（电力电子与电力传动专业论文）基于svpwm的永磁同步电机控制系统研究.pdf

。q p at h e s i si np o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e r e s e a r c ho fp m s mc o n t r o l s y s t e m b a s e do ns v p w m b yl i uj i e s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rm a ny ；o n g k u i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 1 _ _ 、，k，：， 奸 卜j刊=；=-=撞誓?ii ；一， ， ，一q ，i，“旭坩饵_1 ：i u、，0&弘卜镯：_，；轴；、j、)，ij0卅嗣：b i 恤j ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：此 恧。 学位论文作者签名：主j 奎、 日期：加形6 刃 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期 一一 0疆吣 _ 氏 j ，f i r 东北大学硕士学位论文 摘要 基于s v p w m 的永磁同步电机控制系统研究 摘要 随着世界经济的快速发展，能源价格也越来越高。节能降耗成为了国家发展的基 本政策之一。由于具有损耗少、效率高的优点，永磁同步电机的应用越来越广泛，针 对永磁同步电机控制方法的研究具有一定的现实意义。 本文首先对矢量控制理论进行了研究。根据矢量坐标变换原理，建立了永磁同步 电机a b c 三相坐标系和d q 0 旋转坐标系下的数学模型。以d q 0 轴系数学模型为基础， 研究永磁同步电动机在屯= 0 和最大转矩电流比两种控制策略下的控制性能。由于 = 0 控制策略最简单，从电机端口来看，相当于一台他励直流电动机，所以目前应用 最广泛。它的缺点是失去了由凸极效应产生的磁阻转矩，动态性能和功率因数都会受 到影响，而最大转矩电流比控制却是最大限度地利用了磁阻转矩，具有更高的效率。 本文深入研究了最大转矩电流比控制策略：首先利用电磁转矩标幺值公式推导出了转 矩与电流的关系，从理论上对最大转矩电流比策略的实现问题进行了分析；之后通过 查表插值的方法解决了电流优化给定的问题。通过s i m u l i n k 仿真，得到了满意的动静 态性能，证实了方法的可行性。 目前，s v p w m 调制技术广泛应用于电气传动领域。与s p w m 调制相比，它具有 更多优点，例如电机噪声小、转矩脉动低、电源利用率高等。本文深入分析了 s v p w m 调制技术的原理和实现步骤，并将之应用到系统实现当中。 最后，在理论研究和仿真分析的基础上，本文设计了以d s pf 2 8 1 2 为核心控制器 件的永磁同步电机控制系统，对系统实现过程中的相关技术进行了研究，给出了可行 的硬件电路图和软件流程图。 关键词：永磁同步电机；矢量控制；空间矢量脉宽调制；最大转矩电流比：数字信号 处理 一一 一一 ，沁”n冬 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c h o fp m s mc o n t r o ls y s t e m b a s e do ns v p l 州 a b s 仃a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw o r l de c o n o m y , t h ec o s to fe n e r g yi n c r e a s e sq u i c k l y e n e r g ys a v i n gh a sb e c o m en a t i o n sb a s i cp o l i c y p m s mi sb e i n ga p p l i e di nm a n yf i e l d s b e c a u s eo fi t sl o ww a s t ea n dh i g he f f i c i e n c y a tf i r s t ，t h ea u t h o rs t u d i e sv e c t o rc o n t r o lt h e o r y a c c o r d i n gt ov e c t o rc o o r d i n a t e s t r a n s f o r m a t i o n ，m a t h e m a t i cm o d e l so fp m s mi na b ca n dd q or e f e r e n c ef r a m e sa r ea c q u i r e d b a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d e lo