（控制科学与工程专业论文）矢量控制永磁同步电机伺服系统的研究.pdf

武汉理工大学硕七学位论文 摘要 电动机是电力传动机构的核心，是工业控制系统中非常重要的组成部分。 永磁同步电动机具有结构简单、高效率、高功率密度等特点，结合先进的控制 算法和处理芯片，永磁同步电动机伺服系统在许多领域得到广泛应用。 首先，本文分析了永磁同步电动机的结构及特点，研究了永磁同步电动机 的磁路参数，为建立永磁同步电动机的数学模型及进一步的控制方法打好了基 础。在永磁同步电动机数学模型的基础上，结合矢量控制算法，介绍了矢量控 制系统的实现方法，对各种控制方式做了深入的分析。 永磁同步电动机矢量控制的基础是对电磁转矩的控制，而对电磁转矩的控 制的基础是对电流的控制。本文对伺服控制系统的三个基本组成环节即：电流 环、速度环和位置环，分别研究了各个环节的控制方法及实现。针对电流环使 用了矢量控制的方法；针对速度环，介绍了一种混合式控制方法，实验表明该 方法控制精度和速度基本满足伺服系统控制的要求。 然后，本文对永磁同步电动机转子初始位置的检测方法和起动方法做了深 入研究。首先，介绍了几种检测永磁同步电动机转子位置的方法，介绍了旋变 磁场和微小位移两种方法。测试每个方法的得出的结果表明，以上方法都能满 足电动机启动的精度要求。然后，介绍了编码器u v w 起动和转子定位起动两种 永磁同步电动机起动方法，实验表明，两种起动方式能满足伺服系统大多数情 况的启动要求。 最后，介绍了永磁同步电动机矢量控制系统的硬件电路和软件设计。本系 统的硬件电路是以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 微处理芯片为核心，由驱动模块、 a d 模块、保护模块及接口模块组成。最后给出了系统的电路图，分析了电路各 个部分的组成和控制算法的编程实现。在实际的电流采样结果下给出了 m a t l a b 仿真模型，系统实际控制效果基本达到预期目标。 关键词：永磁同步电动机，伺服系统，矢量控制，s v p w m ，初始位置，d s p 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o t o ri si m p o r t a n ti l lt h ee l e c t r i cd r i v e rf i e l d ，i sav e r yi m p o r t a n tp a r ti nt h e i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m 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 ( p m s m ) h a v e s o m ea d v a n t a g ec h a r a c t e r i s t i c s ：s i m p l es t r u c t u r e ，h i 曲e f f i c i e n c y , h i 曲p o w e rd e n s i t y , c o m b i n e dw i t ht h ea d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m sa n dp r o c e s s i n gc h i p ，p m s ms e r v o s y s t e ma p p l i e di nm a n yf i e l d s f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r ea n dt h ef e a t u r e so fp m s m ，s t u d y o nt h e p m s m sm a g n e t i cp a r a m e t e r sf o rm a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ef u r t h e rc o n t r o lm e t h o d b a s eo nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mc o m b i n a t i o no fv e c t o rc o n t r o l ，p r e s e n tt h e i m p l e m e n tm e t h o do ft h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e m ，a n da n a l y s i st h eo t h e rv a r i o u sc o n t r o l m e t h o d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ec o n t r o la c c u r a c ya n dv e l o c i t yh a sr e a c h e dt h e s e r v oc o n t r o ls y s t e m sr e q u i r e m e n t s v e c t o r - c o n