（电机与电器专业论文）永磁同步电机直接转矩控制的改进研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 珊t l l l ed e v e l o p m e n to fm o t o rm 粕u f a c m r et e c i l n o l o g y ，e l e c 仃i c a la i l d e i e c 们n i c st e c t l n 0 1 0 9 ya n dc o m p u t e r n 仃o lt e c h n o i o g y s e n os y s t e i i i sa r eu s e di n i n d u s 砸a 1c o n 仃o u e r sa n dh o u s e h 0 1 da p p 】i a n c e s d i 垂t a lc o n 仰l 】e da cs e r v os y s t e m s w i l lb et h e 骶i n d ，w m c hu s e sp e m a n e n tm a g n e ts ) | 1 l c h r o n o u sm o t o r s ( p m s m ) a s p o w e ru n “sa n dd i r e c tt o r q u ec o n 们ls t r a t e 舒b a s e do nd s p s oi ti sn e c e s s a r yt o r e s e a r c hh i g hp e r f b 锄a i l c ea cs e r v os y s t 黜 nt h i sp a p t h ea u t l l o rd o e ss o m er e s e 砌a n d 锄e l i o r a t i o no nd i r e c tt b r q u e c o n ls y s t e mo fp e 衄柚e n tm a g n e ts y l l c h f o n o u sm 咖d i r e c tt 0 r q u ec 0 n 肛o l ( d t c ) i san o v e lt e c h n 0 1 0 9 yo ff e q u e n c yc o n v e r s i o n 血血g 缸t e rf i e l do r i e n t e d c o n 廿0 1 ( f 0 c ) i nm ef i e l do f a cd d v es y s 协s 砷e 皿n c i p l ei sa n 由z e i la n dt l l e c h a r a c t e r i s t i c sa r ep r e s e i l t e d d t ch a sv e r yf a s tr e s p o n s eo ft o r q u ed y n a i i l i c p e r f b 咖a i l c e b u t o n l yo n es p a c ev o l t a g ev e c 0 0 ra p p l i e di ne a c hs a i 印l i n gp 商o di n p m s md t cs e r v os y s t e mr e s u n si n1 a 玛er i p p l e so ft o r q u ea n ds t a t o rf l u xl i l l 】( a g e b e c a u s ed t ch a sw e a k i l e s s ，an o v e ld i r e c tt o r q u ec o n 拄o lo fp m s mb a s e do n o b s e “i n ge r r o ro fs t a t o rn u x1 i r 止a g ei sp m p o s e d hc a nr e a l i z ec o n t i n u o u sv o l t a g e v e c t o rm o d u l a t i o na i l dd e c r e a s em et o r q u er i p p l ea i l de n h 如c e 血ep e f b m 柚c eo fa c 嘶v es y s t e m s 1 1 1 es i 咖1 a 曲gm o d e l s0 fd t ca n dd t c s v ma r eb u i 也趾de x p e r i l e n t sa r e c a r r i e do u t n er e s u l t s0 fs i m u l a t i o na 1 1 de x p 甜m e n t ss h o w ：t h ec o n o ls t r a t e g yo f d t c s v mj sv a 】j d a t e d k e yw o r d s ：p m s m ，d i r e c tt o r q u ec o n 廿o l ，s v p w m ，d s p 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 伺服技术是机电一体化技术的重要组成部分，已经广泛用于高性能数控机床 进给、位置控制、工业机器人、航空航天等众多领域。近年来，随着计算机技术、 电力电子技术、电机制造技术、永磁电机材料、控制理论等的发展，使得传动技 术逐步由直流传动过渡到交流传动，伺服系统由传统的步进伺服、赢流伺服发展 到以交流伺服电机为控制对象的交流伺服系统。