永磁同步电动机的控制方法研究

I永磁同步电机产生于20世纪60年代。普通励磁同步电动机在运行方面的本文最后使用Matlab软件建立该电机的矢量控制系统模型，然后ⅡPermanentmagnetsynchronousmotorwasproducedintwentiethCenThebasicprincipleintherunningofthegeneralexcitationsynchronousmotoranditisbasicallythesame.Butbecauseofthepermanentmagnetsynchronousmotortoreplacetheexcitationwindingpermanetherunningreliabilityofthemotor.Atthesametime,thepermanentmagnetInthispaper,themainstructureofthepermanentmagnetsynchronousmotor,analyzedprincipleandcharacteristics,thebasicanalysisonvariouskindsofACstatorwinding,thepermanentmagnetsynchroninversioncontrolanalysis.Theworkingprincipleandthestructureofpermanentmagnetsynchronousmotorbasedonthecoordinatetransformation,furtheranalysisofthecontrolsystemofpermanentmagnmagnetsynchronousmotorisestablishedonthestationaryphasecocoordinatetransformationintotherotorrotatingtwo-phasecoordinatesystem.IestablishmentofgoodmodelconsideringcontrolmethodofpermanentmagnetInthispaper,thevectorcontrolsystemmodeloftheMatlabsoftwaretosetuptheuseofthemotorfinally,thenhascarriedonthesimulationtothemodel.Weobservedbychangingtheloadsimulation,toverifythefeasibilityofthevectormethod,thelastavailabletorquevectormethodcaneffectivelycontrolofpermanentmagnetsynchronousmotKeywords:permanentmagnetsynchronousmotor;vectorcontrol;simulationI 1第2章永磁同步电动机 22.1永磁同步电动机的组成和工作原理 22.1.1电动机的定子 22.1.2电动机的转子 32.2永磁同步电动机的工作原理 42.3永磁电动机的特性 42.3.1工作特性 42.3.2机械特性 52.4永磁电动机电枢反应 52.5永磁同步电动机正反转控制 82.6永磁同步电动机的控制策略 82.6.1变压变频控制 92.6.2直接转矩控制 92.6.3矢量控制 第3章永磁同步电动机矢量控制系统的设计 3.1基于矢量控制永磁同步电动机系统设计 3.1.1矢量控制法的原理 3.1.2矢量控制数学模型 3.2建立永磁同步电动机数学模型 3.2.1坐标变换 3.2.2定子三相静止坐标系下的模型 3.2.3静止坐标系(α,β坐标系)的模型 3.2.4旋转坐标系(d,q坐标系)下的模型 3.2主电路供电方案的选择 3.2.1系统供电方式 3.2.2.1开关功率管的选择 3.2.2.2逆变电路的设计 3.3转子位置和电流检测 3.3.1位置传感器检测法 3.3.2电流的检测 第4章永磁同步电动机矢量控制的MATLAB仿真 214.1建立系统仿真模型 214.2电源、速度器和永磁同步电动机模型 224.3矢量变换，脉冲和逆变模块 4.3.1矢量变换 234.3.2脉冲控制模块 254.3.3逆变模块 254.4系统仿真结果的输出及结果分析 26 第6章致谢 Ⅱ 331永磁同步电动机的具有的特点。