（电机与电器专业论文）基于模糊pi控制具有升压电路的永磁同步电机调速系统.pdf

a b s t r a c t t h ep e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rr p m s m ) i sas u p e r i o r i t y p e r f o r m a n c e a n dw i d e l y u s e dm o t o r t h e r ea r et w om a i no p e r a t i o n so fp mm o t o r so v e raw i d e s p e e dr a n g e t h e s ea r ep e r f o r m e db yt h ef l u x w e a k e n i n go p e r a t i o ni nt h eh i g h s p e e d r e g i o no rap u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) i n v e r t e rw i t had e - l i n kv o l t a g ec o n t r o l c i r c u i t t h ep w mi n v e r t e rw i t hv o l t a g eb o o s t e rc o n s i s t so fav o l t a g eb o o s t e rt o c o n t r o lt h ed e - l i n kv o l t a g ea n dac o n v e n t i o n a lp w mi n v e r t e r w h i c hd r i v e st h e i n t e r i o rp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( i p m s m ) f o raw i d es p e e dr a n g e t h e f o r m e ri sam o r ec o n v e n t i o n a lm e t h o d h o w e v e r , t h i so p e r a t i o nn e e d sa d d i t i o n a l c u r r e n tt or e d u c et h em a g n e tf l u xo ft h em o t o ra n dt h ec u r r e n ti n c r e a s e sc o p p e rl o s s t h el a t t e ri sa n o t h e rs o l u t i o n t h i sd r i v es y s t e mm a i n l yh a ss e v e r a la d v a n t a g e so v e r d r i v e sw i t hf l u x - w e a k e n i n go p e r a t i o na sf o l l o w s f i r s t l y ，t h i sd r i v es y s t e md o e sn o t n e e dt h ec u r r e n tt or e d u c et h em a g n e tf l u xo ft h em o t o r , s on oa d d i t i o n a lc o p p e rl o s s b yt h ec u r r e n ti sg e n e r a t e d s e c o n d l y ，p m s mh a sa l w a y sb e e no p e r a t i n gi nt h e c o n s t a n tt o r q u er e g i o n ，s ot h em o t o rh a sm o r ep o w e r t h i r d l y , i ft h eg a t i n gs i g n a li s s u d d e n l yr e m o v e df r o mt h ei n v e r t e rs w i t c h e sd u r i n gh i g h - s p e e do p e r a t i o n ，t h e a m p l i t u d eo ft h el i n e - t o - l i n eb a c ke l e o c t r o m o t i v ef o r c e m f ) g e n e r a t e db yt h e s p i n n i n gp m r o t o rm a g n e t si sk e p tu n d e rt h ed e l i n kv o l t a g e t h e r e f o r e ，t h i ss y s t e m h a sn op r o b a b i l i t yo f s e r i o u sf a u l t s t h es p e e ds e r v es y s t e mo fp m s mu s u a l l ya d o p t st h ep ic o n t r o lm e t h