 3000rpm 时 电机负载在 0 1s 时由 5N升高到m 10N m 时 控制系统的仿真波形如图 4 8 所示 横坐标 时间 s 纵坐标 转矩 N m 图 4 8 a 电磁转矩 横坐标 时间 s 纵坐标 转速 rpm 图 4 8 b 转速 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 21 横坐标 时间 s 纵坐标 电流 A 图 4 8 c A 相电流 横坐标 时间 s 纵坐标 电压 V 图 4 8 d A 相电压 横坐标 时间 s 纵坐标 电流 A 图 4 8 e 直轴和交轴电流 22 横坐标 时间 s 纵坐标 角度 度 图 4 8 f 3000rpm 时功率因数仿真分析 在 3000rpm 时 电源频率为 100Hz 当负载增大瞬间 电机的转速会有所 下降 闭环控制的作用就是使电磁转矩迅速跟踪负载转矩 使电机能够稳定在 给定转速下运行 在负载变化过程中 电机参数的变化情况是这样的 交轴电 流由 9 3A 增大到 18 3A 直轴电流由 2 75A 减小到 8 75A 功率因数角度由 1 93 到 3 55 在电机运行在 3000rpm 时的功率因数明显比矢量控制系统中要 高很多 4 3 5 低转速下的仿真实现与功率因数分析 当给定电机转速为 750rpm 时 控制系统的仿真波形如图 4 9 所示 横坐标 时间 s 纵坐标 转矩 mN 图 4 9 a 电磁转矩 横坐标 时间 s 纵坐标 转速 rpm 图 4 9 b 转速 横坐标 时间 s 纵坐标 电流 A 图 4 9 c 定子电流 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 23 横坐标 时间 s 纵坐标 电压 V 图 4 9 d A 相电压 横坐标 时间 s 纵坐标 电流 A 图 4 9 e 直轴与交轴电流 横坐标 时间 s 纵坐标 角度 度 图 4 9 f 功率因数角 直轴电流由 2 7A 变为 8 75A 交轴电流由 9 3A 变为 18 3A 仿真得到的功 率因数角度由 1 5 变为 2 5 这样电机功率因数降低 要求逆变器的输出电压 增大 调速系统必须保证电机所需电源在逆变器能够输出的最大容量范围内 此种控制系统中 电机的功率因数都比同种运行条件下矢量控制系统中电机的 功率因数要高得多 这一点上 它是优于传统的矢量控制的 24 5 功率因数的仿真分析 5 1 功率因数的控制原理 功率因数是电动机运行的重要参数 在额定工作情况下运行时 电动机的 功率因数一般都在 0 85 以上 10KW 以下的低速电机稍低 永磁同步电动机 由于没有励磁绕组和励磁装置 不消耗励磁功率 对磁极设在转子的电机还可 以省去滑环和电刷 与电励磁电机相比 永磁同步电动机具有损耗小 效率高 结构简单 可靠性高等突出优点 因此获得广泛的应用 永磁同步电动机在转 矩电流最大比控制中 在负载增大时功率因数要降低 18 因此我们利用永磁同 步电动机在 dq 坐标系中的数学模型 建立永磁同步电动机功率因数控制的仿真 模型 调节励磁电流可以调节电励磁同步电动机的功率因数 但是永磁同步电 动机的励磁是不可调节的 不能采用电励磁同步电动机的控制方法 因此通过 控制定子电流来实现功率因数控制的方法 功率因数控制原理如图 5 1 所示 5 2 功率因数的仿真分析 5 2 1 给定功率因数角为 0 的仿真分析 给定功率因数角度为 0 时仿真结果如图 5 2 所示 横坐标 时间 s 纵坐标 转矩 N m 图 5 2 a 电磁转矩 横坐标 时间 s 纵坐标 转速 rpm 图 5 2 b 转速 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 转矩电流最大比控制模型 25 横坐标 时间 s 纵坐标 电流 A 图 5 2 c A 相电流 横坐标 时间 s 纵坐标 电压 V 图 5 2 d A 相电压 横坐标 时间 s 纵坐标 电流 A 图 5 2 e 直交轴电流 横坐标 时间 s 纵坐标 角度 度 图 5 2 f 功率因数角度 26 由上述波形可知 在额定转速下 电机带负载为时 控制系统能够mN 5 使电机在给定功率因数下稳定运行 由图可知 在 0 04s 控制状态转换时 电 机的功率因数角度由矢量控制阶段 12 8 度逐渐达到给定的功率因数角度为 0 度 的状态 电机转速稳定 系统