随着现代化生产的不断扩大，各 个行业对电伺服系统的需求愈益增大，对伺服控制产品的性能、功能及性价比要 求越来越高。因此，研究并制造高性能、高可靠性的交流伺服伺服系统有着十分 重要的现实意义。 1 1 交流伺服系统倚介 1 1 1 伺服系统简介 电机控制系统主要分为速度控制和位置控制两大类 2 】。传统的电气传动系统 一般指速度控制系统，广泛的应用于机械、矿山、冶金、化工、纺织、交通等工 业部门；对于位置控制( 伺服) 系统是指通过伺服驱动装置将指令变成期望的机 构运动，一般功率较小，并有定位要求和频繁起制动的特点，在导航系统、雷达 天线、数控机床、机器人、办公自动化、航空航天等领域得到广泛应用。伺服 系统的主要任务就是按照控制命令的要求，对信号进行变换、调控和功率放大等 处理，使驱动装置输出的力矩、速度及位置都能得到灵活方便的控制。 1 1 2 交流伺服系统的组成 交流伺服系统的基本结构如图1 1 。交流伺服系统主要包括功率驱动单元、 控制单元、位置反馈单元、电流反馈单元及执行元件等h 1 。 图1 1 交流伺服系统的基本结构 ( 1 ) 功率驱动单元 功率驱动单元采用三相全桥不控整流，三相电压型逆变器调压调频的交一直一 浙江大学硕士学位论文 交结构。逆变部分采用集成驱动电路、保护电路和功率开关于一体的智能功率模 块( 口m ) 。 ( 2 ) 控制单元 控制单元包括系统位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器，是整个交 流伺服系统的核心。 ( 3 ) 位置反馈单元 位置反馈单元选择的是否合理直接关系到系统的静态及动态特性。目前常用 的位置传感器主要有旋转变压器、光电编码器、磁性编码器等元件。 ( 4 ) 电流反馈单元 系统的信号处理部分一般都是低压电路，所以，一般利用霍尔电流传感器来 测量各种波形的交直流的电流，并且输出电位是隔离的。 ( 5 ) 执行元件 常用的交流伺服电机主要包括步进电机、感应式异步电机( n d u c d o nm o t o r ， 简写为v i ) 和永磁同步电机( p e 彻舳e m m a g n e t s ”c h r o n o u s m o t o r ，简写为p m s m ) 等三种。 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位 移或线位移的控制电机。目前，步进电机已广泛应用于数控机床、绘图机、计算 机外设、医疗设备、绕线机、包装机械及机器人等驱动控制系统中3 1 。步进电机 需要配备专用的驱动电源才能工作，步进电机和驱动电源构成了步进电机系统。 从控制器输入速度信号( 通常为c p 脉冲) 和方向信号，环形分配器实现电机绕 组通电逻辑的控制。每来一个c p 脉冲，环形分配器的通电状态输出转换一次。 所以，步进电机转速的高低、升降速、起动或停止都完全取决于c p 脉冲的频率。 方向控制信号决定了环形分配器输出正向通电逻辑还是反向通电逻辑。环形分配 器输出信号经过功率放大电路驱动步进电机的运转3 1 。 步进电机无需位置反馈，容易实现开环控制。但是步进电机存在矩频特性， 即当步进电机低速运行时，能够大转矩输出，但是当电机处于高速运行时，输出 转矩迅速减小。 感应式异步电动机由于它结构简单，运行可靠，价格低廉而在工农业生产中 得到了广泛应用。但异步电动机的调速性能不如直流电机，调速比较麻烦。另外， 2 浙江大学硕士学位论文 转子电阻随温度而变化影响磁场定向的准确性。同时，低速运行时发热比较严重。 异步电机虽然存在上述诸多缺点，但是它具有容易进行弱磁控制、齿槽脉动 转矩较低、反馈装置便宜、容易实现高速运行 5 】等优点。 永磁同步电动机与感应电动机相比，具有较低的惯性，对于一定的电机转矩 具有快速响应的能力，在不需要励磁电流、逆变器供电的情况下，不需要阻尼绕 组，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，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。永磁同步电机的定 子结构与普通的感应电机相同，由三相绕组及铁芯构成，且电枢绕组通常按星形 连接。永磁同步电机用永磁体代替普通同步电机的励磁绕组，从而省去了励磁线 圈、滑环及电刷，控制要比异步电机简单”u j 。 综上所述，永磁同步电机具有功率因素高、动态响应快、运行平稳、过载能 力强等优点，自然被选作本文所研究直接转矩控制系统的执行电机。 1 1 3 交流伺服系统的分类n l 】 ( 1 ) 交流伺服系统接其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：感 应式异步电动机交流伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统。 感应式异步电动机制造容易、价格低廉、不需要特殊维护，但在控制上采用 矢量变换控制，因而系统比较复杂。而且转子电阻在低速运行时发热比较严重， 影响磁场定向的准确性，而低速运行又往往是伺服控制机构经常所处的运行状 态。因此，这种交流伺服系统的一个显著特点是：容易进行弱磁控制，实现高速 运行。但由于存在上述一些问题，这种系统在机床的进给机构驱动中并未得到普 遍的应用。不过，由于机床主轴负载的特点，感应式异步电动机交流伺服系绕在 主轴驱动中却得到非常广泛的应用，甚至把主轴当进给运动用也相当成功。 