o d t h ep i a l g o r i t h mi sc o m p a r a t i v e l ye a s i e ra n dh a ss o m ec o n t r o la c c u r a c y b u tt h et r a d i t i o n a l p ic o n t r o l l e ri sn o ta d a p t e dt ot h en o n l i n e a ra n dv a r i e ds y s t e m o nt h eo t h e rh a n d ，t h e f u z z yc o n t r o l l e ri sn o td e p e n d e n to nt h es y s t e mp a r a m e t e r sa n dh a sg o o dr o b u s t n e s s t h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h es p e e ds e r v os y s t e ma r ea n a l y z e di nt h ep a p e r a n db yi n t e g r a t i n gt h ea d v a n t a g e so fp ia n df u z z yc o n t r o l l e r , af u z z y p ih y b r i d c o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e dt oc o n t r o lt h es p e e do fi p m s ma n dt h ed e l i n kv o l t a g e w i t ht h ea p p e a r a n c eo fo s c i l l a t i o na n do v e r s h o o t t h ef u z z y p ih y b r i dc o n t r o ls c h e m e c a na l t e r n a t eb e t w e e np ia n df u z z yc o n t r o l l e rt ok e e pt h es y s t e mw o r k i n gw e l lw i t h h i g i ld y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e s1 p m s ma n de x p a t i a t e so nt h ec o n t r o ls t r a t e g ya b o u ts p e e d s e l - v os y s t e mo fi p m s mw i t h v o l t a g eb o o s t e r b e c a u s eo fs u p e r i o r i t yp e r f o r m a n c ea n d a b u n d a n te x t e m a ld e v i c e so ft h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 一ac o n t r o lc h i p ，w eu s et h i sk i n do f c h i pt od e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ，s ot h a tw e c a nc o n t r o ls p e e ds e r v o s y s t e mo fp m s m b a s e do nf u z z y - p ic o n t r o l l e rw i t ho i t a g eb o o s t e r f u r t h e r m o r et h e b a t t e r yc u r r e n tl i m i t i p m s mv o l t a g ea n dc u r r e n tl i m i ta r ec o n s i d e r e di n t h i sp a p e r , t h ec u r r e n tt r a j e c t o r yo fm a x i m u mt o r q u ep e ra m p e r eo p e r a t i o no nt h ei , r i qp t a n ei s i l l u s t r a t e d t h es i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h es p e e ds e r v os y s t e mo f i p m s mw i t hv o l t a g eb o o s t e rh a st h ev a l i d i t ya n di tw o r k sw e l lw i t hh i g hd y n a m i ca n d s t a t i cp e r f o r m a n c ew h e nb a s e do nf u z z y - p ic o n t r o l l e r b e c a u s et h ed