相对于直流电机来说它没有电刷和换向器等缺用的比较多，而美国在军工业上用的比较多。在1972年，矢量的理论控制被德本论文先对永磁同步电动机结构及原理和特性进2第2章永磁同步电动机很多块硅钢片通过叠压及轴向冲压，而且线圈构成的绕组分布在每个冲槽在永磁同步电动机的定子上根据绕组的不一样连接方法又把这些绕组分正3梯形的波形，因而定名。两类绕组分别生成的反电动势波形如图2.2所示由转子的转轴及铁心，永磁磁钢构成了永磁同步电动机转子部分。当前，经常使用钐钴合金及钕铁硼合金用作永磁材料。在安置方式上讲，转子的安置方式有三种。表面粘贴和插入的形式，还有内置的形式，下面对其分析：(1)表面粘贴式磁极：用稀土永磁体瓦片形粘贴在铁心的表面。当选用瓦片形永磁体时假设径向励磁取磁弧宽度高于110电角度。就能生成气隙磁通密度为方波方式的。改善了转矩的波动。由于这些特点转子部分多选用这种结构。(2)表面插入式磁极(又称矩形磁极):矩形结构的永磁体被内嵌进铁心里面，它的优势在于邻近的两个磁极并在一起提供极距的磁通。在聚磁作用下产生很大的磁通。但对于这类结构选用不锈钢轴做隔磁防护。(3)内置式磁极：在铁心的外面全覆盖上稀土的永磁环。然后经过特殊方式让环形磁体径向充磁变为多极。这类结构的转子方式，由于工艺简单。广泛应用于功率要求不高体积要求很小的电机。如图2.3所示：4逆变器，位置传感器，电动机这三部分构成了永磁同步电动机。如图2.4所n,η,I,和T,就能得出输出的功率P2,同之间的工作特性曲线如图2.5所示。5图2.5永磁同步电动机的工作特性曲线2.3.2机械特性永磁同步电动机加上负载后，其转矩和转速之间的关系称为永磁同步电动机由公式可知，电机极对数及电源频率决定着转子转动的速度。对永磁同步电动机来讲则它的转速不变，则输出的机械特性是一条直线。2.4永磁电动机电枢反应永磁交流伺服电动机工作时，电机中存在两个旋转磁势，一个是转子永磁体生成的机械旋转磁势。另一个是定子多相对称电流产生的电气旋转磁势。而影响电动机性能是这两个磁势合成后所产生的磁场。加上负载后，同时存在电枢磁动势和转子磁势。由于在磁场中有磁动势的存在。则它会使气隙中的磁场的强弱发生改变，和所处的位置发生改变。进而影响着主磁极磁场的现象，取名为电枢反应。由于电机中存在电枢反应，有着增磁和去磁的作用。同时还影响着能量的转换。会对电机的性能有着很大的影响。电枢磁势和主磁场的位置关系决定了电枢6此外，我用D(垂直轴)为代表的转子极轴(轴),用Q表示N,S之间的中线。这样就能使幅值改变，磁势轴线偏移位置。如图2.6所示(2)E₀超前相位1,90电角度(V=90)时。发生电枢反应由图可知，两种磁势方向相反。所以电枢反应有着去磁的成效。如图2.7所示磁势方向相同。所以电枢反应有着增磁的成效。如图2.8所示图2.6I。与E₀同相位图2.7E₀超前I。相位90电角度φf图2.8I。超前E₀相位90电角度7(4)对于φ=任意角度时的电枢反应，发生电枢反应，要认真区别电动势是否超如下数学关系：E₀当φ=任意角度分析如下：枢磁势Fa按φ分解如下：电流超前电动势：-90°<ψ<0°从图2.10上可看出：此时1,仍然起交轴作用，但I与主磁势方向相同起增磁作用。8是这与电机绕组的连接方式(星接、角接)无关。如下图2.11M图2.11永磁同步电动机正反转控制图9从开始最初的小系统调速到要求更高精度，更快，更稳，更准的调速系统。差不多都用到了交流调速的技术。当前，对永磁同步电动机的控制策略有三种方法：矢量控制，直接转矩控制，变频控制。对变频控制技术手段是说，它的控制变量为频率和电压。原理如下，在控制系统中通过调节器把我们设定的频率和电压参数进行调节。随后经过逆变器输出来交变正弦电压给定子绕组。这样永磁同步电动机就可以根据我们之前设定的参数下运行了。由于该系统是靠一个调节器来实现控制的，系统又不引用一些速度，信号或者位置的反馈信号，并且它构成的系统是个开环系统。是系统动态性不是很好，响应不及时。所以电机的最后调节的转矩不是那么理想。