（电机与电器专业论文）基于dspic的永磁同步电机矢量控制系统.pdf

基于d s p i c 的永磁同步电机矢量控制系统 v e c t o rc o n t r o ls y s t e mo f p m s mb a s e do nd s p i c a b s t r a c t 1 1 地c o n t r o ls y s t e mo fp 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 ) u r g e n t l yn e e d s t oh a v eb e t t e rp r e c i s i o n , w i d e rs p e e d - r e g n l a t i n g r a n g ea n d f a s t e rr e s p o n s e 谢t l lt h e d e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i a l i z a t i o n t h ed i g i t a lc o n t r o l l e ro fm o t o r , w h i c hm a k e ss u c h a d v a n c e dt e c h n o l o g yr e f e r r e dr e a l i z a b l e ，h a sb e n e f i t o dal o tf r o mt h ed e v e l o p m e n to fd i g i u a s i g n a lp r o c e s s o r ( o rc o n t r o l l e r ) c o n t r o lt h e o r ya n dp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e t 1 1 i sp a p e ru s e s t h ed s p i c 3 0 f 3 0 1lt y p ed i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e r ( d s c lp r o d u c e db ym i e r o e h i pc o m p a n y a n ds p e c i a l l yu s e df o rm o t o rc o n t r o la st h ec o r e ，d e s i g n sa n dd e v e l o p st h ef u l l d i g i t a lv e c t o r c o n t r o ls y s t e mo fp m s mu s e do nd o o rm o t o ro fe l e v a t o r , a n dh a sc o m p l e t e dav a l i d a t i o nb y e x p e r i m e n t f i r s t l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s m i sb u i l t , a n dt h et h e o r yo fv e c t o rc o n t r o l0 1 1 p m s ma n ds p e e da d j u s t m e n ts c h e m ei ss t u d i e df u r t h e rd e e p l y s e c o n d , c o m p a r i n gw i t ho t h e r s p e e da d j u s t m e n ts c h e m e s ，t h e = 0s c h e m ea n dt h es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) m e t h o di sc h o s e r lt h i sp a p e rh a sad e t a i l e de x p a t i a t i o na b o u tt h et h e o r ya n d r e a l i z a t i o nw a yo fs v p w ma n dp u t su pt h ea r i t h m e t i ch o wt or e a l i z et h es v p w m b yl o o k - u p t a b l e a f t e rt h a lt h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fa l lo f t h ec o n t r o ls y s t e mc i r c u i t sa n dp e r i p h e r y a s s i s t a n tc i r c u i t si sa l s oe x p l a i n e d n 玲s o r w a r e ，p 掣猢e db ycp r o g r a mu n d e rt h e m p l a bi n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to d e ) p r o v i d e db ym i c r o c h i pc o