r i v es y s t e mh a s m a n ya d v a n t a g e so v e r d r i v e sw i t hc o n v e n t i o n a lf l u x - w e a k e n i n go p e r a t i o n ，i ti s c o n s i d e r e dt ot a k ep l a c eo ft h ef l u x - w e a k e n i n go p e r a t i o nf o raw i d es p e e dr a n g e t h i s s y s t e mi se s p e c i a l l ya d a p t i v et ot h ee l e c t r i cv e h i c l ea p p l i c a t i o na n ds oo n ，w h i c hn e e d t h eb a t t e r ys u p p l ya n daw i d es p e e dr a n g e k e yw o r d s ：f u z z y p ic o n t r o l l e r ；p e r m a n e n t - m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ；v o l t a g eb o o s t e r ；m a x i m u mt o r q u ep e ra m p e r ec o n t r o lo p e r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生态堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的流明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 易离 签字日期：) 印多年，月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盔盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨叠盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 彩藉 导师签名： 傍互广 签字日期： 叼年，月多日签字日期：劢彩年，月弓日 天津大学硕士学位肖：文第一章绪论 第一章绪论 1 1 永磁同步电机及交流调速技术的发展现状 与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机( p m s m ) ，特别是稀土p m s m 具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、转矩，重量比高、功率因 数高、效率高、易于散热、易于保养等显著特点，因而应用范围极为广泛，尤其 是在要求高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中心、 机器人等方面获得广泛应用1 1 2 1 。 永磁电机的发展与永磁材料的发展密切相关，二十世纪六十到八十年代，钐 钴永磁和钕铁硼永磁( 二者统称稀土永磁) 的相继问世，使永磁电机的发展进入 了新的历史时代。我国稀土资源丰富，号称“稀土王国”，稀土永磁材料和稀土 永磁电机的研究达到了世界先进水平。自二十世纪八十年代以来，各国相应的研 究机构及著名的电气公司竞相把稀土永磁材料、电力电子技术、自动控制理论以 及微电子技术的最新成就应用于p m s m 及其控制系统的研究开发之中，使其成 为当代电机技术发展的一个重要方向。随着永磁材料性能和电力电子器件性能价 格比的不断提高，现代控制理论、微机控制技术和电机制造工艺的迅猛发展，新 磁路结构的不断涌现，在p m s m 理论分析、设计和控制策略中不断出现有待进 一步深入研究的新课题1 1 , 2 1 。 电力电子器件的发展为电机调速奠定了物质基础。由于i g b t 兼有m o s f e t 驱动功率小和g t r 导通管压降低的优点，在电气传动、电源技术等方面获得了 广泛应用，并可以用于2 0 l 沮z 的硬开关以及频率更高的软开关中。m o s 控制晶 闸管( m c t ) 综合了晶闸管的高电压、大电流特性和m o s f e t 管的快速开关特 性。电力电子器件正向着大功率化、高频化、模块化和智能化方向发展。目前应 用于电机调速的智能功率模块( i p m ) 采用i g b t 为功率开关，内含驱动电路及 过流、短路、超温、欠压等保护电路，提高了器件的可靠性，使用和维护更加方 便f 3 , 4 1 。 与此同时，交流电机的控制技术取得突破性进展。2 0 世纪七十年代，德国 工程师e b l a s h k e 提出了矢量控制原理，使得交流调速技术发生了一次质的飞跃。 基于p m s m 模型的特点，即多变量、强耦合、非线性，p m s m 矢量控制也引入 了坐标变换，将原本复杂的p m s m 三相静止坐标系模型等效为d q 转子同步旋转 天滓大学硕士学位论文第一章绪论 坐标系下的模型，即通过按转子直轴永磁磁场定向的同步旋转变换实现定子电流 直轴分量与交轴( 力矩) 电流分量之间的解耦，达到对p m s m 的磁链和转矩分 别控制的目的，化为简单的类似于直流电机的模型。