（电力电子与电力传动专业论文）永磁同步电机直接转矩控制技术应用研究.pdf

西北丁业大学颂上学位论文摘要 a b s t r a c t i nt h ea l t e r n a t o rc o n t r o ls y s t e m ，m a g n e t i cd i r e c t i o n a lv e c t o r c o n t r o l ，a s c o n v e m i o n a ld y n a m oc o n t r o lt a c t i c ，g r e a t l yi m p r o v e si t sc o n t r o lc a p a b i l i t yb ym e a n s o fd e c o u p l i n gt h ef l u xa n dt o r q u eo ft h ea l t e r n a t o rv i av e c t o rt r a n s f o r m ，a st h ew a y d cd y n a m o sw o r k , a n di th a sb e c o m eac u r r e n tf u n d a m e n t a lc o n t r o lm e t h o df o rt h e a l t e r n a t o r h o w e v e r , o w i n gt ot h ei m p o s s i b i l i t yo ft h ea c c u r a t eo b s e r v a t i o no fr o t o r m a g n e t i cl i n k a g e ，t h ef e a t u r e so ft h es y s t e md e p e n d so np a r a m e t e r so fa l t e r n a t o r s om u c ht h a tc o o r d i n a t et r a n s f o r mi st o oc o m p l e xi ns i m u l a t i n gd cd y n a m oc o n t r o l p r o c e s s i o n ，w h i c hm a k et h et h e o r e t i c a la n a l y s i su n a b l et om e e ta c t u a lc o n t r o lr e s u l t s a l t h o u g ht h ec l a s s i c a lc o n t r o ls y s t e mo f d i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o d ，t oal a r g e e x t e n t ，s o l v e st h ep r o b l e m s ，s u c ha sc o m p l e x i t yi n c o m p u t i n g ，l i a b i l i t yt ob e d i s t r a c t e d ，a n du n s a t i s f a c t o r ya c t u a lp e r f o r m a n c e ，t h et o r q u er i p p l ei st o ob i ga n dt h e o u t p u tp e r f o r m a n c eh a sa l s ob e e ni n f l u e n c e d ，w h e nt h ea l t e r n a t o rw o r k sa tal o w s p e e d t oi m p r o v ed y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t h ep a p e r a n a l y z e dt h e s t r u c t u r a l p r i n c i p l e ，m a t h e m a t i cm o d e l ，a n dw o r kf o r m u l ao ft h e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rf r o mr u d i m e n t a lt h e o r i e s ，f o rt h ep u r p o s eo f e l i m i n a t i n gt o r q u et r i p l ea n de n h a n c i n gl o ws p e e dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h r o u g ht r a n s f o r m i n gc o o r d i n a t e sa n da l t e r n a t i n gv e c t o rc o n t r o lt a c t i c s m e a n w h i l e ，t h ep a p e re x p a t i a t e dr a t i o n a