（电力电子与电力传动专业论文）无传感器pmsm控制系统的研究.pdf

。人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：王军阳期：2 0 0 7 年3 月9e l 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 无传感器p m s m 控制系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密臼，在3 年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：王晕网6 日期：2 0 0 7 年3 月9 日 翩签名：桕搬2 啷年3 肿日 摘要 永磁同步电动机无需励磁电流、运行效率和功率密度都很高，但它的高性 能控制需要精确的转子位置和速度信号去实现磁场定向。在传统的永磁同步电 动机运动控制系统中，通常采用光电编码器或旋转变压器来检测转子的位置和 速度。然而，这些传感器增加了系统的成本，并且降低了系统的可靠性。因 此，取消这些装置并降低成本的无传感器控制研究逐渐成为热门。 本文采用美国i r 公司专门为电机的无传感器数字化控制设计的 i r m c f 3 4 1 作为微控制器，它集信号高速处理能力及适用于电机控制的优化的 外围电路于一体，可以为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与控制。 论文给出永磁同步电机数学模型，对磁场定向控制和脉宽调制的原理进行 了介绍，在对永磁同步电动机调速系统的发展及应用综述的基础上，介绍了采 用i r m c f 3 4 1 电机专用控制芯片对永磁同步电动机进行控制的控制系统。文中 给出了系统的总体设计方案，分析了永磁同步电动机的工作原理，提出了驱动 电路和控制电路的设计方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性 及其设计方法。文中还对硬件的各种功能的控制原理和电路设计以及各软件模 块( 包括位置信号检测，p w m 波产生，正反转控制，故障保护中断处理) 进 行了详细的分析。经样机运行的实验结果表明，本文对无传感器永磁同步电动 机控制系统的硬、软件设计是合理的、可行的，使电机取得较好的控制效果。 关键词永磁同步电动机；无传感器控制；i r m c f 3 4 1 ；脉宽调制 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho n c o n t r o ls y s t e mo fs e n s o r l e s sp m s m a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e ts y n c l l l 0 n o u sm o t o r ( p m s m ) h a v e n oe x c i t i n gc u r r e n ti nt h e r o t o r , a n da r eo fh i g he f f i c i e n c ya n dp o w e rd e n s i t y b u tm o t i o nc o n t r o lo f p e r m a n e n t m a g n e ts y n c t l r o n o u sm o t o r sr e q u i r e sa c c u r a t ep o s i t i o na n dv e l o c i t ys i g n a l st o a c c o m p l i s h f i e l do r i e n t a t i o n i nc o n v e n t i o n a lm o t i o nc o n t r o l s y s t e m s o p t i c a l e n c o d e r so rr o t a r yt r a n s f o r m e ra r eu s e df o rt h e s ep u r p o s e s h o w e v e r , t h e s ea d d i t i o n a l s e n s o r si n c r e a s et h ec o s t so ft h e s y s t e ma n dr e d u c et h er e l i a b i l i t y w i t ht h i s b a c k g r o u n d ，t h er e s e a r c hb a s e do nt h ea b o l i s h m e n to ft h e s es e n s o r st oi n c r e a s et h e r e l i a b i l i t ya n dd e c r e a s et h ec o s t si sb e c o m i n gp o p u l a r i n t e r n a t i o n a lr e e t i f i e rc o o f f e r san e wc o n t r o l l e