m p a n y , r e a l i z e dt h ec l o u d l o o pv e c t o rc o n t r o lw i t l lf e e d b a c ko fs p e e da n dp o s i t i o n t h ef l o wc h a r t s o fm a i np r o g r a ma n dt i m e ri n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e sa l eg i v e ni nt h ep a p e r s o m ei m p o r t a n t c o n t r o ls c h e m eo fp m s ms u c ha si n i t i a l i z a t i o no fr o t o rp h a s e , s a m p l eo fs p e e ds i g n a la n d p r o p o r t i o ni n t e g r a l 口i ) a d j u s t m e n t , s v p w mb yl o o k - u pt a b l ea n ds oo na r ea l la c c o m p l i s h e d i nt h et i m e ri n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e s f i n a l l y , t h es o f t w a r ei sd e b u g g e do nt h et e s t - b e da n d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mc o u l ds a t i s f yt h ed e m a n d so f d o o rm o t o ro f e l e v a t o r , a n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h i ss y s t e mi sv a l i d a t e da c c o r d i n g l y t h ep a p e ri ss u m m a r i z e da tt h ee n da n ds o m es h o r t a g e sn e e dt ob ep e f f e c t e da r ep o i n t e d o u ti n c i d e n t a l l y k e yw o r d s ：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 ro a m s m ) ；s v p w m ；d i g i t a ls i g n a l c o n t r o l l e r 巾s o 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：缝 靳虢挞碴 珥年上月坦日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 永磁同步电机调速系统发展概况与趋势 1 i 1永磁同步电机的发展概况 1 9 世纪2 0 年代出现了世界上第一台由永磁体励磁的电机。但由于当时所用的永磁材 料为天然的磁铁矿石，磁能密度非常低，所以用其制造的电机体积庞大，不久就被电励 磁电机所取代。 随着各种电机的迅速发展和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制 造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。特别是2 0 世纪 3 0 年代出现的铝镍钴永磁材料和5 0 年代出现的铁氧体永磁材料，磁性能有了很大提高， 各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。但是，铝镍钴永磁材料的矫顽力偏低，铁 氧体永磁材料的剩磁密度不高，阻碍了它们在电机中的广泛应用。 2 0 世纪6 0 年代和8 0 年代，稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料相继问世，它们的高 剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线等性能使得它们特别适合于制造电机， 从而使永磁电机的发展进入了一个新的历史时期。 永磁同步电机控制理论的发展和实际应用在很大程度上取决于电力电子器件和控 制技术的发展。虽然矢量控制技术早在2 0 世纪6 0 年代就被提出并得到了详尽的分析， 但由于当时的器件水平所限，一切仅停留在理论分析和粗糙的实验室原理模型阶段，随 着2 0 世纪7 0 年代可关断器件的出现，才使这种控制思想得以实现并进一步完善。微电 子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合产生了新一代高频化、全控型的功率 集成器件，使电力电子技术跨入了现代电力电子技术时代。 当前，永磁电机在军事上的应用是占绝对优势的，几乎取代所有电励磁电机。永磁 电机在工、农、商、建筑、医药、旅游、金融业以及日常生活中的应用也越来越广。