由于坐标变换后的p m s m 模型考虑了瞬态情况，不仅可以较准确地控制电机的稳态性能，也能保证实现良 好的动态性能。因此，以矢量控制思想作为主要控制算法的p m s m 调速系统很 快地发展起来1 6 , 7 1 。 另外，p w m 控制技术的应用也日益广泛，促进了p m s m 控制的发展。p w m 技术，即脉冲宽度调制技术，是由控制器按照一定控制规律来实时地改变触发功 率器件的驱动信号，使其输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波形，实现调频、 调压、消除谐波的目标，以达到控制电机运转的技术。合理地控制开关器件驱动 信号，可以达到减少谐波和转矩脉动的目的。p w m 技术是德国入a s c h o n u n g 等于1 9 6 4 年率先提出的，其输出电压波形远比六阶梯波好，从而得到了迅速的 发展。主要应用方法有正弦p w m ( 即s p w m ) 、最优p w m 及空间电压矢量p w m ( 即s v p w m ) 等。矢量控制思想与不同的p w m 方法结合，形成的控制方案也 会有不同。其中空间电压矢量p w m 方法是在实现对电动机的速度、转矩等控制 要求的前提下，将功率开关器件的开关次数、电流脉动等因素都加以考虑，建立 一个综合的目标函数，进行优化研究达到目标函数的最优控制。因它具有电压利 用率高的显著优点，而得到了广泛的应用。 此外，数字化、智能化控制是p m s m 控制技术发展的一个显著特点，在数 字化控制发展的热潮中，高速3 2 位数字信号处理器( d s p ) 1 8 q 4 的应用越来越多， 这带来了许多优点。 控制电路集成化、模块化、性能提高而成本降低。 控制器件的减少提高了系统的可靠性。 不同的控制策略可由软件实现，而硬件则采用同一套装置，从而提高了 系统的灵活性，也易于系统性能的改进、提高。 集中的处理器通讯、管理和检测。检测程序检测系统的运行，通过程序 可对半导体器件的电压、电流、温度以及电源的电压、通讯口等实现连续监测和 控制。 可高速实现复杂的算法，提高了系统的开关频率，从而提高了系统的性 能 通过系统硬、软件的控制，可实现对硬件错误的自动复位，并自动产生保 护工作。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 具有升压电路并由p w m 逆变器驱动的p m s m 调速系统的概述 目前，高性能的稀士材料能够制造出更加高效的p m s m 。因此，永磁电机 所需要的高性能驱动能力就变得越来越重要，这使得它不仅被用于工业，而且还 可用于电动机车和其它的领域。 图1 - 1 给出了p m s m 的传统调速控制特性曲线。由图可知，当电机在基频 以下调速运行时，由于保持了每极气隙磁通中的恒定，所以运行在恒转矩区； 当电机在基频以上调速运行时，电机的需要弱磁升速，而运行在恒功率区。 扩 吒 o 1 1 图1 - 1p m s m 的传统调速控制特性 目前，p m s m 在宽范围内进行调速主要有两种运行方式；其是高速时的 弱磁调速系统1 1 5 ，1 6 1 ；其二是具有母线电压控制电路并由脉宽调制( p w m ) 逆变 器驱动的p m s m 调速系统【1 7 - 2 0 i ，该系统由用来控制直流母线电压的升压电路和 传统的p w m 逆变器组成，由其驱动的p m s m 可实现宽调速。 + 弱磁调速是传统的方法，因为要靠附加的直轴电流产生的直轴电枢反应去磁 磁动势来去磁，所以会增加铜耗；同时由于电机定子电流受限，增大直轴电流分 量，则用于产生电磁转矩的交轴电流分量要相应减小。电机高速运行时，如果由 于故障逆变器上的绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的栅极信号突然消失，旋转的转 子磁场产生的反电动势幅值会很高，造成功率器件过压损害。 具有电压升压电路的p w m 逆变器驱动p m s m 调速是一种新型的解决方法， 与弱磁调速相比主要有以下优点。 不需要额外的电流来去磁。因而，不会产生附加的铜耗。 可以使p m s m 保持运行在恒转矩区域，从而增加了电机的出力。 高速运行时如果逆变器上的绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的栅极信号突然 消失1 1 研，旋转的转子磁场产生的反电动势幅值会保持在直流母线电压以下，系统 不会出现严重的损害。 系统也比较容易与智能控制相结合，在引入智能控制后，p m s m 调速系 天律大学硕士学位论文第一章绪论 统响应快、超调小、鲁棒性强、抗干扰能力好。 近年来，已经有学者研究了具有升压电路并由p w m 逆变器驱动的内置式永 磁同步电机( i p m s m ) 的稳定性n 9 1 ，并将其与弱磁运行进行了比较分析，分 析的结果表明，在恒功率区，具有升压电路并由p w m 逆变器驱动的i p m s m 运 行效率高于弱磁运行时的效率。但是，在这些论文对调速系统的智能控制策略没 有讨论，尤其是对调速系统动态特性的控制策略，以及如何才能实现p m s m 平 滑宽调速的方法研究的很少。本课题研究的目的就是针对由电池供电的应用场 所，通过使用具有直流母线电压控制电路的p w m 逆变器来实现没有弱磁运行的 i p m s m 的平滑宽调速。 