rf a m i l yr e f e r e n c e di r m c f 3 4 1 ， w h i c hi ss p e c i f i c a l l yd e s i g n e d 内rt h en e e d so fs e n s o r l e s sd i g i t a lm o t o rc o n t r 0 1 i na s i n g l ec h i pa p p l i c a t i o n ，t h i sd e v i c ec o m b i n e saf i x e dp o i n tc o r ew i t hm i c r o c o n t r o l l e r p e r i p h e r a l s ，w h i c hc o m b i n e sh i g h s p e e ds i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h ea b i l i t yt oo p t i m i z e m o t o rc o n t r o lp e r i p h e r a li n t e g r a t e dc i r c u i t s ，d r i v ec o n t r o lc a np r o v i d ear e l i a b l ea n d e f f i c i e n th i g h p e r f o r m a n c es i g n a lp r o c e s s i n ga n dc o n t r 0 1 o nt h eb a s i so ft h es u m m a r yf o rt 1 1 ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fp m s m m o t o rs p e e d v a r i a b l es y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sac o n t r o ls y s t e m w h i c h u s e si r m c f 3 4lt oc o n t r o lt h ec o m m u t a t i o na n ds p e e do fp m s m t h eb a s i cs t r u c t u r e o p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do ft h i ss y s t e ma r es e tf o r t l li nt h i s d i s s e r t a t i o n t h e t h o u g h to fh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n gi s i n t r o d u c e da sw e l l a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s p r e s e n t e da r er e a s o n a b l e ， f e a s i b l e ，s ot h a tt h ee f f e c to fm o t o re o n t r o l i sw e l l k e y w o r d sp m s m ；s e n s o r l e s sc o n t r o l ；i r m c f 3 41 ；p w m i l 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 _ 1 1 课题背景及选题意义1 - 1 2 无传感器控制技术的发展2 1 2 1 无传感器控制技术的发展现状2 1 2 2 无传感器控制技术的发展趋势4 1 3 课题来源及论文的主要研究内容4 第2 章永磁同步电动机的矢量控制系统6 2 1 引言6 2 2 永磁同步电动机的数学模型7 2 3 永磁同步电动机矢量控制策略8 2 4 表面式永磁同步电机的矢量控制1 0 2 4 1 转子磁场定向的矢量控制基本原理1 1 2 4 2 永磁同步电动机转子磁场定向系统1 3 2 5 本章小结1 4 第3 章脉宽调制方法的研究1 5 3 1 引言一1 5 3 2 脉宽调制方法1 5 3 2 1 数字正弦波一三角波脉宽调制算法1 5 3 2 2 空间矢量脉宽调制算法一2 1 3 2 3s p w m 与s v p w m 的比较2 7 3 3 本章小结- 3 3 - 第4 章永磁同步电机无传感器系统的整体设计3 4 4 1 前言- 3 4 4 2 交流电机的选择3 4 4 3 无传感器控制3 6 4 3 1 无位置传感器的发展3 6 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 4 3 2 改进的无位置传感器算法的原理3 7 4 3 3 无传感器控制算法3 9 4 3 4 算法的硬件移植。