（电力电子与电力传动专业论文）一体化永磁同步电机驱动器设计.pdf

a b s t r a c t 硕士论文 t h e i n t e g r a t i o n o f t h e 删o n ，& i v e ，a n d c o n t r o l i ss i g n i f i c 锄i v e f o r t h e p m s m , w h e l h e r i n m j l i 雠y o r 缸缸卿，s o t h e d e s i g n o f t h e d r i v e o f i m e g r a 同p m s m i s u s e f u l 伽t h eb a s eo ft h em a l h e m a l i cm o d e lo ft h ep m s 呕d a el e a s o l l so ft h et o r q u ep u l s a t i o na r e a n a l y a x i t h e nt h ev a l i d i t yo f 砸i a t i v ei e a n 血gc o n t r o l qi nk 唧1 et i p p l ei n i n i n l i 2 越i o l li s e x p a t i a t e d a w h o l es i m l l l a f i o l lm o d e li sd e v c l o p e du s i n gs i m p o w e r ，a n d t h ee f f e c t i v eo f r ci n 幻q 瞻跚既昵蚓崦i s p o v 缸 t h e s c h e m e f o r h a r d w a r e a n d s o t i w a r e o f i n t e g t m e d p m s m a r e d e n x a x m m e d i n t h e d z s i s t h e n 0 1 1t h eb a s eo fl ：m c i p l e 锄d $ i m l l a t i o l la m l y s i s , p a 面a 】l 田弘黜t h ed e s i g n i n ga n dr e a l i z 堍 m e t h o d0 1 1t h ew h o l ed r i v e i no r d e rt o 赡a l i z et h ed 删i ti n 越e a s yw a ya n dh l c r e a s es w i t c n n g 疵q u 睇t h ei n t e l l i g m tp o w e rm o d e l p s 2 1 8 6 5i su s e d t h es e l f - p u s h 醯x a l i ta l s os a v et h r e e s e p a r a t es o 嘴f a s t 印e e d h i g hr d i a b f l i t ya n d 般o fd e v e k 】p l r e n t 越t h ea d v m m t g e so f d s l y f m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) w i t hm a k et h ec o t ec i r c u i t t h el 】o ft h er e s o l v e rm a k e sf e e d b a c kd a m m e l n m p r e c i s i o na n dm i - j a m m i 咯t h ew h o l es o f t w a r el i f em o d u l a d z en x x l u l m i z e di ni n i t i a l i z e m o d u l e , p o t i o ne a l o a l a t en 血ks p e e dc a l c u l a 汜m o , k 眈c i r c u i ts a m p l i n gm o d u ks p w m a d d - x r e t i c ，a n dt h ev i x 2 t o i a l ：i t h l l x 五c 曲gt h ecp r o g r a m m el a n g u a g e f m a l l yp a r t so ft h e e x o e f i m e n l s m e i n m x l m e d k e y w 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 , i n t e g r a t e d , i t e r a t i v et e a m i n gc o n t r o li p m 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： ) ，嗨? 