t r o l l e dp m s m s y s t e mi sb a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ec o n t r o l ， a n dc o n t r o lo fe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ei sb a s e do nt h ec u r r e n tc o n t r 0 1 t h i sa r t i c l e s t u d yo nt h et h r e eb a s i cc o m p o n e n t so ft h es e l v oc o n t r o ls y s t e m ，t h et h r e eb a s i c c o m p o n e n t sa r e c u r r e n tl o o p ，v e l o c i t yl o o pa n dp o s i t i o nl o o p o nt h ec u r r e n tl o o p u s et h ev e c t o rc o n t r o l ，诚t hs p e e dp r o p o s e dh y b r i dc o n t r o lm e t h o d s t h e n ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ei n i t i a lr o t o rp o s i t i o nd e t e c ta n ds e l f - s t a r tm e t h o d f i r s t l y , i n t r o d u c e ss e v e r a ld e t e c t i n gm e t h o d so ft h ep m s m sr o t o rp o s i t i o n ，p r e s e n t r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l da n dm i c r o d i s p l a c e m e n tm e t h o d s t e s tr e s u l t so f e a c hm e t h o d s h o w e dt h a tt h e s em e t h o d sc a l ls a t i s f yt h ep r e c i s i o no fm o t o rs t a r t i n gr e q u i r e m e n t s t h e n ，i n t r o d u c e st h eu v ws e l f - s t a r tm e t h o da n dr o t o rp o s i t i o ns t a r t ，e x p e r i m e n t s s h o w e dt h a tt h et w os e l f - s t a r tm e t h o d sr e a c h e dt h em o s t l ys e r v oc o n t r o ls y s t e m s r e q u i r e m e n t s f i n a l l y , i n t r o d u c et h ev e c t o r - c o n t r o l l e dp m s ms y s t e m sh a r d w a r ea n ds o r w a r e d e s i g n t h es y s t e mh a r d w a r ei sb a s e do nt i st m s 3 2 0 f 2 8 0 8m i c r o p r o c e s s o r , i n c l u d e d r i v em o d u l e ，a dm o d u l e ，p r o t e c tm o d u l ea n di n t e r f a c em o d u l e f i n a l l y , p r e s e n tt h e c i r c u i to ft h es y s t e m ，a n da n a l y s i st h ec o m p o n e n to ft h ec i r c u i t ，a n dd e s i g no ft h e c o n t r o la l g o r i t h mc i r c u i ta n a l y s i s g i v e nt h ea c t u a lr e s u l t so fc u r r e n ts a m p l i n gt ot h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 m a t l a bs i m u l a t i o nm o d e l ，a n dt h ec o n t r o le f f e c th a sr e a c h e dt h ea n t i c i p a t i o n k e y w o r d s ：p m s m ，s e l v os y s t e m s ，v e c t o rc o n t r o l ，s v p w m ，i n i t i a lp o s i t i o n ，d s p i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：耻日期幽! ! 