fd q 0r e f e r e n c ef r a m e ，p e r f o r m a n c e so fp m s mu n d e r = 0 a n dm t p ac o n t r o ls t r a t e g i e sa r es t u d i e d = 0 s t r a t e g yi sv e r ys i m p l e w i t ht h i s s t r a t e g y , p m s mc a nb ec o n s i d e r e da sas e p a r a t e l y - e x c i t e dd cm o t o r , b u tt h er e l u c t a n tt o r q u e b r o u g h tb ys a l i e n tp o l ee f f e c ti sl o s ts ot h a td y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dp o w e rf a c t o ra r e a f f e c t e d t h et h e s i sp r o c e e d st h o r o u g hr e s e a r c ho nm t p ac o n t r o ls t r a t e g yw h i c hc a nf u l l y m a k eu s eo fr e l u n c t a n tt o r q u e f i r s t l y , t h er e l a t i o n s h i po ft o r q u ea n dc u r r e n ti sd e d u c e d u s i n g e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ep e ru n i tf o r m u l aa n dt h er e a l i z a t i o no fm t p ai sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y s e c o n d l y , t h ep r o b l e mo fg i v e nc u r r e n to p t i m i z a t i o ni s s o l v e db yl o o k u pt a b l ea n d i n t e r p o l a t i o n s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h i sm e t h o di sf e a s i b l ea n dt h es y s t e mh a ss a t i s f y i n g d y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e a tp r e s e n t ，s v p w mm o d u l a t i o nh a sb e e na p p l i e dw i d e l yi ne l e c t r i cd r i v ef i e l d s c o m p a r e dw i t hs p w mm o d u l a t i o n ，s v p w mh a sm o r ea d v a n t a g e ss u c ha sl o wn o i s ea n d t o r q u ep o p p l e ，h i g hv o l t a g eu s a g e h e r e ，t h ea u t h o rs t u d i e ss v p w mm o d u l a t i o nt e c h n i q u e a n da p p l y si ti n t os y s t e mr e a l i z a t i o n a tl a s t ，t h et h e s i sp r e s e n t sr e a l i z a t i o no fp m s mc o n t r o ls y s t e mu s i n gd s pf 2 8 1 2b a s e d o nt h es t u a yo fc o r r e l a t i v et e c h n i q u e sa n dg i v e si t sf e a s i b l eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n s k e yw o r d s ：p m s m ；v e c t o rc o n t r o l ；s v p w m ；m t p a ；d s p v 一 ，-j _ 一r 0 一v i i 鹣“r p =、埘， ， 【 麓 k 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要 a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景和意义。