随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，目前已经开发出多种类型的 永磁伺服电动机交流伺服系统，并跃成为交流伺服系统的主流，在工业生产自 动化领域中得到极其广泛的应用。在永磁同步电动机交流伺服系统中，电动机转 子所采用的永磁材料主要有铁氧体、钕铁硼、稀土钴等。我国钕铁硼资源非常丰 富，随着制造工艺的不断进步，性能的逐步提高，价格的逐渐下降，钕铁硼永磁 材料在交流伺服电动机中的应用将会越来越广泛。 就永磁同步电动机的控制形式来分，通常可分为方波电流控制型和正弦波电 浙江大学硕士学位论文 流控制型两种。前者多被称为无刷直流电动机u ) c m ) 交流伺服系统，后者多 被称为永磁同步电动机( p m s m ) 交流伺服系统。本文所研究的正是正弦波永磁同 步电机交流伺服系统。 在b u ) c m 交流伺服系统中，转子磁极位置的检测方法大体可分为二种。一 种是以三个霍尔元件在空间上按1 2 0 。配置，来检测转子永磁体磁极位置，系统 的速度反馈信号需另外单独由测速发电机来完成。由于测速发电机的输出信号平 稳，所以这种系统的低速伺服性能优良，运行平稳。不足的是磁极位置检测和速 度检测是由二个独立的系统实现的，在作系统定位控制时，还需要安装光电编码 器之类的位置传感器，使得电动机非负载侧的轴向长度增加。另一种是磁极位置、 转子速度、系统位置三个信号的检测由同一个具有磁极定位功能的光电编码器来 实现。这种常用的检测方式的优点是多种信号的检测由一个装置即可完成，电动 机的轴向尺寸缩短，系统成本降低，使用方便。其缺点是在低速运行时难以得到 光滑的速度反馈信号。因此，电动机在低速区有较明显的速度波动，这对某些高 精度应用显然是不合适的。 在p m s m 交流伺服系统中，通常以旋转变压器连续检测转子的磁极位置， 有的系统通过高频数字化处理，解调出磁极位置和速度信号，参与系统控制，从 而获得正弦电流驱动。这种交流伺服系统具有十分优良的低速性能，并可实现弱 磁高速控制，故拓宽了系统的调遣范围，适应高性能伺服驱动的要求“。 ( 2 ) 按控制电路所使用的基础器件来分，交流伺服系统可分为以采用模拟 电子器件为主的交流伺服系统、以采用模拟与数字电路混合控制形式的交流伺服 系统、以微机为基础的数字化交流伺服系统和以高速的数字信号处理器为核心的 全数字化交流伺服系统。 ( 3 ) 按控制策略分，交流伺服系统又可分为固定结构和滑模变结构控制两 大类。 固定结构控制结构的基本形式是从磁极位置和速度检测元件取得定子电流 相位控制信号和速度反馈信号，通过电流传感器取得定子电流反馈信号组成速 度环和电流环双闭环p i ( d ) 控制方式。滑模变结构控制作为一种控制策略，虽然 经过多年大量的理论研究，证明了对于驱动系统结构与参数的变化具有很强的鲁 棒性，但由于在滑模线上及原点附近的抖振问题尚来得到很好地解决，在实用上 4 浙江大学硕士学位论文 发生困难。时至今日，应用滑模变结构控制的交流伺服系统尚不多见1 2 1 。 1 2 交流调速方法 1 】 交流电机有多变量、强耦合、时变、非线性等特点，因此，正确选择合适的 控制策略成为伺服系统的一个很重要的问题，优良的控制策略不但可以弥补硬件 设计上的不足，而且能进一步提高系统的综合性能。 1 9 7 1 年由德国西门子公司的f b 1 a s c h k e 提出的异步电机矢量控制技术是基 于坐标变换的一种技术，将电机的定、转子电压、电流、磁势、磁链瞬时值所产 生的效应用空间矢量来表示，以转子磁链矢量为参考坐标，通过三相到两相的坐 标变换，定子电流被分解为相互正交的与磁链同方向的励磁分量和与磁链方向正 交的转矩分量。这两个分量互不影响，互不耦合，可以进行独立的控带i 和调节， 把这两个分量作为被控参数，异步电机就具有和直流电动机一样优良的转矩、转 速调节特性。 转子磁场定向的矢量控制系统是2 0 年来实际应用最为普遍的高性能交流调 速系统，应用也是最成熟的，矢量控制的优点是有良好的转矩响应，精确的速度 控制，零速时可实现全负载。但控制性能受电机转子参数变化的影响是其主要缺 点，而且需要确定转子磁链，要进行坐标变换，运算量很大。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学的m d 印e n b r o c k 教授首次提出了基速以下的异步电机 的“转矩直接自调整( d s c ，d i r e c ts e 】f 二c o n 哟! ) ”方法，接着于1 9 8 7 年将它推 广至弱磁调速范围【1 3 】。直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n 舡d l ，简称d 1 ) 技术是继 矢量变换控制技术以后，在交流调速领域出现的一种新型变频调速技术，直接转 矩控制利用b a n g b a j l g 控制产生m 信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制， 从而获得转矩的高动态性能。直接转矩控制摒弃了矢量控制中解耦的思想，将转 子磁通定向更换为定子磁通定向，减弱了系统对电动机参数的依赖性，通过控制 定子磁链的幅值以及该矢量相对于转子磁链的夹角，从而达到直接控制定子磁链 和转矩的目的。直接转矩控制不需要复杂的矢量坐标变换，对电机模型进行简化 处理，没有p w m 信号发生器，控制结构简单，转矩响应迅速，鲁棒性增强，受 电机参数变化影响小，能够获得极佳的动态性能。