毕业论文外文翻译-永磁同步电动机的矢量控制——综述.doc

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1、附录3 中文译文永磁同步电动机的矢量控制综述摘要在高性能伺服应用中，最理想的方法莫过于不使用运动状态传感器的快速精确的转矩控制。结合直接转矩控制器的永磁同步电动机使用计划为实现这一目标提供了许多机会。最近，已经有一些作者提出了可能实现的永磁同步电动机的直接转矩控制。本文给出了一些概述，解释了永磁同步电动机的基本原则。讨论了内嵌式和面贴式的拓扑结构和算法描述。在这些控制计划需要估计定子磁链和初始转子位置。本文也讨论了实现这些估计的技术。本文的主要目标是对已经取得的成果给出一个大纲，同时为进一步研究确定兴趣点。1 绪论在各种工业应用中，如工业机器人和机床，永磁同步电动机驱动器已经取代了传统的直流电

2、机和异步电机驱动器。永磁同步电动机的优点有高转矩/惯量比，高效率，高功率密度和高可靠性。因为这些优势，永磁同步电动机确实在需要快速和精确转矩响应的高性能伺服驱动器中有很好的应用。在永磁同步电动机驱动器中，电磁转矩通常是在一个固定在转子上的坐标系上来间接控制定子电流元件。这一领域的方向创造需要一个位置传感器，从而降低了驱动器的可靠性同时增加了成本。有人提议，异步电动机直接转矩控制作为一种替代控制方案在过去二十年非常流行。直接转矩控制的异步电机具有作为计算固定参考系的内在的运动状态传感器。此外，与磁场定向控制相比，采用无电流控制器和电机参数以外的定子电阻的直接转矩控制的转矩响应更快，参数依赖更低。

3、在90 年代末，出现了一种把直接转矩控制和永磁同步电动机的优势结合的理念应用到充满生机的驱动器中的文章。在过去十年中，一些作者已经提出了将直接转矩控制应用到永磁同步电动机的方法。这篇文章给出了在这个领域中的研究综述。第三部分给出了内嵌式和面贴式的永磁同步电动机的可能实施方法。第四节和第五节讨论了实施方法中的问题。第六部分总结了进一步研究的发展方向。2 永磁同步电动机直接转矩控制的原理忽略脉动转矩，永磁同步电动机的稳态电磁转矩T 可以写成:其中表示负载角，如图1 所示，负载角的定义是指定子磁链矢量s和永磁磁链矢量之间的夹角。代表极对数。方程1 适用于面贴式永磁同步电动机，它的直轴定子电感小于交轴

4、定子电感，对于永磁同步电动机， 等于，方程1 变为：从方程1 和2 可以得出，在定子磁链一定的情况下，转矩由负载角决定。如图1 所示，一个两电平三相电压源逆变器可以产生8 个电压矢量，六个有效矢量和两个零矢量。定子磁通矢量可由下式计算：在上式中代表定子电阻， 和分别代表定子电压矢量和定子电流矢量。当定子电阻被忽略时，定子磁链矢量则变成电压矢量的一个开关时间六个有效的电压空间矢量都有一个径向和切向的定子磁链矢量。从（4）中可以看出，径向电压矢量决定定子磁链的幅值，而切向电压矢量决定电子磁链矢量的旋转速度和负载角。这样，定子磁链和转矩可以同时控制逆变器。最适合的电压矢量将定子磁链矢量和转矩的给定值

5、与估计值之间的瞬时误差最小化。因此，尽量减少控制器错误是必要的，同时还要估计定子磁链和转矩。在绪论第三节对不同类型的控制器进行了讨论。（3）式可以用来估计定子磁链。然而，不像，在永磁同步电动机中定子磁通矢量的初始值不同于零，而是取决于转子的位置。因此，转子初始位置需要测量或估计。在评论的第三部分讨论了不同类型的控制器。目的是可以使用定子磁链估计。然而，不像，在永磁同步电动机中定子磁链矢量的初始值等于0 而是决定于转子位置。所以，初始位置检测是必需测量和估计的。3 可能实现方法文献中有许多不同的解决方法。第一次提出了永磁同步电动机直接转矩控制的是文献【2】然而，提出的方法不能算是直接转矩控制，而