l e so fp m s m d t c ，d e f i n i t e l ye x p l a i n e d t h ec o n c e p t i o no fs p a c ev o l t a g ev e c t o ra sw e l la si t st r a c kc o n t r o l ，a n da l s os i m u l a t e d t o r q u er i p p l e s o fc o n v e n t i o n a ld t cs y s t e mv i am a t l a b s i m u l i n k b y e s t a b l i s h i n gm o d e l so fi n v e r t e r , v o l t a g ev e c t o r , a n ds t a t o rm a g n e t i cl i n k a g e f r o m t h e no i l ，t h ep a p e rs t u d i e dt h em o d u l a t i n gt a c t i cr u d i m e n t so f t h e s p a c ev o l t a g ev e c t o r , a n dp u tf o r w a r di m p r o v e m e n tm e t h o d sb a s e do nt h et w os v m 。d t cs y s t e m so f r e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o ra n dr e f e r e n c em a g n e t i c l i n k a g e t h r o u g hs i m u l a t i o n a n a l y s i s ，i tp r o v e di t sp o s s i b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fs u c ht a c t i c si nr e s t r a i n i n gt o q u e r i p p l e s 西北工业大学硕士学位论文 摘要 t h ep a p e ra d o p t e dd s pt m s 3 2 0 f 2 4 0a st h ec o n t r o lh a r d c o r ei nh a r d w a r e d e s i g n ，a n dt h ec o m b i n e dp r o g r a m m i n gm e t h o d so fa s s e m b l yl a n g u a g ea n d c l a n g u a g e i ns o f t w a r es e c t i o n i ta l s o a p p l i e d t l l eo o dp r o g r a m m i n ga n d m e s s a g e - d r i v e nm e c h a n i s m t od e s i g na n dd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls o f t w a r e b e c a u s e o fe s t a b l i s h i n gat e s tp l a t f o r mc o n t r o l l e db yd i r e c tt o r q u eo fb l d c mw h i c hu t i l i z e d p w mt h a tw a sm o d u l a t e db yd s pa n dv o l t a g ev e c t o ra sc o n t r o lt a c t i c s ，t h es y s t e m v a l i d a t i o nt e s th a sb e e np r i m a r i l ya c c o m p l i s h e d ，w h i c hi n d i c a t e st h es t a b i l i t ya n d c r e d i b i l i t yo ft h es y s t e mt o g e t h e rw i t ht h ef e a s i b i l i t ya n dr e a s o n a b i l i t yo ft h ed e s i g n s c h e m e k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，t r a c ko fm a g n e t i cl i n k a g e ， v o l t a g ev e c t o r , t o r q u ec o n t r o l ，m e s s a g e d r i v e n i j 永磁同步电机直接转矩控制技术应用研究 第一章绪论 1 1 背景综述 随着现代电力电子技术、交流变频调速技术的飞速发展和现代控制理论、高 速微处理器的普及应用，交流调速电气传动系统得到了越来越广泛的应用。