4 0 - 4 3 5 集成开发设计平台4 3 4 4 系统的构成与实现4 5 4 4 1 系统的硬件构成4 6 4 4 2 起动控制51 4 4 3 系统的软件实现5 2 4 4 4 实验结果5 3 4 5 本章小结5 5 一 结论_ 一5 7 一 参考文献- 5 8 - 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 2 蜀! 谢一6 3 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及选题意义 伴随着现代工业的快速发展，标志着一个国家工业实力的相应设备如精密 机床、工业机器人等对其驱动源电伺服驱动系统提出了越来越高的要求。 而基于正弦波反电势的永磁同步电动机( 简称p m s m ) 因其卓越的性能已日渐 成为电伺服系统执行电动机的主流【1 1 。 随着现代电力电子技术、微电子技术及计算机技术等支撑技术的快速发 展，以永磁同步电动机作为执行机构的交流伺服驱动系统的发展得以极大的迈 进。然而伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外 交流伺服技术封锁的主要部分。随着国内交流伺服用电机及驱动器等硬件技术 逐步成熟，以软形式存在于控制芯片中的伺服控制技术成为制约我国高性能交 流伺服技术及产品发展的瓶颈。研究具有自主知识产权的高性能交流伺服控制 技术【2 1 ，尤其是最具应用前景的永磁同步电动机伺服控制技术，具有重要的理 论意义和实用价值。 永磁同步电动机伺服系统基本结构：主要由伺服控制单元、功率驱动单 元、通讯接口单元、伺服电动机及相应反馈检测器件组成。其中伺服控制单元 包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。全数字化的永磁同步电 机伺服控制系统集先进控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、 高性能要求的伺服驱动领域，同时智能化、柔性化也已经成为现代电伺服驱动 系统的一个发展趋势【3 1 1 4 i 。 采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统，已广泛地应用于机床、机械 设备、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机 械、高速卷绕机、绕线机等场合，满足了传动领域发展的需求。 与直流伺服系统比较，永磁交流伺服系统具有以下的优点： 1 电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单。 2 定子绕组散热快。 3 惯量小，易于提高系统的快速性。 4 适应于高速大力矩工作状态。 5 相同功率下，体积和重量较小。 6 对环境的适应性强。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 以上优点使得p m s m 驱动逐渐取代传统的驱动方式，在各种高性能驱动系统 中得到了广泛的应用。 永磁同步电机调速系统主要用于小于1 0k w 、要求有良好的静态性能和动 态响应的伺服装置中。高性能的永磁同步电机调速系统采用转子磁场定向的矢 量控制技术，用定子电流幅值控制转矩，定子电流的频率和相位由转子位置检 测器的转子磁极位置信号决定。 在高性能永磁同步电机控制当中，均需要传感器来检测电机的速度和转子 的磁极位置。传统的方法是在转子轴上安装传感器，测量电机的速度和位置。 这些传感器经常是编码器( e n c o d e r ) 、解算器( r e s o l v e r ) 和测速发电机 ( t a c h o m e t e r ) 。传感器提供了电机控制所需的转子信号，但同时也带来了一些 问题： 1 传感器增加了电机转子轴上的转动惯量和电机体积及控制电路的复杂 度，并且增加了控制系统的成本。 2 受传感器使用条件如温度、湿度和振动的限制，控制系统不能广泛适 应各种场合。 为了克服以上不足，研究开发无传感器【5 1 ，便成了电机控制技术领域的研 究热点之一。无传感器控制技术是指在电机控制系统中，去掉位置和速度传感 器，通过各种不同的估计方法而得到速度和位置信息的技术。具体地说，是利 用电机绕组中的相关变量如定子电流、定子电压等，来估算出转子的位置和速 度，取消传感器，从而实现电机控制。 目前，无传感器控制技术已成为交流传动研究领域的一个重要方向，在高 速电机、微型电机、航空航天、水下机器人、家用电器等一些特殊场合具有重 要的意义。2 l 世纪是一个崭新的世纪，也定将是各项科学技术飞速发展的世 纪，相信随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子 技术的飞速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，同时伴随着制造业的不断 升级，无传感器控制技术必将迎来一个大好的发展时机。 1 2 无传感器控制技术的发展 1 2 1 无传感器控制技术的发展现状 无传感器控制技术是近些年来在永磁交流电机驱动技术中最为活跃的一个 领域。