可 以预料，随着永磁材料和电动机转子制造价格的降低，以及驱动系统理论和实践应用的 不断完善和提高，永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进一步的发展和应用，在某些 场合会逐渐取代现有的普通绕线转子电动机及其驱动系统1 1 j 1 。 1 1 2 电力电子技术的发展 电力电子技术的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关和相互促进 的。交流调速系统中，功率主回路中的电力半导体器件是现代电力电子设备的心脏和灵 魂。 基于d s p i c 的永磁同步电机矢量控制系统 电力电子时代是从2 0 世纪5 0 年代末晶闸管( s c r ) 的出现开始的，后来陆续出现了 其他种类的器件，诸如：控制极可关断晶闸管( o t o ) ，双极型大功率晶体管( b j t ) ，功 率场效应晶体管( m o s f e t ) ，绝缘门极双极型晶体管( i g b n ，静态感应晶体管( s i t ) ，静 态感应晶闸管( s i t h ) ，m o s 控制的晶闸管( m c t ) 等。从发展来看，电力电子学一般是 跟随着电力电子器件的发展前进的，而电力电子器件则是跟随固体电子学的发展前进 的。 功率场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 是一种单极型的电压控制器件，具有驱动功 率小、开关速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点。其不足是功率m o s f e t 导通压降高，而且随着器件电压和温度的升高导通压降也增加。功率m o s f e t 开关损 耗极小，可补偿导通压降高的缺点，适用于高频工作。现已广泛应用于开关电源、电机 调速、不间断电源、超声波发生器以及高频感应加热电源等诸多领域。 绝缘门极双极型晶体管( i g b t ) 出现于2 0 实际8 0 年代。在i g b t 中，用一个m o s 门极来控制宽基区的高电压双极型晶体管的电流传输，这就产生了一种具有功率 m o s f e t 的高输入阻抗与双极型器件的优越通态特性相结合的器件。实际上，i g b t 的 通态特性比高电压的晶体管还好，接近晶闸管的通态特性。 i g b t 、m o s f e t 等全控型器件具有自关断能力，组成逆变器时不需要晶闸管系统 所必需的换相电路，简化了电路结构提高了效率。由于工作频率的大幅度提高，明显的 扩大了电机控制的调速范围，提高了调速精度，改善了系统的动态响应，效率和功率因 素。 值得一提的是，新型控制系统中开始使用智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e r s u p p l y ) ，这种模块集成了控制电路功能和大功率电子开关器件，包括了输入隔离，能耗 制动，过温、过压、过流保护及故障诊断等功能。它的应用显著地简化了控制单元的设 计，并实现了系统的小型化和微型化田j 。 1 1 3 电机控制理论的发展 在各种类型的异步电机交流调速系统中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态 稳定性好，运行效率高。目前典型的变频调速控制类型主要有四种：恒压频g ( v o 控制， 转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制。 早期的变频系统都是采用开环恒压比叫f = 常数) 的控制方式，u f 控制是转速开环控 制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动，所以通用性强， 经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式，普遍应用在风机、泵类 一2 大连理工大学硕士学位论文 的调速系统中。但是由于这种控制方法是开环控制，调速精度不高，低速时因定子电阻 和逆变器死区效应的存在而性能下降、稳定性变差。 异步电动机转差频率控制是一种转速闭环控制。利用异步电动机的转矩与转差频率 成正比的关系来控制电机的转矩，就可以达到与直流恒磁通调速系统相似的性能。它的 优点在于频率控制环节的输入频率信号是由转差信号和实测转速信号相加后得到的，在 转速变化过程中，实际频率随着实际转速同步上升或下降，因此加、减速更平滑，容易 稳定。其缺点是由于转差频率控制规律是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式推 得的，所以存在动态时磁通的变化不能得到控制、电流相位没有得到控制等差距，使其 不能达到与直流恒磁通调速系统同样的性能【z j 。 本世纪7 0 年代西德f b l a s e h k e 等人首先提出矢量控制理论，由此开创了交流电动 机等效直流电动机控制的先河。矢量控制理论的主要思想是将异步电动机模拟成直流电 动机，通过坐标变换的方法分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，实现正交或 解耦控制，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。因为这种方法采用了坐标 变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。