永磁同步电机的矢量控制

1、永磁同步电机的矢量控制规代工业对伺服系统提出了更高的翌求，很多场合要求伺0煤统的传动、驱动和控舷成缶隹，这不仅提高了装置的质量，而且降1氐了生产线运行和维护的成轧本文设计符合-廊代要求的永雄同步电机岖动器，并对迭K学禺控制方祛抑制永磯同步电机的转矩脉动做了仿真研究。uwwmwax随着电力电子技术的迅猛发展和电柄控般术研究的不斷深入，交流电动机的调速特性已经可以和宜流电机相媲寒20也170年代出现的矢翅錨肢术使交流电机的动态性能达到与直流电机相似的程度，交流调速技术因此取得了突破性的进展高性能永（K材料的出现以及制造工艺的进歩使得永碣同步电机的功率密度高I般的感应电札交流永嚴同步电机（PMSM）

2、是冃前最具潜力的电机，英高效率s高位置分辨率、高定位精度、宽调速和ffl稳定圖加訪等删为伺跖渚缺了彳賄啲®號萨代Sift在军靠圉是在丁业匕交流永磁同步电机都具用旷泛的应用范軸军事匕在无人火炮发射平台、遥控机器人火炮技术”自动化供输弹系统中均是具有应用前景的发展方向.在航海方阳出现了一种新型的基于PMSM的电力推进霽整个推进蔡统集中在f吊舱内，可以360度转动起舵的作用叫另外，在高精度数控瞰、牺密机勵H工以及电梯的曳引机等系统中，都可以见到刖SM的应用°近年來，随着永材料性能的不斷提窩和完善，特别是钱铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价構的逐步降低以及电力电子器件的进一发展

3、，加上永磁电机研究开发经验的逐步成爲经大力推广和应用已有研究成果，永磁电机在国防Qfc业4产和口常生活等方面获得越来越广泛的应用°正向大功率化（高转速、高转矩h高功能化和微型化方面发胧目前，稀土永施电机的单台容量已超过lOOOkW,最高转速过30000（旳in，最低转速低于0,01i/min（最小电机的夕b®只有O.Smnit长lrnn/51*目前对于交流永磋同步电机的彌调速策略主要分两种，一种是矢jg控制，F是直接转矩控下面分别介绍这两种主墓的控制策略。矢耳控制技术是从貢流訥机的控制中备刑启发，其励磁磁通和电枢鐵势方向互相垂頁,两者互不影响，励S8绕组和电磷&乂相

4、互独立，故可分别调节其励磁电流和电枢电流，实现储矩的独立控制&永磁同步电机的矢量控制就是分另惬制定子电流的幅值和相位,包含了岛耳o控制、口炉二1控制、恒®制、就劇电般同昉法。矢磁制理论最早是由西门了工fflfrffiBlaschke在70年代提出的，当时用于解决异步电机的控制问题。其基本思想是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达謝鋪屏步电动赋矩的目的。具体是将异步毓机的定子电流矢量分解为产生磁貓电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制并同时控制两分量间的幅度和相位，即控制定子电流矢量

5、。由于;mm能可与直流琳磁同步电刪中。自发明矢量控制方法以来，国内外对这方面的研究越来越深入，取得了不少研究成果。ShigeoMorin等人利用每安培最大转矩控制方式对内置径向永磁同步电动机作了一系列研究，充分利用了电机传矩的凸极效应分量，用一定的定子输入电流产生最大的电磁转矩。RoySCdby提出了一种针对表面贴輕永蹦步电动机的最优效率控制方式,从减小定子铜损和铁耗两方面考虑,通过电机损耗鯉使电机运行在总损耗最小的最优工作点匕在H4SM的矢量控制调节器参数整定中，Marcoltaini等人分析了基于模型的参娅定和模型自由的参数整定。加针对永瞪同步电动机的矢量控制系统,分析出电流相位滞后造成电