在交 流电动机的控制技术中，矢量控制技术和近年发展起来的直接转矩控制技术，以 其控制性能优良、简单高效吸引着广大学者，因此在现代交流电气传动中占有越 来越重要的地位【l 】。 1 1 1 交流电动机技术 在电动机方面，长期以来，直流电机一直占据主导地位。但由于直流电机存 在固有的缺点，限制了它的最高转速和过载能力。而交流电动机特别是感应电动 机结构上没有上述缺点，比直流电机具有更大的容量和输出功率，可得到更高的 转速和转矩。随着新型永磁材料，微电子技术，自动控制技术以及电力电子技术 中大功率开关器件的迅速发展，特别是第三代稀土永磁材料的诞生，使交流永磁 同步电动机p m s m ( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ) 的发展呈现出新的生 机。与传统的同步电机相比，它采用高电磁性能的稀土永磁材料取代励磁绕组、 结构简单小巧、重量较轻、无励磁损耗、功率密度大、效率高、惯量小、具有良 好的静动态调速特性及较高的转矩惯量比和较高的功率因数；由于其机械特性较 硬，所以对于负载扰动具有较强的抗干扰能力，而且运行可靠；电机转速与电源 频率间保持严格的同步关系，易于控制，改变电源频率就能实现电机的变频调速。 目前，由于上述诸多优点，交流永磁同步电机已被广泛应用于自动控制的许多领 域，如航空航天、国防兵器、数控机床、机器人、柔性制造、医疗和家电等的主 轴和伺服驱动控制系统。 西北工业大学硕士学位论立 第一蕈绪论 1 1 2 矢量控制技术 矢量控制技术是根据磁场定向原理，对转子磁场定向，采用矢量变换的方法， 将测得的交流电机定子电流矢量分解为产生磁场的励磁电流分量和产生力矩的 转矩电流分量，并使两分量相互垂直( 正交) ，彼此独立。通过同时控制两分量 的幅值和空间位置( 频率和相位) ，实现交流电机的转速和磁链控制的完全解耦， 从而，达到控制电机转矩的目的。因为是控制定子电流矢量，所以称这种控制方 式为矢量控制方式。从分类上讲，它又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无 速度传感器矢量控制方式和有速度传感器矢量控制方式之分。实际应用上，由于 转子磁链难以准确观测、矢量变换的复杂性以及系统特性受电机参数的影响较大 等问题，使实际系统控制效果往往难以达到理论分析、推导的结果。另外，它必 须直接或间接地得到转子磁链在空间上的准确位置，才能实现定子电流的解耦控 制。而这使得控制系统中需设置转子位置观测器或速度传感器，这显然给许多应 用场合带来不便，这也是矢量控制技术在实际应用中的问题和不足。尽管如此， 由于现代电力电子技术，特别是变频技术的飞速发展以及矢量控制系统中成熟的 技术和良好的低速性能等自身的优势所在，使之被广泛地应用于交流电机调速控 制系统中。目前新型矢量控制通用变频器中已具备交流电动机参数自动检测、 自动辨识、自适应功能。带有这种功能的通用变频器在驱动交流电动机进行正常 运转之前就可以自动地对电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法 中的有关参数，从而对普通的交流电动机进行有效的矢量控制。除了无传感器矢 量控制和转矩矢量控制可提高交流电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术 还包括为了提高电机应用性能而采用的交流电机控制常数调节及与机械系统匹 配的适应性控制技术，以及为了在低速区域获得更加理想的平滑转速和防止交流 电机转速偏差而应用的数字式自动电压调整理论( a v r ) 配合专用大规模集成电 路的控制技术，这些新技术已经开始实用化并且取得了良好的效果。 1 1 3 直接转矩控制技术 直接转矩控制简称d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) ，是在2 0 世纪8 0 年代中期继 西北工业大学硕十学位论文 第一章绪论 矢量控制技术之后发展起来的一种高性能交流电动机变频调速技术。1 9 7 7 年美 国学者ab p l u n k e t t 在i e e e 杂志上首先提出了直接转矩控制理论，1 9 8 5 年由 德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授和日本t a n k a h a s h i 教授分别取得了直接转矩控制 应用的成功，接着在1 9 8 7 年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范 2 1 1 3 1 。不 同于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应快、控制结构简单等 优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感 等问题。 直接转矩控制技术利用空间矢量和定子磁场定向的分析方法，基于定子的两 相静止参考坐标系来分析交流电动机的数学模型，传统的方法是采用离散的两点 式调节器( b a n d b a n d 控制) ，对定子磁链和电磁转矩实施砰砰控制。