但在实际上矢量控制运算 及转子磁链估计中要使用电动机参数，其控制的精确性受到参数变化的影响，所以精确 的矢量控制系统要对电动机的参数进行估计。这种控制方式需要解耦计算和坐标旋转变 换，计算量较大，实现起来困难。在矢量控制系统中，给定量要从直流变为交流，而反 馈量要从交流变为直流再加上转子磁链模型、转子参数的辨识与校正等；另外，矢量控 制系统也需要电机的转速反馈，同样也需要速度辨识的问题，虽然现在的无速度传感器 矢量控制中速度的辨识的方法有很多，但由于各参数受电机运行时的条件的影响，很难 达到理想的效果，同时矢量控制系统也提高了系统的造价【l 】。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授首先提出直接转矩控制理论( d t c ) 。直接 转矩控制与矢量控制不同，d t c 摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过 检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给 定值比较所得的差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术是用空间矢量的 分析方法，直接在定子坐标系计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助 离散的两点式调节器产生脉宽调制( p w m ) 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控 制，以获得转矩的高动态性能。这种方法的优点在于：赢接在定子坐标系上分析交流电 动机的数学模型、控制电动机的转矩和磁链，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。 大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。但是由于直接转矩控制 系统是直接进行转矩的砰一砰控制，避开了旋转坐标变换，控制定子磁链而不是转子磁 基于d s p i c 的永磁同步电机矢量控制系统 链，不可避免地产生转矩脉动，降低调速性能，因此只能用在对调速要求不高的场合。 同时，直接转矩系统的控制也较复杂，造价较高1 3 0 l 。 随着现代控制理论的发展，交流电机控制技术的发展方兴未艾，智能控制、非线性 解耦控制、单神经元控制、模糊控制等各种新型控制策略正不断涌现，展现出广阔的发 展前景。 1 1 4 数字控制器的应用 在控制技术方面，初期的交流调速系统均采用模拟控制器，因为要完成矢量复杂的 在线运算，所以电路十分复杂。从2 0 世纪8 0 年代开始，控制器经历了8 位微机、1 6 位微机到3 2 位微机和高速数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) - - 个阶段的发 展，实现了系统的全数字化控制，不但使控制电路大大简化，改善了系统的可靠性、可 使用性、可维修性，而且使交流调速系统的功能更加完善，使用更加方便。随着各类高 性能的微处理器和微控制器的出现，数字控制器代替传统的模拟控制器已经成为必然的 发展趋势。数字控制器具有如下特点1 3 2 】： ( 1 ) 精度高r 在数字控制系统中，以微处理器作为整个系统的控制核心，将复杂 的控制电路用软件实现。 ( 2 ) 稳定性好一由于控制信号为数字量，不会随时间发生漂移，也很少受温度和 环境的条件而发生变化。 ( 3 ) 可靠性高数字控制采用大规模集成电路，系统中所用的元件大大减少，相 应的故障率大大降低。 ( 4 ) 灵活性好系统中硬件向集成化、标准化方向发展，可以在尽可能少的硬件 支持下，由软件去完成复杂的控制功能。适当的修改软件即可改变系统功能或提高其性 能。 ( 5 ) 存储能力强数字系统存储容量大，可以在存储器中存放大量的数据或表格， 利用查表法简化计算，提高运算速度。 ( 6 ) 逻辑运算能力强容易实现自诊断、故障记录等功能，是变频装置可靠性、 使用性大大提高。 在1 6 位数字信号控制器c m c u + d s p ) 领域，美国微芯科技公司( m i c r o c h i pt e 圮l m o l o g y ) 推出的d s p i c 系列数字信号控制器d s c ( d i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e r ) 具有很高的性价比，其 运算速度可达2 0 或3 0 m i p s ，配备自编程闪存，并能在工业级温度和扩展级温度范围内 工作。这些卓越的性能使数字信号控制器成为高精确度、高转速的电机控制领域的理想 解决方案【2 1 1 。 - 4 大连理工大学硕士学位论文 1 ，2 永磁同步电机调速系统的特点和分类 1 2 1永磁同步电机调速系统的特点 由于其体积小、重量轻，控制系统相对较为简单，铯够达至侠速、准确的控制要求， 同时由于近年来稀土永磁材料和控制技术的发展，永磁同步电机以其一系列优点，在中 小容量的伺服电动机中占据了重要的地位，被广泛地应用于风机、水泵、工业机器人、 办公自动化、数控机床以及航空航天等领域。 三相永磁同步电机用永磁体代替了绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而省去 了励磁线圈、滑环和电刷，无电励磁电动机的励磁损耗和转子发热问题，同异步电动机 相比，也没有因为滑差而引起的损耗，很大地提高了效率和功率因数。