永磁同步电机的模型预测控制研究

永磁同步电机的模型预测控制研究⑧论文作者签名:垂丕望盛指导教师签名:论文评阅人:评阅人:评阅人:评阅人:评阅人:答辩委员会主席:委员:委员:委员:委员:委员:答辩日期:??砬丛坠孚???一’:●●●一:::::浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。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,也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名:南融崦签字日期:为/多年乡月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解有权保留并向国家有关部门或机逝姿盘堂构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名:导师签名:南孙崦签字日期:歹私年弓月;『日签字吼沙一月日浙江大学硕士学位论文致谢致谢值此论文完成之际,谨向我的导师赵光宙教授表示最衷心的感谢。感谢赵老师在我读研期间为我付出的辛勤汗水。赵老师渊博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学态度为我树立了良好的榜样。两年里,赵老师如师、如父亦如友,给了我人生路上诸多有益的指点和帮助。感谢和蔼的师母对我生活上的关心和帮助。感谢齐冬莲教授,在学业和生活中给我的有益指点和帮助。感谢罗小平教授在读研期间对我的帮助和督促。感谢曹毅教授为我开导思路,讲明方法。感谢裘君副教授给予我学术上的悉心指导,为我课题的研究提供了思路和建议。感谢卢达师兄对我学术研究的指导和帮助。卢达师兄勤奋踏实的科研态度使我受益匪浅。感谢李楠师兄,他踏实的精神和乐观向上的生活态度给了我很大的影响。感谢张虎虎师兄,和你们一起做了许多有意义的事情。感谢张建良师兄,在实验室给我的帮助。感谢顾弘、王洪波、张俊、孙赞、王乔、李鉴星、张国月、朱汉未、何海明、钟皖生、俞利民、闰云凤、丁冬生等实验室各位师兄、师弟、师妹,我们在实验室亲如一家,是他们一起营造了和谐的实验室氛围,让我度过了终生难忘的快乐时光。感谢挚友李丽娜、田盈和我一起互勉励、共成长。最后,深深感谢呵护我成长的父母、哥哥、姐姐,感谢家人对我年求学的一路支持与奉献,祝愿他们生活幸福、身体健康。感谢男友给予我的鼓励。再次向所有曾经关心和帮助的过我的师长、朋友、同学和亲人表示最衷心的感谢。高丽媛年月浙江大学硕士学位论文摘要摘要随着永磁同步电机的广泛应用,高性能永磁同步电机的传动系统对电机控制精度的要求越来越高。在很多场合,传统的控制方法已难以满足较高的控制需要。模型预测控制,考虑控制量对系统未来状态的影响,可以得到高性能的控制效果,在过程控制领域已取得成功的应用。但是目前为止,国内外将模型预测算法应用于永磁同步电机的研究较少。深入研究基于模型预测算法的永磁同步电机控制,可以有效提高电机能源利用率,具有重要的实际意义。为此,本文对永磁同步电机的模型预测控制进行了研究,主要研究内容有:、以永磁同步电机的结构和原理为基础,分析了的数学模型,矢量控制方法、电压空间矢量调制原理及实现。在/仿真环境下对基于矢量控制的永磁同步电机调速系统进行仿真,为模型预测控制的研究奠定了基础。、结合模型预测控制的基本原理和特点,给出了永磁同步电机模型预测控制器的设计方法。在/仿真环境下,建立永磁同步电机模型预测控制系统的仿真模型。、利用自动微分,理论建立永磁同步电机电流模型预测控制算法。依据原理,对坐标系下的数学模型进行泰勒级数展开,建立了更为精准的数学模型。采用方法,给出了永磁同步电机泰勒级数灵敏度的计算方法,再利用表示为预测值灵敏度形式的雅克比矩阵,计算价值函数,获得控制量,提高了预测精度。针对电流环参数变化导致预测效果变差的问题,提出将所有参数变化以附加项表示,利用扩张状态观测器,观测这个附加项并前馈补偿。本文通过对模型预测控制的研究,利用算法提高了永磁同步电机的控制精度,理论分析和仿真结果验证了提出算法在永磁同步电机中应用的有效性,并给出了下一步的研究方向。关键词:永磁同步电机,模型预测控制,自动微分原理,扩张状态观测器浙江大学硕士学位论文缸,,..,..,.,,:.,,,,./,?...。....,?..浙江大学硕士学位论文:,,目录浙江大学硕士学位论文目录致谢.....??...?.