同步电机传动系统需要对其速度和位置进行控制，因为用于确定转子位 置的传感器的成本几乎可以占到整个控制器成本的三分之一，传感器的轴向长 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 度也几乎是永磁电机轴向长度的三分之一，高精度的电机系统对速度控制和位 置控制提出了很高的要求，相应地对传感器的要求提高。目前，传感器向小型 化、低成本和高分辨率、多功能两个方向发展，电机系统中传感器的存在阻碍 了电机向高速化、小型化发展。因此，无传感器技术的研究在高速电机、微型 电机的控制和一些特殊场合具有重要的意义。 最早出现的无传感器方法可统称为波形检测法，通过检测物理量，如电 流、电压磁链和反电动势等信号，估计辨识转子位置，实现电机自同步运行。 借助于一些先进的控制算法在无位置传感器的情况下，只提取电流或电压信 号，借以估计转子位置，实现电机自同步运行的方案引起了研究者的极大兴 趣。这种设想对直流无刷电机尤为适用，因为它只需要每6 0 0 电角度提供一个 换相信号。这一要求完全可以通过检测三相绕组中未通电相的反电势信号给出 换相信号。文献 6 】，【7 】，【8 】提出了一系列用以实现这一意图的算法。通过检 测反电势确定换相时间和顺序，从而取消了原有的霍尔传感器，文献【8 】中的算 法已经成功的被应用到集成电路中，成为一种商业化的产品。 在永磁同步电机驱动系统中去掉位置传感器更具有挑战性，因为电机的三 相始终通电，没有反电势信号可以利用，而且需要的位置信息也不仅仅局限于 直流无刷电机的六个换向点，这样就需要设计更为复杂的观测器，利用测量的 相电压和相电流来估计准确的位置信息【9 1 【1 0 l 【1 1 i 。文献【9 】通过建立磁链方程设计 了磁链观测器，文献 1 0 】和 1 1 1 利用了谐波无功功率中所包含的位置信息，凸 极的永磁同步电机比非凸极的永磁同步电机在利用无传感器技术上更有优势【1 2 。 插1 ，这是因为凸极电机的电感随着转子的旋转呈正弦变化，可以利用这一特性 检测低速下的转子位置。 同样出于降低成本的考虑，在永磁同步电机驱动系统中减少电流传感器也 受到关注。例如，文献 1 7 1 中给出了一种方法，利用适当的方法只需1 个电流 传感器检测母线电流，而不是用3 个电流传感器分别检测三相电流。对于直流 无刷电机的电流检测，文献 1 8 1 提出了一种利用集成在逆变器中的电流传感器 取代单独的电流传感器的方法，该方法还可以减小电机换相时的过流现象。 同步电机无传感器技术是在数字信号处理器( d s p ) 出现后得以发展的， d s p 的高速信息处理能力使无传感器控制技术的复杂算法能得以实现。在无传 感器技术发面，很多学者作出了研究，提出了切实可行的方法。 1 磁链位置估计法该方法的基本思想是基于场旋转理论，在电机稳态运 行时，定子磁链和转子磁链同步旋转，且两磁链之间的夹角相差一个功角6 。 2 模型参考位置估计法先假设转子所在位置，利用电机模型计算出在该 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 假设位置电机的电压或电流值，并通过与实测的电压或电流比较得出两者的差 值，该差值正比于假设位置与实际位置之间的角度差。如果该差值减少为0 时 则可认为此时假设位置为真实位置。该方法位置精度和模型的选取有关，电流 模型比电压模型低速估计性能更好。 3 卡尔曼滤波器估计法卡尔曼滤波器可以从随机噪声信号中得到最优观 测，该算法计算量很大，滤波器很难确定实际系统的噪声级别和算法中的卡尔 曼增益，且受电机参数的影响较大。 4 检测电机相电感变化的位置估计法利用作为位置函数的电感变化获得 位置信息，凸极的永磁同步电机比隐极的永磁同步电机在利用该方法上更有优 势。 随着微电子、计算机、电力半导体和电机制造技术取得巨大技术进步，永 磁交流伺服系统将具有美好的发展前景。 1 2 2 无传感器控韦咀技术的发展趋势 近十几年，各国技术专家致力于无传感器控制系统的研究，此类技术可以 避免由于传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统可靠性，降 低了成本，因而引起了技术同行的广泛兴趣。 概括来讲，未来无传感器矢量控制的动静态特性的进一步提高，需要更为 完善的逆变器电机模型，综合考虑不同运行条件下的电机磁路饱和、绕组集 肤效应、逆变器的非线性以及电机参数变化等因素。在更为精确的自适应电机 模型基础上，低速转矩脉动将进一步减小，稳速精度将进一步提高，对负载扰 动的响应更快，对电机参数变化的稳定性将进一步加强。特别是具有宽范围调 速( 包括零速) 和高精度转速调节、转矩控制( 而不仅是转矩限定) 的控制系 统有望取代部分伺服应用领域。 未来的一些进步还将体现在高速处理器及外设上。d s p + a s i c f p g a 的控 制器结构使得系统的信号并行处理能力更为强大，在此基础上可以支持核心程 序以非常快的速度运行，保证系统对速度指令及负载变化有更快的响应，这对 高性能的数字控制系统来讲是非常重要的。 此外，无传感器控制方式下的多机运行以及在高功率低速运行的应用也将 成为未来的发展方向。 1 3 课题来源及论文的主要研究内容 本课题研究的依托是深圳国际技术创新研究院所属的网络信息电器实验 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 室，该实验室是市级重点实验室，主要研究交流伺服电机驱动及伺服电机的检 测技术。 