月j o e t 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：霾丛 知。7 年7 月，7 日 南京理工大学硕士学位论文 一体化永磁同步电机驱动器设计 现代工业对伺服系统提出了更高的要求，很多场合要求伺眼系统的传动、驱动和控制集 成在起，这不仅提高了装置的质量，而且降低了生产线运行和维护的成本。 本文设计了符合体化要求的永磁同步电机驱动器，并对迭代学习控制方法抑制永磁同 步电机的转矩脉动做了仿真研究。 随着电力电子技术的迅猛发展和电膨蚶抹研究的不断深入，交流电动机的调速特性 已经可以和直流电机相媲美。2 0 世纪7 0 年代出现的矢量控制技术，使交流电机的动态性能 达到与直流电机相似的程度，交流调速技术因此取得了突破性的迸屉”。高性能永磁材料的 出现以及制造工艺的进步，使得永磁同步电机的功率密度高于般的感应电机，交流永磁同 步电机删s 蛐是目前最具潜力的电机，其高效率、高位置分辨率、高定位精度、宽调速范 围、低速稳定性好、强过载能力等特性为伺服系统设计者提供了很好韵硬件条件：囡翻。无论 在军事上还是在工业匕交流永磁同步电柳都具有很广泛的应用范围。军事上，在无 ：j ( 炮 发射平台、遥控- 机器人火炮技术、自动化供输弹系统中均是具有应用前景的发展方向。在航 海方面，出现了种新型的基于i ：s i s m 的电力推进器，整个推进系统集中在个吊舱内，可 以3 6 0 度转动，起至晴的作用【4 】。另外，在高精度数控机床、精密机械加工以及电梯的曳引 机等系统中，都可以见到p m s m 的应用。 近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁珊永磁的热稳定性和耐腐蚀 性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的迸步发展，加b 承磁电机研究刃芳燃的 逐步成熟，经大力推广和应用已有硼究成果，永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方 面获得越来越广泛的应用。正向大功率化( 高转速、高转硒、高功能化和微型化方面发展。 目前，稀土永磁电机的单台容量b 琏蟊童1 0 0 0 i 【w ，最高转速已超过3 0 0 0 0 0 血血，最低转速低 于o 0 1 f f m i n ，最小电啪外径只有o 8 n 血，长1 2 衄一。 目前对于交流永磁同步电机舶变频谩速策略主要分两种，种是矢星纣空制，种是直接 转矩控制。下面分别介绍塞两种主要的控制策略。 u 1 永磁同步电蛐彤日宦壁制 q “n 圈 矢量控制技术是从直流电动机的控制中得到启发，其励磁磁通和电豳教势方向互相垂直， 两者互不影响，励磁绕组和电枢绕组又相互独立，故可分别调节其励磁电流和电枢电轷缸实 现对转矩的独立控制。永磁同步电机舶矢量隆制就是分剐控制定子电流的幅值移泪位，包含 了l ：o 控制、c o s 矿= 1 控制、恒磁镑彗空制、最大转触电 蒯努惭同蜘当良防法。 矢量控制理论最早是由西门子工程9 暖m l a s 咖( e j 笙7 0 生f 代提出的，当时用于解决异步电机 硬士论文 的控制问题。其基本思想是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分 别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具 体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量( 励磁电豳和产生转矩的电流 分量( 转矩电势匐分别加以控制，并同时控制两分量间的幅度和相位，即控制定子电流矢量。由 于其控制性能可与直流电动机相媲美，故矢量控带敲广泛应用于永磁同步电动机中。 自发明矢量控制方法以来，国内外对这方面的研究这菊这深入，取得了不少研究成果。 s l f i g e o m t x i m o t o 等人利用每安培最大转矩控制方式对内置径向永磁同步电动机作了一系列 研究，充分利用了电机转矩的凸极效应分量，用定的定予渝入电流产生最大的电磁转矩。 r o y s c o 姆提出了种针对表面贴装式永磁同步电动机的最优效率摩割方式，从减小定子铜 损和铁耗两方面考虑，通过电机损耗模型使电机运行在总损耗最小的最优工作点上。在p t s m 的矢量控制调节器参数整定中，m a r c o 嘲等人分析了基于模型的参数整定和模型自由的参 数整定。文献印针对永磁同步电动机的矢量控制系统，分析出电流相位滞后造成电动机中电流 不能正醪确￥耦，是限制弱磁升速的主要原因，并提出了弱程封空制时电柳啦补偿技术，提高 了交直轴电流解耦的正确性。 矢量控南! 卜觳是通过检测或估计转子磁通的位置及幅值来控制定子电流的，当电机永磁 体的励磁磁链和交、直轴电搠定以后，电机的转矩便只和定子电流矢量和i 有关，不同。 的和对应于不同的电机转矩和转速，控制电机的转矩实际e 就删和。控制和 使其跟踪给定的交、直轴电流，即能实现对电机的转矩和转速的控制。