摘要??....??......?...??..??..??.?..目录...?.........?第章绪论...课题背景??.......??....交流调速系统的控制策略??...模型预测控制及其发展..国内外研究现状??...基于线性模型预测算法的研究现状?....基于非线性模型预测算法的研究现状?.本文的研究意义和主要研究内容..第章永磁同步电机仿真建模?.永磁同步电机的数学模型............永磁同步电机的结构??...永磁同步电机的基本方程?.永磁同步电机的矢量控制??...坐标变换??....永磁同步电机轴数学模型...........永磁同步电机矢量控制方法?...电压空间矢量脉宽调制技术.....?....永磁同步电机矢量控制系统?...?..本章小结.?.?...??.?第章永磁同步电机模型预测控制?......??...模型预测控制??..浙江大学硕士学位论文目录..预测模型??....滚动优化?.?....?........反馈校正.....?....永磁同步电机模型预测控制原理..仿真分析..........??.??.?....本章小结?第章应用自动微分的永磁同步电机模型预测控制?.自动微分原理??...利用自动微分技术求泰勒级数.??.??..永磁同步电机自动微分模型预测算法设计?....永磁同步电机预测模型的泰勒级数展开..滚动优化??.............应用自动微分的灵敏度推导...扩张状态观测器误差校正.......?...仿真分析........优化时域、控制时域及泰勒级数展开级数的选取...仿真模型及仿真结果??..本章小结?第章总结与展望?.....?...主要结论........?..后续研究工作展望?.....?..参考文献?.攻读硕士学位期间发表的论文?...?..?..?...浙江大学硕士学位论文第章绪论第章绪论.课题背景能源一直是人类赖以生存的物质基础。环顾当今世界,能源短缺引起的一系列经济、环境、政治问题已成为整个人类社会面临的重大挑战。在现代社会中,电能是最为广泛应用的一种能源,而在电能的生产和使用中,电机起到机电能量转换的关键作用。《电动机调速技术产业化途径与对策的研究报告》显示,我国发电总量的%消耗在电动机上,各类电机运行效率比国外先进水平低~个百分点。因此,对电机控制技术的研究直接关系到电能开发、利用和节约。电机的种类繁多,大致可分为直流电机和交流电机,交流电机按照其结构和工作原理又可分为交流同步电机、交流异步电机。世纪~年代,直流电机在各个领域应用广泛。但直流电机存在很多固有的缺点,如换向结构复杂、不易维护、产生换向火花使得直流电机不能在易燃易爆场合应用等。到世纪年代以后,控制理论、芯片制造、电力电子等技术迅猛发展,交流电机逐渐被重视起来。特别随着矢量控制和直接转矩控制的提出,交流电机的研究和应用广泛起来。交流电机没有复杂的换向机构,制造方便、价格便宜、运行可靠,因而在现代工业中得到了广泛的应用。但交流异步电机驱动复杂、效率低、转子散热困难等固有的缺点限制了其发展。相对于异步电机,交流同步电机因其高功率因数、高效率的优势,在调速领域其得到了一定的应用。随着永磁体励磁的的出现,使传统的同步电机省去了转子励磁线圈、滑环、电刷部件等组成的励磁系统,电机结构和控制系统都大为简化。永磁同步电机因具有结构简单、转矩纹波系数小、动态响应快、高功率密度、低损耗等优点,正取代传统的直流电机和交流异步电机,逐步应用于工农业生产、交通运输及日常生活当中。永磁电机在世纪、年代由于永磁体的价格昂贵,它主要用于航空航天等高端领域。到世纪年代,永磁电机开始转入到工业和民用领域。进入世纪年代,由于永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性不断改善,价格不断下降,永磁电机逐渐应用在国防、工农业生产、日常生活的各种领域,永磁电机的发展浙江大学硕士学位论文第章绪论进入了一个全新的阶段。因此,研究和发展高性能永磁同步电机控制系统来满足现代工业迅速发展的要求具有重要的实用价值,本文正是在这一背景下展开的工作。.交流调速系统的控制策略电机的调速控制系统结构如图.所示,它由控制器、功率驱动及检测装置三部分构成。其中电机控制器包括速度控制、电流控制双层结构。图.电机调速控制系统结构奠定交流电机高性能控制基础的两大理论:矢量控制和直接转矩控制。矢量控制是年由德国学者提出。