但是也存在着一些不足：逆变 器开关频率不固定；转矩、电流波动大；实现数字化控制需要很高的采样频率等。 综上所述，交流电机控制技术的发展为提高交流电机控制系统的性能提供多 5 浙江大学硕士学位论文 种多样的手段。 表1 1 几种控制方案的调速性能比较 调速方案调速范围调速精度响应速度 矢量控制较宽( 1 ：2 0 2 0 0 )较高较快 直接转矩控制较窄( 1 ：1 5 1 0 0 )较高快 1 3 控制策略凹 交流伺服系统控制策略主要有：数字p i d 控制、模糊控制、神经网络控制、 自适应控制等。 p d 控制器在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化 工等行业中获得广泛应用。在计算机控制系统中，使用的是数字p d 控制器， 数字p d 控制算法通常分为位置式p d 控制算法和增量式p d 控制算法两种。 其中，位置式控制算法由于是全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计 算时需要对误差进行累加，处理器的运算工作量很大，而且，计算机输出对应的 是执行机构的实际位置，如果计算出现故障时，输出会发生大幅度变化，会引起 执行机构位置的大幅度变化，这在生产实践中是不允许的。并由此产生了增量式 p d 控制算法，所谓增量式p d 是指数字控制器的输出只是控制量的增量。增量 式p d 控制算法如下式： “( 。) 2 引8 ( 。) 一8 ( 2 1 ) 】+ 置，8 ! + 如 8 ( 七) 一2 8 ? 1 ) + 8 ( 。一2 ) 】( 1 1 ) = 砟。( ) + 墨e ( k ) + i p ( 女) 一e ( 七一1 ) l 式中垃( k ) _ g ( ) 一e ( 一1 ) 1 9 6 5 年美国加利福尼亚大学l a z a d e h 教授首先提出了模糊集合的概念，模 糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控 制，是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施 的一种控制方法，是模糊数学与控制理论相结合的产物，是智能控制的重要组成 部分。 模糊控制的基本原理框图如图1 2 所示。它的核心部分为模糊控制器，模糊 控制器的控制规律由计算机的程序实现。实现一步模糊控制算法的过程描述如 下：微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差 信号e ，一般选取误差信号e 作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号e 的精 6 浙江大学硕士学位论文 确量进行模糊化变成模糊量。误差e 的模糊量可以用相应模糊语言表示，得到 误差e 的模糊语言集合的一个子集量( 曼是一个模糊矢量) ，再由量和模糊控制规 则尽( 模糊算子) 根据推理的合成规则进行模糊决策。得到模糊控制量孥，表达 式如下： 聪= 笔。尽 ( 1 2 ) 图1 2 模糊控制原理框图 近十几年来，一门新兴的交叉学科一一人工神经网络( 枷丘c i a ln e r a l n e t w o r k ，简称为a n n ) 迅速的发展起来。所谓“人工神经网络”实际上是以一 种简单计算一处理单元( 即神经元) 为节点，采用某种网络拓扑结构构成的活性 网络，可以用来描绘几乎任意的非线性系统。神经网络控制的基本思想是将计算 函数嵌入物理网络中，计算过程的每一个基本操作都存在相对应的连接，在处理 信息内容时，修改网络结构及运行规则【l 。而且，a n n 还具有学习能力、记忆 能力、计算能力以及各种智能处理能力。正是神经网络控制的这些特点，使它能 够克服交流调速系统中存在的非线性因素的影响，提高调速系统的性能。但是， 神经网络控制在学习算法、神经元模型结构、调整学习与参数的结合，网络的收 敛速度与算法的稳定性等方面还可以做进一步的改善。 自适应控制系统是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识环境条件的变 化，并自动校正控制动作，使系统达到最优或次优的控制效果。自适应控制系统 的原理框图如图1 _ 3 所示。 7 浙江大学硕士学位论文 图1 3 自适应控制系统的原理框图 白适应控制系统在运行过程中，根据参考输入r ( t ) 、控制输入u ( t ) 、对象输 出c ( o 和已知外部干扰n ( t ) 来测量对象性能指标，并与给定的性能指标进行比较， 做出决策，然后通过适应机构来改变系统参数，或者产生一个辅助的输入控制量， 累加到系统上，以保证系统跟踪上给定的最优性能指标，使系统处于最优或次优 的工作状态。 自适应系统与其他系统的显著区别在于它包含性能指标闭环。从本质上讲， 自适应控制应具有“辨识一决策一修改”的功能，在交流电机参数估计和提高系 统动态性能等方面有着广泛应用。 综上所述，交流电机控制技术与系统控制策略的发展为提高交流电机控制系 统的性能提供多种多样的手段。 1 4 交流伺服系统的研究现状和发展趋势 1 4 1 国内外研究现状 由于交流伺服系统的种种突出优点，国外大学和公司投入了大量的人力、物 力、财力加以研究，并在2 0 世纪8 0 年代已经推出了一系列先进的商品化的交流 伺服系统，我国也有许多单位在研究开发和引进交流伺服系统的相关技术、元器 件和设备。一般来说，伺服系统包括电流( 转矩) 环、速度环和位置环三个控制 环节。