论文给出了具有升压电路并由p w m 逆交器驱动的p m s m 调速系统结构， 对具有升压电路并由p w m 逆变器驱动的p m s m 调速系统分析和研究了它的稳 态特性和暂态特性。通过绘出在珏f 。平面上的电流矢量轨迹，阐述了如何实现 p m s m 的最大转矩电流运行，以及p m s m 以速度作为参照时的转矩、电压和电 流的特性。而且，以1 5 k w 的i p m s m 为例，通过设计和进行实验证实了分析和 仿真的结果，同时把分析和仿真的结果与试验结果作了比较，进而肯定了分析和 仿真结果的正确性。 1 3 模糊p l 复合控制方法概述 p m s m 调速系统快速性、稳定性和鲁棒性的好坏成为决定电动机性能优劣 的重要指标1 2 4 1 。传统的p m s m 调速系统通常采用比例积分( p i ) 控制【巧矧。p i 控制算法简单，参数调整方便，有一定的控制精度，但也存在局限性。p i 控制 的本质是种线性控制，若被控对象具有非线性特性或有参变量发生变化，会使 得线性常参数的p i 控制无法保持设计时的性能指标，鲁棒性往往无法令人满意； 在确定p i 参数的过程中，由于p i 参数的整定值是具有一定局域性的优化值，而 不是全局性的最优值，因此p i 控制无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛 盾。 在控制对象日趋复杂的今天，为迸一步提高p m s m 调速系统的快速性、稳 定性和鲁棒性，智能控制方法得到了越来越多的关注，成为目前的一个研究热点。 其中，模糊控制正是智能控制中应用广泛、最为常见的方法之一i ”捌。模糊控制 方法的特点是，无需建立被控对象的数学模型，对被控对象的时滞、非线性和时 变性具有较强的适应能力。与常规p i 控制器不同，模糊控制本质上是一种非线 性控制，对控制对象的参数变化或非线性具有较好的适应能力，对干扰或噪声具 有更强的抑制功能，即更强的鲁棒性i z 9 1 。但是，模糊控制也有不足之处，模糊控 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 制本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。p i 控制对 参数确定的模型具有结构简单、精确度高的特点，而模糊控制具有不依赖于系统 模型参数、鲁捧性强的特点，本文综合两者的优势，通过分析具有升压电路并由 p w m 逆变器驱动的i p m s m 调速系统的结构和特性，针对转速、直流母线电压 的控制要求，提出一种模糊p i 复合控制的方法。当系统发生振荡或者超调时， 该控制方法能自动进行p i 控制方式和模糊控制方式的切换，确保系统具有良好 的动、静态特性。 1 4 论文研究的背景、内容和意义 p m s m 具有多方面的优点，因而在许多领域都得到了越来越广泛的研究和 应用。所以伴随着交流调速技术的发展，对于如何能够高效地驱动p m s m 。如 何能够实现p m s m 的宽范围调速，使其具有良好的动、静态特性，以及如何提 高p m s m 调速系统的运行效率，都成为摆在人们面前的最重要的问题。本文的 研究目的就是为了解决这些驱动p m s m 最需要解决的工业问题。主要的研究工 作及意义如下： 针对传统的p m s m 弱磁调速系统，提出了具有母线电压控制电路并由脉宽 调制( p w m ) 逆变器驱动p m s m 的调速系统，该系统由用来控制直流母线电压 的升压电路和传统的p w m 逆变器组成，由其驱动的i p m s m 可实现宽调速。以 1 5 k w 的i p m s m 为例，比较了两种调速方式，并建立了其数学模型，分析了两 种调速运行的情况，进而证明了具有升压电路并由p w m 驱动的调速系统在许多 方面都优于弱磁调速系统。尤其是对于电动汽车那种由电池供电并要求宽调速运 行的场所，这种系统更加适用。 引入模糊智能控制策略，提出了模糊p i 复合控制的新方法以实现控制 p m s m 转速和系统直流母线电压的目的。当系统发生振荡或者超调时，该控制 方法能自动进行p i 控制方式和模糊控制方式的切换。这使得系统响应迅速，鲁 棒性好，具有良好得动、静态特性。 同时，还考虑了电池电流以及永磁同步电机电压和电流的限制条件，在珏l 平面上绘出了p m s m 最大转矩电流控制的运行轨迹，并给出了相对于速度的转 矩、电压和电流的特性曲线。这使得p m s m 一直保持运行在恒转矩区域，能输 出最大转矩，增加了电机的出力。 利用数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 - a 控制芯片出色的性能和丰富的外设 资源，运用空问矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术的理论基础及其波形的产生机制， 设计了控制系统的硬件系统和软件系统，并通过对整个控制系统的实验调试，实 天津大学硕士学位论文第一章绪论 现了对基于模糊p i 复合控制、具有升压电路的p m s m 调速系统的控制。以1 5 k w 的i p m s m 为例进行了仿真和实验，证明了基于模糊p i 控制具有升压电路的 p m s m 调速系统实现平滑宽调速的可行性以及良好的动、静态特性。 课题所研究的基于模糊h 复合控制、具有升压电路的p m s m 调速系统比传 统的p m s m 弱磁运行有许多的优势，所以可以替代p m s m 弱磁运行来实现平滑 宽调速的目的。