矢量控制‘,借鉴直流电机电枢电流和励磁电流相互垂直、没有耦合、可以独立控制的思路,以坐标变换理论为基础,通过对电机定子电流在旋转坐标系中大小和方向的控制,达到对直轴和交轴分量的解耦,从而实现磁场和转矩的解耦控制,使交流电机具有类似直流电机的控制性能。矢量控制的出现对电机控制的研究重大的意义,使得电机控制技术迈进了一个新的发展时代。直接转矩控制由德国教授于年提出【】。矢量控制具有转矩响应较慢,易受电机参数变化影响等缺点。相较于矢量控制算法,直接转矩控制采用定子磁场定向,不进行复杂的坐标变换、直接在静止坐标系中对电机的磁链和转矩进行控制,简化了算法、提高了转矩响应速度。同时,采用滞环电流控制器,使电机控制效果对电机参数变化不敏感。因此,它具有结构简单,对电机参数依赖小、系统转矩响应快等特点,特别适合于需要快速响应的电机控制系统。传统矢量控制系统的电流控制、转速控制以及直接转矩控制系统的转速控制均采用控制器。控制具有结构简单、容易实现的优点,但其参数调整依赖浙江大学硕士学位论文第章绪论于操作者的经验,性能受系统参数变化影响较大,实际中的控制效果一直不尽如人意。近年来,国内外学者将不少先进的控制策略相继引入了电机控制系统以进一步提高和改善的控制控制效果性能。这些控制策略大多以矢量控制或直接转矩控制为基础,如自适应控制、无传感器控制【】、反推控制【】、滑模变结构控制‘、模型预测控制、模糊控制、神经网络控制等。滑模变结构控制滑模变结构控制是世纪年代初,前苏联学者依特克斯.等人提出的一种控制策略。滑模变结构控制具有开关控制的非线性特征。依据被调量的偏差及导数,以开关的形式调整控制量,使系统结构以阶跃方式有目的地变化,使系统轨迹沿着设计的开关面滑动。滑模变结构控制以其无需在线参数辨识、易实现、强鲁棒性等优点,在实际工程中得到了一定的应用。但滑模变结构控制存在固有抖振,主要原因是:在实际控制中,控制力是有限的,从而使系统的加速度有限;系统惯性等导致切换开关时间滞后,特别是对于计算机采样系统,总存在一个采样周期的开关时间滞后,由此会造成系统结构变化不及时。在实际系统中抖振问题的无法消除,使得滑模变结构的应用受到了限制。自适应控制自适应控制能够依据系统内部和外部干扰造成的输出误差不断调节控制器参数,使控制器逐渐完善、满足实际控制的需要。自适应控制对控制对象参数的依赖性小,不需要太多的关于模型和扰动先验知识,具有较强的实用性。在交流调速控制系统中常用的自适应控制方法有模型参考自适应控制、参数辨识自校正控制‘以及非线性自适应控制。在自适应控制存在的主要缺点是:第一、自适应控制算法通常较为繁琐,难以在快速的时变系统中应用。第二、在初始阶段自适应控制的效果较差,难以满足需要,有时甚至会破坏系统的稳定性。反推控制反推控制思想出现较早,但到世纪年代才被等人首先提出。其基本思想是将复杂的非线性系统分解为若干个相对简单的子系统,并为其设计系统函数和中间虚拟信号,这样,整个系统的控制信号由虚拟信号递归得到。它每一步只处理一个相对简单的系统且保证虚拟误差收敛到零,因此反推控制能使浙江大学硕士学位论文第章绪论整个系统渐近稳定。智能控制】智能控制理论的基本思想是模拟人脑思维等自然界存在的行为,它一改传统的控制观念,在控制中引入逻辑、推理等因素,摆脱了对控制对象数学模型的依赖,对处理难以建模、或复杂非线性难于控制的问题具有明显优势。智能控制常用的控制方法有模糊控制、神经网络控制、专家系统等。在交流伺服系统中模糊控制、神经网络应用较多,其研究已经取得了一些成果。但是智能控制在电机控制系统中的应用发展尚不成熟,还有许多问题需要解决。其中最显著的缺点是,大多数智能控制策略的控制器设计方法还没有形成完整的理论,主要通过经验来设计,控制结果难以保证。这些条件限制了智能控制的发展。无传感器控制在传统调速控制中,无论是矢量控制还是其他控制策略系统的转速信息都需要通过光电编码器等位置或速度传感器来获得,以实现闭环控制。但是传感器增加了电机的体积和转动惯量,使系统的可靠性降低,而且传感器的灵敏度和分辨率易受应用环境中温度、电磁噪音的干扰,这使得电机控制精度降低。加之,传感器使电机成本增加,限制了电机的低成本发展,因此无传感器的控制也成为了一个研究的热点。无传感器运行控制系统是通过直接计算、状态估计等方法,从电机绕组电压、电流等电信号中提取转子的位置和速度信号,并将其应用到闭环控制系统中,从而取代传感器。