羔：_ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师( 签名) ：玉：坠日期：五出7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 第1 章绪论 2 0 世纪是电机控制技术从诞生到飞速发展的时期，从电力电子变频技术的 诞生到矢量控制技术和直接转矩控制再到自适应控制( m r a c ) 、变结构控制 ( v s c ) 和自调整控制( s t l ) 等先进的控制技术，电机控制性能得到了飞速的 发展。从2 0 年代交流变频调速理论的诞生，到9 0 年代电机控制理论已经发展 的非常成熟，其中在伺服控制领域，以矢量控制技术应用的最为普遍。 进入2 0 世纪9 0 年代，由于新型电力电子器件如i g b t ( 绝缘栅双极晶体管， i n s o l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 等逆变器的出现、微处理器性能的大幅提高 ( d s p 的出现、如从8 位机发展到3 2 位机) 和芯片体积的减小，以及很多先进 控制算法的提出和实现，使永磁同步电机伺服控制系统的性能得到了极大的提 高，使伺服系统在速度控制精度、调速范围、位置控制精度、动态响应特性等 方面全面优于其他控制系统1 2 】。 在电力电子系统中，对伺服系统的定义是能快速准确的完成给定的速度和 位置控制，并有极强的驱动能力和抗干扰能力。在2 0 时间6 0 年代前，伺服系 统用步进电机做驱动机构。步进电机运行精度很高，在高细分下能满足大部分 系统对精度的要求。如一两相的步进电机，每转分2 0 0 步，如做每步5 0 细分的 话就能达到每转1 0 0 0 0 细分，这样精度就能达到很高。但是，当时的步进伺服 都没加反馈系统，当步进失步和卡死时不能得到实时的控制，由于步进电机特 性的原因，很难将步进电机做到高速而又保持一定的扭矩。 到了6 0 年达后期是直流伺服诞生的飞速发展的时期，直流电动机和伺服系 统因为其结构和控制简单和性能优良等特点得到了飞速的发展【2 j 。这段时期，在 伺服系统中也加入了速度和位置反馈装置，使伺服性能进一步提升。 到了上世纪8 0 年代，高性能永磁材料的出现( 钕铁硼) ，使基于交流伺服 系统的出现成为可能，这些年来，随着永磁材料性能的飞速提高，永磁同步电 动机的性能得到飞速的发展，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、 能量损耗小、等优点( 我国稀土资源非常丰富，是永磁材料生产大国) l lj 。在伺 服系统中，永磁同步电动机已获得了极其广泛的应用，永磁同步电动机的性能 武汉理工大学硕士学位论文 完全能满足伺服控制的需要。相比直流伺服，基于永磁同步电动机不需要机械 换向装置，电机的换向做n # i - 部控制，而且电机的负载能力和调速能力都优于 直流电动机，所以到目前，永磁同步电机伺服控制系统已基本取代了直流伺服 系统。 这些年来，随着微电子技术、电力电子技术、稀土永磁材料和电动机控制 理论的发展，交流伺服控制技术有了飞速的发展。伺服控制系统在自动控制和 生产控制领域占有非常重要的地位，其发展水平是工业自动化水平的主要标志 之一，是工业控制系统中非常重要的组成部分。 伺服系统的控制指令由计算机、p l c 或专用控制卡发出( 控制伺服驱动器 的指令都是脉冲和电平指令) 伺服控制系统再针对相应的指令来完成控制过程 驱动机械部分完成加工。如数控加工系统、进给伺服驱动系统和精雕系统等等。 在数控加工系统中，由数控加工系统发出控制指令，伺服系统准确而且快速地 完成进给动作，实现对工件的高精度加工；在精雕系统中，伺服系统能准确而 迅速的完成系统的位冕控制。伺服系统的性能是零件加工精度的关键，一个高 性能数控系统只有配置与之相适应的高性能伺服系统，才能达到整个数控系统 的加工精度和性能。因此，研究和开发高性能的伺服系统是现代伺服传动和工 业自动化的关键所在。 本课题是在上海卡贝电气有限公司已有的项目基础上完成的。 1 2 国内外发展现状 因为在电网电压下同步电动机不能自行起动运行，所以在伺服控制方法 出现以前，在交流调速场合很少用到同步电动机。 针对同步电动机的非线性、强耦合和多变量等特点，要实现其高性能的 调速控制，得到优异的动态响应特性，国内外大量学者进行了很长时间的研 究工作，取得了很多的研究成果。七十年代提出的矢量控制技术，对以后电 动机控制产生了深远的影响。八十年代至今，各种相关技术在各国大力发展下 得到了飞速的发展，永磁同步电动机的矢量控制系统的研究成果不断出现和实 现，为高性能永磁同步电动机伺服系统的应用奠定了理论基础1 4 】。 g r s l e m o n 等人针对调速系统反应的快速性能、动态响应性能和低功耗 的要求，提出了现代永磁同步电动机的设计方法，满足了伺服系统对高性能 2 武汉理工大学硕士学位论文 现代永磁同步电动机的要求。