1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义1 1 2 永磁同步电机的结构和特点2 1 3 永磁同步电动机调速系统的控制方法概述。4 1 3 1 矢量控制。4 1 3 2 直接转矩控制5 1 3 3 现代控制方法和智能控制方法的应用6 1 4 论文工作安排7 第2 章永磁同步电机数学模型9 2 1 矢量控制原理9 2 1 1 统一电机模型的电磁转矩9 2 1 2 交流电机矢量控制9 2 1 3 坐标变换1 1 2 2 永磁同步电机数学模型1 2 2 2 1 三相静止坐标系中的永磁同步电机数学模型1 3 2 2 2d q o 坐标系中的永磁同步电机数学模型1 4 2 3 本章小结1 5 第3 章空间矢量p w m 分析1 7 3 1p w m 技术的研究现状1 7 3 1 1 正弦波形p w m 1 7 3 1 2 优化p w m 1 7 3 1 3 随机p w m 1 8 3 2s v p w m 技术分析18 一v i i 东北大学硕士学位论文目录 3 2 1s v p w m 的基本原理1 8 3 2 2 空间矢量调制1 9 3 2 3s v p w m 调制波和三次谐波数学表达式2 3 3 2 4s v p w m 与s p w m 的比较2 5 3 2 5s v p w m 数字实现2 5 3 3 本章小结2 6 第4 章控制策略比较及仿真2 7 4 1 永磁同步电机控制策略分析2 7 4 1 1 = 0 控制2 7 4 1 2 最大转矩电流比控制2 9 4 1 3 永磁同步电机运行的限制条件3 3 4 1 4 弱磁控制3 4 4 2 永磁同步电机控制系统仿真3 6 4 2 1 如= 0 控制的系统参数设计3 6 4 2 2 j l f = 0 控制系统仿真3 8 4 2 3p m s m 最大转矩电流比控制系统仿真4 4 4 3 本章小结4 7 第5 章永磁同步电机控制系统的d s p 实现4 9 5 1 系统概述4 9 5 2 系统硬件设计4 9 5 2 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 简介4 9 5 2 2 主要功能电路介绍4 9 5 3 控制系统软件设计5 4 5 3 1 转速算法5 4 5 3 。2 基于a n t i - w i n d u p 的p i d 数字控制算法5 6 5 - 3 3 死区补偿5 7 5 3 4 模块化思想5 8 5 3 5t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数据格式处理5 8 5 3 6 系统程序流程图5 9 5 4 本章小结6 4 第6 章总结和展望6 5 一v i g ，、0。参 参考文献6 7 致谢7 1 一一 一x 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 1 1 1 研究背景 目前，由于永磁同步电机( p m s m ) 具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、 损耗少、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等一系列优点【1 1 ，特别是随着永磁 材料价格的下降、材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，永磁同步电机越来 越引起人们重视。永磁电机几乎遍及航空，国防，工农业生产和日常生活的各个领 域。例如，航天用高速稀土永磁同步发电机的功率质量比可高达2 0 k w k g ，特别适合 于航空、航天( 在现代高空、高速飞行中，每千克设备约需要1 5 2 0 千克的辅助质量 来支持) 和其他要求高可靠性和高功率质量比的场合；高效永磁同步电动机由于效率 高而开始大量应用于纺织化纤工业、陶瓷玻璃工业；数控和精密机床也大量应用调速 永磁同步电动机；空调器已开始用永磁直流无刷电动机带动空调压缩机和通风机，洗 衣机采用永磁直流无刷电动机带动洗衣桶旋转等。随着高磁场永磁材料价格和电动机 转子制造价格降低，以及驱动系统的理论研究和实践应用的不断完善与提高，永磁同 步电动机及其驱动系统将会得到进一步的发展及应用【2 1 。可以毫不夸张地说，永磁同 步电动机已从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种 高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景广阔。 