与交流异步电机 相比，永磁同步电机具有下列优点【l 】： ( 1 ) 由于没有笼型转予，稀土永磁同步电机与异步电动机相比，具有较低的惯性， 对于一定的电动机转矩就有较快的响应，即：转矩惯性比异步电动机的高。 ( 2 ) 永磁同步电动机无转子损耗，所以效率更高。 ( 3 ) 异步电动机需要定子励磁电流，而永磁同步电动机已存在于转子。对于同等容 量输出，异步电动机效率低，需要更大功率的整流器、逆变器。 ( 4 ) 异步电动机控制要比永磁同步电动机复杂。 ( 5 ) 永磁同步电动机功率密度较高。 永磁同步电机是一个多变量、非线性、高耦合的系统，其输出转矩与定子电流不成 正比，而是复杂的函数关系，因此要得到好的控制性能，必需进行磁场解耦，这种特点 恰好适于应用矢量变换控制技术。而且在永磁同步电机的矢量控制过程中没有感应电机 中的转差频率电流而且受转子参数的影响小，所以在永磁同步电机上更容易实现矢量控 制。 1 2 2 永磁同步电机调速系统的分类 同步电动机变频调速系统从控制方式上可分为两大类：一类为他控式变频调速系 统：另一类为自控式变频调速系统。他控式变频调速系统中所用的变频装置是独立的， 其输出频率直接由速度给定信号决定，属于速度开环控制系统，适应于多台机组并联运 行的场合。由于这种系统没有解决同步电动机的失步、振荡等问题，所以在实际的调速 场合很少使用。随着电力电子技术的发展和各种高性能变频装置的出现，为同步电动机 应用于要求大范围调速的场合奠定了基础。因此现阶段同步电动机变频调速系统一般采 用自控式运行，通过位置传感器检测同步电机转子位置，根据电机自身转子的位置及转 基于d s p i c 的永磁同步电机矢量控制系统 速决定逆变器输出频率。这样能时刻保持同步电机工作在同步状态，从根本上解决了同 步电机变频调速失步的问题。 自控式变频同步电动机调速系统可分为两大类：一类是大、中容量的晶闸管自控式 变频同步电动机，通常称为负载换相同步电动机调速系统；另一类是小容量的永磁同步 电动机自控式变频调速系统。后者根据电动机反电势的波形形状又可分为无刷直流电动 机( b l d c m ) 调速系统和三相永磁同步电动机f p m s m ) 调速系统两种，它们的区别在于前 者的感应电动势为梯形波，电流为方波，而后者的感应电动势和电流都为正弦波。尽管 b l d c m 有调速系统位置传感器简单、成本较低、材料利用率高、控制简单等优点，但 由于其原理上存在固有缺陷，使得转矩脉动较大，铁心附加损耗较大，因此只适用一般 精度及性能要求的场合；而p m s m 不需要励磁电流，逆变器供电的情况下，不需要阻 尼绕组，效率和功率因数都比较高，而且体积较之同容量的异步电机小，能克服b l d c m 系统的不足，常用于高精度、高性能的场合【l 捌。 1 3 本文的研究背景和主要内容 本课题为关于永磁同步电机变频调速控制的横向研究项目，目标为应用于交流电梯 门机控制的低成本、控制简单、满足一定精度的永磁同步电机矢量控制系统。本系统在 永磁同步电机矢量控制的前提下，采用美国m i e r o c h i p 公司最新推出的专用于电机控制 的d s p i c 3 0 f 系列芯片作为控制器的核心，辅以相应的外围电路，设计了相应的软硬件， 并进行了最初的实验验证。 本论文主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 结合文献综述，介绍了永磁同步电机调速系统发展概况与趋势，并分析了永磁 同步电机调速系统的特点和分类。 ( 2 ) 永磁同步电机矢量控制理论分析。首先建立了永磁同步电机的数学模型，在数 学模型的基础上引入了永磁同步电机的矢量控制原理。分析常用的矢量控制方法优缺点 后，确定了= 0 的控制策略。并重点介绍了空间矢量脉宽调谁i j ( s v p w m ) 的原理。 ( 3 ) 永磁同步电机矢量控制策略及其实现方法。首先在s v p w m 常规实现方法改进 的基础上，提出了s v p w m 查表算法的原理和实现方法。接着分析了转予速度检测和转 子位置检测的实现方法以及与s v p w m 查表算法的结合使用。 ( 4 ) 永磁同步电机矢量控制系统的硬件设计。以d s p i c 为核心的控制系统中设计了 交一直一交电压型变压变频主回路、转子速度和转子位置检测电路、光祸隔离驱动电路、 电源模块电路和外围模拟信号输入电路等。 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 永磁同步电机矢量控制系统软件设计。使用d s p i c 芯片在c 语言基础上开发了 控制系统的软件，软件采用中断的方式控制，矢量控制的主要控制策略都在定时中断程 序中实现，包括转子位置检测、速度采样和p i 调节、s v p w m 查表算法等模块。并分 析了速度p i 调节的原理与软件实现方法。 ( 6 ) 系统调试与实验结果。 基于d s p i c 的永磁同步电机矢量控制系统 2 永磁同步电机矢量控制理论 2 1 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机结构如图2 1 所示，定子上有a ，b ，c 三相对称绕组，转子上装有永 久磁钢。 图2 1 永磁同步电动机结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo f 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 r 定子和转子间通过气隙磁场耦合，由于电机定子与转子间有相对运动，电磁关系十 分复杂。