由于交流电机的矢量 控制方法与直流电讥自勺j 空制方法相似，可以得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子 磁通位置与转子机捌法置相同，因此，通过糟舰i 饽撤际位置就可以得知电胡韩子磁通_ 位置。 由此可以看出，矢髫空制的实质就是对定子电流幅值和相位的控制。对于给定的输出转矩， 有多个交、直轴电流躺蛆合，不同的组合将影响系统的效率、功率因数、蝴电压以 及转矩输出能力，由此形成了永磁同步电机矢量控制的电流控制策略问题蛔。 图i i 给出了个永磁同步电机电流研啦唰的原理框图，e 和e 分别是给定的交，直轴 电流量。图中所示为= 0 控制，t = 0 控制是永磁同步电叽矢彰! 浏中电流控制策略的一 种方法，根据电机的不同用途，矢量控制的电流控制策略也不同。常用的控制方法主要有 = 0 控制、最大转矩电流比控制、功率因数c o s 妒= l 控制、恒磁铙猕扎定子电流最小控 制、弱磁窿制等。本文采用的是= 0 控制，关于= 0 控制的仿真研咒将在本章后面介绍。 2 南京理工大学硕士学位论文 一体化永磁同步电机驱动器设计 图1 1 永磁f 蔚步电肿q = 0 控制秘框图 u 2 永磁同步电蛐6 勺= 副藉移巨捞时“】i 叼 其基本思想是将逆夔掰口被控电机看成个整体，采用空间电压矢量膦坊式，通过 对定子电压的控制达到直接控制电动机转矩的目的，省去了矢量控制中繁琐的坐标变换。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首先提出了直接转矩控制理论，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。直接转矩控甫屿矢量控制的最大区别就是前者不需要 旋转坐标变换，直接在静止坐标系e 控制转矩和磁链。 德国和日本在直接转矩控制技术的理论方面已经比较成熟，走在前列。美国、意大利、 韩国和法国紧随其后。目前该技术已成功地应用在电力机车牵引系统、垂直升降系统等大功 率交流漏速场合。现在a b b 公司已向市场推出了直接转矩控制的传动产品，使得 们对直 接转矩控制的研究兴趣增加，将来在直接转矩控制中将会用到人工智能技术，并将完全不需 要常规的电机数学模型了。 直接转矩日空制的基本原理呵以从下面的图来分析，如图1 2 所示，转速调节器的输出作 为转矩调节器的给定量，其值与电机反馈回来的转矩值晰作为转矩调节器的输入。磁链 调节器的输入量是磁链给定僵与计算得到的磁链实际值的差值。根据转殛周节器和磁链调节 器的输出来选择开关忧奁撒蝴粤器，完成控制任务。 3 绪论硕士论文 直接转矩控制系统用到两个模型，即磁链蘸型和转矩模型。分别由式i i 和1 2 给出。 v 啦2 9 u s o ：一r s 拶 v 3 8 2g u s p r s b ) d r r e = n p 毡s 妒s 僵s s 亩 毽萄 从式l ，l 可以看出，磁链的反馈值只与定子电阻风有关，这就是宣接转矩控制的大好处， 计算兹琏的模型不依赖于转子参数变化的影响，提高了系统的鲁棒性但同时增加了模型推 导的复杂性。采用磁链两点式调节法，通过定子电压空间矢量的选择将定子磁链的幅值变化 控制在允_ 许范围内，使磁链的轨迹为六边形或者街碉形。这种方法不受计算复杂性的影响。 个完整的直接转矩控制系统，应该包括以下j 1 个主要部分： 1 ) 磁跬自控制 磁链自控制的任务是识昂嘣镏莛勘勒迹的区间，且给出正确的磁链开关信号，并产生相 应的电压空间矢量，控制磁链按期望的轨迹正确运行 2 ) 转矩调节 转矩调节的任务是实现对转矩盼直接控制为了控制转矩，转矩调节必须具备两个功能： 用转矩两点式调节器直接调节转矩；在调节转矩的同时控制定子磁链的旋转方向，以加强转 矩的调节。 磁链调节 磁链谪节包括磁链调节器和j 戆劫酌静驹撵元，其任务是对磁链量进行、局节。由于定子 电阻压降的影响，在较低转速时，定子磁链幅值将减小。为避免定子磁链幅值的减小，引入 4 南京理工大学硕士学位论文 一体化永磁同步电机驱动器设计 磁链调节闭环。通过给出磁链电压加大定子磁掀，以维持隧稳耐毵酚：许范围内波动。 4 ) 开关信号选择 开关信号选择单元的任务是综合磋箱刃j 关信号、转矩开关信号、裂缝开关信号及正反 转信号、零状态电压信号，形成正确的电压开关信号，以实现对电压空间矢量的正确选择。 5 ) 开关频率选择 开关频率调节环控锟b 壹蔓器的开关频率及转矩容差的划、。 6 ) 电动机数学模型 包括磁链漠型和转矩模型。 刀转速调节 转速调节的任务是实现对转速的调节，茹矩给定值可由转速调节器的输出得到。 1 1 3 两种控莉浅椭比较 矢量控制是种比较成熟的控制技术，它在调速系统中的应用所获得的控制性能优异， 不论电机在低速运行叻丕是在高速运行区域，抗于扰性、启制动特性、稳遮 彰亍驻竖# 甚至 超过直流调速系统，在高精度传动系统中，其调速范围已l j 苎到1 0 0 0 0 ：1 以上，通用的伺服传 动系统的调速范围均达5 0 0 0 ：1 。直接转矩控制虽然省去了电流环，主开关的开关频率也比 较低，但是使用直接转矩控铝崂耥崂碱同步洲，电机的启动比较困难，启动及负载 变动过程中，电流冲击较大，磁琏及转矩脉动大。从目前的研究水平和硬件条件看矢量控制 方案是永磁同步电机f 醐卧扬燃僦方案。本文所采用的控卷i 历法就是果用矢量控制。 