即将两者 的脉动设制在预定的范围内，一方面，调节器将转矩检测值与给定值作比较，当 比较结果超过调节范围上下限时，由于反馈作用，直接决定逆变器输出电压空间 向量的数字控制量就会发生相应的变化，使转矩波动被限制在一定的容差范围内 ( 容差大小由频率调节器来决定) ；另一方面，维持定予磁链沿着给定轨迹( 预 先设计的六边形或圆形等) 运动，并产生p w m 脉宽调制信号，直接对逆变器的 开关状态进行控制，这样形成了电磁转矩和定子磁链的直接闭环系统，以获得高 动态性能的转矩输出。 这种直接转矩控制方式与矢量控制方式比较，从优势上讲： 1 、它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模 仿直流电动机的控制，也省掉了矢量变换方式的坐标转换、计算和为控制解耦而 对交流电动机数学模型所进行的简化，所以它的控制效果不取决于交流电动机的 数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。 2 、直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压状态和六 边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以把它观测出 来。而不象矢量控制利用转子磁链，需要知道电机转子电阻和电感。因此，解决 了如矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。 3 、由于它无需通常的p w m 脉宽调制信号发生器所以它的控制结构简单、 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有超静 音、高动态性能的交流调速控制方式。 4 、与矢量控制方式通过控制电流、磁链来间接控制转矩不同，直接转矩控 制强调的是把转矩作为直接被控对象进行控制与效果分析，既直接又简单。 总之，作为一种传统的直接转矩控制技术，一方面，它有非常简单的控制 结构、非常快速的动态性能、并且无需专门的p w m 技术，把交流电机与逆变器 结合在一起，充分发挥逆变器的能力，对电机进行最为直接的控制；另一方面， 由于上述的实际被控量必须发生脉动才能产生合适的数字控制量，所以它不可避 免地存在着由于其p w m 技术决定的定子磁链与电磁转矩的脉动，特别是低速时 转矩脉动较大。因此，这种传统技术在实际应用中受到了一定的限制。 为了降低甚至消除低速时的转矩脉动，提高转速和转矩控制精度，扩大系统 的调速范围，业界近年来提出了许多新型的直接转矩控制系统方案： 1 、直接转矩无差拍控制【4 】 直接转矩无差拍控制方法是由美国人t g h a b e t l e r 基于离散化直接转矩控 制系统首先提出来的 5 1 。从理论上讲，无差拍控制的优点是，一方面由于这种 控制方法没有使用滞环比较器，从而消除了因滞环比较器而产生的转矩脉动，因 而可以在一个控制周期内完全消除定子磁链模值和电磁转矩的动、静态误差，使 电机可以运行在极度低速下，扩大了调速范围；另一方面可以提高逆变器的开关 频率，并且使开关频率相对固定，这有利于减少电压揩波和电机噪声。而其缺点 是，在实现过程中需要判断是否存在满足控制要求的定子电压矢量，增加了控制 算法的计算量和实现难度。同时，和传统的直接转矩控制相比，这种控制方法也 增加了控制系统对电机参数的依赖性。 2 、转矩( 磁链) 跟踪预测控制 4 1 为了减小壹接转矩无差拍控制方法的计算量，出现了一系列简化无差拍点接 转矩控制的方法，其中比较典型的是转矩跟踪预测控制方法。它和t g h a b e t l e r 教授提出的无差拍控制方法相比，优点是，一方面这种无差拍控制方法简化了许 多；另一方面这种无差拍控制方法降低了实现难度。如果对磁链和转矩都进行预 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 测跟踪控制，其控制效果将明显优于单纯的转矩跟踪预测控制，既消除了转矩脉 动，又不会产生磁链畸变，同时也没有显著的增加控制算法的计算量。其缺点是 和无差拍控制方法一样，这种控制方法也增加了控制系统对电机参数的依赖性。 该问题可以在实际应用中，采用在线辨识参数的方法，减少电机参数变化对控制 系统性能的影响。 3 、直接解耦控制( d d c ) 6 1 在文献1 6 1 中，针对交流电机提出了两种直接解耦控制方法( d d c ，d i r e c t d e c o u p l ec o n t r 0 1 ) ，一种是预测直接解耦控制( p - d d c ，p r e d i c t i n g - d i r e c td e c o u p l e c o n t r 0 1 ) ，另一种是使用p i 调节器的直接解耦控制( p i d d c ) 。和p d d c 相比， p i d d c 具有更好的动态性能、更强的参数鲁棒性能和更小的计算量。该文献提 供的试验结果表明，p i d d c 控制方法具有很好的静、动态特性，能够在很大程 度上消除转矩脉动，使系统电机即使在极低速条件下( 5 0 r m i n ) ，转矩脉动也 非常小。其主要存在的问题是，由于在p i d d c 控制算法中，需要同时估计定予 磁链和转子磁链，因而p i d d c 算法的计算量仍相对较大。 