交流调速作业四 永磁同步电动机电梯控制系统工作原理.doc

永磁同步电动机电梯控制系统工作原理xxxxxxxxx摘要：永磁同步无齿轮曳引机在电梯运行中应用广泛，控制系统特性直接影响了电梯运行性 能。通过查阅文献，了解根据无齿轮永磁同步电动机(PMSM)的数学模型，设计的基于空间矢量脉宽调制策略和基于的PMSM矢量控制系统。关键词：永磁同步电动机；矢量控制；空间矢量脉宽调制1. 前言随着现代化楼宇的不断兴建，电梯的需求日益增加。电梯必须具备舒适、安全、高效和稳定等运行性能，作为对电梯运行提供电力拖动的无齿轮曳引机，对电梯的性能有着重要的影响。因此电梯运行时，要求有高性能无齿轮曳引机牵引系统及控制方法。由于交流电机的定、转子磁场之间相互耦合， 长期以来都很难达到精确的转矩控制。1971年德国西门子公司F Blaschke首次提出了矢量控制技术，从而改善了交流电机的控制性能。各国学者提出了多种不同的矢量控制方法，其中电流型矢量控制在工业控制中有着广泛的应用。虽然电流型矢量控制不能使电流得到完全解耦，但该方法简单并能够实现对交流电机转矩的有效控制。对于永磁同步电机系统设计，为了改善控制性能和节约成本，许多现代控制方法得到应用。例如：最大转矩电流控制，恒磁链控制和矢量控制等。 当今矢量控制方法已成为改善交流电机调速系统控制性能的研究热点之一。近些年来，永磁同步电动机调速的无齿轮曳引机在电梯工业得到不断发展，如日本的三菱和安川，美国的奥的斯等。与带齿轮曳引机牵引系统相比，无齿轮永磁同步电动机系统减少了齿轮箱和齿轮传动机构，减少了建造成本，还降低了维修费用。本文设计的电梯控制系统，采用PMSM矢量控制方法实现了无齿轮曳引机控制系统设计。2. 永磁同步电动机（PMSM）2.1. 定义PMSM全称为permanent magnet synchronous motor， 即永磁同步电机。是指根据电机的反电动势进行区分定义的电机：正弦反电势的永磁同步电机。以前采用的交流传动需要一个变速齿轮机构来将电机的转距传递到轮轴上，而采用永磁同步电机可以将电机整体地安装在轮轴上，形成整体直驱系统，即一个轮轴就是一个驱动单元，省去了一个齿轮箱。2.2. 优点l PMSM起动牵引力大；l PMSM本身的功率效率高以及功率因素高；l PMSM直驱系统控制性能好；l PMSM发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小；l PMSM允许的过载电流大，可靠性显著提高；l 在高速范围中电机噪声明显降低；l 系统传动损耗明显降低，系统发热量小；l 系统采用全封闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，免润滑油、免维护；l 整个传动系统重量轻，簧下重量也比传统的轮轴传动的轻，单位重量的功率大；l 由于电机采用了永磁体，省去了线圈励磁，理论可节能10%以上；l 由于没有齿轮箱，可对装向架系统随意设计：如柔式装向架、单轴转向架，使列车动力性能大大提高。2.3. PMSM数学建模如图1，d-q为转子旋转坐标系，d轴按电机转子磁链矢量f定向，q轴超d轴90。在dq旋转坐标系下，通过坐标变换技术将静止坐标系下的时变分量转换为旋转坐标系下得到对应的直流量，便于控制系统的建模和分析。图1 PMSM空间矢量图图1中，是电机转矩角度；是A相绕组轴线与d轴之间的角度；是钉子磁链矢量与q轴间的夹角；s、f分别是永磁同步电动机定、转子磁链矢量。在d-q 旋转坐标系下,PMSM 数学模型可由下式表示： （1） （2） （3）式中：电机极对数； 定子电阻； 、分别为永磁同步电动机的直、交轴主电感。