1 2 悻f 匕电机胸国内乡 现状1 3 】、【1 4 】【1 5 l 、【坷 在伺服系统的传动、驱动和控指! 糜成化技术方面，西方发达国家起步较早。德国的s e w 公司研究的智能化数字矢量驱动控制器，成班日i 她用在印刷和包装柳械e ，提高了装置的质 量，降低了成本。丹麦j v l 工业电子公司生产的m a c 系列电机，集g 区动器和电机为体， 结构紧凑，安装方便，已愎密用在装配机器人、泵推动器、磨宋、激光扫描仪上；控制器 采用智能控制算法，有简单易操作的通用软件包，同时电磁兼容f 生好。德国西门子公司生产 的s i m o d r i v e p o s m o 系列电机，集成了变频器、定位控耕器、变速箱以及p r o f i b u s 通 讯接口。机器布局灵活，零部件侈镦化，可以显著缩短安装嬲调访洲伺，目前广泛应用 于包装业、材料加工业、玻璃加工业、塑料工业中。可见国外相关方面的技术已经相当成熟。 我国是世界撇国，对啭化屯叫向技椭艮重视但在f 硼艮系统的传动、驱动和控制 集成化技术方面比西方国家起步晚，目前只有少数单盥傲了这方面的研究，如哈尔滨工业大 学为提高机器人的运动性能，设计制造了由交流伺服系统直接驱动的机器 、关节俸化驱动 系统，该驱动装置将直接用于新松机器人研究所所开发的机器人手臂匕，替代进口产品，增 加我国机器 、的国产化率；辽宁省大连市某车辆研究所开发出了种微型逆变器及其和三相 5 硕士论文 交流异步电柳结合的体化驱动装置，其特点是逆变器部分由多层p ( b 加表贴电子元器件组 成，并且h 卫的表面积和智能功率模块0 p m ) 相等，该产品的逆变器直接安装在电机机壳的 接线盒位置，由原直流电源供电，利用机壳散热，适用于铁路内燃机车：辅助风机以及由风力 提供电源的小型电动设备；e 海海事大学研发出了种将永磁同步电机与变频调速器合为一 体豹调速装置，变频调速器安装盔接线盒内或风机罩壳上井且调速操缴器可通过导线和交 频调速器远距离连接，或者漏速噪纵揣彰氦十算朝并通过互联网和变频调速器连接，该装置 结构紧凑，散热效果好，功率可达千瓦，应用范围广泛。 控制系统韵设计实i 上可以归结为两个问题：调节问题和跟踪问题。而调节问题可以当 作特殊的跟踪问题。尽管目前各种成熟的控制方法能够实现最大限度的信号跟踪，但是要实 现完全跟踪，将是个极大的挑战。迭代学习正是针对这个问题提出来的，它从不同的角度 构造控制律，能够克服些传统控制方法难以逾越的障碍。 迭代学习控制的榻念最早是由日本学者u c l y a m a 在篇有关机器a 肋嫜中提出的，到 了1 9 8 4 年，加i m 结合了u 出躅m 的慨念，针对视器人系统的特点，将迭代学习的研究思想 加以完善，建立了适用的算法，并用各种数学工具分析了算法的收敛性。自此，迭代学习控 制正式成为控带蛔倒闭涧忽视的课题，引起很多人的关注。 迭代学习控制的基本思想可以很清楚地从图1 3 中看出。将本周期的控镥信号与误差信息 相加，作为下_ 周期的控皋 h 言号，经过n 欢迭代使跟踪性能达揣的效果。其中y 为学习 增益，在迭代学习控制器的设计中，这个参数的选取相当重要，过大，则系统不稳定；过小， 则增加学习次数，降低系统的跟踪性能。 6 南京理工大学硕士学位论文一体化永碰同步电机驱动器设计 论文的主要工作是做永磁同步电机体化电机驱动器的方案设计，并设计静j 造体化电 机驱动器的硬件平台，完成硬件的功率部分及采样反馈部分的调试，完成d s p 程序的编写， 并对迭代学习控制算法真，与不加迭代学习控制的算法睦行比较。 本文的主要内容安排如下： 第二章承接第章内容，具体介绍永磁同步电机的特点、结构、数学模型及其控制策略， 并详细分析永磁同步电机转矩脉动产生的原因及解决办法，提出利用迭代学习控制抑帝嘴专矩 脉动的控制方案，并对系统进行仿真。 第三章做永磁同步电机体化电机驱动器的总体方案设计，这一章包括主要器件的选 型，系统电源方案的确定，体化设计的技术难点及解决思路。 第四章介绍体化电机驱动器的软硬件设计，具体虱恪个模块的设计，包括主要电路的 设计思路及其原理。 第五章主要是对系统的部分实验结果进行分析，并对全文工作进行总结。 南京理工大学硕士学位论文 一体化永磁同步电机驱动器设计 愿。悉二 图2 2 永磁体茁獭面的装置方式 a ) 凸出式b ) 插0 式 9 永磁同步电机及其控制系统仿真硕士论文 表面突出式是把永磁体贴在转子铣0 的外表面，永磁铲哇的磁翰翻孝转轴的径向。由 于永磁体的磁导率约等于空气磁导率，产生的空气气隙磁场接近矩形波，故这种转子属于隐 极转子结构，适用于矩形波无刷直流电动机。如果贴面的永磁体经过特殊处理，形状为中间 厚、两边逐渐交薄的抛物线形，气黯蝴便接近正弦波，可用于正弦波永蝴8 电动机。该 结构的转子匍谴工艺简单、匍鼯威蒯氐，不会产生磁阻转矩，遇到高速的情况下会产生很强 的离沏，需要加强永磁体的固定性r “。 ， 表面插入式是将永磁体嵌入转子表面的槽内。由于相邻的两个永磁徽问存磁导率很高 的铁磁材料，这种安装方式造成磁场的突极性，也称为突极转子结构。这种转子在高速运行 的情况下不必担0 离0 力过大，但为了加强规葳牢固也需要在永磁体外表面套e 非磁性套 筒，或包以无纬玻璃丝带。 