为简化分析，做如下假设： ( 1 ) 忽略铁心饱和； ( 2 ) 忽略电机绕组漏感； ( 3 ) 转子上没有阻尼绕组； ( 4 ) 永磁材料的电导率为零； ( 5 ) 不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的； ( 6 ) 定子相绕组的感应电动势波形为正弦型，定子绕组的电流在气隙中只产生正弦 分布的磁势，忽略磁场的高次谐波。 在a b c 坐标系中，同步电机转子在电、磁结构上不对称，电机方程是一组与转子 瞬间位置有关的非线性时变方程，同步电机的动态特性分析十分困难。在口- p - 0 坐标系 中，尽管经过线性变换使电机方程得到一定简化，但电机磁链、电压方程仍然是一组非 线性方程，故在分析与控制时，一般也不用该坐标系下电机数学模型。d - q 0 坐标系下 8 大连理工大学硕士学位论文 矢量控制技术很好地解决了这个问题，它利用坐标变换，将电机的变系数微分方程变换 成常系数方程，消除时变系数，从而简化运算和分析。 永磁同步电机等效模型见图2 2 所示。d q - o 坐标系是随定子磁场同步旋转的坐标系， 将d 轴固定在转子励磁磁通办的方向上，q 轴为逆时针旋转方向超前d 轴9 0 。电角度。 图2 2 永磁同步电机d q - o 坐标系图 f i g 2 2d - q _ or e f e r e n c ef l a m eo f p m s m 取逆时针方向为转速的正方向。y ，为每极下永磁励磁磁链空间矢量，方向与磁极 磁场轴线一致，d ，q 轴随同转子以电角速度( 电角频率) q 一起旋转，它的空间坐标以d 轴与参考坐标轴a s 间的电角度g 来确定，声为定子三相基波合成旋转磁场轴线与永磁 体基波励磁磁场轴线间的空间电角度，称为转矩角。 三相永磁同步电机在d q 轴转子坐标系的定子电压方程为 铲酗+ 爹q ( 2 1 1 ) = + 等一q 定子磁链方程为 2 厶+ 竹 ( 2 2 ) 2 厶 电磁转矩的方程为 正= 3 p ( g 。i q 一) = i 3 p l 竹+ ( 厶一) 】 ( 2 3 ) 基于d s p i c 的永磁同步电机矢量控制系统 式( 2 3 ) 中括号中第一项是由定子电流与永磁体励磁磁场相互作用产生的电磁转 矩，称为主电磁转矩；第二项是由转子凸极效应引起的，称为磁阻转矩。对于转子为表 面式的永磁同步电机，由于乙= 厶，式( 2 3 ) 可写为 1 疋2 号蛳 ( 2 4 ) 机械运动方程为 j 等= 瓦一瓦一b o o , ( z 5 ) 式中，、定子电压d q 轴分量； 、定子电流d q 轴分量； 、定子磁链d q 轴分量； 厶、厶定子绕组d q 轴电感； 冠定子电阻； y ，转子永磁体产生的磁链 z 电机电磁转矩； z 负载转矩： ，转动惯量： 占摩擦系数： 转子机械角速度； p 电机转子极对数； o j , = p 转子电角速度。 由式( 2 1 ) ( 2 5 ) ，可得永磁同步电机的状态方程为 d 屯 出 丸 破 d c o , 出 一拿p c o = o k p 妒f 叩一芎一i o p t t l 一旦 jj ( 2 。6 ) 上述电压方程、转矩方程、运动方程和状态方程构成了p m s m 的数学模型。从中 可以看出，永磁同步机的模型是一个多变量非线性的状态方程【1 1 。 丝厶一厶玉j 大连理工大学硕士学位论文 2 2 永磁同步电机矢量控制原理 2 2 1 矢量控制的基本原理 矢量控制理论的提出从根本上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。基本思想 是在三相交流电机上模拟直流电机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将定子电流矢 量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂自， 彼此独立，然后分别进行调节，实现转矩控制。因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量 的幅值和空间位置的控制。 矢量控制一般是通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电 压，这样电机的转矩便只和磁通、电流有关，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，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测 转子实际位置就可以得知电机转子磁通位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步 电机的矢量控制大大简化。矢量控制是当前高性能交流调速系统一种典型的控制方案。 2 2 2 矢量控制策略分析 由永磁同步电动机的运动方程式( 2 5 ) 可见，电机动态特性的调节和控制完全取决 于动态中能否简便而精确的控制电机的电磁转矩输出。在忽略转子阻尼绕组影响的条件 下，由式( 2 3 ) 可以看出，永磁同步电机的电磁转矩基本上取决于交轴电流和直轴电流， 对力矩的控制最终可归结为对交轴电流和直轴电流的控制。在输出力矩为某一值时，对 交轴电流和直轴电流的不同组合的选择，将影响电机和逆变器的输出能力以及系统的效 率、功率因数等。