论文的工作围绕无传感器p m s m 控制系统的研究展开研究了基于 i i 洲c f 3 4 l 的无传感器p m s m 控制系统研究中的几个关键问题。 论文的主要研究工作包括如下部分： 1 对永磁同步电机的伺服控制策略进行了分析，确定了对表面式永磁同 步电动机采用= o 的控制策略，建立了表面式永磁同步电动机的数学模型， 对转子磁场定向的矢量控制原理进行了分析。 2 分析了s p w m 脉宽调制，等零脉宽调制和s v p w m 脉宽调制三种数字脉 宽调制方法，并对相应的算法比较了各自的特点，得出采用空间脉宽调制方法 更能够有效地利用母线电压。 3 分析了无传感器技术的发展现状，并以i r 公司的电机控制芯片 i r m c f 3 4 1 为基础，根据p m s m 控制设计的特点，把整个伺服控制器系统的硬 件划分为几个功能模块，分别对这些功能模块进行了设计，最后把各个功能模 块进行了综合，完成了整个驱动系统的设计。 4 把设计的交流伺服系统应用到实际中，分析了交流伺服系统的性能。 控制系统 2 1 引言 ， 过去的电力拖动中，很少采用同步电动机，其原因是同步电动机无起动能 力，控制和结构复杂，所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原 动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改 善大企业的电网功率因数。 自上世纪7 0 年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展 和应用，主要的原因有： 1 高性能永磁材料的发展。 2 电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用。 3 规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的 控制。 集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，它们不仅是高新电子信息 产业的核心，又是不少传统产业的改造基础，它们的飞速发展促进了电机控制 技术的发展与创新。 目前，在中小功率范围内，高性能的交流伺服系统的交流电动机主要采用 异步电动机和永磁同步电动机两种。一般来说，异步电动机多用在功率较大、 精度要求较低、投资费用要求低的场合；而永磁同步电动机则在精度要求高、 容量较小的场合得到了广泛的应用1 1 9 l 。 随着计算机、电力电子、控制理论、永磁电机材料等技术的发展，基于稀 土永磁体的交流永磁伺服驱动系统，能提供最高水平的动态响应和扭矩密度， 使永磁同步伺服技术迎来了新的发展机遇，所以拖动系统的发展趋势是用交流 伺服驱动取代传统的液压、直流和步进调速驱动，以便使系统性能达到一个全 新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。因 此，交流伺服这样一种扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在交流传动领 域得到了非常广泛的应用【2 0 】。 2 0 世纪七十年代初期，德国西门子公司的f b l a s c h k e 等人提出的“感应 电机磁场定向的控制原理 和美国p c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请的专利 “感应电机定子电压的坐标变换控制”奠定了矢量控制的基础。经过多年的发 展，逐渐形成了一套比较完整的矢量控制理论体系1 2 1 u 2 i 12 1 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 本章首先建立了永磁同步电机的数学模型，对永磁同步电机的伺服控制策 略进行了分析，重点对转子磁场定向的矢量控制原理进行了分析，确定了对表 面式永磁同步电动机采用珏= o 的控制策略。 2 2 永磁同步电动机的数学模型 交流电机本质上是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。交流电机矢 量控制系统要确定最佳的控制方式，需建立适当的数学模型作为研究其系统动 静态特性及其控制技术的理论基础【2 3 】【2 4 l 。 三相永磁同步电动机根据输入电流的不同，分为无刷直流电动机 ( b l d c m ，b r u s h l e s sd cm o t o r ) 和正弦波永磁同步电动机，即通常所说的永磁 同步电动机( p m s m ，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 ) 。 永磁同步电动机转予的主体是永磁磁极，其转子磁场由一个或多个永磁体 产生。三相永磁同步电动机的工作原理与普通三相同步电动机的工作原理相 同，即由定子绕组产生的旋转磁场以磁拉力拖着永磁体产生的旋转磁极同步旋 转。本节直接给出了以任意速度，( 相对于u 相绕组轴线) 旋转的坐标系下的 永磁同步电动机的数学模型，其详细的推导过程见参考文献 2 5 】，【2 6 】。