随着高速微处理芯片技术，特别是d s p 技术的飞 速发展，为新型控制理论和方法的实现提供了现实基础。 d s p 以及f p g a 的应用，使全数字的伺服系统成为可能。高性能处理芯片 的使用极大的简化了伺服系统的结构，提高了系统性能，并能快速完成极为复 杂的控制算法，各种算法在以前都是无法实现的，高性能算法的的应用显著提 高了永磁同步伺服系统的性能，并可以丰富伺服系统的外围接口，在工业应用 中更为实时和系统化。目前永磁同步电动机伺服系统的研究方向主要包含下面 几个方面。 ( 1 ) 基于电动机模型的现代控制方法 矢量控制技术( 矢量变换控制) 是一种高性能的电动机控制技术。最初由 德国的k h a s s e 博士在1 9 6 8 年提出来，德国西门子公司的f b l a s c h k e ，在1 9 7 1 年将此概念研究成系统的控制理论【4 j 。 矢量控制的提出使电动机的控制产生了质的飞跃，使电动机的控制动态性 能得到了极大的提高。矢量控制的出发点是参照直流电动机的控制方式来控制 交流电动机，以磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向采用坐标变换的方法实 现解耦交流电动机的磁通与转矩。然而，矢量控制技术依赖于电动机的参数和 模型，电动机的转子电阻在电动机运行过程中由于肌肤效应，和温度的升高， 在电机模型中是一个慢时变的参数，而且也不可能测量温度和电阻的变化，在 以电动机为模型的矢量控制中将使矢量控制效果大幅降低。矢量控制技术还要 知道转子的位置，才能进行矢量坐标变换，现在电动机伺服系统都在电动机后 加编码器来实现对定子位置的检测，在运行中也对控制性能产生很大的影响。 所以矢量控制在很多情况下会出现与理论不符合的情况。 直接转矩控制理论是继矢量控制技术之后出现的又一个新型的高性能控制 技术，是在1 9 8 5 年由德国的d e p e n b r o c k 教授提出来的。其直接在电动机的定子 坐标系下计算并分析电动机的数学模型，不用解耦电流而直接采用定子磁场定 向，直接控制电动机的磁链和转矩，借助于离散的两点式调节产生p w m 控制信 号，能获得极高的控制性能。与矢量控制技术相比，直接转矩控制理论对电动 机的参数不敏感，不受转子电阻和其他参数变化的影响，控制手段简单且直接， 去掉了复杂的矢量变换并对电动机模型进行了简化处理。但是由于b a n g b a n g 控制的引入，在电动机低速运行时存在很大的转矩脉动，如要解决这个问题需 要加入电流模型和其他参数，使其控制参数和矢量控制一样多。所以，在很多 武汉理工大学硕士学位论文 实际运用中，在很少应用低速的场合直接转矩控制能达到很好的控制效果。在 转矩转矩产品应用上，国外的a b b 公司目前处于领先地位。 针对以上两种控制理论的不足，很多学者将现代控制理论引入电动机控制 领域，自适应控制技术、自适应观测器、龙贝格观测器、卡尔曼滤波等辨识技 术也能很好的实现对由于电动机在运行过程中其参数的变化进行控制，提高电 动机控制系统的性能与可靠性，在很多控制领域也得到了很广泛的应用。 ( 2 ) 智能控制 智能控制，即为能仿照人的知识、思维进行控制的方法。因为受控对象的 日益复杂，经典控制理论和现代控制理论这些基于数学模型的控制方法都很难 达到满意的控制效果，所以就产生了智能控制技术。智能控制有人工智能、专 家系统和神经网络等等。永磁同步电动机本身是个非线性多变的被控对象，电 机本身的参数( 转子电阻) 会在不同情况下变化，加上负载的多边性的因素， 使得控制性能不能得到保障。也就是说控制系统的鲁棒性太差。智能控制所具 有的非线性、变结构和自寻优等特点，正好针对永磁同步电动机控制中的缺点， 可以很好的克服参数非线性和外部干扰等问题。 智能控制的引入能很好的提高系统的鲁棒性，智能控制将是未来伺服系统 的发展方向，但是智能控制得到的实用结论还是十分有限的。 ( 3 ) 无传感器控制的研究 矢量控制是在知道电动机转子位置的情况下才能实现的，而且交流伺服系 统要实现速度和位置的精确闭环控制，也需要知道转子的运行情况，这些都需 要传感器的反馈，一般都是在电机后面加上编码器等位置传感器。 近年来，速度传感器的安装和维护等问题影响了伺服控制系统的可靠性和 经济型等问题，所以无传感器控制的研究越来越受到人们的重视。无位置传感 器控制的关键是如何获得转子的位置。获得转子位置的方法有直接计算、参数 辨识等手段，根据电动机的定子电压和电流计算与速度和位置有关的量。电动 机转子的速度和位置估算的精度是决定伺服系统性能的关键因素，是无速度传 感器技术的关键也是目前国内外研究的焦点。 从八十年代至今，国外特别是日本的些著名的公司，如德国的西门子， 美国的a e 公司，日本的安川、f a n u c 、松下、富士通等陆续推出自己的交流 伺服驱动器，涵盖伺服驱动的各个领域，伺服驱动领域基本被国外公司控制。 同时，国内的华中科技大学、中科院沈阳自动化研究所等单位开始研究并推出 4 武汉理工大学硕士学位论文 交流伺服系统，创造了我国自主知识产权的伺服系统。但总的说来我国伺服控 制器的研发还属于起步阶段，与国外的先进技术和产品还有不小的差距。 1 3 研究的内容 ( 1 ) 永磁同步电动机的结构及磁路参数分析。 ( 2 )永磁同步电动机的数学模型和矢量控制研究及实现。 ( 3 )永磁同步电动机的矢量控制系统电流环，速度环的控制方法。 ( 4 )永磁同步电动机的初始位置检测和启动方法。 ( 5 )基于t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 设计出完整的控制系统。完 成硬件和软件设计，和基于实际电流信息的m a t l a b 仿真实现。 ( 6 )设计一个小功率、性价比高的永磁同步驱动器。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章永磁同步电动机结构及参数分析 2 1 永磁同步电动机的特点 永磁同步电动机的转子结构差别很大，但因为稀土材料的应用，永磁同步 电动机具有很多其它电动机所不具备的特点。永磁同步电动机具有的特点有如 下几点： ( 1 )功率因数高。与感应电动机相比，永磁同步电动机不需要通过定子 电流来励磁，所以永磁同步电动机的功率因数相对其他电动机是很高的，继而 因能耗的降低，不需要像风扇等其他散热器件。在2 5 1 2 0 额定负载范围内， 永磁同步电动机也可保持高的效率和功率因数。 ( 2 )体积小、重量轻，结构多样。到目前，永磁材料的性能已经得到非 常大的提高，而且新的高性能材料也在不断出现。由于高性能永磁体的应用， 使单位体积的电动机能达到更大的功率密度。永磁同步电动机由于其转子结构 可塑性很高，可生产满足各种需求的电动机类型，使永磁同步电动机的应用极 其广泛。 ( 3 )可靠性高。永磁同步电动机与直流电动机和电励磁同步电动机相比 没有集电环和电刷等换向装置，减少了机械和电气损耗，不会因为换向装置的 故障产生不可预知的错误，所以运行可靠行极高；同时永磁同步电动机具有极 宽的调速范围和较强的过载能力。并且永磁同步电动机的最大转矩可以达到额 定转矩的3 倍以上，能更好的稳定运行在对负载转矩变化较大的工作环境下。 ( 4 )当然，永磁同步电动机因为使用材料和结构原因也有其缺点。其缺 点是失去了励磁调节的灵活性和退磁效应。永磁体磁场产生转子磁场，由于钕 铁硼永磁材料的温度系数较高，会造成其热稳定性较差等缺点。 2 2 永磁同步电动机的结构 永磁电动机在结构上分为无刷直流电动机和永磁同步电动机两类，两种电 动机的区别很大。永磁同步电动机按各种分类方式不同，有不同的分类方法： 6 武汉理工大学硕士学位论文 按磁场方向划分，有径向和轴向磁场转子结构；按定、转子的内外关系：可分 为外转子结构和内转子结构；按转子结构而言，又可分为表面式( 面贴式) ，内 置式和爪极式。 2 2 1 内置式转子结构 在内置式转子结构中，在永磁体的表面是由磁材料制成的极靴，在极靴中 能放置铜条，继而能提高电动机的动稳态性能。其缺点是与表面式转子结构相 比，其漏磁系数较大。内置式转子结构的永磁电动机主要应用于自起动永磁同 步电动机。 按永磁体的充磁方向的不同，内置式转子结构又可分为径向式、切向式和 混合式三种，三种结构特点分别如下： ( 1 ) 切向式 在切向式转子磁路结构中，永磁体的磁化方向与气隙磁通的轴线基本垂直， 而且永磁体并联激磁，由两个永磁体截面提供磁通，可提高气隙磁密，所以极 数越多气隙磁密的增长更为明显。图2 1 为内嚣切向式转子结构图。 l 转轴2 永磁体3 空气隔磁槽 图2 1 内置切向式转子结构图 在电动机处于高速运行时，切向式转子磁路结构的永磁电动机的永磁体表 面将要承受很大的离心力，所以永磁体的固定非常重要，而且永磁铁固定有非 常复杂，因此对其机械结构的要求较高，制造也相对复杂，必须增加额外的固 定机构部件，所以切向式磁路结构形式制造成本也相对较高。 ( 2 ) 径向式 径向式转子磁路结构较切向式结构漏磁系数小，因为其永磁体的磁化方向 与气隙磁通的轴线一致且离气隙较近。但其气隙磁密相对较低，因为在一对极 7 武汉理工大学硕士学位论文 磁路中，有两个永磁体提供磁动势但仅有一个永磁体截面提供每极磁通。径向 式转子磁路结构的优点是漏磁系数相对较小，在转轴上不需隔磁措施，极弧系 数可设计非常合理，转子冲片机械强度高、永磁体易于固定等。图2 2 为内置径 向式转子磁路结构图。 l 转轴2 空气隔磁槽3 永磁体4 转子导条 图2 2 内置径向式转子磁路结构图 ( 3 ) 混合式 混合式转子磁路结构集中了径向式转子磁路结构与切向式转子磁路结构的 优点，但结构较为复杂，制造成本最高。图2 3 为内置混合式转子磁路结构图。 3 1 转轴2 空气隔磁槽 3 永磁体 图2 3 内置混合式转子磁路结构图 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 表面式转子结构 在表面式( 面贴式) 转子结构中，永磁体被安装在转子铁心的外表面。永 磁体提供的磁通的方向为径向。对于性能要求很高，转速相对较低的工作环境， 主要应用表面式转子结构的永磁同步电动机。表面式转子结构又分为凸出式和 插入式两种，如图2 4 所示。表面凸出式的转子结构，属于同步电动机中的隐极 式结构，表面插入式的转子结构属于凸极转子结构。 对于表面凸出式转子结构电动机，因为磁极的设计可塑性很大，能将电动 机的气隙磁通密度的分布更接近于正弦，所以表面凸出式转子结构电动机的性 能可以做的很好。