4 、使用p i 调节器的直接转矩控制( p i d t c ) 1 7 在文献【7 】中提出了一种使用p i 调节器输出定子电压矢量的直接转矩控制 技术。在该系统中，磁链调节器和转矩调节器都使用p j 调节器。其d - q 旋转坐 标系是按定子磁场定向的同步旋转坐标系，其d 轴的方向和定子磁链矢量的方向 一致。因此从表面上看，这种控制方法类似于按定子磁场定向的矢量控制 ( s f o c ) ，但实际上两者存在着很大的区别。s f o c 方法为了实现转矩和磁链的 解耦控制，必须设计一个解耦器。而p i d t c 方法则不必，只需要根据转矩误差 信号和磁链误差信号，通过两个p i 调节器给出相应定子电压分量即可，从而提 高了控制系统对参数变化的鲁棒性，同时也减少了控制算法的计算量。和传统的 直接转矩控制相比，由于p i d t c 方法使用了具有连续输出特性的p i 调节器，所 以消除了由于使用滞环比较器产生的转矩脉动。需要说明的是，因为在p i d t c 系统中不能使用线性系统理论确定p i 调节器参数，所以若该参数设计不当，则 会影响控制系统的静、动态特性，这也是该方法存在的主要问题。 西北工业大学硕上学位论文 第一章绪论 5 、间接转矩控制( i s c ) t s l 以上介绍的几种新型d t c 方法，由于开关频率太高，无法应用于大容量调 速领域。近年来，为了更好地解决大容量、低转速调速系统的控制问题，i s c ( i n d i r e c ts t a t o r q u a n t i t i e sc o n t r 0 1 ) 方法受到了学者广泛的关注。它是通过计算 相邻控制周期的磁链增量来确定定子电压空间矢量，并且在保证磁链轨迹为圆形 的条件下，对电磁转矩进行控制。试验结果表明，i s c 调速系统的低速特性优越。 因为定子磁链的模值增量和相位增量可以准确地计算出来，所以i s c 方法可以通 过增加控制周期的方法，降低功率器件的开关频率，而不会增加转矩脉动，说明 该方法非常适合于大容量、低转速场合。但在高速区，i s c 系统需要和其它控制 方式相互配合，才能实现交流电机全速范围内的高性能运转。 除了上述五种新型转矩控制方式外，智能控制技术的应用也不容忽视。其中 应用比较成功的有神经网络技术和模糊控制技术，主要被用作为观测器和控制器 使用。与其它控制方法相比，它无需建立和分析被控对象的数学模型，只按实际 效果进行控制。另外，它继承了人脑思维的非线性、知识性和学习性，可以根据 当前状态方便地切换控制器结构，用变结构的方法改善系统性能。所以从系统控 制策略上，它具有更加广泛的应用前景。 近年来，交流电机的直接转矩控制技术研究主要集中在以下几个方面： 1 、电机直接转矩控制的策略改进； 2 、如何有效抑制转矩脉动； 3 、电机参数的在线辨识和估算； 4 、对无位置传感器系统的精确控制； 5 、系统的鲁棒性研究； 6 、对逆变器死区的特性进行有效补偿； 7 、空间电压矢量调制( s v m ) 技术的完善； 1 2 本文的研究意义 直接转矩控制理论和技术固然有其许多优点，在很大程度上解决了矢量控制 西北工业大学硕十学位论文 第一章绪论 中计算控制复杂、特性易受电动机转子参数变化影响、实际性能难于达到理论分 析结果等一些问题。但作为一种诞生不久的新理论、新技术，自然有其不完善、 不成熟之处，有些问题甚至成为它发展难以逾越的障碍。正是由于上述原因，直 接转矩控制技术成为当今世界研究的热点之一。比如，低速区转速脉动较大、需 定子电阻识别、转矩和磁链脉动大、存在稳态误差、死区效应和开关频率等问题。 对于矢量控制中，低速区域的很多问题都有了很好的相应解决方法。其中， 一些方法对于研究直接转矩控制系统的低速特性具有重大的现实指导意义。实践 证明，从电机本身出发来完善直接转矩控制技术已不可能了，必须另辟蹊径。而 现代控制理论和数字控制技术的应用发展已为交流调速系统的控制提供了坚实 的理论基础。随着微电子技术和功率电子技术的飞速发展，在交流伺服系统中已 经开始采用各种新颖的专业器件如数字信号处理器( d s p ) 、智能功率模块( i p m ) 等，使系统控制方式从模拟量逐步转向数字量。而数字控制在精度、可靠性以及 灵活性等方面的优势，也促使交流驱动控制系统向全数字化、智能化、小型化方 向发展。同时，在系统控制策略上，综合直接转矩控制和矢量控制的优点，采用 空间矢量调制( s v m ) 原理、间接转矩控制以及各种d t c 控制的复合方式，以 提高直接转矩控制系统的静、动态性能和低速性能，都是目前业界的科研人员正 在进行深入研究的课题。本文的选题就是在这种背景下提出的。 本选题基于直接转矩控制技术的理论和存在的低速特性、稳态误差及转矩脉 动等问题，采用仿真平台，以抑制转矩脉动，提高控制性能为目标，结合电机控 制理论，对直接转矩控制系统进行研究分析，在控制策略方面进行一些尝试，以 期获得希望的结果。 1 3 本文的主要内容安排 1 、第一章是绪论，主要综述相关的前人研究成果、发展现状和研究热点 指出本文的研究意义。 2 、第二章讨论永磁同步电机及其矢量控制，通过永磁同步电机的分类和结 构特点，给出永磁同步电机在不同坐标系卜的数学模型、等效电路，并对其矢量 两北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 控制策略进行分析，进一步掌握永磁同步电机磁链和转矩的控制规律，为实现其 直接转矩控制提供理论依据。 