在建 立永磁同步电动机数学模型时，为使求解过程简化，作如下几点假设： 。1 磁路是线性的，不计剩磁、饱和、磁滞和涡流效应，因而可以用叠加 定理。定转子表面光滑，无齿槽效应。 2 气隙磁通密度在空间按正弦分布，忽略磁场的高次谐波。 3 电机转子磁钢采用表面贴装，有较大的等效气隙，使得凸极效应被忽 略，交直轴电抗相等，即l d = l 口。 有了以上假设，永磁同步电动机的数学模型如下： 1 转子等效励磁电流空间矢量在转子坐标系中为恒定值，以= l = 常 数，转子励磁磁链在转子坐标系中表达式为： y ，= 厶= 厶岛 ( 2 - 1 ) y ，2k l ，2k 矿 u 。1 ) 式( 2 1 ) 中，上转子等效励磁电流； 野转子励磁磁链； 三。广一电枢反应电感。 2 定子绕组电压方程： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 “d = p q d y g ( o r + r 屯l ”叮= p g + 妙d 缈，+ r j 式( 2 2 ) 中，l , l d , 咐叫g 轴的电压分量： 叫q 轴的磁链； p = d d t 微分算子； c o r = p o = d o d f 电角速度，其中口为转子电角度； 尺定子电枢相电阻： 屯，妒一，g 轴的电流分量。 3 定子绕组磁链方程： y y 。d ：= 三l 。a i d + y )= 三。 j 式( 2 - 3 ) 中，厶，厶矗9 轴的电感； 厂永久磁铁对应的转子磁链。 4 电磁转矩： t o m = p 。( i q l d 一屯) 式( 2 - 4 ) 中，瓦坍- 一p m s m 的电磁转矩； p 广电机极对数。 5 电机的运动方程： 乙= 瓦+ 嚣 式( 2 5 ) 中，瓦机械负载转矩； j 转子和机械负载总的转动惯量。 2 3 永磁同步电动机矢量控制策略 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 对于任何电动机，判断一种控制策略的优劣，其中一个重要的指标即是在 输入功率一定的情况下，输出电磁力矩的大小。根据永磁同步电机转子参数， 转子结构和控制目标的不同，永磁同步电机的高性能控制策略包括：矢量控 制，最大转矩控制，最大效率控制等1 2 2 】1 2 7 1 。从理论上讲，在转子结构对称的情 况下，矢量控制实现了最大的转矩控制。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 矢量控制，也称磁场定向控制。它是2 0 世纪7 0 年代初由西德f b l a s s c h k e 等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原 理，由此开创了交流电动机等效直流电动机的先河。矢量控制变频调速的做法 是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流励、乃、尼。通过三相n - 相 变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流l a l 、i b l ，再通过按转子磁场定向 旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流i m l 、i t l ( i m l 相当于直流电 动机的励磁电流，乃j 相当于直流电动机的电枢电流) ，然后模仿直流电动机的 控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动 机的控制。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域 里全方位的处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估 算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。矢量控制一般通过检测或估计 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。 二苌 。l | 0 ： 尹 刈 图2 1 永磁同步电机的矢量图 f i g 2 lt h ev e c t o rd i a g r a mo f t h ep m s m 对于永磁同步电动机，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 比异步电机的矢量控制大大简化1 2 2 1 【2 8 1 【2 9 1 【3 们，这时，由式( 2 4 ) 所示的电机模型 的电磁转矩公式可以看到，通过控制g 轴电流岛即可完全控制电机转矩瓦肌， 图2 1 是永磁同步电机的矢量图。 将参考坐标系定为转子上的小口坐标系，就可以将三相电流变换为d ，q 轴上的两个直流量玩岛，根据电磁转矩公式可知，此时电机转矩和其中的岛成 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 正比。 在交流电机矢量控制中，电机转矩电流给定即为屯，和直流电机类似，这 一给定量为直流量，并且和转矩大小成正比，而电流幻称为励磁电流给定值， 可以根据实际控制要求设定。