永磁无刷电动机因无励蝴，无换向器、无电刷、无滑环，使其结构比叫懒的交 直流电动机简单，运行较为可靠、维护起来也比较简单。由于没有励磁# 辞巳功率在3 0 0 w 以下删害懈比同规格的用电流励磁的电机高1 0 。 2 3 2 永磁同步电机韵兹学楱墅 交流电饥是个非线形、强耨合的多变量系统。对于般三相交流电机，采用坐标变换， 将三相交流绕组等效为两相互相垂直的交流缪b 组，变换后系统部分变量之间得到部分织耦， 从而使得系绩汾析| 希控锘蝴简化j 捌。 本文使用的是正弦波电流控制的永磁同步电机，此种屯胡最常用的分析方法是d 口o 轴数 学模型，它不仅可用于分析正弦波永磁同步电机的稳态运行性能，还可用于分析电机的瞬态 性能。 为了得到简化的孙s m 数学模型，通常做如下假设 1 ) 忽略电机的磁路饱和、涡流和磁滞损耗； 2 ) 电机的电流为对称的三相正弦波，忽略气隙中的高次谐波； 3 ) 认为磁路是线性的； 4 ) 驱动开关管和续流：极管为理想元件； 5 ) 忽略齿槽、换向过程和制倒动丝事影响 对于同步电帆来说，矢量控制的目的是为了改善澍吲空锟性能，最终归结到对定子电流 的控制e 。由于定子上的各个物理量都是交流量，其空闻矢量以同步转速在空问旋转，对其 调节、控制和计算都不方便。因此需要通过坚臻夔抉，将各个物理量扶静i 丝竖标系转换到同 步旋转坐标系。从同步旋转坐标系观察，电机的各空间矢量都变成了静i e 矢量三相静止坐 标系下的定子电流数学模型如f 例： p v i s m 的数学模型由电压方程、碣镭亨程、转矩方程和柳械运动方程组成。 1 ) 电压方程 。 南京理工大学硕士学位论文 一体化永磁同步电机驱动器设计 电机在同步坐标系中的稳态电压方程如( 2 1 ) 式所示： 驴咫+ 厶等一q = b + 厶丢+ q ( 2 1 ) 其中，。分别为d ，q 礼e 的两相电医屯，分别为d ，q 靴揪两相电蕊b 为定子电阻厶，厶分别为崮花蝴娥电感，鸭为电角速度，致，分u 为j 魏弦 链和交轴磁链。两相同步旋转坐标系转换为三相静止坐标系需要做式( 2 2 ) 的交换， c o s 矽 s i n 0 ， c o s ( 口一吾力螂) c o s ( 口+ 争洲口弓力 辩 偿动 划 2 ) 碱捌防程 d ，q 轴的磁链方程为 虼2 地+ 蚴 ( 2 3 ) y = 1 1 q 一- - t ； 其中野为的磁链，为常数。可由野= 救，哆= ，是黼速 度，p 为同步电机的极对数，e o 为空载反电动势，其值为每相绕组反电动势的3 倍。 3 ) 转矩耀 由舻硼 。 i = 丢p 【一】 口4 ) 将式( 2 3 玳：入( 2 糯 t = 丢p ( 吩+ ( 岛一厶) 1 ：罢p 盼+ 昙p ( 厶一厶) 讥 一 式( 2 5 ) 的前面部分是定子电流和永磁南七生的转矩，称为永磁转矩。后面部分是转子 突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若乙= k ，则不存在磁阻转矩， 压虹 = 1j _。，l 永磁同步电机及其控制系统仿真硕士论文 t = 丢晰 ( 2 固 4 ) 柳蒯渤方程 t = 瓦+ b t o , + 口( o r ( 2 7 ) 其中瓦是负载转矩，曰是与转速成正比的摩擦及风阳力矩系数。 2 2 永磁恳步电机的转矩麟；h 分析 2 2 1 永磁桫电阳嗣日娲6 产璧的原匿产渊、嘲 永磁同步电动机广泛腔凋予机器k 机器工具以及其他高性能的工业伺服场合。然而主 要的缺点就是存在寄生转矩脉动。这种转矩脉动是由瞬时转矩随转子位置产生周期性变化引 起的。表现为周期性的转矩振荡，尤其是低速运行时。这转矩脉动严重限制了永磁同步电 机在高精度的跟踪嗍j 场合的性能。同时也会产生不期望的噪声对亏染。 以下是永磁同步电机产生转矩脉动的几个原因：齿槽、气隙瞰远自谐波、电流检澳炉生 的误差。 1 ) 齿槽转矩 齿槽转矩是永磁电机固有的特性，当电机三相绕组开路时，用手轻轻转动转子，会感觉 转子上有定的阻力，并且电机停止时转子会有些自然定位点，只有在外力作用下转子才 会改变位置，它是由转子永磁体产生的磁通与由于定子开槽产生的磁阻变化相互作用而引起 的，又称为定位转矩。齿槽转矩的存在往往会导致永磁同步电杌低速状态下的振动和噪声。 2 ) 谐波转矩 永磁同步电机中转矩脉动的另个主要原因是气隙磁通中出现的谐波，因此称这种转矩 脉动称为谐波转矩。孙l s m 理想的激磁电流是正弦波，然而由于制造结构的限制很难获得理 想的波形。当定子的正弦波产生的磁动势和转子永磁体产生的磁动势相互作用时，便会产生5 次、7 次、1 1 次”的谐波分量，在同步旋转坐标系中，相应的谐波为6 次、1 2 次，以及其他6 的 整数倍次谐波分量。如式( 2 8 ) 所示，谐波磁通可表示为 = 甄o + 虬6 c o s 6 绣+ 虬1 2 c o s l 2 a , + ( 2 8 ) 其中。为基波分量，。为6 次谐波分量，见是电角度。 。