3 、第三章讨论常规( 传统) 直接转矩控制方法，通过对其控制系统原理和 控制策略的进一步分析，给出常规直接转矩控制系统的原理框图，并且利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件建立永磁同步电机直接转矩控制仿真模型，并通过仿 真研究找出常规直接转矩控制方式存在的问题及产生转矩脉动的原因，对主要问 题作深入分析，为后面新的控制策略提出作好准备。 4 、第四章引入空间矢量调制手段，通过综合空间矢量控制和直接转矩控制 的优点，在空间矢量调制( s v m ) 原理的基础上，对基于参考电压的空间矢量 调制策略和基于参考磁链的空间电压矢量调制策略进行理论分析，给出系统原理 框图，并对系统进行仿真研究。 5 、第五、六章进行控制系统软、硬件的设计。系统将以数字信号处理器 ( d s p ) 为核心，以智能功率模块( i p m ) 为功率驱动器件，完成系统主电路、 保护电路、功能电路和控制系统软件及算法程序的设计。 6 、第七章对工作进行总结，找出研究工作至目前仍然未尽之处，作为阶段 性工作，为今后在该领域继续深入的研究探索打下基础。 西北工业大学硕士学位论文 第二章永磁同步电动机及其矢量控制 第二章永磁同步电动机( p m s m ) 及其矢量控制 2 1 概述 2 1 1p m s m 的分类及特点 9 1 目前，在交流伺服驱动系统中，普遍应用的交流永磁同步电动机有两大类： 一类称为自频式p m s m ，又称为方波反电势电机或称为无刷直流电机 ( b r u s h l e s sd cm o t o r ，简称b l d c m ) 。其特点是用电子换向线路来代替有刷直 流电动机的机械换向器，采用“方波”原理，即经过设计加工，使永磁转子产生 的磁场沿气隙按矩形波形或梯形波形分布，将方波电流直接输入定子，这样就可 以使电机的转矩波动在理论上为零。其定子电流的换流频率取决于转子转速，同 时具有和直流电动机一样优良的线性转矩控制性能。 另一类称为他频式p m s m ，即正弦波反电势电机或称为正弦波永磁同步电 机简称永磁同步电机。其定子电流采用“正弦波”原理，经过j j 日- r 设计，使永磁 转子产生的磁场沿气隙按正弦波分布，将正弦波电流直接输入定子，这样就可以 使电机的转矩波动在理论上为零。由于其转子转速与定子旋转磁场的转速是同步 的，因此它的磁场定向矢量变换控制不需要如异步电机那样必须采取复杂的转子 观察器来实现，而变得极其容易。从而使其具有和直流电机一样优良的动、静态 控制性能。 这两种p m s m 的结构基本一样，即定子为对称三相绕组，转子为永久磁体。 其中，无刷直流电机的控制原理由直流电机发展而来，采用两组接通控制策略； 而永磁同步电机的控制原理由交流电机矢量控制变频调速发展而来，它采用三相 接通控制策略，由正弦波电流驱动以获得更好的性能。方波和正弦波电机的电势 e 、电流i 、磁场m 和转矩t 随着转子在转动过程中的转角0 的变化如图2 - 1 所 刁ia 方波驱动时，定予绕组按照一定规律顺序循环通电，因而电枢磁场在3 6 0 。 内分成若干个磁场状态，在每种状态中磁场大小方向恒定，所以电机运行一周期 的电枢磁场为非连续跳跃式，易造成转矩波动，在低速下则更为显著。正弦波驱 西北工业大学硕士学位论文第二章永磁同步电动机及其矢量控制 动时，三相绕组通入对称三相交流电，电枢磁场为圆形旋转磁场，方向连续变化， 使电机电磁转矩平稳，具有良好的低速特性。 牟、一卑弋丁 4 口盯4 2 弋：7 图2 1 方波电机与正弦波电机波形对比 实际电机系统由于电机本体、位景传感器、驱动电路三者的综合影响，力矩 波动不可避免，其值可以控制在5 左右。由于力矩电动机多用于低速直接驱动 系统中，对力矩波动要求严格，所以这类电机一般采用正弦波电流驱动。 2 1 2p m s m 的应用研究 9 1 目前，由于p m s m 调速范围宽、体积小、响应快、平稳、精确、节能，所以 被广泛应用于客货电梯曳引提升系统、高性能数控机床的伺服驱动系统、制衣行 业的高速平缝驱动机构、航海船舶动力系统以及航空航天领域的长寿命、无磨损、 非润滑的无轴承电机系统等。同时，业界对其在更宽范围的应用研究也在不断进 行之中： 1 、低转速转矩波动问题 对于高性能伺服系统，要求调速范围在1 0 0 0 0 ：l 以上，而定位误差主要由 低速时的转矩决定。 2 、p m s m 磁场饱和问题 伺服系统中的p m s m 具有高效率、高转矩比及高功率密度的优点，同时也 带来了磁场饱和问题，它影响到绕组电感及交、直轴同步电抗的计算精度，从而 导致电机的设计误差。 3 、无位置传感器的p m s m 问题 为使p m s m 能够理想地控制机构的运动轨迹，需要精确的转子定位信号去 西北工业大学硕士学位论文第二章永磁同步电动帆及拈矢量控制 实现磁场定向。而传统的位置检测单元由于成本和可靠性等问题将被淘汰。 4 、p m s m 的弱磁控制问题 在极宽范围调速时，对于高速行程的控制，必须进行弱磁升速。因为不能直 接减弱转子的永磁场，所以一般利用直轴电枢反应减弱电机的气隙磁场。 5 、特殊结构的设计研究 由于p m s m 的广泛应用，适应各种场合、不同需求的特殊结构为电机的设 计、制造不断提供着新的研究课题。 