1 1 2 研究意义 永磁同步电机有很多优点： ( 1 ) 永磁同步电动机转子由永磁体构成，无需励磁电流，因此可以明显提高功率 因数；另外定子电流小，定子铜耗也显著减小；转子上没有铜耗( 三相异步电动机转 子绕组损耗约占总损耗的2 0 3 0 ) ，因而电机发热低，可以取消风扇或减小风扇，从 而设有风摩耗或减少风摩耗，故永磁同步电动机一般比同规格异步电动机效率可提高 2 - 8 ，并且在很宽的负载变动范围内始终保持高的效率和功率因数，尤其在轻载运行 时节能效果更显著【3 1 。目前，我们国家能源需求紧张，应用永磁同步电机具有很大的 实用价值。 ( 2 ) 可满足某些工业应用大起动转矩的动态需求。常规异步电动机起动转矩和最大 转矩都有限，为了达到要求，需选择更大容量的异步电动机，而到了正常运行状态， 异步电动机则又处于轻载运行状态，效率和功率因数均较低。为油田抽油机设计的具 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 有异步起动能力的永磁同步电动机，起动转矩倍数可达3 6 倍以上，效率可达9 4 ， 功率因数可达o 9 5 ，既满足了负载动态时大转矩的要求，还具有很高的节能效果【4 】。 ( 3 ) 低速直接驱动的需求。为了提高控制精度，减小振动噪声，也为了大转矩驱 动的需求，近年来对低速电动机的需求也不断增长。如用于电梯拖动的永磁同步曳引 机，转矩提高了十几倍，取消了庞大的齿轮箱，通过曳引轮直接拖动轿厢，明显减小 了振动和噪声。又如船用吊舱式电力推进器，将低速大转矩的永磁同步电动机置于船 舱外的吊舱，无需原来的传动系统，直接驱动螺旋桨，实现船舶的运行和控制。这是 船舶驱动技术的又一发展，国外自上世纪九十年代已成功用于舰船、专用油轮等【5 】。 近年来的实践表明，在功率不大于l o k w 而连续运行的场合，为减小体积、节省 材料、提高效率和降低能耗等因素，越来越多的异步电动机驱动正被永磁同步电动机 逐步替代。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁材料外，还要 功率较大的驱动器，故还较少有应用。 综上所述，由于p m s m 具有的许多优点，对永磁同步电机控制进行研究具有很大 的实际意义。 1 2 永磁同步电机的结构和特点 、么二= ( 。) q 蜀 、y = = 7 ( a ) 凸出式( b ) 插入式( c ) 内置式 图1 1p m s m 的不同转子结构 f i g 1 1r o t o rs t r u c t u r e so fp m s m 永磁同步电机的运行原理与普通电激磁同步电机相同，但它以永磁体激磁代替了 激磁绕组激磁，使电机结构更为简单，降低了加工和装配费用，同时还省去容易出问 题的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。由于无需激磁电流，没有激磁损耗， 提高了电机的效率和功率密度。 永磁同步电动机分类方法比较多t 按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式 和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式和外转子式；按转子上有无 起动绕组，可分为无起动绕组的电动机( 用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升 高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机) 和有起动绕 一2 l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 组的电动机( 既可用于调速运行又可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步 转矩起动，常称为异步起动永磁同步电机) ；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永 磁同步电机( b l d c m ，无刷直流电机) 和正弦波永磁同步电机( p m s m ，简称永磁同 步电动机) 。按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的转子磁路结构一般可 分为三种：凸出式、插入式和内置式，如图1 1 所示【6 】。 图1 1 ( a ) 所示的凸出式转子结构是最简单、最便宜的一种结构，也是现今用得 较多的结构。这种结构中电机转子直径较小，从而导致电机的小惯量，因而这种结构 适用于伺服系统。它的转子结构相对简单、制造成本低，而且其永磁体易于实现最优 设计，使之成为能使电机气隙磁密空间分布趋于正弦的磁极形状，提高电机性能。 图1 1 ( b ) 所示的转子结构称为插入式。这种结构可以充分利用转子磁路不对称 所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也 较为简单，常被某些调速永磁同步电机所采用。但漏磁系数和制造成本都比凸出式 大。 。 