如何根据给定力矩确定交轴电流和直轴电流，使其满足力矩方程构成 了永磁同步电机电流的控制策略问题。 根据矢量控制原理，在不同的应用场合可选择不同的磁链矢量作为定向坐标轴，目 前存在四种磁场定向控制方式：转子磁链定向控制，定子磁链定向控制，气隙磁链定向 控制和阻尼磁链定向控制。对于p m s m 主要采用转子磁链定向方式，该方式对交流伺 服系统等小容量驱动场合特别适合。 按照控制目标可以分为：= 0 控制、c o s 矿= l 控制、总磁链恒定控制、最大转矩 电流控制、最大输出功率控制、转矩线性控制、直接转矩控制等。它们各有各的特点： = 0 控制最为简单，c o s q ，= 1 控制可以降低与之匹配的变频器容量，恒磁链控制可以增 大电动机的最大输出转矩等。 ( 1 ) = 0 控制是一种最简单的电流控制方法，该方法由于电枢反应没有直轴去磁分 量而不会产生去磁效应，不会出现永磁电机退磁而使电机性能变坏的现象，能保证电机 基于d s p i c 的永磁同步电机矢量控制系统 的电磁转矩和电枢电流成正比。其主要的缺点是功角和电动机端电压均随负载而增大， 功率因数低，要求逆变器的输出电压高，容量比较大。另外，该方法输出转矩中磁阻反 应转矩为0 ，未能充分利用永磁同步电机的力矩输出能力，电机的力能指标不够理想。 ( 2 ) 力矩电流比最大控制在电机输出力矩满足要求的条件下使定子电流最小，减小 了电机的铜耗，有利于逆变器开关器件的工作，逆变器损耗也最小。同时，运用该控制 方法由于逆变器需要的输出电流小，可以选用较小运行电流的逆变器，使系统运行成本 下降。在该方法的基础上，采用适当的弱磁控制方法，可以改善电机高速时的性能。因 此该方法是一种较适合于永磁同步电机的电流控制方法。缺点是功率因数随着输出力矩 的增大下降较快。 ( 3 ) c o s 妒= l 控制方法使电机的功率因数恒为l ，逆变器的容量得到充分的利用。但 是在永磁同步电动机中，由于转子励磁不能调节，在负载变化时，转矩绕组的总磁链无 法保持恒定，所以电枢电流和转矩之间不能保持线性关系。而且最大输出力矩小，退磁 系数较大，永磁材料可能被去磁，造成电机电磁转矩、功率因数和效率的下降。 ( 4 ) 恒磁链控制方法就是控制电机定子电流，使气隙磁链与定子交链磁链的幅值相 等。这种方法在功率因数较高的条件下，一定程度上提高了电机的最大输出力矩，但仍 存在最大输出力矩的限制。 以上各种电流控制方法各有特点，适用于不同的运行的场合。本课题中选择的= 0 转子磁场定向矢量控制方案相对于其他控制方法而言最简单易行，而且该控制方法对面 贴式永磁同步电动机来说也就是力矩电流比最大控制，具有相应的优良特性，因此使得 电机的调速更容易实现。 2 2 3 i 。= 0 控制方式的特点 一 是 以飞 o 弋 图2 3 永磁同步电机转子磁链定向矢量图 f i g 2 3v e c t o r g r a p ho f r o t o rf i e l do r i e n t a t i o nc o n t r o lo f p m s m 大连理工大学硕士学位论文 由转矩公式可以看出，只要在同步电动机的整个运行过程中，保证= 0 ，使定子 电流产生的电枢磁动势与转子励磁磁场间的角度为9 0 0 ，即保持正交，则i 与q 轴重 合时，那么电磁转矩只与定子电流的幅值f 成正比。在转子磁链定向时，如图2 3 所示， 采用屯= 0 控制，具有以下特点： ( 1 ) 由于d 轴定子电流分量为0 ，d 轴阻尼绕组与励磁绕组是一对简单耦合的线圈， 与定子电流无相互作用，实现了定子绕组与d 轴的完全解耦。 ( 2 ) 转矩方程中磁链”与电流解耦，相互独立。 ( 3 ) 定子电流d 轴分量为0 ，可以使同步电动机数学模型进一步简化。 ( 4 ) 当负载增加时，定子电流增大，由于电枢反应影响，造成气隙合成磁链加大， 这样会使得电机的定子电压大幅度上升，如果同步电动机过载2 3 倍，电压幅值会到达 1 5 0 - - 2 0 0 u 。同步电动机电压升高要求电控装置和变压器有足够的容量，降低了同 步电动机的利用率，采用这种方法不经济。 ( 5 ) 随负载增加，定子电流的增加，由于电枢反应的影响，造成气隙磁链和定子反 电动势都加大，迫使定子电压升高。定子电压矢量玩和定子电流矢量t 的夹角将增大， 造成同步电动机功率因数降低。 因此，在这种= 0 基于转子磁场定向方式的矢量控制中，定子电流与转子永磁磁 通互相独立( 解耦) ，控制系统简单，转矩特性好，可以获得很宽的调速范围，适用于 高性能的数控机床、机器人等场合。但由于上述( 4 ) 、( 5 ) 缺点，这种转子磁场定向方式 对于小容量交流伺服系统，特别是永磁同步电动机非常适合。 2 2 4 i 。= 0 控制方式的实施 永磁同步电机矢量控制的基本思想是模仿直流电机的控制方式，具有转矩响应快、 速度控制精确等优点。矢量控制是通过控制定子电流的转矩分量来间接控制电机转矩， 所以内部电流环调节器的参数会影响到电机转矩的动态响应性能。而且，为了实现高性 能的速度和转矩控制，需要准确知道转子磁链矢量的空间位置，这就需要电机额外安装 位置编码器，会提高系统的造价，并使得电机的结构变得复杂。 当转速在基速以下时，在定子电流给定的情况下，控制= 0 ，可以更有效的产生 转矩，这时电磁转矩t = ，电磁转矩就随着的变化而变化。在控制系统只要控制 大小就能控制转速，实现矢量控制。当转速在基速以上时，因为永磁铁的励磁磁链为常 数，电动机感应电动势随着电机转速成正比例增加。