对于永磁同步电机无传感器控制策略可分为三大类‘:适用于中、高速的控制方法;适用于低速的无传感器控制方法;适合于转子初始位置检测的方法。但是,到目前为止,还没有能够在电机低速和高速运行范围内都能满足控制精度要求的方法。虽然在一些实际产品中出现了无传感器控制的功能,但总体而言无传感器控制技术还未达到可实用水平。.模型预测控制及其发展模型预测控制是于世纪年代产生的一种计算机控制算法。最初由美国和法国的几家公司提出,它不是理论上的衍化,而是在工程应用中发展起来的,具有很强的工业应用背景和广泛的实用性。自世界年代起,模型预测控制在石油、化工、航天和能源等多个过程控制领域都被成功应用。模型第章绪论浙江大学硕士学位论文预测控制与其他控制方法的区别主要在于它考虑了控制量对未来状态的影响。它的实现方法是,在采样时刻依据预测模型和假设的控制输入序列预测未来一段时域内的状态,再在给定时域内在线求解一个优化问题来获得控制输入序列,但只将得到的控制序列的第一项应用到控制系统中,在采样时刻,重复相同的过程,向前滚动优化。模型预测控制凭借其自有的优点从产生之初就不断发展、应用到各个领域。从模型预测控制的发展历程来看,其经历了以下三个发展阶段。第一个阶段是在上世纪年代,以等人于年最早提出的模型预测启发控制,;等人【提出,;等人【提出的模型算的动态矩阵控制,为典型。这些算法是以控制对象的阶跃法控制响应或脉冲响应为模型,在模型选择和控制思路方面很适合复杂的工业过程应用的要求。这类基于非参数模型的预测算法在化工、石油、汽车等领域得到了广泛的应用。但阶跃或脉冲响应模型包含项数较多,需要求解很多参数,模型结构往往过于庞大。第二个阶段是世纪年代初期,等人于年提出的广义预测控制,为典型,将自适应控制与预测控制相结合,使系统的动态性能得到了改善。这类基于参数模型的模型预测控制算法在航天、机器人等精密领域中的广泛应用,极大地促进了的进一步发展。但如何在中包含状态量和控制量的约束条件仍是一个悬而未解的难题。第三个阶段是世纪年代随着预测控制理论的初步形成,多种新型的算法、设计方法以及设计思路不断提出,在此基础上发展成为了预测控制定性综合理论‘。在这个时期,学者们开始转向了基于最优控制的预测控制研究。这一阶段的研究取得了丰硕的研究成果。.国内外研究现状自世界年代起,模型预测控制在化工、石油、航天和能源等多个过程控制领域都被成功应用,然而其较大的计算量阻碍了其在运动控制中的应用。进浙江大学硕士学位论文第章绪论入世纪,随着材料学和芯片制造业的迅猛发展,芯片集成度不断提高,计算能力迅速提高,这使得模型预测控制在运动控制中的研究和应用逐渐成为可能。,年前后,国际权威杂志等发表了多篇模型预测控制应用于永磁同步电机、异步电机以及其它逆变器控制等快时变系统的论文,标志着相关研究工作取得一定进展。其中国内外学者对模型预测控制在永磁同步电机控制中应用的研究提出了很多很好的思路,但总体而言,研究仍远未成熟。..基于线性模型预测算法的研究现状由于永磁同步电机的非线性模型复杂,较难在永磁同步电机电流环的采样周期内完成。研究者大多偏向于采用线性模型预测算法控制永磁同步电机。基于线性模型预测的这种思路可以分以下几种方法。基于直接转矩控制基于直接转矩的控制方法是对每一组可能的逆变器开关计算其作用下状态量的值,将其价值函数最优的一组逆变器开关作为实际的输出量。年,等提出了一种基于内模控制器,将模型预测与数学差值相结合的多步预测算法】。年,等提出了利用模型预测电流控制方法来解决多电平逆变器电压选择中计算量大的问题,给出了基于离散时间模型的单步预测算法。这种方法的基本控制结构如图.所示峨骶高转矩磁链估计卜.?图.永磁同步电机模型预测直接转矩控制基本结构图基于矢量控制文献中,等提出了基于扩展卡尔曼滤波器的多变量模型预测控制算法。文献】中,等提出了通过两个线性模型预测控制器级联的永磁同步电机模型预测算法。这些方法均基于矢量控制,在电流环中使用模型预测控制算法,即用线性的模型预测控制器取代永磁同步电机电流环中的控制浙江大学硕士学位论文第章绪论器,在线优化得到使性能指标函数最小值的输入信号,再给到模块生成逆变器驱动。这类方法的基本控制结构如图.所示:币∑二争。■图.基于旋转坐标的永磁同步电机线性模型预测控制基本结构图模型预测直接电流控制将旋转坐标控制与固定坐标控制融合,先利用坐标变换得到定子电流直流量后,再分别对每一组可能的逆变器开关计算其作用下状态量的值,将其价值函数最优的一组逆变器开关作为逆变器的驱动。