图1 1 ( c ) 所示为内置式转子结构。其电机结构复杂、昂贵，但也具有以下优 点：因为具有高气隙磁通密度，它比面装式电机会产生更大的转矩；因永磁体嵌入转 子中，永磁体去磁的危险性减小，电机还可以运行子更高的旋转速度而无需考虑转子 中永磁体是否会受到离心力的破坏；此结构的另一好处是气隙磁通易于正弦分布，从 而可降低齿槽转矩效应。 图1 1 ( a ) 所示的凸出式转子结构的电机属于隐极电机，其d 轴电感和q 轴电感 存在微小差异；图1 1 ( b ) 所示的插入式转子结构和图1 1 ( c ) 所示的内置式转子结 构同属于凸极电机，d 轴电感和q 轴电感差值较大，因而会产生一个磁阻转矩。 虽然不同的永磁同步电机转子结构差异很大，但由于永磁材料的使用，使得永磁 同步电动机有如下的特点： ( 1 ) 电机电磁转矩波动小、转速平稳、动态响应快、过载能力强。当永磁同步电 动机的负载转矩发生变化时，仅需电机的功角适当变化，而转速维持在原来的同步转 速不变，转动部分的转动惯量不会影响电机转矩的快速响应。永磁同步电动机的瞬间 最大转矩可以达到额定转矩的三倍以上，使得永磁同步电动机非常适合在负载转矩变 化较大的工况下运行 ( 2 ) 高功率因数、高效率。p m s m 与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，以 致能够得到比异步电动机高很多的功率因数，进而获得相对更小的定子电流和定子铜 耗，而且永磁同步电机在稳态运行时没有转子铜耗，进而可以因总损耗降低而减小风 扇容量甚至去掉风扇，从而减小甚至省去了相应的风摩损耗。这样，它的效率比同规 - - 3 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 格的异步电动机可以提高2 8 个百分点。与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机 省去了励磁功率，提高了效率，使得控制更为方便。而且，永磁同步电动机在2 5 1 2 0 额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为 显著，在长期的使用中可以大幅度地节省电能。 ( 3 ) 体积小、重量轻。近些年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电动 机的功率密度得到很大提高，比起同容量的异步电动机来，体积和重量都有较大的减 少，使其适和应用在许多特殊场合。 ( 4 ) 结构多样化、应用范围广。永磁同步电动机由于转子结构的多样化，产生了 特点和性能各异的许多品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航 天，从简单电动工具到高科技产品，几乎无所不在。 ( 5 ) 可靠性高。与直流电动机和电励磁同步电动机相比，没有电刷，结构简单， 系统的可靠性自然要高。 1 3 永磁同步电动机调速系统的控制方法概述 1 3 1 矢量控制。 1 9 7 1 年，德国西门子公司e b l a s c h k e 等提出的“感应电机磁场定向的控制原理 和美国e c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制 奠 定了矢量控制的基础【7 1 。在这之后的实践中，经过许多学者和工程技术人员的不断完善 改进，形成现已普遍应用的矢量控制变频调速系统。其主要特点是通过矢量变换的方 法重构电机数学模型为一台他励直流电动机，在同步旋转的参考轴系内，将交变的定 子电流变换为两个直流量，一个为励磁直轴分量，一个为转矩交轴分量，两者在空间上 相互垂直，对两者进行解耦控制，以实现对电机励磁磁场和电磁转矩的分别控制。矢 量控制又称磁场定向控制，按同步旋转参考坐标系定向方式可分为转子磁场定向、气 隙磁场定向和定子磁场定向控制。转子磁场定向可以得到自然的解耦控制，在实际系 统中得到广泛应用，i 而后两种定向会产生耦合效应，必须通过解耦的补偿电流实施补 偿【8 1 0f 根据永磁同步电动机用途不同，矢量控制方法也各不相同，主要有屯= 0 控制、 c o s = 1 控制、恒磁链控制、最大转矩电流比控制、弱磁控制等，不同的控制方法具有 不同的特点。 = 0 控制时，定子电流中只有交轴分量，定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间 矢量正交，对于隐极式转子结构的永磁同步电动机，单位定子电流可获得最大转矩， 在产生要求转矩的情况下，该方法所需电流最小，从而降低了铜耗，提高了效率。 - - 4 - - ， 、 小 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 最大转矩电流控制也称单位电流输出最大转矩控制，是凸极永磁同步电动机用得 较多的一种电流控制策略，该方法根据凸极电机电磁转矩和转矩角之间的关系，对一 给定电磁转矩求出最小电流的两个分量作为电流给定值。 