而对于表面插入式转子结构，因为结构原因，其制造成本相 比凸出式转子结构要大。但是因为其功率密度相对较高，动态性能比凸出式转 子结构要好。 1 3 凸出式插入式 l 永磁体2 转子铁芯3 转轴 图2 - 4 表面式转子结构图 2 3 永磁同步电动机磁路分析 3 在永磁同步伺服系统中，对电动机的要求非常高，虽然伺服系统的控制都 是基于矢量控制的，但是当控制性能要求进一步提高的时候，最重要的是对电 动机特性的了解。国际上很多知名公司的伺服系统，都是推荐用本公司自己的 电动机的，所以对电动机特性和磁路的分析，在伺服控制的高性能要求中非常 的重要。本论文虽然只介绍电动机的矢量控制，对更深入的电动机磁路方面的 控制方法等不做介绍，但是在本节还是重点介绍了电动机的磁路设计和分析。 9 武汉理1 。大学硕士学位论立 2 3 1 永磁电动机的等效磁路 对电动机电磁分析和设计。都是为了建立具有高度概括性的磁场数学模型。 磁场数学模型的建立。主要是分清影响磁通的主次要因素，明确磁通流向概 括主要的因素建立起电动机的电磁的数学模型。其中以场化路是应用多年并经 过考验的非常实用的分析方法。 永磁同步电动机的主磁路由磁源、导磁材料和气隙组成，具体可细分为： 永磁体、转子轭、气隙、定子齿和定子轭，永磁同步电动机的磁路如图2 - 5 所示。 固2 s 永磁电动机的磁路图 ( 1 ) 永磁体的等效磁路 在均匀的磁性材料中，磁感应强度b 、磁化强度m 和磁场强度h 之间的关 系式为： b = 地肘+ 日 ( 2 1 ) 永碰体材科的磁化强度为： m=j+zh(2-2) 在式2 - 2 中m 为剩余磁化强度( 对于永磁体材料它是个常量) 。z 为永磁体 材料的磁化系数，z 与相对回复磁导率间的关系式为一= l + z 。由此可得： b = 肌( i + z h ) + 风何= m + ”肺日 ( 2 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 永磁体退磁曲线图 稀土永磁材料的典型退磁曲线如图2 - 6 所示。为了方便分析，在o 以范 围内，引入一条虚拟内禀曲线，其在0 致范围内为尽= 毋= 硒鸠的一条水 平直线【1 1 。 将b = 厂( 日) 曲线的横坐标乘以每对极磁路中永磁体的磁化方向长度，纵坐 标乘以永磁体提供的每极磁通面积，则可把b - - 厂( h ) 曲线传换为= 厂( f ) 曲 线，即： f 地x 1 0 - 4 = b a , , , x 1 0 - 4 - 4 础1 矿 1么= 睥一a , o q 削 其中： 4 一永磁体提供每极磁通的载面积( c m ) 5 所一永磁体向外磁路提供的每极总磁通( w b ) ，朋= 地1 0 _ 4 ； ，一永磁体虚拟内禀磁通( w b ) ( 对于给定性能及尺寸的永磁体，它是一 个常数) ，痧= 耳以1 0 q ； o 一永磁体的虚拟内漏磁通( w b ) ； 。= g , p o h a , 1 0 - 4 = 掣1 0 _ 2 月碜坳l o 一= 人。c ( 2 - 5 ) r i m , , 式中人。一永磁体的内磁导( h ) ( 对于给定性能及尺寸的永磁体，它是一个常 数) ： a 。= 掣丛1 0 之 ( 2 - 6 ) h m p 一每对极磁路中永磁体的磁化方向长度( c m ) ； 一每对极磁路中永磁体两端向外磁路提供的磁动势( a ) ， c = 剧k 1 0 。 武汉理工大学硕士学位论文 【a )c o ) 图2 7 永磁体等效磁路图 通过以上运算，如图2 7 ( a ) 所示：永磁体就等效成一个恒磁通源西，与一 个恒定的内磁导人。相并联的磁通源，这样就简化了磁路的计算。同时将磁路中 的磁通源也等效变换成磁动势源，如图2 7 ( b ) 所示。 m e = c 一 ( 2 7 ) o c = 致l o 以 ( 2 - 8 ) ( 2 ) 外磁路的等效磁路 永磁体向外磁路所提供的总磁通m 小可分为两部分，分别称为漏磁路和主磁 路，如下图2 8 所示。一部分不与电枢绕组匝链，称为漏磁通q ；另一部分与 电枢绕组匝链，称为主磁通占，即每极气隙磁通。 图2 - 8 外磁路等效磁路图 2 3 2 等效磁路的计算方法 ( 1 ) 解析法 解析法计算相对简单，应用计算机求解是非常方便的，特别在使用退磁曲 线为直线和磁路饱和程度不高时计算较为精准。如图2 - 9 所示，是把永磁体的等 效磁路与外磁路相结合起来得到的永磁电动机的磁路，上图表示磁动势源，下 图表示磁通源等效模型。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 土，性与 l _ 引a o 1 人o f 疋 图2 9 永磁电动机的等效磁路图 在磁路数学模型的建立中，都是将磁路的非线性因素线性化处理的，但是 作为一个非线性系统，对于非线性情况如当磁路相对饱和时，需利用迭代法求 解。当磁路的饱和程度不高时，可进行近似线性化处理。 ( 2 ) 图解法 在实际工程计算中在应用解析法计算磁路的同时，还要采用图解法来完成 补充分析。图解法是分析永磁体的运行时的工作图，找到工作点与拐点间的关 系，主要是用来求回复线与合成磁导线的交点，如图2 1 0 所示。 主磁路和漏磁路总的磁化特性，在以上的分析中可知是在空载的情况下外 磁路的曲线丸= 厂( l ) 反映的( 也可表示成a 打= 厂( 丸) ，也称为合成磁导线) 。 