6、动机中电流不能正确解耦，是限制弱雄升速的主要原因，并提出了弱SS控制时电流相位木隠技术，提高了注轴电的正W4。矢超制T投是通过检测或估计转子磁通的位置及幅值来控制定子电流的，当电机永磁体的励磁磁链和交、直轴电感确定以后，电机濮矩便只利定子电流矢駅勺和石有关，不同的勺和-对应于不同的电机移矩和转速,控制电机的转矩实际上就是控制J和-。控制J和使其跟踪给定的交、直轴电流即鞭现对电机瞬矩和转速的控制。由于交流电机的矢量控制肪法与直流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁ifi位置与转子机位置相同,因此通过检测转T实际位置就可以得知电鳩子磁通位置。由此可以看出，矢劃空制的

7、实质就是对定子电流幅值和相位的控制。对于给定的输出转矩，有孙交、直轴电流蹿制组合，不同的组合将綁系统W效率、功率珈、帥端輕以及转矩输出能力，由此形成了永磁同步电机矢曲制的电流控就陳略问劇鷺图1.1给出了同步电机电渺F控制的原理框图，i；和i；分别是给定的交、直轴电流量。图中所示为0=0控制，乙=0控制是永磁同步电机矢控制中电舷制策略的一种方法，根据电机的不同用途，矢址控制的电般制策略也不同。常用的控制方法主要有id=0控制、最大觥电流址制、功率因数cos歼1控制、恒S嗨制、定子电腿他制、弱雌®帶。本文采用的是亏=0控制,关于id=0控制的仿真研究,将在本章后面介绍。图1.1永磁同步电

8、的=0控制®理框图Lu永at同步电机的直接漑拐泸问其基本思想是将逆变器和融电机看成f整体采用空间电压矢量的控制方式，通过对定子电压般制达到直接控制电动机转矩的冃的，省去了矢量控制中繁琐的坐标变换。1985彳嗨国鲁尔大学的Dqxnbrock教授首先提出了直接转矩控制理论，随后口本学者Llakahashi也提出了类似的控制方案。直接转矩控制与矢最萤制的最大区别就是前者不需要旋转坐标变换，直鮭静±标±熾和聪德国和日本在直接转矩控制技术的理论方面已经比较成熟，走在前列。美国、意大利、韩国和法国紧随其后。目前该技术已成功地应用在电力机车牵引系统、垂直升降系统等大功率交流调速

9、场合。现在ABB公司已向市场推出了直接转矩控制的传动产品，使得人仆耐直接转矩控制的研究兴趣增加，将来在直接转矩控制中将会用到人工智能技术，并将完全不需要常规的电机数学模型了。直接转矩控制的基本原理可以从下面的图来分析，如图12所示，转速调节器的输出作为转矩调节器的给定晟苴值与电机反馈回来的转矩值比较后作为转矩调节器的输入。磁链调节器的输入虽足磁超定值与计算得到的磁琏实际值的差值。根据转矩调节番和磁链调节器的输出來选择开关状态控制逆变器，完成控制任务.图1.2直接转矩控制系统原理框图ASRfl逆变器电动机开关状杏选择直接转矩控制系统用至俩个模型，即磁链模型和转矩模製分别由式1.1和12给出.人0

10、可叫°(12)从式1.1可以看出,磁链的反馈值只与定子电阻&有关,这就是直接转矩控的大好处,计算磁链的模型不依赖于转子辣变化的影响，提高了系统的鲁棒性.但同时增加了模型推导的复杂性。釆用磁链两点式调节法，通过定子电压空间矢量的选择将定子磁链的幅值变化控制在允许范围内，使磁链的轨迹为六边形或者接近圆形。这种方法不受9算复杂性的影响。f完整的直接转矩控制系统，应该包器以下几个主要部分：1）般自控制磁链自控制的任务是识别磁链运动轨迹的区间，且给岀正确的磁链开关（言号，并产生相应的电压空间矢抵控制磁链按期望的轨迹正确运t亍。2）转矩调节转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制.为了控制S

11、矩，转矩调节必须具备两个功能:用转矩两点式调节器直接调节转矩；在调节转矩的同时控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩的调节。3）磁链调节磁链调节包括磁链调节器和磁蘇值构成单元，其任务是对磁链量进行调节。由于定子电阻压降的彩响，在较低速时，定子磁链幅值将减小。为避免定子磁链幅值的减小，弓I入磁链调节闭环。通过给岀磁链电压加大定子磁链幅值，以堆持陋链幅值在允许范围内波动.4）开关信号选择开关信号选择元姗务是综合磁链关信号、癖开关信号、磁链鼠开关信号及正反转信号、零状态电压信号，形成正确的电压开关信号，以实现对电压空间矢量的正确选择。5）秩频率选择开关频率调节环控制逆变器的开关频率及转矩容差的大小。6）