弱磁控制是在电机端电压达到极限值时，为使电动机能恒功率运行于更高的转 速，需削弱永磁体磁场以减小同转速下的反电动势值、维持电压平衡关系，一般是通 过增加直轴去磁电流实现弱磁，常采用直轴电流负反馈补偿控制的方法。 定子电流最优控制是指在电动机整个运行速度范围内，遵循一定规律去控制定子 电流矢量，使电动机输出特性能满足某些特定要求，如输出最大功率，考虑到定子铜 耗和铁耗，实现效率最优等。 矢量控制原理从发明至今已有多年的时间，技术趋于完善，电力电子技术和微处 理器技术的发展为矢量控制方法的现实奠定了基础。矢量控制的永磁同步电动机调速 系统以其动、静态性能好和调速范围宽的特点，成为高性能交流伺服系统的首选方 案。 1 3 2 直接转矩控制 1 9 8 5 年，德国学者m d e p e n b r o c k 首次提出了直接转矩控制理论【9 1 ，随后日本学者 i t a k a h a s h i 也提出了类似的控制方案，直接转矩控制是继矢量控制之后发展起来的一 种新型高性能交流变频调速技术。与矢量控制不同，直接转矩控制采用控制定子磁链 的方法，在定子坐标系内，采用定子磁场定向，将定子电流、电压进行3 2 变换，借 助瞬时空间矢量理论，通过检测定子电压和电流，在定子坐标系下计算电动机的磁链 和转矩，将给定值与反馈值的差值通过离散的两点式调节砰一砰控制选择电压矢量的状 态，实现磁链和转矩的直接控制【l o 】。 永磁同步电动机直接转矩控制的基本原理与异步电动机直接转矩控制原理相同， 即根据电机电磁转矩和负载角之间的关系，在保持定子磁链幅值相对恒定的基础上， 通过控制定子磁链的旋转方向和旋转速度来控制定子磁链和转子磁链之间的负载角， 达到控制电机输出转矩的目的，实现对转矩的直接控制【1 1 】。 永磁同步电动机直接转矩控制方法受到了人们的广泛重视。文献 1 2 首次较完备 地提出了永磁同步电动机直接转矩控制理论，对永磁同步电动机直接转矩控制系统进 行了较详细的研究；文献 1 3 阐述了永磁同步电动机直接转矩控制系统在恒转矩区的 最大转矩磁链比控制和在恒功率区的弱磁控制；文献 1 4 提出了一种基于恒定开关频 率空间矢量调制的永磁同步电动机直接转矩控制系统，在保持优异动态响应特性不变 的条件下，有效提高了控制系统的稳态运行性能，同时系统开关频率近似恒定：文献 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 5 n 详细分析了永磁同步电动机直接转矩控制的弱磁控制机理，以便拓宽永磁同步 电动机的调速范围。 1 3 3 现代控制方法和智能控制方法的应用 永磁同步电动机调速系统是一个多变量、强耦合的非线性时变系统，存在参数时 变、磁场饱和、模型摄动等不确定因素，现代控制策略对时变和非线性系统具有令人 满意的效果，因而在永磁同步电动机伺服系统中得到应用。 ( 1 ) 自适应控制【1 6 】 自适应控制可以在线调节控制器的参数，从而自动适应被控对象参数的变化。自 适应控制大体可分为自校正控制和模型参考自适应两种类型。自校正控制的附加调节 回路由辨识器和控制器设计机构组成，辨识器根据对象的输入和输出信号，在线估计 对象的参数，以对象参数的估算值作为对象的真值送入控制器的设计机构，按设计好 的控制规律进行计算，计算结果送入可调控制器，形成新的控制输出，以补偿对象的 特性变化。模型参考自适应控制的基本思想是在控制器控制对象组成的基本回路以 外，再建立一个由参考模型或自适应机构组成的附加调节机构，自适应机构的输出可 以改变控制器的参数或对控制对象产生附加的控制作用。目前，自适应控制已用于永 磁同步电动机控制系统中的速度和位置辨识，从而省去了速度和位置传感器，降低了 系统成本，提高了系统可靠性。 ( 2 ) 变结构控制 变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。 滑模变结构作为变结构控制的一种，近年来在永磁同步电动机控制系统中得到应用， 滑模变结构控制采用一种开关控制算法，使系统响应在相平面里跟踪预定的轨迹，而 不受被控对象的参数变化和负载扰动的影响。它通过控制器本身结构的变化，使得系 统性能保持一直高于一般固定结构控制所能达到的性能，突破了经典线性控制系统的 品质限制，较好地解决了动态与静态性能指标之间的矛盾。但在滑模面切换时存在的 抖颤问题限制了它在某些场合的应用，抖颤的抑制是变结构控制领域最为热门的研究 方向。 ( 3 ) 最优控制【1 7 】 最优控制理论是现代控制理论中的重要内容，它以状态空间方程描述被控对象， 从使系统的性能目标函数取得最小值的角度出发，求解最优控制律，使系统的极点得 到优化配置，有效改善了系统的动态特性。其一般的设计步骤为：列写所研究系统的状 态空间方程，对规定的二次型性能指标选择权矩阵q 、r ，求解r i c c a t i 方程，求出最优 一6 一 孓 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 反馈增益矩阵，求出最优控制向量，根据计算结果进行最优控制器的结构设计。 ( 4 ) 鲁棒控制 控制系统的鲁棒性是指系统中存在不确定性时，系统仍能保持正常工作性能的一 种属性。鲁棒控制是近年来新发展起来的一种现代控制方法，它是按照己掌握的被控 对象的数学模型及关于模型不确定性的某些信息来指导控制系统的分析和设计，使得 闭环系统稳定或满足某种性能指标。将鲁棒控制引入到永磁同步电动机位置系统控制 中，可以有效提高位置系统对被控对象参数变化的鲁棒性【1 8 】。 ( 5 ) 人工智能控制 人工智能技术，如模糊逻辑和神经网络近年来发展迅速，在电机调速领域，智能 控制技术模仿人的思维判断过程合理地对控制律进行选择和整定，取得了良好的效 果。 对于非线性、参数变化和负载扰动，模糊控制器可以保证快速、鲁棒的控制性 能。模糊控制器可以用来替代传统的控制器以构成速度调节闭环，它根据误差和误差 的变化，通过模糊推理给出合适的电流给定信号，通过电流内环提供相应的转矩以减 小速度误差。 神经网络可被用于伺服驱动领域的各种控制和信号处理过程中，在永磁同步电动 机调速系统模型参考自适应控制中，电动机的模型由于时变、非线性等因素而难以确 定，利用前馈型神经网络来建立电动机和负载的非线性动态模型，并与参考模型一起 构成自适应控制结构，以保证系统的跟踪性能【1 9 1 。 1 4 论文工作安排 本文的研究内容源于国家8 6 3 先进制造专项“电气传动及控制系统节能技术的研 发 。本文对永磁同步电机的s v p w m 矢量控制方法进行了深入的研究，对其主要控制 策略进行了比较分析并给出了具体的实现方案，最后设计了基于d s pf 2 8 1 2 的永磁同 步电机控制系统。全文结构如下： 第l 章绪论主要概述了课题研究背景和意义，分析了永磁同步电机的众多优点， 对目前永磁同步电机的控制技术进行了简单介绍。 第2 章对永磁同步电机的数学模型进行了研究。首先从电机调速的本质出发，分 析了矢量坐标变换在交流电机调速中的重要作用。利用坐标变换，得出了永磁同步电 机在转子磁场定向的d q 0 坐标系下的数学模型，实现了电机的解耦控制。 第3 章对s v p w m 技术进行了深入的分析，对其原理和实现过程进行了研究，并 和传统的s p w m 技术进行了比较，说明了s v p w m 技术的优势所在。 一7 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第4 章对永磁同步电机的主要电流控制策略进行了研究，重点分析和比较了屯= 0 和最大转矩电流比两种控制策略，从理论上对其实现进行了分析，并给出了具体的实 现方案，采用s i m u l i n k 对两种控制策略的调速系统进行了仿真，验证了理论分析，得 到了比较满意的动静态性能。 第5 章利用t i 公司的电机专用控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a 设计了基于d s p 的永磁 同步电机控制系统。对一些相关技术进行了详细的分析，给出了可行的硬件电路和程 序流程图。 第6 章对本文所作的工作和结论进行了总结，并对本文存在的不足之处进行了说 明，以便于进一步的研究。 一8 一 、( 套 东北大学硕士学位论文第2 章永磁同步电机数学模型 第2 章永磁同步电机数学模型 2 1 矢量控制原理 2 1 1 统一电机模型的电磁转矩 任何调速系统的任务都是控制和调节电动机的转速，然而，转速是通过转矩来改 变的，因此，首先从统一的电动机转矩方程式着手，揭示电动机控制的实质和关键 【2 0 1 。由电机学可知，任何电动机产生电磁转矩的原理，在本质上都是电机内部两个磁 场相互作用的结果，因此各种电机的电磁转矩具有统一的表达式： t = 万玎p 2 丸es i n 秒, 2 = 万，z ；丸cs i n a , 2 ( 2 1 ) 式中，为电机极对数：只、c 为定、转子磁势矢量的模值；九为气隙主磁通矢量的 模值；包、已为定子磁势空间矢量e 、转子磁势空间矢量f ，分别与气隙合成磁势空间 矢量r 之间的夹角，如图2 1 所示，通常用电角度表示，即见= 以，b = 咒，吃， 、为机械角；k 为气隙合成磁势空间矢量，当忽略铁损时与丸同轴同向。 图2 1 电机的磁势和磁通空间矢量 f i g 2 1m a g n e t o m o t i v e f o r c ea n df l u xs p a c ev e c t o r so f m o t o r 2 1 2 交流电机矢量控制 根据统一电机电磁转矩公式( 2 1 ) ，交流电机的转矩和角度值有关，不像直流电 机，角度值恒等于9 0 。交流电机的转矩控制和励磁控制是相互耦合的，无法直接分开 进行单独控制。在动态过程中要正确地控制转矩就显得比较困难。再从被控制量的特 征来看，定子电流是周期性变化的时间矢量，气隙磁通是旋转的空间矢量，矢量有大 小和相位的问题，要比标量难于控制【2 1 1 。矢量变换控制就是将受控量交流矢量通过变 换成为直流标量而进行有效控制的一种控制方法，这种变换是在确保空间产生同样大 小、同样转速、转向的旋转磁场条件下，通过绕组等效变换实现的。 