永磁体作为磁源提供疙和巴，回复线决定了唬和巴的关系。 f 图2 1 0 空载等效磁路图解法 使用图解法作图步骤如下： 1 ) 在矽一f 坐标中画出永磁体的回复线及其延长线以； 2 ) 再根据磁路的结构形式及磁路的饱和程度，硒出主磁导线人占= 厂( 丸) ， 武汉理工大学硕士学位论文 即主磁路的磁化特性曲线九= ( 乏：f ) 。并考虑漏磁通的具体情况，画出漏磁导 线a 口= ( 九) ，即漏磁路的磁化特性曲线力= ( f ) ； 3 ) 最后将二条磁导线沿纵轴方向相加，得到合成磁导线人甩= ( 九) ，即 外磁路合成磁化特性曲线九= 厂( ，) 它与回复线的交点即为空载时永磁体的 工作点a 。 纵坐标为永磁体所提供的磁通，即为外磁路的合成磁化特性曲线 九= 厂( ，) ，它与回复线的交点即为空载时永磁体的工作点a 。其横坐标表示 永磁体所提供的磁动势，a 点做的垂线与和人。线的交点分别表示空载主 磁通九。和空载漏磁通丸。 2 4 永磁电动机的电磁场数值计算 2 4 1 电磁场数值计算 对电动机的分析技术方法有很多种，这些年来随着电子计算机的发展，电 动机的设计和数值分析精度越来越高。电磁场的数值分析方法有积分方程法、 有限差分法、有限元法等，其中应用最为广泛的是有限元法。电磁场数值计算 主要是考虑磁场的分布特性，来求取电动机的饱和磁路参数，并修正磁路计算 的不足。以下介绍有限元法。 2 4 2 有限元算法 ( 1 ) 麦克斯维方程组 麦克斯韦方程组可以非常简洁地用来表示宏观电磁现象的基本规律。麦克 斯韦方程组的基本变量分为四个场向量：电场强度e ( v m ) 、磁感应强度b ( t ) 、 电位移向量d ( c m 2 ) 和磁场强度h ( a m ) ，四个场向量可以表示为： v h ：，+ 8 d 6 t v e = 一等 ( 2 - 9 ) 研 、z y v d = p v 曰= 0 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 其中： d = 8 ej = t r eb = a h( 2 1 0 ) 麦克斯韦方程组适用于稳定的电场和磁场、似稳电磁场和高频交变电磁场 等不同情况下。场强都不随时间变化即为稳定电场和稳定磁场。满足似稳条件 的场强随时间的变化“充分慢”的情况即为似稳电磁场，电磁波传播所需要的时间 内，场源强度的变化极其微小，和稳定情况类似，即从场源到观察点间的距离 比波长要短得多，从而与传导电流相比位移电流可以忽略不计，式2 1 0 可改写 为： v d = o 竽= o ( 2 - f 弧肌， v xe = 一罢( 2 - 1 2 ) la 【 v 召= o 由此得到似稳场方程( 由于在一般情况下电动机的工作频率较低，所以满 足似稳场的要求) 。 为求解以上方程组，代入磁矢位彳，b = v a ，并将库仑规范代入似稳场 方程，v a = 0 此时可得： h - - - y b = v vxa ( 2 1 3 ) v ( 刃a ) = j ( 2 1 4 ) 其中磁矢位满足向量的泊松方程( p o s s i o n ) 方程，泊松方程在三维电磁场 分析中如下式所示： v a = i j k aaa 魂a ta t 444 = c 等一警nc 警一o x 川娑o t 一娑o y ，后( 2 小)卯眩 院 拿o yc y 警d x ，一杀c y 警，一昙c y 警o z ，+ 昙c y = 以砂砂 弦彩出 昙c y 等，一鲁c y 警，一昙c y 訾，+ 昙c y 等，= 以 昙p 警，一昙d 警，一参c y 等，+ 导c y 警，= 也 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 泊松方程在二维电磁场分析中有下式： 旦丝) + 旦丝) = 一， ( 2 1 9 ) 瓠? 瓠j 却? a z ( 2 ) 有限元法 有限元法是根据变分原理和剖分插值来求取近似解的一种方法。电动机中 的电磁场问题一般归结为上节所述的松泊方程的求解问题，即为偏微分方程的 定解问题。在实际应用的中，对上节所述的电磁场方程很难精确求解，寻找既 能快速，又能达到精确求解要求的方法是现代应用数学中的一个难点，也是实 现控制系统必须要面对的问题，而有限元法就是满足上诉要求的求解方法之一。 有限元法是首先从偏微分方程定解问题出发，而不是直接以其为对象求解， 有限元法是以条件变分问题为对象来求解电磁场问题的。条件变分问题即找出 能量泛函的积分式，令其在满足第一类边界条件的前提下取其极值。 2 5 本章小结 本章首先分析了永磁同步电动机的特点和结构，介绍了表面式转子结构和 内置式转子结构的优缺点，并简述了永磁电动机的磁路计算与电磁场数值计算 方法，为整套伺服系统设计中的电机的设计做了简要的介绍。 1 6 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章永磁同步电动机数学模型及控制方法 本章首先分析了永磁同步电动机在d q 轴下的数学模型，在此基础上，介绍 永磁同步电动机矢量控制系统的结构和矢量控制的实现方法。矢量控制有大量 文献介绍，所以本文并不过多赘述，因为本文的矢量控制基础是基于s v p w m 的，所以本文着重分析s v p w m 的原理，并介绍s v p w m 的数字实现。 