由( 2 6 ) 和( 2 8 ) 可以得出谐波转矩的表逆彝沩 1 乙= 三p ( o + 虬6 c o s 6 a , + 1 2 c 1 2 见+ ) ( 2 9 ) 二 3 ) 电流检溪9 产生的误差 由于电流检测中需要用到d 转换，而将定子电流转换到定的范围需经过比例和偏置的 南京理工大学硕士学位论文 一体化永磁同步电机驱动器设计 处理，在这过程当中不可避免地会产生误差，设经迂蝴8 以及坐标变换后的交轴电流与 实际值之间的误差为，这个所产生的转矩偏差量丁由式可以计算出。 1 l = 三p 辑i f 6 1 0 ) 定子三相电流实际值与检澳4 值的误差分别为屯、她和f c ，由坐标变换公式可以知 饵= 一言t 越s i n 包+ 馘( e l 掰) + 越( 只+ 1 2 0 。) 】 ( 2 1 1 ) j 将式暖1 1 玳入( 21 2 ) ，则电流误差引起的转矩量为 l = 叩竹【馘s i n o , + 她啦( 吃一1 2 0 。) + 越咖( 见+ 1 2 0 。) 】 ( 2 1 2 ) 2 2 j , 永磁恳步电即嘲圈精掘场潮渤影响 目前永磁同步电机大规模应用在电梯曳引机。缝纫机、洗衣机、游艇、潜艇的推进器以 及航空航天领域的“无轴承”电机等工业和国防项目上高性能的永磁同步电机控制系统 一般要求电机具有1 0 0 0 0 ：i 以上的宽口速范凰这就对电机舶低速性能提出了更高的要托 以电梯曳引机为例，由于漫郁毳速机构，电阢直j 妾带动曳引轮曳引电梯箱饲遥动，在各 种负载变化的条件f 电黼的任何微小变动都将影响电梯的稳定性。在洗衣机及缝纫机 中，低速时的转矩脉动将会产生比 欺的噪声，影响工作和生活环境。 2 2 3 永磁冠步电眈蟛圜瞻跏| g 抑制 由于永磁同步电棚在工业伺服场合的大规模应用，近年来，转矩脉动引起了人们越来越 多的重视。总的来说，转矩脉动抑制技术分两个方向：个是从电机本体的设计入手，如内 装= 娟蝴结构，采用俪d 气酣剁蓟蚴咏磁饷硼女磁场白勺= 铜”优化气懒波形，以 改善永磁电机的运行性能。另外个是致力于从控制方法e 来解决问题，通过控制方法调整 加在电机绕鲳匕的电压或电流来焱 电机本体和逆交器句雹僦的偏差，抑制转矩脉动。 从电机本体设计的角度来沈茕是敢进定子秭纾的材料、结构，把齿槽气隙引起的转矩 降到某范围， 嘶能消除齿槽的影响。另外，这也增加了设计釉鼯过程中的复杂度，增 加了电机成本。 国内外很多学者对使用新型控制方洼抑甫啭矩脉动这方面的工作做得比较多。文酬硎嘲 中提出了最早的方法，是使用预编程托方祛给定子激醢袍鞠毡的。然而这种方法需要精确的 电机参数，特别是转矩脉动的特性，小的误差或干扰在电机开环时就可以导致电机转飞。鉴 于前衡旆! 防祛固有的限书晰虫有人采用伢环自适应j 努瞪黜线计算转矩值。这实时控 翎方案既用于转速嘲于电流( 转矩) 环。在转磷惦案中通常用个转矩观测器计算 转矩值，转矩d 卿4 器的输入量仅仅是电机的电气参数名度量。在& 鳅口n 3 2 1 阅中介绍了 关于如何利用这些变量计算出实时转矩。另方面，这方法可以使不能被观测的转矩脉动 永磁同步电机及其控制系统仿真硕士论文 的各组成部分( 齿睹气隙及负载振荡) 变得可以利用电气参数从系统中计算出来。也可以选 择种宽频域的转矩变换技术来计算实时转矩，得到的转矩作为反馈信号用于控制系统，然 而这_ 方法却增加了驱动系统的成本。以e 提到的所有方法都是从调节定子激磁电流的角度 来寻辞嘲彰方案的，也就是很臻隗l 电流尽量接近理想的正弦波。另外剩叻怯，文科刈例 通过闭环速度调节器来间接地达到降f 瞄勃秘拗的目的。所有的转矩脉动韵绉威盛；分都由对 转子速度的观测得来，但是这方法有潜在的缺点，反馈的精度以及转速调节器的输出延时 会影响酷舞口空制的动态性能。 由以e 对永磁同步电朗，转矩髓勘的分析可蹦畏清楚地看到，永磁同步电机转矩昧动实际 上是在有限的时间e 呈现出的周期性脉动。迭代学习控制适合于具有某种重复运动的私j i 对 象。可实现有限时间区间上的完全跟踪任务。因此，将迭代学习控制引 到孙d s m 的控制当 中，理论上可以获得比较满意的控制效果。力删在实验的基础e 验汪了迭代学习控制方 法能够很好地抑铜砥d 鼢i 的转矩脉动。 z 姐迭f 弹习控翩弼魍翳鄹国2 眭分析 根据控制手段来分，迭代学习控制可以分为p 型、i 型、d 型和混合型学习。从反馈的 形式来分，可以分为开环和闭环学习控制。 d 型学习律是以输出误差的导数信号累加作为控制信号的，单纯的d 型学习律可调整的 参数只有学习增益项，当学习增益确定以后，学习律的跟踪性能和收敛速度也随之确定， 为了提高收敛运受，改善系统的跟踪性能，需要在学习律中增加可调的参数项。弼于正则系 统，只需要在学习律中用到输出误差本身。在实际系统营行：过程中，往往会引入些量测噪 声，这些噪声信号经过高阶导数运算后会变大，为了避免i 塞卜噪声，学习律中应尽量回避微 分项。因此采用p 型学习律，最简单的p 型学习律为 l ( f ) = o ) + l 气o ( 2 1 3 ) 式e p e , ( t ) 为输出误差，为学习增益矩阵。 若仅使用式伍1 3 ) ，则带来两个问题： 1 ) l 既是反馈增益又是学习增益，反馈的目的是保证时间轴收敛，学习的目的是保繇 统沿迭代轴收敛，但只有个可调参数； 2 ) 当系统存在有界扰动和初始状态偏移时，学 - j 控制系统会不隐老； f r x 垂口l l ：问愚本文采用p 型遗怎因予学习律，如式g 1 4 ) 峨。