电动机感应电压也跟着提高，但是 又要受到与电机端相连的逆变器的电压上限的限制，所以必须进行弱磁升速。 基于d s p t c 的永磁同步电机矢量控制系统 通常= 0 实施的方案有两种，即采用电流滞环控制和转速和电流的双闭环控制。 但两种方法具体实施差异较大，因此于以分别介绍。 ( 1 ) 电流滞环控制 通常是生成一个正弦波电流信号作电流给定信号，将它与实际检测得到的电动机电 流信号进行比较，再经过滞环比较器去导通或关断逆变器的相应开关器件，使实际电流 追踪给定电流的变化。具体的说，如果电动机电流比给定电流大，并且大过滞环宽度的 一半，则使上桥臂开关截止，使下桥臂导通，从而使电动机电流减小；反之，如果电动 机电流比给定电流小，并且小过滞环宽度的一半，则使电动机电流增大。滞环的宽度决 定了在某一开关动作之前，实际电流离开给定电流的偏差值。上、下桥臂要有一个互锁 延迟电路，以便形成足够的死区时间。 显然，滞环宽度越窄，则开关频率越高。但对于给定的滞环宽度，开关频率并不是 一个常数，而是受电动机定子漏感和反电动势制约的。当频率降低、电动机转速降低， 因而电动机反电动势降低时，由于电流上升率增大，因此开关频率提高；反之，则开关 频率降低。 以上是针对三相逆变器中的一相而讨论的。对于三相逆变器的滞环控制，上述结论 也是适用的。只是，由于三相电流的平衡关系，某一相的电流变化率要受到其他两相的 影响。在一个开关周期内，由于其他两相开关状态的不定性，电流的变化率也就不是唯 一的。一般来说，其电流变化率比一相时平坦，因而开关频率可以略为低一些。 ( 2 ) 速度和电流的双闭环控制 = 0 转子磁链定向矢量控制的永磁同步电机调速系统采用速度环和电流环的双闭 环。其中速度控制作为外环，电流闭环作为内环，采用直流电流控制方式的方式( 交流 电流控制方式这里不展开叙述) 。该方案结构简洁明了，主要包括定子电流检测、转子 位置与速度检测、速度环调节器、电流环调节器、c l a r k e 变换、p a r k 变换与逆变换、电 压空间矢量p w m 控制等几个环节。采用这种方法逆变器的开关频率是恒定的，通过适 当调节p w m 的占空比便可实现真正意义上的解耦控制，且系统输出电流谐波分量小， 无稳态误差，稳定性好。 2 3 脉宽调制( p w m ) 技术 p w m 技术是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序 列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目的- - 1 3 技术，是目前逆变器主要采用的控 制技术。常用的p w m 技术有：基于正弦波的对三角波的脉宽调制s p w m 控制，基于 大连理】：大学硕士学位论文 消除指定次谐波的h e p w m 控制，基于电流环跟踪的c h p w m 控制和电压空间矢量控 制( 磁链轨迹跟踪控制) ，即s v p w m 控制。这四种p w m 技术中，前两种是以输出电 压接近正弦波为控制目标，第三种是以输出电流正弦波为控制目标，第四种是以被控电 机的旋转磁场接近圆形为控制目标【2 】。 图2 4p 咖逆变器拓扑图 f i g 2 4t o p o l o g yo f p w mi n v e r t e r p w m 控制的主电路图如图2 4 所示。通过控制信号a 、a 、b 、b 、c 、c ，来有规律 的控制功率器件q 1 q 6 的开关，来形成不同的波形的输出。目前应用广泛的是s p w m 控制，而s v p w m 控制是目前较为先进的一种控制模式。本节将分别对这两种方法进行 介绍和分析。 2 3 1 正弦波脉宽调制( s p w m ) s p w m 就是希望逆变器输出的电压波形为正弦波。通常采用等腰三角波作为载波， 当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻控制电路中功率开关器 件的通断，就可以得到宽度正比与信号波形幅值的脉冲。当调制信号波为正弦波时，就 是s p w m 调制。生成s p w m 波形的方法很多，有自然采样法和中值规则采样法等。最 常用的当属中值规则采样法。中值规则采样法基本思想是：将三角载波每一周期的负峰 值时刻对应与正弦调制波上的电压值对三角载波进行采样，以决定功率开关器件的导通 与关断时刻。 图2 5 表示出了单相中值规则采样生成的s p w m 波形的原理。玑和疋是三角载波 及其周期，u ，是正弦调制波，f 。时刻采样值为u 。水平线与三角载波的交点a 、b 将瓦 分成f 。、t 2 和b 三段。设三角载波的幅值o 保持不变，正弦调制波为u = u ，s i n ( c o 。t ) ， 其中u 。和q 分别是正弦调制波的幅值和角频率。正弦调制波的幅值和三角载波的幅值 基于d s p l c 的永磁同步电机矢量控制系统 之比，即“嘭r = m 称为调制度。在理想情况下，m 可以在o l 之间变化，以调节 一c 研 逆变器输出电压的大小。在实际使用中考虑最小脉冲限制，m 总是小于1 的。一般取肘 的最大值为o 9 5 o 9 8 。 图2 5s 删中值规则采样法 f i g 2 5 m e d i a nr e g u l a r s a m p l i n g r o l e o f s p w m 根据脉冲电压对三角载波的对称性，f l 和f ，相等，由图2 5 有 屯瓦 与二：譬：m s i n ( 吼) ( 2 。7 ) 墨 u 。 1 7 一 4 由式( 2 7 ) 可得