3 1 永磁同步电动机控制方法介绍 3 1 1 矢量控制和直接转矩控制方法 近年来，电力电子技术和微处理器技术的飞速发展，超高速数字处理芯片 的问世为先进控制算法的应用提供了现实基础，从而进一步促进了控制理论和 控制算法的发展，使得永磁同步电动机的控制理论和控制技术上升到了一个全 新的高度。 矢量控制和直接转矩控制作为能实现永磁同步电动机高动态性能伺服控制 的两种主要控制策略，在永磁同步电动机调速系统中得到广泛应用，随着新的 控制方法的加入，矢量控制方法和直接转矩控制方法也在日新月异的变化。 ( 1 ) 直接转矩控制 直接转矩控制是继矢量控制之后发展起来的一种新型的高性能伺服控制技 术。直接转矩控制理论在1 9 8 5 年由德国学者m d e p e n b r o c k 首次提出，之后类 似的控制方案也由日本学者i t a k a h a s h i 提出。 其直接在电动机的定子坐标系下计算并分析电动机的数学模型，不用解耦 电流而直接采用定子磁场定向，直接控制电动机的磁链和转矩，借助于离散的 两点式调节产生p w m 控制信号，能获得极高的控制性能。与矢量控制技术相比 ，直接转矩控制理论对电动机的参数不敏感，不受转子电阻和其他参数变化的 影响，控制手段简单且直接，去掉了复杂的矢量变换并对电动机模型进行了简 化处理。永磁同步电动机直接转矩控制的基本原理实质上是与异步电动机直接 转矩控制原理相同的。相对于矢量控制可以说直接转矩控制就是对转矩的直接 控制，控制出发点是以转矩为控制对象的。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 矢量控制 矢量控制最初由德国的k h a s s e 博士在1 9 6 8 年提出来，德国西门子公司的 f b l a s c h k e ，在1 9 7 1 年将此概念研究成系统的控制理论。矢量控制的提出使电动 机的控制产生了质的飞跃，使电动机的控制动态性能得到了极大的提高。矢量 控制的出发点是参照直流电动机的控制方式来控制交流电动机，以磁场矢量的 方向作为坐标轴的基准方向采用坐标变换的方法实现解耦交流电动机的磁通与 转矩。经过这么多年的发展研究，在广大学者和工程技术人员的不断改进和完 善下，形成了现已普遍应用的矢量控制伺服系统。 矢量控制的主要特点是：通过矢量变换的方法重构永磁同步电动机的数学 模型，在同步旋转的参考轴系内，将交变的定子电流变换为励磁分量和转矩分 量，励磁分量和转矩分量在空间上相互垂直的两个直流分量。对两个分量进行 解耦控制，就能实现对永磁同步电动机励磁磁场和电磁转矩的分别控制。 按照同步旋转参考坐标系的定向方式的不同可分为转子磁场定向、气隙磁 场定向和定子磁场定向控制三种，其中磁场定向可以得到电动机磁场和电磁转 矩最好的解耦控制，所以在实际系统应用中转子磁场定向控制得到了广泛的应 用，基本上国内外大公司的使用矢量控制的伺服系统都是采用转子磁场定向控 制。据永磁同步电动机结构和用途不同，矢量控制方法也不相同，矢量控制方 法主要有：乙- - z - _ 0 控制、c o s 伊= l 控制、恒磁链控制、最大转矩电流控制、弱磁 控制等等，每种控制方法具有的不同特点如下： 在屯= 0 控制时，对于隐极式转子结构的永磁同步电动机来说，单位定子电 流可获得最大转矩，因为在定子电流中只有交轴分量，定子磁动势空间矢量与 永磁体磁场空间矢量正交。在单位电流的情况下，该控制方法产生的单位转矩 最大，所以对电流的利用效率也是最高的。最大转矩电流控制是根据凸极电动 机电磁转矩和转矩角之间的关系，求出给定电磁转矩的最小电流的两个分量作 为电流给定值；弱磁控制主要是削弱永磁体磁场以减小同转速下的反电动势， 维持电压平衡关系。弱磁控制是当电动机的端电压达到极限值时，能使电动机 恒功率运行于更高的转速的种控制方法。主要是通过增加直轴去磁电流实现 弱磁。 矢量控制方法至今已经过几十年时间的发展，控制技术已非常完善，微处 理器技术( 特别是d s p ) 的发展为矢量控制方法的实现奠定了基础，矢量控制 是目前应用最为广泛的电动机控制方法，基于矢量控制的永磁同步电动机伺服 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 系统以其动、静态性能好、控制方式实现方便和调速范围宽等特点，广泛应用 在高性能伺服系统中。 3 1 2 矢量控制和直接转矩控制的比较 永磁同步电动机矢量控制系统和直接转矩控制系统都是基于电动机动态数 学模型设计的，从系统的结构和出发点看，两者都分别控制转速和磁链。为抑 制磁链变化对转速的影响，都在转速环内设置转矩控制环，从而使转速和磁链 实现了近似解耦。所以，在本质上可以说两种控制系统的基本控制结构是相同 的，都能获得很高的动静态性能。可以直观的任务，矢量控制是对电动机电流 的直接控制，而直接转矩控制是对电动机转矩的直接控制。在实际应用于中， 矢量控制因为是在电动机模型建立的情况下完成的，需要很多的电动机运行参 数，在控制上有一定的难度。只有a b b 公司对直接转矩控制的应用最为成功， 因为a b b 公司认为，直接转矩控制所需要的电动机参数要少，不需要采集过多 的电动机参数，而且对扰动等也有很好的控制作用，但是不可避免的是，直接 转矩控制在电动机高速和低速运行时转矩脉动较大，将两者合并使用各取优