这样，能够更加高效地驱动p m s m ，实现p m s m 的宽范围调速， 使其具有良好的动、静态特性，进而提高p m s m 调速系统的运行效率，这些都 在工业应用中尤其是电动机车领域有着广阔的应用前景，对扩展永磁同步电机的 应用范围有重要的价值。 天津大学硕士学位论文第二章永磁同步电机的矢量控制 第二章永磁同步电机的矢量控制 永磁同步电机( p m s m ) 由定子、转子和端盖等部件构成，定子与普通感应 电动机基本相同，转子磁路结构是p m s m 与其它电机最主要的区别，转子磁路 结构不同，电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不同。按照永 磁体在转子上位置的不同，p m s m 的转子磁路结构分为表面式和内置式。p m s m 采用三相交流供电，其数学模型比直流电动机复杂得多，具有多交量、强耦合及 非线性等特点，所以控制较为复杂，为使p m s m 具有高性能的控制特性，基本 上都采用转子磁场定向的矢量控制技术进行线性化解耦。 1 9 7 1 年，由德国的eb l a s c h k e 等人首先提出了交流电动机的矢量变换控制 ( t r a n s v e c t o rc o n t r 0 1 ) 理论，从理论上解决了交流电动机非线性解耦问题，实现 了交流电动机的转矩高性能控制。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法 模拟直流电动机转矩控制的规律，在转子磁场定向坐标系上，将定子电流矢量分 解成产生磁通的直轴( 励磁) 电流分量耐和产生转矩的交轴( 转矩) 电流分量 幻，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后进行调节。这样，交流电动机的转矩 控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了。因此，矢量控制的关键仍是对电 流矢量的幅值和空间位置( 频率和相位) 的控制。 矢量控制的目的是为了通过解耦改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实 到对定子电流( 交流量) 的控制上。由于在定子侧的各物理量( 电压、电流、电 动势、磁动势) 都是交流量，其空间矢量在空间上以同步转速旋转，调节、控制 和计算均不方便。因此，需要借助于坐标业换，使各物理量从定子静止坐标系转 换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空问矢量都变 成了静止矢量，在同步坐标系上的各空问矢量就都变成了直流量，可以根据转矩 控制公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出 转矩控制所需的被控矢量的各分量值直流给定量，按这些直流给定量实时控 制，就能达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的、 虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从同步旋转坐标系逆变换到定 子静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标 系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。 脉冲宽度调制( p w m ) 控制技术的应用也日益广泛。p w m 技术是由控制器 按照一定控制规律来实时地改变触发功率器件的驱动信号，使其输出端获得一系 天津大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机的矢量控制 列宽度不等的矩形脉冲电压，实现调频、调压、消除谐波的目标，以达到控制电 机运转的技术。合理地控制开关器件驱动信号，可以达到减少谐波和转矩脉动的 目的。经典的s p w m 控制的目的是使逆变器的输出电压尽量接近正弦波，或者 说希望输出s p w m 电压波形的基波成分尽量大，谐波成分尽量小。至于电流波 形，则还会受到负载电路参数的影响，控制上被忽略了。电机控制的最终目的是 产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如果基于这一目标，把逆变器和 电机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制p w m 电压，这样的控制方法就是 磁链跟踪控制，磁链跟踪的轨迹是靠电压空问矢量相加得到的，所以又称空间矢 量控制。近年来，国内外对这种控制方法的研究日益深入，同时这种方法由于能 够提高电压利用率和良好的谐波性能，正越来越受到人们的青陕。 2 1p m s m 的数学模型 p m s m 和带转子励磁绕组的同步电动机的数学模型是相似的，为使分析简 化起见，作如下假设： ( 1 1 忽略铁心饱和效应； ( 2 ) 不记涡流和磁滞损耗； ( 3 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用； ( 4 ) 反电动势是正弦变化的。 在同步电动机瞬态过程中，其运行参数( 电压、电流、磁通、转矩和转速等) 的微分方程有多种表达式形式。