在确定了跏岛的值之后，就可以进行d ，q 反变 换，从而得到应该施加于定子三相电枢绕组电流的给定值如，如，屯。 关于励磁电流白的控制，在实际应用中总体上有三种情况： 1 令厶- 0 的控制策略目前大多数交流伺服电动机用于进给驱动，电动 机工作于其额定转速以下，属于恒转矩调速方式。在这类应用场合，追求的是 在一定的定子电流幅值下能够输出最大的转矩，因此最佳的控制方式是使定子 电流与d 轴正交，与q 轴重合，也就是要保持白= o 。在表面式永磁同步电机 ( s p m s m ) 中，电机参数厶和厶相等，此时，经过推导可以得出，保证拓= 0 可以保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩值。此时在模型上已经可以看 成一台直流永磁电动机，其转矩表达式为： 乙= p 。g f i q ( 2 - 6 ) 2 控制厶以追求最大转矩效率在内埋式永磁同步电机( i p m s m ) 中，电 机参数三础口，为了追求用最小的电流幅值得到最大的输出转矩，通过推导可 以得到i d 和i q 随输出转矩值变化的函数曲线，即幻劬仍，岛韦仍，由于转矩 值是给定的，所以按照这样的函数曲线对电流进行控制即可保证在电流幅值不 变的情况下转矩值最大。 3 令厶为负值以达到弱磁目的此时的切与其称为励磁电流，不如称为 去磁电流。在有些应用场合，希望电动机的转速超过其额定值，在电机电压达 到逆变器所能输出的极限后，即在额定电压以上不能靠提高逆变器输出电压的 办法来升速，要想继续提高转速，就必须通过调节白和i q 来实现。增加d 轴去 磁电流分量( 作为负值励磁电流) 和减小g 轴电流分量，都可以保持电压平衡 关系，达到弱磁效果。考虑到电机相电流有一定极限，负向增加幻就要减小 屯，从而保持相电流幅值不变，因此通常采用增加去磁电流的方法来实现弱磁 升速。 2 4 表面式永磁同步电机的矢量控制 矢量控制算法有多种形式，对于表面式永磁同步电动机，最常用的是转子 磁场定向控制( f o c ) 算法【3 l 】。由于电动机定子侧的各物理量都是交流量，其 空间矢量以同步角频率c o 旋转，致使控制、计算很困难。因此，需要借助于坐 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 标变换，使之从静止坐标系变换到同步坐标系，将空间矢量变换为直流量，并 进行控制。 2 4 1 转子磁场定向的矢量控制基本原理 为说明原理，定义三相静止坐标系，两相静止坐标系，两相旋转坐标系。 设n 印为静止坐标系，其a 轴和定予彳相绕组轴线重合；d - q 为同步旋转坐标 系，其d 轴和转子磁场方向重合，旋转速度等于电角速度c o ；0 为d 轴相对于 仅轴逆时针旋转的角度，且有= d ，如图2 - 2 所示。 咿 乏( 勃 瑟 图2 2 矢量控制的坐标变换 f i g 2 2r e f e r e n c ef r a m e sf o rv e c t o rc o n t r o l 定子绕组电流在a 够坐标系的空间矢量定义为： 2 4 乏= + t b = 季k + a i 。a + 口2 k ) ，口= p r ，a 2 = e j r ( 2 7 ) j 其中o 、妇及k 为三相定子绕组的相电流瞬时值，和妇分别是乏在a 、 两个坐标轴上的投影。在此定义下，乏在各相绕组轴线上的投影等于各相电流 的瞬时值。 对于三相平衡系统，零序电流分量为零，即妇+ 绀舻o 。因此，由上述 关系式可以得到如下三相到两相的c l a r k e 变换方程： 落麓训压 ( 2 - 8 ) 对于该变换的s i m u l i n k 模型如图2 3 所示。 设定子电流在d - q 坐标系表达的空间矢量为乏，则有： l o 。t = i , d + j f k = e 叫口(2-9lsd e ) l s 2 + ，z 蜩2l s 。 ” lj 其中妇和岛分别是i 在d 、q 两个坐标轴上的投影。这样可以得到由静止坐标 到旋转坐标的变换( p a r k 变换) 方程： 图2 3c l a r k 交换 f i g 2 3c l a r kt r a n s f o r m s 啦 图2 4p a r k 变换 f i g 2 - 4p a r kt r a n s f o r m s 啦 图2 - 5p a r k 逆变换 f i g 2 - 5p a r ki n v e r s et r a n s f o r m ( 2 1 0 ) 对于该变换的s i m u l i n k 模型如图2 4 所示。其中u l 为c o s o ，u 2 为s i n o ，u 3 为 ，u 4 为岛，f ( u ) 分别为u l u 3 + u 2 u 4 和- u 2 u 3 + u l u 4 以及由旋转坐标到静止坐 标的变换( p a r k 逆变换) 方程为： 秒 舳 螂 一锄 搿 c m k 叫 = 一一 功k 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 乏三乏s ? m s u ? + 一0 c s o 证s u 皇c 2 一， 【币2i 材 l 脚 对于该变换的s i m u l i n k 模型如图2 5 所示。