这类控制策略适用于那些对精度不需要那么高，或者需求超高速度的电动机调速系统。如抽水机，风机等适用这种控制策略。直接转矩与变频变压控制的方式不一样，同时也和矢量的方法不一样。它不像矢量一样，控制电流还有磁链就能对电路进行控制。它只是经过控制转子上的转矩达到实现控制永磁同步电动机。把转子的磁通替换为定子的磁通。由于定子的磁通和定子电阻有关，所以对电机的参数大大减少了依赖。直接转矩不像矢量控制那样建立坐标及变换。首先，经过检测电压及电流。然后借助空间矢量算得定子的转矩及磁链。当与速度给定的数比较时，通过这样就能达到转子转矩和产生的磁链的直接转矩控制如图2.12所示。逆变器磁链区14磁链观测速度调节器开关矢量表速度给定图2.12永磁同步电动机直接转矩框图逆变器当前开关状态和定子电流反馈值和直流母线电压值控制理论的不段向前发展，带动着调速技术的快速发展。对电机的控制技术日渐成熟，高精度，高效率，高范围的进行控制。如今对永磁同步电动机控制有个很多方法，在本论文中，采用矢量控制的方法来设计永磁同步电动机。矢量控制的方法可以将三相静止的磁场转化为两相静止的磁场，然后两相静止的磁场变换为两相旋转的磁场。这样可以像直流电动机一样便于控制。三相控制信号i、i、,经过坐标变换可以得到两相控制信号i与斗。然后经过控制这两相控制信号，达到控制整个系统的方法。与直流电动机相同，假设一个量固定(in)不变，改变另一个量(i),类似研究直流电动机相同。则框图如图3.1所示。nθVkn,ef工作原理分析如下：输入速度的参数，通过位置传感器检测在比较器的作用下与其比较。然后在速度PI控制器的作用下，输出电流的一个分量',同时经坐标变换后变为两个反馈电流Id及Iq。经过和直轴电流1d做对比，电压Vd在PI比较器的作用下就输出了。然后反馈电流Iq与¹比较在PI的作用下输出了交轴电压Vq。然后通过Park将两相静止坐标变成了两相旋转坐标。最后经两个分量都相互独立。然后对这两个分量进行固定某个图3.2永磁同步电机矢量一样电角度的旋转坐标系dq。等效永磁同步电动机模型如图3.3所示。图3.3dq坐标系下电机模型式(3.3)可知，电机转矩中存在两个分量。第一个分量是旋转的磁场和电流之间的作用，生成了转矩。第二个分量是由于凸极效应产生的磁阻转矩。对于隐极永磁同步电机，两个分量相等。所以没有磁阻转矩。唯一只有电磁转矩。在建好的矢量模型上，首先先测出d轴的位置也就是转子转动的位置。然后经过逆变器把合成的电流整合到q轴上。所以我们要控制电机的转矩可以通过控制定子电流幅值的方法来实现。3.2建立永磁同步电动机数学模型数学模型是研究系统的基础。反应着系统的整个性能和各个模块的功能。所以我们要认真分析和研究建一个适合的数学模型，达到对永磁同步电动机的控制。通过对模型的认识和分析能更好的了解控制永磁同步电动机。3.2.1坐标变换以功率不变为原则，dq.aβ,AB坐标系之间电流变换关系如下(电压，磁链等的变换)(1)定子静止三相ABC坐标系到静止两相aβ坐标系的变换—Clake变换。(2)定子静止两相aβ坐标系到同步旋转dq坐标系的变换-Park变换。(3)定子静止三相ABC坐标系到同步旋转dq坐标系的变换。有式(3.6)和式(3.8)可以推出：3.2.2定子三相静止坐标系下的模型定子上有(ABC)三相绕组。因为电机输入的是三相正弦交流电，所以电路的模型可用定子三相静止坐标系中的定子电压，电流关系描述。在定子和转子中存在气隙磁场耦合和互相运动。所以对定子和转子的研究比较难。为简化分析，(1)磁路不饱和，涡流和磁滞的影响，认为磁路是线性的，可以应用叠加原理。(3)忽略磁场高阶谐波，电机感应的电势呈正弦的波形。则由上假设可以得到交流电动机定子电势平衡方程式和磁链表达式如下：3.2.3静止坐标系(a,β坐标系)的模型3.2.4旋转坐标系(d,q坐标系)下的模型坐标系，通过变换简化了分析和计算。转子dq坐标系下建立的数学模型是比较Y;为永磁体产生的磁链；3.2.1系统供电方式本论文主电路采用交直交的供电方式。输入的电流为电网三相交流电。如图3.4所示。电容C在电路中起滤波，然后通过逆变器的作用，直变交输出。整流器整流器AC~)C逆变器+3.2.2逆变电路单元逆变电路采用三相桥式可控逆变单元，通过对IGBT功率管的控制来控制输出的电压最终实现永磁同步电动机的控制。