在a b e 定予静止坐标系的变量表达式中，由于同 步电动机的转子在磁、电结构上的不对称，造成电机方程式是一组与转子瞬时位 置有关的非线性方程式，不宜直接求解，使同步电动机动态特性的分析遇到困难。 矢量变换控制技术解决了这一难题，利用坐标变换可将时变系数变换成常系数， 消除时变参数，从而简化运算与分析。因此坐标变换在矢量控制的p m s m 系统 的分析中是十分重要的概念。p m s m 的各坐标系间的关系如图2 - 1 所示。 图2 - 1p m s m 各坐标系间关系图 天津大学硕士学位论文第二章永磁同步电机的矢量控制 2 1 1p m s m 的坐标变换 p m s m 的矢量变换控制系统常用的坐标系有两种：一是两相同步旋转坐标 系( d q 坐标系) ，一是两相定子静止坐标系( a b 坐标系) 。它们不仅可以用于分 析p m s m 的稳态运行性能，也可以用于分析p m s m 的瞬态性能。下面以电流方 程为例分别介绍这两种坐标系。 1a 8 两相定子静止坐标系 将坐标轴放在定子上，a 轴与a 相绕组轴线( a 轴) 重合，b 轴超前a 轴9 0 电角度，如图禾1 所示，a b 坐标系中的电压和电流通过简单线性变换就可以直接 从实际测量的三相电压和电流得到。一个旋转矢量从三相定子坐标系变换到a b 坐标系，又称3 2 变换，如下式： 卧后 其逆变换又称为2 3 变换： 1 一三 三 22 。压一压 l0 1压 一j、三 1厅 一i 一、三 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 【：】。居篡；c。o；ns。(80一-。1翻2带0。，)c。o；ns。(口o+*，1刁20旷0，)jliil c 2 s ， 睦i,j1v一亏【1篓箸co：so筹；：箸si；n；0茅列r】 c z 4 ， 压恬 一 ，_ilj_-i_lj l_，k ，_-_-_-_【 天津大学硕士学位论文第二章永磁同步电机的矢首控制 ：】。一c 。o ；s n o 口： 乏 ，臣】。【：；- 。s 。i 。n p o 。l i d 】 c z - s ， 2 1 2d q 同步旋转坐标系下的p m s m 数学模型 d q 同步旋转坐标系是p m s m 最常用的坐标系，在上述假定下，可以得到如 下的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程。 电压方程 ， 屹一r + p 妒d n 1 1 咿。 ( 2 6 ) - r i q + p c 口+ n w 4 ( 2 - 7 ) 磁链方程 1 i c ，d 一厶+ 妒，( 2 8 ) 妒，一厶 ( 2 - 9 ) 电磁转矩方程 z p 【妒，l q + ( k 一厶) 】 ( 2 - 1 0 ) 机械运动方程 z 一互+ 曰q ，+ j p n ， ( 2 1 1 ) q ，- 尸饥 ( 2 1 2 ) 对于表面式的p m s m ，l 一厶，于是电磁转矩为 z p 妒， ( 2 1 3 ) 式中所有符号意义见表2 1 表2 - 1 符号意义 符号 意义 单位符号意义单位 屹d 轴定子电压 v 心 q 轴定子电压 v b d 轴定子电流a 0 q 轴定子电流a 妒d d 轴定子磁链w b 妒。q 轴定子磁链 w b 厶 d 轴定子电感h lq 轴定子电感 h r 定予电阻q p 极对数 吐 转子电气角速度t a d sq 机械角速度r a d s z 电磁转矩n m 妒， 永磁体磁链w b 1 转动惯量 k g n 1 2t 负载转矩n m p 微分算子 b 阻尼系数 k g i n 2 s 天津大学硕士学位论文第二章永磁同步电机的矢量控制 2 2p m s m 的矢量控制 p m s m 的电流矢量控制方法有好几种。可采用的控制方法主要有4 = 0 控制、 功率因数c o s y - 1 控制、最大转矩电流控制、最大输出功率控制等。不同的电流 控制方法具有不同的优点，拓= o 控制实现了p m s m 的解耦控制，最简单也最常 用；功率因数s 妒一1 控制降低了与之匹配的逆变器容量：最大转矩电流控制可 使单位电流输出的转矩最大；恒磁链控制可增大p m s m 的最大输出转矩；弱磁 控制使p m s m 恒功率的运行于更高的转速；最大输出功率控制以保证输出功率 最大为前提。 电动机调速的关键是转矩的控制，矢量控制的实质也是为了改善转矩控制的 性能。而最终实施仍然是落实到对定于电流的控制上，p m s m 也不例外。对于 p m s m 的矢量控制系统，用d q 转子同步旋转坐标系来描述和分析它们的稳态和 动态性能都十分方便，交轴( 力矩) 电流分量i q 和直轴电流分量拓各行其责，所 以，在转矩控制分析中，通常都采用d q 转子同步旋转坐标系。 最大转矩电流控制也称单位电流输出最大转矩的控制，它是凸极p m s m 用 得较多的一种电流控制策略。对于如；k 的p m s m 的最大转矩电流轨迹就是口 轴，其最大转矩电流控制就是a = o 的控制。 下面讨论凸极p m s m 的最大转矩电流控制。 采用最大转矩电流控制时，电动机的电流矢量应满足 划。o ，、(2-14) 劐。o a 把式( 2 - 1 0 ) 和t - 正五虿代入上式，可求得 。划聂芦 ( 2 1 5 ) 式( 2 1 0 ) 用标么值表示为 f - i ；( 1 - i ；) ( 2 1 6 ) 式中电流的基值为一妒，e l 一l ) ，转矩的基值为瓦 p v - ，毛。