相应地，针对这三个环节，为了进一步提高交流伺服系统的性能。国内外 众多学者围绕以下几个方面进行了大量研究吲。 ( 1 ) 采用新型电力电子器件和脉宽调制( p w m ) 控制技术 电力电子器件的不断进步，为交流伺服系统的完善提供了物质保证，尤其是 浙江大学硕士学位论文 新的可关断器件，如双极结型晶体管( b j t ) 、金属氧化物半导体场效应晶体管 ( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 的实用化，使得高频化硎技术 成为可能。目前，电力电子器件正向高压、大功率、高频化、组合化和智能化的 方向发展。典型的电力电子变频装置有电流型、电压型和交一交型三种。目前已 有采用m o s f e t 和i g b t 的成熟产品，开关频率可达1 5 2 0 k h z ，实现无噪声 驱动，国外也正在加紧研制新型变频器，如矩阵式变频器，串、并联谐振式变频 器等也开始进入实用阶段。 ( 2 ) 应用新型控制技术及现代控制理论 交流电机是一个多变量、非线性的被控制对象，过去的电压，频率恒定控制 都是从电机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果不理想。2 0 世纪7 0 年 代初提出了用矢量变换的方法研究电机的动态控制过程，不但控制各变量的幅 值，同时控制其相位，并利用状态重构和估计的现代控制概念，实现了交流电机 磁通和转矩的重构和解耦控制，从而促进了交流伺服系统走向实用化。此外，为 了解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接 转矩控制、电压定向控制和定子磁场定向控制等。自从计算机用于实时控制后， 使得现代控制理论中各种控制方法得到应用，如二次型性能指标的最优控制和双 位模拟调节器控制，可提高系统的动态性能，滑模( s l i d i n gm o d e ) 变结构控制， 可增强系统的鲁棒性，状态观测器和卡尔曼滤波器可以获得无法实测的状态信 息，自适应控制则能全面的提高系统的性能。 ( 3 ) 广泛应用计算机技术 随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大 提高，特别是近几年来，由于d s p 芯片价格不断下降，特别是电机控制专用d s p 芯片的出现，为交流伺服系统的全数字化提供了硬件支持，全数字化控制系统取 代了以前的模拟器件控制系统。如美国t i 公司的r i m s 3 2 0 f 2 4 x 系列，可以实现 将交流伺服系统中的位置、速度和电流( 转矩) 控制全部由软件完成。目前，国 外最新推出的高性能交流伺服系统几乎全都实现了全数字化。 计算机的应用主要体现在两个方面，一是控制用微机，交流电机数字控制系 统既可以用专门的硬件电路，也可以采用总线像是，如s t d 、v m e 、m u l 胁u si 和、g e s p a c 总线等，加上通用或单片微机模板组成最小目标系统；二是数字 9 浙江大学硕士学位论文 仿真和计算机辅助设计( c a d ) ，仿真时如发现系统性能不理想，可用人机对话 方式改变控制器的参数、结构以至控制方式，直至满意为止，避免了实际调试的 盲目性及发生事故的可能性。 ( 4 ) 开发新型电机和无机械传感器技术 各种交流控制系统的发展对电机本身也提出了更高的要求。电机设计和建模 有了新的研究内容，如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电系统方 程的联解、电机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等问题。目前在小功率伺 服系统中得到重视和广泛应用的是永磁同步电机，其物质基础是具有较大剩磁感 应强度、矫顽磁力和磁能积的新型永磁材料( 包括钐钻和钕铁硼) 的迅速发展。 一般来说，为了满足高性能交流传动的需要，转速闭环控制是必不可少的。 为了实现转速和位置的反馈控制，须用测速发电机或光电码盘( 增量式或绝对式) 来检测反馈量，但速度传感器的安装也带来了系统成本增加、体积增大、可靠性 降低、易受工作环境影响等缺陷，使得成本合理、性能良好无速度传感器交流调 速系统成为近年来的一个研究热点。无机械传感器技术是在电机转子和机座上不 安装电磁或光电传感器的情况下，利用检测到的电机电压、电流和电机数学模型 推测出电机转子位置和转速的技术，具有不改造电机、省去昂贵的机械传感器、 降低维护费用和不怕粉尘与潮湿环境影响等优点。 1 4 2 发展趋势 综合交流伺服系统的发展与现状，展望其未来，总的来说，伺服系统的发展 趋势可以概括为以下几个方面【3 “： ( 1 ) 交流化 伺服技术将继续迅速地由直流伺服系统转向交流伺服系统。在不远的将来， 除了在某些微型电机领域之外，交流伺服伺服系统将完全取代直流伺服系统。 ( 2 ) 全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理器( d s p ) 的伺服控制单元将全 面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。 全数字化的实现，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法( 如：最优 控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等) 成为可能。 ( 3 ) 采用新型电力电子半导体器件 浙江大学硕士学位论文 目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半 导体器件，主要有大功率晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 和绝缘门极晶 体管( i g p t ) 等。目前，集控制电路功能和人功率电子开关器件于一身的智能控 制功率模块( p m ) 已经在伺服控制系统开始使用。它的应用显著地简化了伺服单 元的设计，在小功率系统中得到越来越广泛的应用。 ( 4 ) 高度集成化 新的伺服系统产品采用了单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个 控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能。高度集成化显著缩 小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。 ( 5 ) 模块化和网络化 最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口( 如r s 一2 3 2 c 或r s 一4 2 2 ) 和 专用的局域网接口，显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力，从而 与计算机数字控制( c n c ) 系统间的连接也变得十分简单。 综上所述，伺服系统将向两大方向发展：一个方向是简易、低成本交流伺服 系统将迅速发展，应用领域进一步扩大，满足对性能指标要求不高的应用场合， 如变频电机、变频器等：另一个方向是向更高性能的全数字化、智能化伺服的方 向发展，如伺服电机、伺服控制器，这是交流伺服系统的发展主流，代表着交流 伺服系统发展的水平和主导方向。 1 节本文章节安排 论文章节内容安排如下： 第一章简单介绍了交流伺服系统的结构组成及分类，介绍了交流调速的各种 措施及相关控制策略。本章还介绍了当前交流伺服系统的研究现状与今后的发展 趋势，以及该课题的意义和本文的主要研究内容。 第二章简要介绍了永磁同步电机通常采用的定转子结构及控制方式，建立永 磁同步电机的数学模型，并介绍了永磁同步电机的等效电路，并建立了相应的标 幺值模型。 第三章简要介绍了永磁同步电机直接转矩控制的原理及特点，建立了系统的 数学模型，并提出了永磁同步电机直接转矩控制的实现方案。通过 m a t l a b s i m u l i i l l 【仿真，仿真结果验证了直接转矩控制具有优良的静、动态性 浙江大学硕士学位论文 能。直接转矩控制没有复杂的矢量变换，系统结构简单，系统性能不易受电机参 数影响。 第四章首先指出了直接转矩控制的不足之处，分析了s ) w m 的原理，提 出了优化s ，w m 的方案，并着重介绍了直接转矩控制空间矢量脉宽调制方法， 利用电压空间矢量调制能够使逆变器输出连续的电压矢量。通过 m a t l a b ，s i m u l i n k 仿真，仿真结果表明，d t c s v m 既保持了鱼接转矩控制的快 速动态响应特性，又有效减小了转矩的波动，降低了电流波形的畸变。 第五章主要介绍了永磁同步电机直接转矩控制的硬件组成和硬件电路各个 部分的功能，介绍了基于r i m s 3 2 0 u 以0 7 a 的算法实现，并且进行了相关实验。 实验结果表明：常规直接转矩控制具有快速的动态响应性能，但转矩波动很大； 而d t c s v m 既保持了常规d t c 的快速动态响应特性，又有效减小了转矩的波 动。 本文最后对全文工作做了系统的总结，并指出了有待于继续深入研究的问 题。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机的数学模型 2 1 引言 在工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中广泛的应用着电机 传动，以前在高性能要求的伺服控制场合，一般都采用直流电机作为执行元件。 这是因为直流电机的励磁绕组和电枢绕组相互独立，在磁场一定的条件下它的电 机转矩和励磁电流与电枢电流的乘积成正比 1 ，只要控制电枢电流的瞬时值，就 能很好地控制直流电机的转矩，而且不存在时间滞后的影响。由于直流电机调速 方便，可以在宽广的范围内实现无极调速，比较容易得到良好的动态特性，这使 直流电机广泛应用于高性能伺服场合。但是，直流电机的机械结构特性需要接触 式换向器来换向电流，不但结构复杂、制造费时、价格昂贵，而且在运行中容易 产生电火花，加上机械换向器的机械强度不高、电刷易于磨损，加大了电机的维 修工作，这就使得直流电机的应用范围受到很大的限制。 交流电机，特别是鼠笼型异步电机，由于它结构简单、制造方便、价格低廉、 坚固耐用、惯量小、无需维护、运行可靠、可运行在恶劣环境等优点，在工农业 领域得到了广泛的应用l l j 。永磁同步电机具有电磁转矩纹波系数小、动态响应快、 运行平稳、过载能力强等优点，非常适合在负载转矩变化较大的情况下使用；而 且它的效率和功率因数都比较高，在轻载运行时节能效果明显，长期使用时可以 大幅度节省电能；另外，永磁同步电机不需要励磁电流，逆变器供电的情况下， 省去了励磁装置机滑环电刷，而且体积较之同容量的异步电机小、重量轻、结构 多样化，应用范围比较广。正是由于永磁同步电机突出的特点，非常适合在交流 伺服系统中的应用，目前已经得到人们越来越多的关注。 