式（3）中， 等式右边括号内第一项是由电枢与永磁体励磁磁场相互作用产生的励磁转矩，第二项是因直轴磁阻和交轴磁阻不同所引起的磁阻转矩。对于面装式PMSM而言，电磁转矩仅为励磁转矩，第二项磁阻转矩为零。3. 永磁同步电动机的控制3.1. PMSM矢量控制由 PMSM 数学模型可知，控制d 轴和q 轴电流可以控制输出电磁转矩。在实际应用中， 由于考虑电机过载能力，调速范围及转矩响应等因素，本文设计矢量控制系统。选用三相电压源逆变器作为主电路拓扑结构，保持给定电流。 由于控制系统 中电流响应快，可近似认为转速不变，因此选取合适的电流调节器确保电流d 轴和q 轴分 量等于各自 给定值，即，。按此控制策略分别控制电流分量，达到直轴和交轴的完全解耦控制。永磁同步电动机等效于直流电机，磁动势矢量垂直于永磁体的励磁磁链矢量，单位定子电流产生最大电磁转矩，基于的PMSM矢量控制图如图2。图2 基于的PMSM矢量控制图3.2. 空间电压矢量控制空间电压矢量调制(SVPWM)方法也称为磁链跟踪调制法，将逆变器和电机视为一个整体， 控制输出相电压来达到控制磁场的目的。典型的SVPWM控制的电压源逆变器主电路拓扑结构如图3 。图3 电压源逆变器主电路拓扑图三相电压源逆变器的三相桥臂共6个开关管，能够产生8种关状态。定义a=1为A相上管开通，下管关断状态；a=0为A相上管关断，下管开通状态。同理，B相和C相以相同的定义，得到的8种开关状态分别为（000）（001）（010）（011）（100）（101）（110）和（111），分别得到线电压和相电压与开关状态对应关系如下： （4） （5）式中：直流母线电压幅值。开关矢量把电压空间矢量分为6大扇区，8个开关矢量由6个基本矢量和2个零矢量组成，如图4所示，任何一个空间矢量可由 2个基本矢量和零矢量合成。CLARK变换式为： （6）图4 基本电压矢量图4. 仿真基于DSP数字双闭环控制系统，整个系统控制结构框图如图5 。图5 控制系统结构框图基于矢量控制和 SVPWM调制策略方法，利用MATLAB/simulink 建立仿真模型，仿真PMSM电机参数见表1。PMSM矢量控制仿真模型如图6，坐标变换和逆变器模型分别如图7和图8。表1 PMSM额定参数参数额定电压V额定功率kW极对数额定电流A额定转矩Nm额定转速r/min额定值38011.71022.8665168相电流、转速、输出转矩仿真结果如图9，仿真结果表明模型的正确性，控制策略的有效性和可行性。图6 PMSM仿真模型图图7 坐标变换图8 逆变器数学模型 图8 相电流、转速、输出5. 结论本文基于PMSM数学模型，采用矢量控制和SVPWM调制策略方法，在TMS320F2812平台上设计了一种电流双闭环数字矢量控制系统，通过MATLAB/Simulink 建模仿真，仿真结果表明该方法的正确性和可行性。系统良好的动静态性能符合无齿轮永磁 同步电动机在电梯中的应用特性，有定的实际应用参考价值。参考文献（References）：1 林飞，杜欣. 电力电子应用技术的matlab仿真M. 北京：中国电力出版社，20092 吴学智. 交流调速技术课件，20133 邓建国. 基于MATLAB/SIMULINK的异步电动机仿真模型及起动过程的仿真J.湖南工程学院学报(自然科学版)，2002(1)4 徐维克. 三相异步电动机起动方式的讨论J.航海技术,20015 孙淼洋. 浅析三相异步电动机的启动分类J.硅谷,2010(2)6 张建华, 杨鹏, 史旺旺. 三相异步电动机起动过程仿真分析J.中