2 1 3p m s m 的发展前景 生产加工自动化提出的柔性加工概念，使电机控制系统从匕【往的仅需速度调 节发展到定位控制和运动的轨迹控制，即要求系统小巧、快速、宽范、精确和可 靠，这为p m s m 提供了广泛的应用领域。同时，因其无需从电网吸取无功电流 建立气隙磁场，所以无励磁损耗，显著提高了效率和功率因数，比异步电机具有 更显著的综合节能效果，使得p m s m 成为今后最有发展前途的电动机。 2 2p m s m 的原理介绍 2 2 1 结构和特点 图2 2p m s m 剖面结构图 p m s m 以永磁体提供的磁通取代了励磁绕组励磁，使电机结构十分简单， 降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电坏和电刷，提高了电机运行 的可靠性：又因无需励磁电流，无励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。永 磁同步电机和尤刷直流电机相比而言，结构基本相同，电机驱动器主电路也相刚， 西北工业大学硬士学位论文 第二章永磁同步电动机及其矢量控制 只是取消了在无刷直流电机上的转子位置传感器，而根本不同之处在于其运行控 制方式的不同：在无刷直流电机的功率主回路中，三相桥的6 个开关器件的通断 由电机的转子位置决定，使得电机中的电磁场类似于直流电机中的电磁场；而永 磁同步电机的运行是交流电机的原理，电机定子端输入的是三相对称正弦波，转 子与定子在运行时严格保持同步，转速不随外部条件的变化而变化( 如电压，负 载转矩的波动等) 。因此只要控制器绘出的电压频率的精度能保证，则电机转速 的精度也就能保证，而控制器的电压频率是由其内部晶体振荡器的精度决定的。 晶体振荡器一般具有很高的精度，它使系统在稳定运行时不至于频繁调节，有利 于运行的平稳性。永磁同步运行与无刷直流方式相比的缺点是在负载突变时容易 引起失步。但是，当负载相对恒定时，可乎略失步问题，同时若系统配置了速度 反馈单元形成闭环控制，就排除了失步的可能。 2 2 2 控制的变换与反变换 为了对p m s m 的静、动态矢量控制规律进行数学描述和分析，引入旋转矢 量的概念，即把三相电机等效于两相静止坐标系d 口下的系统模型，再经过坐 标旋转，将其等效到d - q 同步转子坐标系下。该等效的过程即系统变换的过程。 1 、c l a r k e 变换和反变换： 交流电动机三相静止坐标系a b c 和两相静止坐标系c 【b 之间的变换，称为 c l a r k e 变换和反变换，如式( 2 - 1 ) 和( 2 - 2 ) 所示： l1 22 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 万百上压上以上压上压 压t 上压 。以丁压t o 。一压 ， 。一：。一： 巨 j i 、，j 矗靠 ，。l 厘 i 1j k ，l 西北工业大学硕士学位论文 第二章永磁同步电动机及其矢量控制 下图显示了三相系统变换为两相系统( 建立口一坐标系) 的原理 1 图2 - 3a - b c 三相坐标向盯芦两相坐标的变换 2 、p a r k 变换和反变换 为了使交流电机的控制更加容易，整个矢量控制的建模和分析都是在d - q 坐 标系中进行的。当然，这包括两个坐标系之间的互换，即p a r k 变换和反变换( 因 为控制执行时必须被变换回电机侧) 。首先建立d - q 坐标系统： 下图显示了p a r k 变换( 建立d - q 坐标系) 的原理： 蛳，l 髟i = 元。+ 霸， s i n 0 ：丝 织o c o s 护：纽 则有口一坐标对d - q 坐标的变换为式( 2 3 ) 和d - q 坐标对口- p 坐标的反变 西北工业大学硕士学位论文 第二章永磁同步电动机及其矢量控制 s i n o 0 r x 。 c 。s 口ol i 1 0 , j l l j ( 2 3 ) 刚c 絮o s o o - s i n 佛oj l x o 悟a ， 2 2 3p m s m 的数学模型 之= 一争+ 警删n 口+ 警 = 一争一半m c 。s p + 等 c z 嘞 扫= 一争字。c o s o - 字s i n o - - 予t l 式中扎和分别为口、轴定子电压； 和分别为口、轴定子电流； l 为定子绕组电感； 砖为定子电阻； 仍为转子永磁体磁链； 只为转子磁极对数； 疋为负载转矩； j 为转动惯量； b 为阻尼系数： m 为转子速度： 1 4 ， 口旧 凼0 c 一 ，l ： | | )1llj q h 矗 2 r，lll ( 式为换 西北工业大学硕士学位论文 第二章永磁同步电动机及其矢量控制 0 为转子位置。 2 、在d - q 同步转子坐标系下，永磁同步电机定子磁链方程为： pd“成+9(2-6) 【2 厶 式中伤、分别为定子磁链在d 、q 轴上的分量； 鼽为转子磁钢在定子d 轴上的耦合磁链 l 、l q 为永磁同步电机的直、交轴主电感； 、为定子电流矢量的直、交轴分量。 p m s m 的定子电压方程为： 2 r 。