年等提出的方法是这类思路的代表。这类方法的基本控制结构如图.所示:?∑◆????■卜图.永磁同步电机模型预测直接电流控制基本结构图模型预测混合控制这种控制方法通过设置一个同时包含电流和转速控制的模型预测控制器来取代电机控制的双闭环结构,达到控制转速和电流的目的。年,等基于这种思路提出了离线计算控制量参数、在线查表获得控制量的方法。此方法的基本控制结构如图.所示:图.永磁同步电机模型预测混合控制基本结构图近几年,国内学者也开始了对基于线性模型的永磁同步电机预测控制的研究,如年王宏佳等提出了基于矢量控制技术的无差拍永磁同步电机电流预浙江大学硕士学位论文第章绪论测控制算法,可以看做一类特殊的模型预测控制方法。目前国内学者的研究主要集中于转速环,以电流环为控制目标的研究成果较少,但还有一些针对相同时间尺度、其它控制对象的研究结果。年的研究成果表明,基于线性预测模型采用单步预测时,对的控制效果和传统采用空间矢量调制的算法相当,但采用多步预测时,其控制效果要比空间矢量调制算法好的多【。但多步线性模型预测需要更长的计算时间,产生的预测时滞问题导致了实际逆变器驱动的滞后,难以达到理想的控制效果。年,总结了模型预测时滞问题,提出了提前一步的补偿方法,可以减少预测时滞对永磁同步电机预测控制系统的影响‘。..基于非线性模型预测算法的研究现状线性模型预测算法虽然相对简单、易于实现,但忽略了模型非线性部分,不能完全反映控制对象的动态性能,难以实现高性能控制。而非线性模型预测算法在这方面有显著优势。近年来,随着和技术的不断成熟,在线完成永磁同步电机的非线性模型预测控制逐渐成为可能,出现了少量基于非线性模型的永磁同步电机预测控制的研究成果。等在年提出了基于永磁同步电机的非线性连续模型,求出使二次型价值函数在一段固定时间后达到最小的系统输入作为实际输入,再经电压调制成为逆变器驱动的方法。它包含两个非线性模型预测控制器,分别控制永磁同步电机的电流环和转速环,并采用了具有抑制超调功能的误差观测器以增强系统鲁棒性四。虽然基于模型预测算法的永磁同步电机控制研究已有如上所述的初步成果,各国专家学者提出了一些值得借鉴的思路,但是总体而言,将模型预测算法应用于永磁同步电机的研究仍处于初级阶段,距离实用化还有相当距离,对其研究也具有较大的意义。随着永磁同步电机的迅速发展,尤其芯片技术的迅猛发展,对于永磁同步电机模型预测算法的研究是一个有价值、值得尝试的研究方向。.本文的研究意义和主要研究内容如上所述,在现在工业应用中,永磁同步电机以其结构简单、体积小、动态浙江大学硕士学位论文第章绪论响应快、损耗小、功率高等优点被广泛采用。加之,我国是稀土大国,稀土资源丰富,稀土永磁产量居世界首位,进入世纪,“全球永磁体产业中心”已转移到我国,这为永磁同步电机的发展提供了坚实的基础。目前为止,永磁同步电机被广泛应用的高性能要求的控制场合,应用中对控制精度的要求也越来越高。深入研究基于模型预测算法的永磁同步电机控制,不仅可以促进数学、控制、计算机等相关领域的研究,而且可以有效提高电机能源利用率。因此,对永磁同步电机模型预测控制的研究有很大的实际意义。本文以永磁同步电机为研究对象,首先在分析了传统控制方法不足的基础上,以模型预测为控制算法,对永磁同步电机控制进行了研究。其次,针对传统模型预测中差分方法精度不够的缺点,本文采用了自动微分的方法,进行了基于自动微分的永磁同步电机研究。最后,通过/仿真,说明采用模型预测算法以后,控制系统具有更好的性能和效果。全文共分为五章:第一章给出课题研究背景,简单介绍了交流调速系统的控制策略、模型预测控制的发展历程,并对永磁同步电机模型预测控制的国内外研究现状进行了综述,最后阐明了课题的意义和本文主要研究的内容。第二章介绍了永磁同步电机的结构和分类,推导给出了永磁同步电机静止三相坐标系轴系、轴系下的数学模型,给出了变换和变换两种坐标变换,分析了的基本原理。介绍了永磁同步电机电流矢量控制方法,分析各种方法的特点,并建立利用控制的系统/仿真模型。第三章详述了模型预测控制的原理、算法。采用/环境对永磁同步电机模型预测控制系统进行了仿真。仿真结果表明,模型预测控制的方法可以应用在传统运动控制中,达到理想的控制效果。第四章详述了采用自动微分算法的模型预测控制系统。传统模型预测控制算法采用差分方法或侧预测值,造成一定的预测误差,影响控制精度。本文提出将高阶项包含到预测模型中,并利用自动微分的方法简化了泰勒级数的展开过程,从而弥补了传统差分方法的不足,提高了模型精度。