直接转矩控制是交流电机的一种高性能控制策略，在永磁同步电机驱动控制 中的应用与研究己受到众多学者的广泛关注。为了能够更加透彻地理解这这种控 制策略在永磁同步电机伺服系统的应用，本章建立了不同空间坐标系下永磁同步 电机的数学模型。同时，为了便于实现电机的数字化控制，本章还介绍了永磁同 步电机的标幺值系统。 2 2 永磁同步电机的定转子结构 永磁同步电机由定子、转子、端盖等部件构成。永磁同步电机与普通感应式 浙江大学硕士学位论文 同步电机在定子结构上是一致的，采用叠片结构以减少电机运行时的铁耗，由三 相电枢绕组及铁心构成，且三相电枢绕组通常按星形连接，以减少电机杂散损耗， 为了便于控制，永磁同步电机的定子绕组常采用短距分布绕组，气隙磁场设计为 正弦波，以产生正弦波反电势 1 ”。 在转子结构上，永磁同步电机的转子可以做成实心的，也可以用叠片叠压而 成，采用永磁体取代感应式同步电机的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和 电刷，电机结构显得比较简单；与普通电机相比，永磁同步电机还必须装有转子 永磁体磁极位置检测器，用来检测转子磁极位置，从而以此对电枢电流进行控制， 达到对永磁同步电机伺服控制的目的。为保证系统精度及运行质量，永磁同步电 机常用的转子位置检测器有旋转变压器或光电编码器，与转子同轴安装 按照永磁体在转子上安装位置的不同，永磁同步电机的转子可以分为三类： 表面式、内嵌式和内埋式，如图2 1 所示。图2 1 a 、b 两种转子结构的永磁体通 常呈瓦片形，并位于转子铁心的表面上，提供径向的磁通，可减小转子直径，从 而降低了转动惯量，若将永磁体直接粘在转轴上还可获得低电感，有利于电机动 态性能的改善，一般永磁同步电机多采用这两种形式的转子结构；内埋式转予结 构的永磁体通常为条状，位于转子铁心内部，机械强度高，磁路气隙小，提供的 磁通的方向与转子的具体结构有关，由于此种转子磁路结构具有不对称性，产生 的磁阻转矩有助于提高电机的过载能力和功率密度，适于弱磁控制的高速运行场 合。 ( a ) 表面式 ( b ) 内嵌式 ( c ) 内埋式 图2 1 永磁同步电机的转子结构 2 3 永磁同步电机的数学模型 2 3 1 数学模型 在永磁同步电机中，由于永磁体本身的导磁率一般很低，往往使得其交轴同 1 4 浙江大学硕士学位论文 步电抗x 。反比直轴同步电抗邑大，致使反应转矩分量变负。永磁同步电机产生 最大转矩的功角色 石，2 。 在分析永磁同步电机时，做以下假设：忽略电机铁芯的饱和；不计电机中的 涡流和磁滞损耗；转子无阻尼绕组；电机定子的空载电动势是正弦的 1 ”。 永磁同步电机的转子是永磁体励磁，转子磁链矢量与转子磁极的位置一致， 通常采用出转子坐标系( 选择永磁体基波磁场的方向为d 轴，而目轴为顺着旋转 方向超前d 轴9 0 。电角度，转子参考坐标的旋转速度即为转子速度，规定逆时 针旋转方向为正方向垌) 。则基于转子磁场的幻坐标系和三相d 抛定子坐标系相 互之间的转换满足以下的关系： = c 式中c = h b z c c o s 口 压i “n 口 、了l1 l 压 宁 m c c o s ( 口一1 2 0 。) 一s i n ( 占一1 2 0 。) 1 压 = c 虮 c o s ( 口+ 1 2 伊) 一s i n ( 目+ 1 2 0 。) 1 2 永磁同步电机的空间矢量如图2 2 所示。 p 峭i畦1n i * k o 图2 2 永磁同步电机矢量图 在却轴下永磁同步电机转子坐标系数学模型， 电压方程为： 饼( 么) ( 2 1 ) 1 5 浙江大学硕士学位论文 f “d = p 虬国+ r 屯 i “g = p + 虬国+ r 。 定子磁链方程为： l 虬= k 屯+ ” i = 电磁转矩方程为： = p ( 一) 机械运动方程为： 考警= l 一瓦 式中“。、“。定子电压却轴分量； 屯、f 。定子电流曲轴分量； 既、虬定子磁链由轴分量； 也、l 定子绕组由轴电感； 尺。定子电阻； 髀转子永磁体产生的磁链； t 电机电磁转矩； l 负载转矩； ，转动惯量； p 电机转子极对数； 缈一转子电角速度。 由式( 2 ，2 ) ( 2 5 ) 可知，永磁同步电机的状态方程为 毗 出 嚷 疵 d 国 廊 一r s | l d ：l l o 国 一r 0l q 踟t l 】 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) l 1 心l ( 2 6 ) h ，j 从上式可以看出，永磁同步电机的模型是一个多变量的、时变的、非线性的 1 6 卜 朗叫叫p。llj k o 晰。 一 浙江大学硕士学位论文 状态方程，包含有转子电角速度国和砌坐标系定子电流分量f d 、 2 3 2 等效电路 凸极同步电机的直轴和交轴电感参数可以表示为： i 岛= t ，+ k 。 l 2 k + 乙。 其中t 。一却轴线圈漏感 f 。的乘积。 ( 2 7 ) k 、厶舯一由轴线圈自感。 那么凸极同步电机的直轴和交轴同步电抗可以表示为： l 嘞= 工s 盯+ x 枷 ( 2 8 ) 【2 气一+ 口 设f ，为转子永磁体的等效励磁电流，= ，则永磁同步电机的匈轴等效 电路如图2 3 所示。 鸣岛鸣+ 氓a ( a ) d 轴等效电路( b ) q 轴等效电路 图2 3 永磁同步电机由轴等效电路 2 4 标么值模型 在以电机为执行机构的控制算法中，所牵涉的各个物理量如电压、电流、阻 抗、功率等，它们的数值大小往往差别很大，将控制算法离散化后，采用微处理 器进行运算时，若直接把这些量的实际数值代入运算，处理起来非常困难，且容 易发生运算结果溢出，造成很大的计算误差。