发电流。加上晶闸管是不可控开关器件，不利于本设计的控制。所以不选用。所谓的逆变电路就是把直流电转换为交流电。所以逆变电路的用途非常广开关功率管这里我们选用IGBT,其逆变电路如图3.5所示。霍尔传感器是利用霍尔效应的理论基础上弄成了霍尔电路。结构如图2.5所示。经过开环放大器来驱动输出级。UAUA图3.6霍尔集成电路结构图E图3.7霍尔元件基本电路第4章永磁同步电动机矢量控制的MATLAB仿真Matlab为仿真软件。同时也是程序设计语言，它提供了各种运算与操作，和系统建模等，是当今世界上应用比较广泛的控制系统辅助设计的软件。1993年MathWorks公司开发了输入仿真的Simulink,同时Simulink中增加了功率系统环节库。对系统的仿真更加轻松了。在本章中将对永磁同步电机控制系统的控制器进行分析研究，着重于永磁同步电机的坐标变化过程及各模块的功能，最后用Matlab/Simulink对其进行仿真实验。我们先用Matlab7.9.0中的simulink工具构建了永磁同步电动机矢量控制系统设计仿真模型。然后把系统分割为几个独立的功能子模块，主要包括：坐标变换模块、速度调节模块、逆变器模块，脉冲控制模块。经过这些功能模块的有机组成，在Matlab/Simulink中建出永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型，实现对永磁同步电机的有效控制，下面主要介绍各个模块的功能。8电源直接选用了SimPowerSystem模块。电压为200V。速度调节模块。该模块用于控制电机的速度、转数。还能使输出的电流波形为正弦波。当给定一个速度，通过比较器后，在经过速度调节器模块也有效的对该速度进行控制。内部结构如图4.2所示。21w1+Matlab软件中。本设计永磁同步电机的模块选用Simulink中提供的PermanentMagnetSynchronous,并把反电动势波形改为为梯形波。选400瓦交流伺服电机则参数设置如图4.3所示。图4.3400瓦电机参数设置图其具体含义为：StatorphaseresistanceRs:定子绕组相电阻2.872StatorphaseinductanceLs:定子绕组相电感0.00013HBackEMFflatarea:反电动势平顶宽度120°电角度Inertia,fictionfactorandpolepairs:转动惯量0.008kg.m^2,摩擦系数0.0087N.m.s,极对数4两相静止的坐标系。再从两相静止的坐标系转换为图4.4所示。1EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up4(dq),oo)EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up3(teA),wer)EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up2(C),on)静止的三相定子坐标系(ABC)变换为两相旋转坐标系(d,q)框图如图4.5所示。213P/312假设a,,b,c输入是幅值为1,2,3的正弦波，通过变换后则输出的波形如图4.6所示。图4.6Clarke变换输入输出波形两相旋转坐标系(d,q)反变换为静止的三相定子坐标系(ABC)如图4.7所示。图4.8Park逆变换输入输出波形1121图4.9脉冲控制模块)))2R仿真和结果分析仿真参数设置：400瓦交流电机参数设置见图4.3。对永磁电动机增加负载，负载随时间变化见表4.1所示。表4.1时间t与负载变化的对应关系时间(t)01负载5图4.11负载转矩为5N·m时的定子电流图4.12负载转矩为10N·m时的定子电流转子位置(rad由图4.11图4.12可以看出，负载转矩由5N·m突变为10N·m,再由10N·m突变为15N·m时，定子电流的幅值逐渐增大，即定子电流与负载成正比的关系。图4.14转子角速度d轴定子电流(A)q轴定子电流(A)d轴定子电流(A)q轴定子电流(A)图4.17d轴定子电流由仿真的结果可以看出负载转矩由5N·m突变