考虑到预测模型易受内部和外部干扰的影响,在系统中加入扩张状态观测器以提高系统的鲁棒性。在浙江大学硕士学位论文第章绪论/仿真环境下对提出的算法进行了仿真研究。仿真结果表明,本文提出的基于自动微分方法的模型预测控制,可以有效提高控制精度,并对控制对象参数变化具有较好的鲁棒性。第五章是总结了本文的主要研究内容和创新点,并指出今后研究工作的主要方向。浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模第章永磁同步电机仿真建模.永磁同步电机的数学模型..永磁同步电机的结构永磁同步电机从电励磁三相同步电动机发展而来。它与电励磁三相同步电动机的区别就是的励磁系统用的是永磁体,省去了集电环、电刷和励磁绕组部分,而定子和电励磁的三相同步电动机基本相同。常见的永磁同步电机可以分为正弦波驱动永磁同步电机和方波驱动永磁同步电机。本论文以三相正弦波驱动交流永磁同步电机为研究对象。永磁同步电动机和普通同步电动机一样由定子和转子两大部分组成。永磁同步电机按照永磁体在转子上的位置不同分类,有面装式、插入式和内装式种【,如图.所示。面装式插入式内装式图.水磁同步电机的转子结构面装式结构相当于隐极同步电机,插入式和内装式相当于凸极同步电机。面装式结构可以使电机转子直径变得较小,导致电机惯量变小,适合于调速系统。根据转子极对数的不同,永磁同步电机分为单极和多极。与电励磁机相比,永磁电机具有以下优点】:永磁体代替了励磁系统,减少消耗,提高了效率。励磁绕组和励磁电源的取消使永磁电机结构简单、运行可靠。浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模七,,讣七渤式中,臼为定子绕组与转子永磁体夹角,一,%,为三相绕组的全磁链,。图.二极面装式结构简图在图.中,三相绕组的电压方程表示为“彳‘百..“占足‘百铲七等式中,“口,“为三相绕组相电压,,为三相绕组相电流,尺。为每相绕组拍,嚣薹兰篆睡囊式中,上朋,,分别为定子各相自感,三舳气一们
翻,
口为两相绕组互感,%,归,分别为励磁磁场在各项绕组产生的互感磁链。因假定气隙均匀、各项对称,因此绕组的互感以及自感与转子的位置都没有关系,均为常值。令为绕组自感,则有匕。。.式中,。,厶。分别为相绕组的漏电感和励磁电感。令为绕组互感,因相绕组彼此在空间间隔电角度,且因定子绕组产.肌匕咆厶咆等扛另外,永磁磁通对定子侧产生的磁链为归吩一.弦/,孚浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模电机型接法,三相电流满足如。关系式.‘‘将式.、.、.代.,得』?少口/,.口?‘一??其中三?要,。代入式.,得到如下方程%足‘
瓦?厂哆.足‘哮一,纵臼一詈万¨警;州叩争.永磁同步电机的矢量控制由永磁同步电机在坐标系中的数学模型可以看出它是一个多变量、非线性、时变、强耦合系统,要分析和求解它的微分方程组十分困难,要想像直流电机那样方便地控制其转矩进而调速就更困难。交流电机的矢量控制思想的出现,在理论上解决了这一问题。矢量控制的理论基础是空间矢量理论【,空间矢量、矢量变换和矢量方程是构成矢量控制的重要基础。矢量控制的基本原理】就是将电流矢量分解为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量,两个分量相互垂直,然后分别对其进行控制,其控制框图】如图.所示。给图.矢量控制原理框图由图可知,以轴表示的矢量方程是分析矢量控制的基础方程,但这些浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模方程不能直接被用来实现控制。为此,需要通过坐标变换或矢量变换来满足控制的需要。..坐标变换为了不影响机电能量转换和电磁转矩的生成,坐标转换后要保证电动机内的磁场分布不变。因此,磁动势等效是坐标变换的基础和原则。变换/图.给出了、、和口、‖两个坐标系,设定轴与轴重合。图./坐标变换的轴系和轴系设三相系统的每相绕组匝数为Ⅳ,两相系统的有效匝数为Ⅳ,磁动势的大小为有效匝数与线圈内瞬时电流的乘口、卢积。满足坐标变换的原则,三相定子绕组和两相定子绕组可以相互等效,那么,二者各自的合成磁动势相等均为。则有.、式中,口/。