其中u l 为c o s o ，u 2 为s i n o ，u 3 为 i , a ，u 4 为乙，f ( u ) 分别为u l u 3 - u 2 u 4 和u 2 u 3 + u l u 4 。 设转子磁钢在定子绕组中产生的磁链为p 为电机的极对数，则电磁转 矩方程可以表达为： 瓦= 詈p 沙，i 田 ( 2 - 1 2 ) 对永磁电机来说，野为一个常数。因此，通过控制乏的交轴分量0 就可以 实现对转矩的瞬态控制；如果保持直轴分量= o ，则可以用最小的电流幅值 得到最大的输出转矩，这就达到了矢量控制的目的f 3 2 1 1 3 3 1 。 2 4 2 永磁同步电动机转子磁场定向系统 通过检测电机定子的两相相电流幽，妇作为转矩环的反馈信号，它们作 为c l a r k e 变换的输入，经c l a r k e 变换后，得到，妇，然后对，劫进行 p a r k 变换，得到妇，岛。妇，岛分别与给定的参考磁链厶和参考转矩乇相比 较，其结果作为转矩环p i 调节器的输入；由于控制的是永磁同步电动机，转 子磁通是固定不变的，取j 二= o 即可。参考转矩为速度调节器的输出，电流 p i 调节器的输出是v d 和，作为p a r k 逆变换的输入，经过p a r k 逆变换后得到 定子的矢量电压在口，坐标系上的电压分量，口和1 ，口，其作为空间矢量脉宽 调制( s v p w m ) 的输入。而s v p w m 的输出信号即为驱动三相逆变器的驱动 信号，从位置检测元件获得转子磁通位置电角度秒，作为p a r k 变换和p a r k 逆 变换的输入。转子磁通位置电角度口和电机定子的两相相电流是磁场定向控制 ( f o c ) 所需的两个基本的输入量。两相电流硝，妇可以通过霍尔传感器或采 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 样电阻采样得到，再由a d 转换器转换成数字量。由于同步电动机转子磁场旋 转的速度与转子的速度相同，转子磁通位置电角度目的获得则通过位置传感器 或对转子速度积分即可。 2 5 本章小结 本章分析了永磁同步电动机的数学模型，对矢量控制的原理进行了推导， 确定了伺服控制方案。主要工作如下： 1 分析了永磁同步电机的电机控制模型，从而为依据各种电机的特点进 行控制建立了理论基础。 2 分析了永磁同步电机的伺服控制策略，确定对表面式永磁同步电机采 用驴o 的控制策略：建立了表面式永磁同步电动机的数学模型，对转子的磁 场定向的矢量控制原理进行了分析。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章脉宽调制方法的研究 3 1 引言 三相电压源逆变器通过脉宽调制( p w m ) 来触发电力开关元件，这样就可 以控制逆变器输出电压的幅值和频率，这种逆变器在交流电机驱动系统中获得 了广泛的应用。p w m 的策略对于降低谐波成分和减少谐波损耗有重要的作 用。近年来，一些新的脉宽调制技术，如三角波一正弦波、等零脉宽调制和空 间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术在交流伺服驱动系统中得到了广泛的应用 p 4 1 1 3 5 1 。 纵观文献，人们对于不同的脉宽调制方法和实现技术已经做了很多研究， 这些大多数都是通过模拟电路或者微处理器实现的，由于模拟电路固有的温 漂、噪声等原因，在当前以全数字矢量控制为主的交流电机驱动控制系统中， 应用越来越少。利用数字技术实现的脉宽调制方法，在全数字矢量控制的交流 电机驱动控制系统能获得更好的性能【3 6 - 3 8 1 。 本章分析了s p w m 脉宽调制，等零脉宽调制和s v p w m 脉宽调制三种数 字脉宽调制方法，并对相应的算法用m a t l a b 语言进行了仿真，比较了各自的特 点，得出采用空间脉宽调制方法更能够有效地利用母线电压。 3 2 脉宽调制方法 3 2 1 数字正弦波一三角波脉宽调制算法 通常，三相电压型逆变器的p w m 信号大多是通过模拟参考电压与所要求 的高频三角载波相比较获得的，三相桥式电压型逆变器功率开关如图3 - l 所示， 三相p w m 信号是通过数字算法来产生。三相输入参考电压信号可表示为： = m s i n ( 0 k ) = m s i n ( 吼一了2 7 ) = m s i n ( o k 一争 式( 3 1 ) 中，m 参考电压信号模拟数字变换输入的幅值【0 ，1 】： ( 3 - 1 ) 件过多，控制线路 不断发展，速度和 图3 1 三相桥式电压型逆变器拓扑图 f i g 3 - lt h et o p o l o g yo f3 一p h a s eb r i d g ei n v e r t e r 以三相桥式逆变器中的u 相的上桥臂开关信号为例，导通时间t o n 的计算 可以从图3 - 2 中推导出，在图中，m 【0 ，1 】，表示参考电压信号的幅值，即调 制比。吼为计算的每个p w m 周期的采样位置角。z 为p w m 周期，从图中可 以看出三角形从护q 和z k m s t 是两个相似的三角形，则有： 丽i p q i = 阿 p m i ( 3 2 ) | s t ji s m l v 叫 因