( 只) = ( 1 一却蚝( 幺) + r e , ( 皂) + 西( 芝) q 1 4 ) 增加系统参数顷来增繇统的可调性，引入遗忘因子口来消除干扰项，增强迭代学习的 鲁棒性。 南衷理工大学顼士学位论文 一体化永磁同步电机驱动嚣设计 l i e 算法的收敛性决定了该算法是否有效，只有迭代过程是收敛的，其算法才是合理的， 每次迭代的输出误差才会减小，系统的迭代输出才会逐步趋近于所要跟踪的期望轨迹。下面 以永磁同步电机的电流环模型来分析本文仿真过程中所使用的控制算法的收敛性。图2 3 为 聊d s m 迭代学习控制的系统结构框图。 在图2 3 中，将转矩期望值和转矩观测器得到的实际转矩值之差作为迭代学习控制器的 嚣i 入，面它的输出值则作为电流调节器自弱灏 媵，在 铲吟周期中，周期性地 补偿k - r e 。 ，最终使实际转矩跟踪兢鐾! 转矩，转矩脉动降到最低。 式( 2 1 5 ) 为该系统的学习律： h m ( 只) = o 一鲫啦( 只) + i 一( 已) + 中e 。l ( 芝)( 2 ，1 5 ) 其中芝为电机牟挝的电角度，芝【o ，2 石】；r 为开研学习增益，m 为闭环学习增益； 岛( 只) = ( 芝) 一乙( 2 ) ；f 为迭代戮i = o , l 2 。 将学习律结合图2 5 可以得到： 钙“l ( 见) = ( 1 一a ) a i , ( 包) + r e , ( ) + 耽+ 。( 芝) ( 2 a 6 ) 假设， ( 芝) = 吾p 纷= 芸p 玢( 毛。+ a ) ； j 乙( 芝) = 号p 蚧= 丢p ( + 缸) 5 则转矩的误差量为： 1 s 永磁同步电机及其控制系统仿真硕士论文 p ( 只) = r = 一l = 昙p 野( 一) ； 则第f 次迭代的转矩误差量岛为： 岛= 昙p ( 一戗，) ； 钙j 为第f 踟断瀚出的丰h ；| 量贝| j 第f + 1 凇玳的误差量为： = 丢肼吩( 一钙 ，) 令h = i 3 州r 则式( 2 1 7 ) 改写为： = 6 ( 一越朋) 将式( 2 1 6 ) 代入式( 21 9 ) ，褥： = b a i ：4 一【( 1 一0 + i + 币岛“】l = ( 1 - a o e l + b 弛i 畸一订e i b m e n 蛾2 2 0 ) ，将用与日相关的项和另常数项表示如式( 2 2 1 ) 卜口一盯幻岬 q n2 1 再矿岛+ 百亩 系统收敛。也就是要满足条件： 1 七i = 黼 0 。b f 0 ，帅) o ，0 a + b f 2 。 设常数项满足 蚓= 则有： 缸； i 岛。i = j 地+ 4 l i t ( 乜。+ 4 m + 1 4 忙2 e , - , l + l k 磊。i + 1 4 l s - l k “e o l + l k 磊| + i t “4 j + + k 如| + | 4 ( 2 1 7 ) 位1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 2 ) 南京理工大学硕士学位论文 一体化永磁同步电机驱动器设计 = h l + 可1 - 七i + i 珏 口捌 一当f 趋向髋虢川趋向于南七龇蝴速廖燃，川的极限值 也就越小。 如果缩小收敛条件， 岫一卅 j o r 孚， 不等式( 2 2 2 ) 同样满足，其中6 可由式( 2 1 8 ) 得到，遗忘因子口自噬取0 0 5 - 0 1 之间， 这样便可以得到r 的范围，r 越大，收敛速度就越快，因此要得到快的收敛速度，可选取 r ：三兰。闭环学习增益垂的选取不能太大，过大则会导致在延时存在情况下系统的不稳 宦。般选取西茎r 。 2s i m 【 l 埘k 工具箱简，p 3 5 1 1 3 6 1 分析了迭代学习控制算法的收敛性后，本节黝啪空常螵统故仿真分析。在做仿真之前， 先对m 蝴a b 的s i m u i , i n k 工具箱做个介绍。 计算胡仿真技术的发展为电力电子电路和系统分析提供了崭新的方法和极大的便利，它 可以使复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变锝更加容易和有效。m a i l a b 的 s i m u l i n k 是很有特色的仿真环境，在此环境中，用户可以用点击拖动鼠标的方式绘镪匍组 织系统的电路，并完成对系统电路的仿真。在m a a b 环境中，系统的函数和电路元器件 都用框图来表达，框图之间的连线则表示了信号流动的方向。对用户g i g , 只要学习图形界 面的使用方法和熟悉模型库的内容，就可以很方便地进行系统和电路的仿真。 系统仿真刚氟鲫沮肿p 也称工具箱) o l b 0 的，是m a t l a b 最早开发的，它包括 s i m u l i n k 仿真平台和系统仿真棱塑惭部分，主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的 系缀是2 0 世纪7 0 年代开发的连续系统仿真程序包的继续。 s m i 矾k 作为面向系统框图的仿真平台，具有以下特点： 1 ) 以调用模块代替程序的编写，模块连成的框图表示系统，点击模块就可以输入参数。 