12、电多包括型?輕7）转速调节转速调节的任务是实现对转速的调节，转矩给定值可由转速调节器的输出得到。1.13耐空#!肢术的比较矢量控制是一种比较成熟的控般术，它在调速系统中的应用所获得的控制性能优异，不论电机在低速运行域还是在高速运行区域，抗干扰性、启制励特性、稳速运行均达到甚至超过直流调速系统，在高精度传动系统中，其调速范围己达到1超过直流调速系统，在高精度传动系统中，其调速范围己达到1:1w±,砸的伺服传动系统的调速范围均达5000：1。直接转矩控制虽然省去了电流环，主开关的开关频率也比较低，但是使用直接转矩控制方案控制永磁同步电机时，电机的启动比较困难，启动及负载動过程中，电流冲击

13、较尢磁链及转矩脉动大。从目前的研究水平和磽件条件看矢1S!制方案是永磁同步电机伺服传动系统的首选方案。本文所采用的控制防法就是采用矢債控制。12Tttt軸啲国内斓状!厲冋冋购在伺服系统的传动、驱动和控制集成化技术方面，两方发达国家起步较早.健国的SEW公司研究的智能化数字矢最驱动控制器.成功地应用在印刷和包装机械匕提高了装置的质降低了成本。丹麦JVL工业电子公司生产的MAC系列电札集驱动器和电机为一体,结构紧凑，安装预丁洌5用在装配机器人、泵删器.磨床、激光扫描仪匕控制器釆用智能控制算法，有简单易操作的通用软件包，同时电磁兼容性好。德国西门子公司生产讯接口。机器布局灵活，零部件模块化，可以显著

14、缩短安装及现场调试时间，目前广泛应用于包装4k、材料加工4k、玻璃加工塑料工4k中。可见国外相关方面的技术晦相当成熟。的SIMODRIVEPOSMO系列电机，集成了3负器、定创殊惓.变箱以及PROFTBUS通我国是世界制造犬饥对体化电机的技术很重视。但在伺服S统的传动、驱动和控制集成化技术方面比西方国家起步晚目前只有少数单位做了这方面的研究，如哈尔滨工）Ik大学为提髙机器人的运动性能.设计制造了由交流伺服系统直接驱动的机器人关节一体化驱动系统，该驱动装置将直接用于新松机器人研究所所开发的机器人手當上.替代进口产品，增加我国机器人的国产化率；辽宁省大连市某车辆研究所开发出了一种微里逆变器及其和三

15、相交流异步电机结合的-储化驱动装置,其特点是逆变器部分由多层PCB加表贴电子元器件组成，并且PCB的表面积和智能功率模块(IPM)相等，该产晶的逆变器直接安装在电机机壳的接线盒位置，由原直流电源供电，利用机壳散热.适用于铁路内燃机车辅助风机以及由风力提供电源的才理电动设备；上海海事大学研发出了一种将永磁同步电机与变频调速器合为一体的灘軽变娜速器端出洽内或风机罩売上，并且调速操纵器可通过导线和变频调速器远距离连接，或者调速操纵器连接计算机并通过互联网和变频调速器连接，该装置结构紧凑，散热效果好，功率可达一I1瓦，应用范围广泛。13迭代学习控#BHft简养四,8b1191控制系统的设计实际上可以归结为两个问题：调节问题和跟踪问題。而调节问题町以当作特殊的跟踪问题。尽管冃前各种成熟的控制方法能够实现最犬限度的借号跟踪，但是要实现完全跟踪，将是一个极大的挑迭代学习正是针对这个问题提出來的，它从不同的角度构造控制律，能够克服一些传统控制方法难以逾越的障碍。迭代学习控制的概念最早是由日本学者Uchiyama在篇冇关机器人的文章中提岀的，到了19海，Arimoco结合了Uchi