,、局为、坐标轴系各自产生的磁动势,、、疋为坐标轴系各自方向上产生的磁动势令等式两边虚部、实部相等可得:浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模Ⅳ屯‘.。Ⅳ‘。等。竺?一三‘.Ⅳ绉。Ⅳ‘等Ⅳ了孚Ⅳ‘一如由控制框图可知控制过程中需用到坐标逆变换。为了方便求解逆变换,需要将变换阵表示为可逆方阵。为此,在以上两相系统上添加一项零轴磁动势:。,并定义:Ⅳ乇哦‘,对于永磁同步电机,一般有乇。将以上三式合在一起,写成矩阵形式,得一一二‘,鱼一笪.‘凇阱厂厂√√、一式中,是三相坐标系到二相坐标系的变换阵。/一?』.由于正交变换它不改变矢量的长度,因此当满足功率不变条件时,中间变量应具有这一性质,变换阵满足压一、.:/?:/?百』压由%:,日矿嗽Ⅳ信,且击即~浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模一三一。忑斤,/,一严鱼一鱼/一、『/、/压压压压变换变换是美国人派克最早提出的三相变二相的变换。图.给出了静止叩轴系和旋转轴系两个坐标系。旋转坐标系的两个直流电流、。和静止坐标系的两相交流电流。、‘产生同样的以转速国旋转的合成磁动势。图./坐标变换的【轴系和旋转轴系由图中关系可得口口一。卢为了凑成方测:。。则有.拌瓣三通过式.和.,可得从静止的三相坐标系到旋转的二相坐浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模标系的变换式。胁为刚日吲弘.刚?一/一.口坩.口”./一、.争堡删臼等.一.一压上压压其反变换式为臼压厅./吲胁√量臼一等删臼一等压臼等,删口争压..水磁同步电机轴数学模型分析永磁同步电机最常用的是轴数学模型。在坐标系下描述的的数学模型使永磁同步电机的物理意义更加明确‘:以旋转的转子为参照物,轴是相互呈度夹角、轴中流过的电流为直流且两轴保持静止,即轴系是随着转子同步旋转的坐标系。假设轴旋转到主磁链轴线的位置,此时永磁同步电机的分析相当于直流电机,轴为励磁绕组,轴绕组为相对静止的电枢绕组。这样就使得的问题分析变得简单了。从式.、.可以得到‘√;‘臼√三乇,.?,“一√詈“。。臼一“。臼√圭“。,一√詈。。?。口√三。,将式.代入式.中“』‘垡丝等式中,得到浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模“?屯一皇考笋。一“口一足二/。一足如一警,:。.?,?一尼%.咄%乙一肛州%,%.盟以盟出其中少,厶‘,三三,,‘气.厶乞,,吾。屯.厂∞永磁同步电机的输出转矩方程为。..’”。‘“。吼鹄。:孚/‘厶一厶‘‘二孚‖/‘厶一厶‘‘对于隐极,‘,因此其输出转矩不包括由凸极结构引起的磁阻转矩;而凸极的转子结构厶≠‘。由.、.、.得到永磁同步电机的轴下数学模型为厶鲁一厶一。.∞厶‘国,心厶鲁一,知厶一知矿肛吒式中,,‘,,“。分别是坐标下的电流、电压,厶,‘为?坐标下的定子电感,国为角速度,‰为极对数,磁链。了/浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模..永磁同步电机矢量控制方法交流调速系统控制的关键是实现高性能控制电机的瞬时力矩。对来讲,其瞬时力矩控制的要求为响应快、脉动小、功率因数高、精度高等。从给出轴数学模型来看,对永磁同步电机输出转矩的控制可以转换为对轴电流的控制。永磁同步电动矢量控制的方法有:控制法,最大转矩/电流比控制,恒磁链控制,控制法等。现在常用的控制方法为最大转矩/电流比控制法和控制法。,控制方法是充分利用逆变的容量使电机的功率因数恒为,这一控制方法最大输出力矩小、控制相对复杂,一般适用于大功率交流同步电机调速系统;恒磁链控制方法,可以得到比较高的功率因数,从而提高电机的最大输出力矩,在输出转矩相同时,所需要的逆变器容量相对比较小,但是去磁分量大,当电机拖动系统输出力矩满足电机要求时,力矩电流比最大控制的优点是定子电流幅值达到最小,提高稳态运行效率。‘的控制方法最简单。‘时,从电机角度看,永磁电机相当于一台他励的直流电机,其定子电流没有直轴分量,且永磁体空间矢量和磁动势空间矢量正交,电磁力矩和电枢电流成线性关系,无去磁效应。在隐极式中,屯控制算法等价于力矩电流比最大的方法,即可以保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩。由于‘的控制方法转矩波动小、控制系统简单,可以获得较宽的调速范围,所以这种转子磁场定向方式对于小容量交流调速系统特别是永磁同步电机调速系统非常适合。