以框图表示的系统包括输入、输出和组成系统本身自勺= 奠毵 2 ) 完成系统框图，设置好仿真参数，即可开始仿真。m a t l a 8 会自动完成仿真系统的 初始化媳将系统框图转换为仿真的数学方程，建立仿真的数据结构，并计算系统在给定 激励下的日龟应。 1 7 永磁同步电机及其控制系统仿真 硕士论文 3 ) 系统运行的转台和结果可以通过波形或曲线观察，和实验室中使用示波器观察效果 几哥叫羊的。 4 ) 系统仿真的数据可以用m a t 为后缀的文件椠酶并且可以用其他数据处理软件进行 处理 5 ) 如果系统框图绘制不完整或仿真过程中出现计算不收敛的情况，系统会自动给出错 误信息，但是这信息有时候不定正确，这是软件还不够完备的地方。 6 ) 以框图形式对控制系统适 行仂真是s i m u i j n k 最早的功鹈后来在s d v n 琳k 的 基础上开发了数字信号处理、通信系统、模糊控制等1 0 种模型库，但是s i m u l i n k 的窗口 界面是其他工具箱共用的平台，在此平台上可以进行控制系统、电力系统、通信系统等各种 系统的仿真。 本文主要使用工具箱中的电力系缵裙型库，它包括以下七个子模块庠： 1 ) 电源模瑰率：电源模块痒包含了电路和电力系统中使用的交流直流电源，并且还有 两个受控源。 2 ) 电器元炸睛漱痒 电器元件模块库包含了各种常用的电器和电路元件模型，如开关、姗、电阻、电感 和电容等。其中电阻、电感和电容以串联和并联的结构形式给出。可以通过参数设置得到单 个的或者两、三个电阻、电感或电容的组合。 3 ) 电力电子元润书 够t 库：电力电子元僻书彰嫜包含了常用的晶闸管、可关断晶闸管、 电力厂效应晶体管、绝缘栅双极晶体管等模型，还有个多功能桥模块。 4 ) 电机模曳啭电阢懈提供了9 种直流电机、交流异步咆阢和同步电机的模型， 电机的参数单茁洧标幺值单位和嫡蕾割立滞蛹种。并且如果电黼负载转矩大于电磁转矩， 则电加工作于发电状态；反之，则电机工作于电动状态。电机模块库中还有励磁模块、汽轮 机和水轮c 兀模型，以便组成同步机系统使用。 5 ) 测量仪器禚 唠t 库：该模骢库中的楱；娴来测量电路中的电压、电流和阻损高! 参数。 包括电压测量漠努h 电流澳l 量揍孰阻抗测量模块和多路测量仪模块。 6 ) 连接僻模块图：电力系统模堤痒中棱澎翻弗鞠刳争莱要求，例如，两卟稿澎啪输出端 不能直接相连，需要使甩连接件才能连接，连接件馔劳撑则提供了组织电力电子仿真线路的 各种连接件。 7 ) 其他电气模块库：该模块库收录了没有包括在e 述6 个模型库中的其他电气元件模 型，使用这些模型可以使电力系统仿真的功能更加丰富。 篮1 3 永磁愚翻越咐翳捐溯濑型的建立 永磁同步电 兀 矢量控制系统的仿真系统采用双闭环结构：转速环由p i 调节器构成，电流 环分为交轴电流环和直轴电流环，本文的电流环调节器采胃h 和迭代两种调节器作为比较， 南京理工大学硕士学位论文 一体化永磁同步电机驱动器设计 下图给出电流研- 蝴p i 调节器的永磁同步电饥矢量控制系统仿真图。迭代学习控制的框图是 在图2 4 自q 基础匕在q 轴觎釉勺盲融个控帝! 鼹，完商斟算 去，其输出作为嘞锎节 器的盲扣页 偿。这里不蓐另给出使用迭代学习控燃为q 轴嘞髓嘞謇偿的系黝真框图 图7 _ 4 永磁同步电机矢量控制系统m 魍 b 仿真图 下面分陵央介绍永磁同步电机仿真系统： 1 ) 电机本体模块 在整个控制系统的仿真模型中，电机本俸隗央是最重要的部分，反映的是p m s m 电机舶 本质属性。该漠块可以直接从电饥模型库中拖出，在该仿真系统中，它的输入信号是a 、b 、 c 三相电匿瀚定的负载转矩，输出可以遴黼电流、交直轴电压、交直轴电流、耄城角 速度、转子位置等量。 2 ) a 耐d q 变换漠块的作用是实现电流量从三相静止坐标系向旋转坐标系的转换，其关系由 变换方程式( 2 卸实现。 永磁同步电机及其控制系统仿真硕士论文 c o s ( o - ：2 力 j s i n ( o 一：2 力 j 3 ) 电流调节器模块 ( 黝m 图2 6 电流调节嚣 本文采用屯= o 控制方案，电流调节器的作用是使d 轴电流为零以及使q 轴电流跟踪转 遗啄的输出。下面以q 轴电扫l c i 局节器为例介绍电溯的计算： 电流环的简化模型如图2 , 7 所示： 厂 ：二一l 旦r7 l ! ! 三! j t r a r h # e r f t r a n 对erf o r t l ， 。 ；。 一， 其中置。为逆变器的放大倍数，五为逆变器的延时，r 为电枢电阻，互为等效的定子绕 组时间常数9 口刀。各参数分别如下： 电枢电阻： 逆变翮既啪擞墨： 逆变黝正； 2 8 7 5 0 h m ； 1 6 5 ： 1 矿s ： 等效的定子绕组时间常数正：2 7 8 e 。s ；- 。 根据“习介最佳”电流调节器的习懿此疗法，得到巧= o 2 墨= 8 0 4 ) 转速调节器模块 图2 5 转述凋节器 嘲汐争 一 删 刚 锄 _。，。l 2 3 = 1j k0-l 南京理工大学硕士学位论文 一体化永磁同步电机驱动器设计 转速调节器和电流调节器样，都是h 型调节器。转速环作为外环，它的输入量是电角 速度的误差，输出量作