s i d + p q d - ( 2 - 7 ) l k = b + 嬲+ c o q ，a 式中嵋、屹分别为定子电压矢量在d 、q 轴上的分量； 国为转子角频率； p 为微分算子 将( 2 6 ) 式代入( 2 - 7 ) ，定子电压方程可展开为： ：j f3 r s i e + l a p i a - c a l ，q i q + p o y ( 2 - 8 ) 【= r s i q + l q p i , ? + 印厶i a + 珊竹 p m s m 的转矩方程为： t = 吾只( 一如) = 吾只【妒，+ ( 乙一上。) i a i q l ( 2 9 ) 从上式可以看出，永磁同步电机的电磁转矩基本取决于定子交轴电流分量和 直轴电流分量，在永磁同步电机中，由于转子磁链恒定不变，通常采用转予磁链 定向的方式来控制永磁同步电机。 在基速以下的恒转矩运行区中，令i d = o ，定子电流矢量只有q 轴分量，定子 电流全部用来产生转矩，此时的p m s m 电压方程为： 西北工业大学硕士学位论文 第二章永磁同步电动机及其矢量控制 i 嵋= 一国厶+ p 纡 v q 2r s q + l q p q + 妒f 电磁转矩方程为： ( 2 - 1 0 ) t = 詈只吩 ( 2 1 1 ) 这种控制方式最为简单，只要能准确地检测出转子空间位置( d 轴) ，通过 控制逆变器使三相定子的合成电流( 磁动势) 位于q 轴上。那么永磁同步电机的 电磁转矩只与定子电流的幅值成正比，即控制该电流大小，就能很好地控制转矩， 这就和永磁直流电机原理类似。所以这是一种自控式变频调速方法。 在基速以上，永磁同步电机也可以运行在恒功率区，采用定子弱磁的方法， 使乇和妒，的方向相反，起去磁作用。由于转子采用稀土永磁，定转子有效空隙大， 因而这种利用电枢反应进行弱磁的方法就要求更大的定子直轴电流分量，因此它 的弱磁效果比直流励磁绕组的同步电机要差，只有作短时运行才合适。 2 2 4p m s m 转矩控制的数学描述 如图2 - 5 所示，设p m s m 的定子磁链和转子磁链p ，的夹角为占，稳态时， 占恒定，电磁转矩和负载转矩为平衡状态：而暂态时，由于负载转矩的变化，平 衡状态被打破，定子和转子磁链之间产生转差，巧角改变，引起电磁转矩瞬时变 化，直到出现新的稳态。这样可看出，夹角艿直接反映出转矩t 的大小。那么， 通过控制占( 或仇的转速堪) ，即可进行转矩的调节。 注：图中( x y ) 为同 步定子坐标系 p q i f 。烯 峄t l峄s 二 - i 弋荔象d 图2 - 5p m s m 的定转子磁链与三个坐标系的关系 堕j ! 三些查兰堡圭兰垡堡奎丝三皇_ 兰堕墅型生墅塑墼丝苎i ! ! ! i 塑l d - q 坐标系和x - y 坐标系之间的p a f k 变抉及反变换关系式为。 州i “c o s n 6 占鞠翻 h ；c o s j l j b i a s i n s l f f , 。6j l o j ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) r ：吾巴 纯( s i n 艿+ c 。s j ) 一鸭( c 。s 占一s i n 占) ：3 2 p 。l 南+ 高一齑+ 。高 = 兰只挑( 2 - 1 4 ) 根据图2 5 ，d - q 参考坐标系下的定予磁链矩阵表达式为： 删+ 曙 把式( 2 3 ) 代入式( 2 1 5 ) 得到： l c 。o i n s 6 8 一e s i o s n , ，d j f l 依1 j = 名三j l c 。o i n s 占6 因为篇劫1 = 瞄期 所以在式c z 一e ，两边同乘以因子。一c o 。i s n 6 j 。s 。i n 。g j ； ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 得到x - y 坐标系下的定子磁链矩阵表达式： 嘲； 芝慧z q c 刚o s 8 c o j l s i n 蚶8 - 咖s i n 6 1 i i ，1 慵 ：慧 1 7 ) 1 7 伤一体 妤 肌 扼 ， 变得旦旧 矾 州 弘 豳 0 图 腻 吩o i i m 著 西北工业大学硕士学位论文第二章永磁同步电动机及其矢量控制 = l a c o s 2 巧+ l q s i n 2 8 s i n $ c o s i n d c o s d l as i n ：籀卅阱篇s i n 6 j2 占+ 厶c o s 2 j f i f 。l 一 对于隐极式永磁同步电机来说，l = l q = l s ，则式( 2 1 7 ) 简化为 霞 f l s 训2 l o 删+ “篇 妒x = l s 。+ 9 fc o s b l 吼= t 0 一纷s i n 8 ( 2 1 8 ) ( 2 一1 9 ) 由于定子磁链固定在x 轴线上，所以定子磁链在y 轴上的分量吼为零。 因此可以从式( 2 1 9 ) 第二个式子中解出i y f ：1 o rs i n j o2 i 一删 把式( 2 2 0 ) 代入( 2 1 4 ) 得 式中古是定子磁链相对于转予( 永磁体) 磁链的角速度。 对式( 2 - 2 1 ) 两边求导可得： = 互3p 。d c 。s 占 使d t i d t 0 ，d a l d t 0的条件是将j 控制在一万2 万2 之间。 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 对于凸极式永磁同步电机来说，l a l q ，x 轴固定在定子磁链轴线上