所以，在工程和科技计算中，各种 物理量往往不以实际值表示，而是表示成标么值形式。 翁 一，0一 浙江大学硕士学位论文 2 4 1 基值的选取 比较统一。通常选取定子额定相电压、额定相电流的峰值作为电压、电流的基值， 。2 ( 2 9 ) i j 6 = ”。 【，。、，。一定子电压、电流的基值； u ，、j 。一定子相电压、相电流的额定值。 选择定子的额定角频率为角频率的基值，即： 纰= 吼 ( 2 1 0 ) 由上述三个基值可以推导出电机其他变量的基值。永磁同步电机数学模型各 变量的标么值计算公式如表2 i 所示。 2 4 2 数学模型的标幺值形式 r 贼喝! + 譬 ( 2 - i “g = p + p 目+ r 毛 罐j 譬 眩脚 = 憾一等户( 刎= j ( 珏蛎k 电磁转矩方程为： 峙2 翥嘶 ( 2 。1 3 ) 浙江大学硕士学位论文 表2 1 标幺值基值计算公式 基值 计算公式 电压u b = 一锄n 电流 ih = 一2 i n 角频率纯= q 电阻乙：粤 6 功率咒= “l 磁链：堡 纯 电感 厶= 鲁 电容 c 。：上 。魄磊 机械角速度：堡 p 转矩 聊鲁= 等= 罢p l 1 时间 2 瓦 2 5 本章小结 本章首先介绍了永磁同步电机的定转子结构及控制方式，并给出了在d 鼋转 子坐标系下永磁同步电机的电压、定子磁链、电磁转矩和机械运动方程，即永磁 同步电机的数学模型，给出了永磁同步电机的由轴等效电路。同时，还介绍了 永磁同步电机数学模型的标幺值形式。 1 9 浙江大学硕士学位论文 第三章永磁同步电机直接转矩控制 3 1 引言 1 9 8 5 年德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授首次提出了基速以下的异步电机 的“转矩直接自调整( d s c ，d i f e c ts e l f 二c o n 廿0 1 ) ”方法，接着于1 9 8 7 年将它推广 至弱磁调速范围。随后日本学者l 1 址a h a s l l i 也提出了类似的控制方梨”j 。 直接转矩控制( d i r e c tt 0 咖u ec o n 0 1 ，简称d 1 ) 技术是继矢量变换控制技术 以后，在交流调速领域出现的种新型变频调速技术，直接转矩控制是利用 b a i l g b a n g 控制产生p w m 信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而获得 转矩的高动态性能。直接转矩控制摒弃了传统矢量控制中的解耦思想，而是将转 子磁通定向更换为定子磁通定向，取消了旋转坐标变换，减弱了系统对电动机参 数的依赖性，通过实时检测电机定子电压和电流，计算转矩和磁链的幅值，并分 别与转矩和磁链的给定值比较所得差值，来控制定子磁链的幅值以及该矢量相对 于转子磁链的夹角，由转矩和磁链调节器直接输出所需的空间电压矢量，从而达 到磁链和转矩直接控制的目的口踟。 本章主要通过对直接转矩控制原理和系统实现方案的分析，经过建模仿真， 验证了永磁同步电机伺服系统直接转矩控制的可行性与有效性。 3 2 直接转矩控制( d t c ) 简介 直接转矩控制将电机与逆变器作为整体考虑，采用定子磁场定向，采用电压 空间矢量方法在定予坐标系内进行磁通、转矩的计算和控制，观测磁链和转矩的 实际值与参考值的误差，通过比较器滞环比较所得的信号及定子磁链空间矢量的 位置确定控制信号，从一个离线计算的开关表中选择合适的定子电压空间矢量， 来控制逆变器的开关状态，实现磁链和转矩自控制删。直接转矩控制不需要定予 电流解耦复杂的矢量坐标变换，没有删信号发生器，直接采用电压矢量控制 磁链和转矩，控制结构简单，受电机参数变化影响小，能够获得极佳的动态性能。 3 2 1d t c 的基本原理 ( 1 ) 逆变器的原理 直接转矩控制技术采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节( 控制) 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 2 0 浙江大学硕士学位论文 动态性能。 三相电压型逆变器由3 组、6 个开关( 咒，品，足，巧，i ，瓦) 组成，如图 3 1 所示。 b 2 v d c 2 图3 1 三相电压型逆变器示意图 三相电压型逆变器的基本工作方式是1 8 0 0 导电方式，即每个桥臂的导电角度 为1 8 0 。，同一相只能有一个桥臂导电( 即同一半桥上下两个臂交替导电) 。由于 逆变器的上下桥臂不能同时导通，在任一瞬间，有三个臂同时导通，因此对应于 3 组开关共有2 3 = 8 种开关状态，即砌( ( 删、矗- ( 0 0 1 ) 、五z ( o l o ) 、诜( 0 1 1 ) 、 m ( 1 0 0 ) 、奶( 1 0 1 ) 、“6 ( 1 l o ) 、m ，( 1 1 1 ) ，分别对应逆变器的8 种不同输出电压矢 量，如图3 2 所示。 五2 。父触。 “1 “5 图3 2 电压空间矢量图 电机的端电压靠逆变器开关管的导通或关断来实现，其状态可理想化为三个 无接点开关，定义桥臂开关信号为s ，( 。桥臂的开关状态为s ；= 1 ：上桥臂元 件通，s ，= o ：下桥臂元件通，那么输出电压( 对地0 ) 为： 浙江大学硕士学位论文 叫麓z 篙 昕 麓笼篙 限， 巩。2 1 一u ：，2s ：o o _ d ，j