一9 一 东北大学硕士学位论文笫2 章永磁同步电机数学模型 由统一电机理论的转矩表达式( 2 1 ) 可知，通过控制定子磁势矢量的模值只、或 控制转子磁势矢量e 的模值及它们在空间的位置，就能达到控制电机转矩的目的。控 制只的模值大小或控制e 的模值的大小，可以通过控制各相电流的幅值大小来实现， 而在空间的位置馥和只可以通过控制各相电流的瞬时相位来实现。因此只要实现对交 流电机各相电流的瞬时控制，就能实现对交流电机的转矩的有效控制。采用矢量变换 控制方式是如何实现对交流电机定子电流的瞬时控制的昵? i 杆 ，+ r 、r n。 t ( a ) 三相交流绕组 ( b ) 两相交流绕组 ( c ) 旋转的直流绕组 图2 2 等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型 f i g 2 2e q u i v a l e n tp h y s i cm o d e l so f m o t o r ( a ca n dd c ) w i n d i n g s 交流电机三相对称定子绕组中，通入对称的三相正弦交流电流f 。，i c 时，则 形成三相基波合成旋转磁势，并由它建立相应的旋转磁场矽僦，如图2 2 所示，其旋转 角速度等于定子电流的角频率现。然而，产生旋转磁场不一定非要三相绕组不可，除 单相外任意的多相对称绕组，通入多相对称正弦电流，均能产生旋转磁场。处于三相 静止坐标系上的三相固定对称交流绕组，以产生同样的旋转磁场为准则，可以等效为 静止的两相直角坐标系上的两相对称固定交流绕组，以及等价于直流电机绕组物理模 型的同步旋转坐标系中的m t 直流绕组，如图2 2 所示，这样，通过控制、0 就可 以实现对f 。、f 。、的瞬时控制。 图2 3 矢量变换控制框图 f i g 2 3b l o c kd i a g r a m o fv e c t o rc o n t r o l 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第2 章永磁同步电机教学模型 在交流电机的外部，把0 ( 励磁电流分量) 、岛( 转矩电流分量) 作为控制量，记 为乇、，通过旋转矢量变换得到两相交流控制量艺、，然后通过两相一三相矢量变 换得到三相电流控制量、e ，再用来控制交流电机的运行，从而实现了交流电机 电磁转矩的瞬时控制。以上所叙述的矢量变换控制的基本思想和控制过程可用框图来 表达，如图2 3 所示。 2 1 3 坐标变换 矢量控制是通过坐标变换将交流电机的转矩控制与直流电机的转矩控制统一起 来。矢量坐标变换是实现矢量控制的关键，永磁同步电机模型常用的坐标系主要有静 止a b c 坐标系统、静止o r p o 坐标系统和旋转d q 0 坐标系统和旋转m t 坐标系统，如图 2 4 所示。 图2 4 永磁同步电机常用的坐标系 f i g 2 4c o m m o nr e f e r e n c ef r a m e su s e db yp m s m ( 1 ) 筇轴系放在电机定子上，口轴与a 轴轴线重合，采用两相等效正交绕组来 代替三相绕组，实现了三相定子绕组之间互感的解耦，简化了数学模型。从矢量合成 的角度推导，一个旋转矢量从一个三相a b c 坐标系变换到两相筇坐标系称为 c l a r k e 变换，反之为c l a r k e 逆变换。以电流变换为例， 小 1 1 1 2 2 o 笪一鱼 22 111 222 ( 2 2 ) ( 2 ) d q 0 轴系放在电机转子上，d 为转子纵轴，q 为转子横轴，坐标轴同转子一 起旋转，d 轴与口轴之间的夹角为y 。一个旋转矢量从静止筇轴系变换到旋转坐标 一1 1 东北大学硕士学位论文笫2 章永磁同步电机数学模型 d q 0 轴系称为p a r k 变换，反之为p a r k 逆变换。以电流变换为例， 乏 = l c s o m sy yc s 。i n s y y j lll砀ia 口3 ， ( 3 ) 磁场旋转坐标m t 轴系同属旋转解耦的d q o 旋转坐标系，变换原理和形式与 d q o 轴系相似，只是坐标轴线不是与转子几何轴线重合，而是选择了磁场轴线，m 轴 与d 轴之间的夹角为万，m 轴与口轴之间的夹角为秒。以电流变换为例， = 一c s o i s n 8 艿c , 。i n s s 万i 。i i , q 4 ， 需要注意的是，在交流电机系统分析中常用的变换方式有2 种【2 2 j ：一种是恒功率 变换，即变换前后功率保持不变，这时的变换矩阵为正交矩阵；另一种是相幅值恒定 的综合矢量变换法，即要求在正弦稳态情况下物理量的三相瞬时值经过变换后形成的 矢量幅值等于变换前物理量的正弦稳态幅值，变换矩阵不是正交矩阵。本文采用了幅 值恒定的变换法则。 2 2 永磁同步电机数学模型 图2 5 永磁同步电机的物理模型 f i g 2 5p h y s i c a lm o d e lo fp m