将式( 2 - 1 5 ) 表 示为标么值，并代入式( 2 1 6 ) ，可以得到交、直轴电流分量与电磁转矩的关系 为 t ：瓯i r - 善【，+ 厢 - 1 i ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 天津大学硕士学位论文 第= 章永磁同步电机的矢量控制 反过来，此时的定子电流分量和i ：可表示为 p 五哆! ( 2 - 1 9 ) l 一，2 l rj 对任一给定转矩，按上式求出最小电流的两个分量作为电流的控制指令值， 即可实现p m s m 的最大转矩，电流控制。 按照最大转矩，电流控制的p m s m 调速系统，定子电流与转子磁通实现解耦， 保持了电机单位电流输出的转矩最大，从而增加了电机的出力。同时，由于最大 转矩电流控制的转矩线性度较好，可以获得很宽的调速范围，适用于有高性能 要求的数控机床、电动机车及机器人等领域。 2 3 电压空间矢量调制原理 在交流电机变压变频调速系统中，三相电压型逆变器可由图2 2 所表示的6 个开关元件来等效表示，电机的相电压和线电匿依赖于它所对应的逆变器桥臂上 下6 个功率开关的状态，则开关向量( 口，6 ，c r 和逆变器输出的线电压 “。，群。f 和相电压l 。，心 7 问的关系可分别用式( 2 2 0 ) 和式( 2 2 1 ) 表示，其中是 逆变器输入的直流电压。 图2 - 2 三相电压型逆变器原理图 ，阱e 硼 泣 阡摊蚓纠 沼2 t ， 天津大学硕士学位论文第二章永磁同步电机的矢量控制 压映射到一个d q 平面上。这等效于把三个变量( 4 ，b ，c ) 的正交投影映射到垂直 于向量( 1 , 1 ，1 ) 的二维平面上，即d q 平面上。这样就产生了6 个非零向量2 个 零向量。非零向量组成了一个六边形的轴，2 个相邻向量之间的角度为6 0 ；两 个零向量位于原点。这8 个向量叫做基本空间矢量，分别标为v o ( o o o ) u ( 0 0 1 ) ， 以( 0 1 1 ) ，以( o l o ) ，u 0 1 0 ) ，玑0 0 0 ) ，u 。0 0 1 ) ，砜( 0 0 0 ) ，u ，0 h ) 。与之相同的 变换可以用于提供给电动机的电压矢量u 。图2 - 3 表示的是投影向量和投影的 电动机电压向量玑d q 平面的d 轴和q 轴对应于一个交流电动机定子的几何水 平轴和垂直轴。 从图2 - 3 可以看出，u u 。是6 个非零矢量，砜，“是2 个位于原点的零矢 量。电压空问矢量脉宽调制的目的就是通过控制6 个功率开关的8 种工作状态来 逼近电机工作所需要的任意时刻电压矢量c ，从而达到较高的控制性能。 总结起来，电压空间矢量控制的p w m 模式有以下特点： 1 每个小区间均以零电压矢量开始和结束。 2 在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换只牵扯到一个功 率开关器件，因而开关损耗小。 3 利用电压空间矢量直接生成三相p w m 波，计算简便。 4 电机旋转磁场逼近圆形的程度取决于小区间时问t 的长短，丁越小越逼 近圆形，但r 的减小受到所用功率器件允许开关频率的制约。 5 采用电压空间矢量控制时，逆变器输出线电压基波最大幅值为直流侧电 压，这比一般的s p w m 逆变器输出电压高1 5 。 图2 - 3 三相电压型逆变器的电压空间矢量 正是基于s v p w m 控制技术的上述特点，本文采用了该方法作为p w m 的控 制方法，并在此基础上作了一定的改进和提高。 天津大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机的矢量控制 例如在图2 3 扇区中依平行四边形法则得： 正以+ e u ：一u ， 由空间电压矢量定义，可解得 ( 2 2 2 ) 五- 4 3 i u , i t s i n ( 6 0 。一8 ) i u 。 乏一拓n t s i n o u o c ( 2 2 3 ) t o t 一互一乏 式中互，五为一个周期内第1 和第2 个功率管的开关时间， 足一个周期时问r 时，插入零矢量瓦补足，一般 f u o 一砜 i u 7 0 一k ) 瓦 式中蜀一般取0 5 。 当五，五之和不 ( 2 2 4 ) 天津大学硕士学位论文 第三章基于模糊p i 控制具有升压屯路的p m s m 调速系统 第三章基于模糊p i 控制具有升压电路的p m s m 调速系统 本章旨在介绍基于模糊p i 控制、具有升压电路的内置式永磁同步电机 ( i p m s m ) 调速系统，它由传统的p w m 逆变器和用来控制直流母线电压的升压 电路组成。而且，为了改善调速系统的动态抗扰性能，在利用常规p i 调节的基 础上增加了模糊p i 复合控制的方法，当系统发生振荡或超调时，能自动投入， 改善了系统的调速特性。所以，本章将首先介绍升压电路的工作原理，详细给出 调速系统的电路拓扑结构图以及控制策略、运行原理，然后细致阐述了模糊p i 复合控制的设计方法，并用仿真测试证明模糊p i 复合控制比传统的p i 控制，在 应用于p m s m 的调速系统时具有更好的动、静态特性。 3 1 升压电路的工作原理 课题所采用的升压电路的主电路结构图如图3 - i 所示，它实质上是d c d c 变换器。功率开关管( 绝缘栅双极晶体管i g b t ) s 7 、s 8 的p w m 驱动信号是互 补的，它既可用作升压变换器，也可用作降压变换器。当实际工作时，在p w m 驱动信号作用下，若仅是开关管s 8 导