在‘时,永磁同步电机的轴模型式.变为%.磅一删一,,。三胛,,‘一∞一上当屯时,电机电磁转矩与交轴电流成线性关系。时的永磁同步电动机空间矢量图如图.所示浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模。。\∞‘厶“\\乒分‖掣图.时的电机相量图..电压空间矢量脉宽调制技术【在交流电机的驱动中,电动机电流正弦化的目的是电动机的磁链成为圆形的旋转磁场,从而使电动机产生恒定的电磁转矩。按照磁链轨迹为圆的目的形成控制信号,因为电压空间矢量可以得到磁链的轨迹,所以称为电压空间矢量控制。如.所示的是典型的三相电压源逆变器。图中、和屹是逆变器的输出电压,六个由,’,,’,和’控制开关通断。逆变器为了满足电机正常工作,需要、、三相供电,也就是在任一时刻都有.’、.’和.’每个桥臂上有一个器件导通,即有三个器件同时导通,而另三个器件关断。规定当晶闸管、、处于开通时用状态“”表示,晶闸管、、处于关断状态时用状态“”表示。图.三相电压型逆变电路因此三个桥臂?’,一’,?’产生种状态组合,由逆变器输出电压直接的浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模关系以及开关状态可以得到六个有效电压矢量,,,,,和两个零电压矢量和。其中六个有效电压矢量相邻向量相差、电压幅值为必圪。开关状态和电压关系如图.所示。技术就是通过这个电压的不用组合来产生旋转电压,常用的就是相邻的两个非零矢量和一个零矢量合成所需电压耐。任意的时间周期内,保证逆变器输出均值与叱,均值相等。.?‘?’%屹图.电压空间矢量关系图以图.中第扇区为例分析以第一个扇区举例,用其两个相邻有效矢量,、:和零矢量来合成参考矢量%,可以得到一图.第一扇区电压空间矢量关系图’‘%’,%?,‘浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模由图.中关系可知:%巧?争%圪/;?等%‖因此,一√圪圪一√..圪%??、,口、轴分量圪一Ⅳ%%一Ⅳ%可得到,一圪一一丁一,巧三圪.\?。,一。一??一圪同理,可得到参考电压矢量在其他扇区时的作用时间值。令竿卜刍也一九瓦卢矿‰可得到每个扇区作用时间,如表.所示。表.相邻非零矢量作用时间要实现算法,还需要做如下工作:扇区判断定义变量如下浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模?口一?则与空间电压矢量所处的扇区关系如表.所示。表.值与扇区对应关系开关切换时间的计算定义
;三丢三丢麓在不同的扇区中,根据表.对乏。,、乙:、乙,进行赋值。..永磁同步电机矢量控制系统通过坐标变换、空间矢量调制算法,在中可根据图.中永磁同步电机的矢量控制系统框图进行仿真模块的搭建。控制采用包括速度环和电流环的双闭环控制,由控制器模块、/、/坐标变换模块、空间矢量脉宽调制模块等组成如图.所示。浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机仿真建模.永磁同步电机矢量控制系统框图图.永磁同步电机矢量控制/仿真图.本章小结本章介绍了永磁同步电机的结构、分类以及其数学模型,并介绍了坐标变换过程中的变换和变换。推导给出了永磁同步电机静止三相坐标系、轴系下的数学模型,分析了的基本原理,为后面章节提供理论基础。给出了的矢量控制方法,分析了采用转子旋转坐标系中的控制,可大大简化交流电机的控制方法,提高电机的控制性能。最后给出了/仿真环境下基于矢量控制的永磁同步电机调速系统的仿真图。浙江大学硕士学位论文第章永磁同步电机基本模型预测控制第章永磁同步电机模型预测控制.模型预测控制模型预测控制,是世纪年代产生于工业过程控制领域的一类计算机控制算法【,。是以预测模型为基础的一种利用预测变化的趋势进行调节的控制算法。实用过程中,的形式多种多样,但无论采用何种形式,各类几乎都能归纳为预测模型、滚动优化、误差校正三个基本特征【。针对这三个基本特征,本章给出永磁同步电机的基本模型预测控制方法。..预测模型模型预测控制是基于预测模型一种控制算法。这一预测模型侧重模型的功能,它可以是微分方程、状态方程等参数模型也可以是模糊模型、智能模型等非参数模型。预测模型作用是对未来一段时间的输出进行预测,具体来说就是利用对