6、它事实上是电流控制。正如【4】中所讲的一样，直接转矩方法除了可以用来控制电磁转矩以外，还可以控制直轴电流和无功而不是定子磁链。在下面的这些方法没有被考虑，因为这样所有的方法都是直接转矩和磁通控制。在文献【5】中提出了一种很好的直接转矩控制的概述，但是研究的是基于异步电机的直接转矩控制。这一部分概括了永磁同步电动机直接转矩控制的不同实施方法。方法根据电压矢量分布而划分，初始定子磁链估计和位置传感器的利用上也是根据电压矢量分布而区分。讨论的一些方法中需要转子位置，这样就丧失了无传感器运动状态控制的优点。 开关表直接转矩控制基本的开关表直接转矩控制：原来的直接转矩控制方法有一个滞后的定子磁链和转矩。

7、图2 给出了传统的方法，数值和表示给定值，虚线显示的是可选择编码器。定子磁链的瞬时偏差有两个可以选择的值（1 和-1），而瞬时转矩偏差有三个可以选择值（-1，0 和1）。此外，平面被分为六个扇区。开关表的输入由偏差值和以及带有定子磁通矢量的扇区号。开关表的输出是八个可能的电压矢量。文献【6】中已经在永磁同步电动机中实现了这个方法，与文献【1】中在异步电机中采用的开关表是一样的。另外，初始磁通估计可以通过一阶滤波器来解决。由于一阶滤波器的稳态输出与初始条件无关，这将产生良好的结果，但是不是在驱动器的启动阶段。文献【3】也提出了开关直接转矩控制的方法，但没有用零电压矢量来控制电机。这个基本上降低了

8、转矩偏差到一个正常的迟滞比较。（3）式来估计磁通，假定初始磁通位置已知。这个方法适用于永磁同步电动机。文献【7】和【8】提出的减少开关表的方法适用于永磁同步电动机，而初始转子位置从低分辨率编码器中得到。通过改变定子磁链给定值来增加单位安培下的转矩或减弱驱动器的操作是可实现的。最近的文献已经进一步给出了使用这一些参考磁通的生成方法。在文献【9】讨论了基于开关表直接转矩控制的单位磁通下的最大转矩方法。文献【10】提出了在开关表直接转矩控制下的优化效率方法，其中定子磁链产生最大效率。在所有这些参考磁通生成方法中都需要离线计算来查找给定定子磁链。2）直接转矩控制的一个主要的缺点是纹波转矩和定子磁链。纹

9、波可以通过使用更多不同的电压矢量来减弱。当直接转矩控制时，只有限定数量的每扇区的电压矢量，开关表选择是最合适的。然而径向和切向的矢量和理想的组成一样是不可能的。一种更适合两个组成部分带有增加更多电压矢量和增加分区的方法是可实现的。在文献【11】中，提出了一种通过利用基于三电平的24 个电压矢量的空间矢量调制方法。构造一个能量化转矩和通量错误并提供72 个不同的电压矢量图的开关状态表。这样就可以实现较低的转矩脉动。在文献【11】中提出了SVM 在驱动操作的整个过程中产生更多不同的电压矢量。不过，在某些操作条件下也可能使用混合算法产生更多的电压矢量。文献【12】提出了一种在确保永磁同步电动机启动阶

10、段产生快速转矩的方法。在启动阶段，SVM 用来产生最佳的电压矢量，这个电压矢量能产生最快的转矩。然而，算法依赖于转子位置，要从编码器中得到转子初始位置，同时将转矩变化中的转子位置看成常量。一旦达到转矩给定值，就会使用包含电压矢量的开关表，而且也不在需要编码器了。多级逆变器使得电压矢量能更好地控制磁通和转矩，从而减少了纹波，实现更小的开关频率。缺点是开关电源的需要增加了系统的成本、复杂性和开关损耗。在文献【13】中这样的直接转矩控制用在异步电机上，但是文献中没有提出有关适合永磁同步电动机的方法。B 固定开关频率直接转矩控制为了进一步消除转矩和定子磁链脉动，并获得固定开关频率，可以在下一个切换时间

11、间隔内使用一个永磁同步电动机的模型来计算最合适的电压矢量。这个最合适的电压矢量可以由SVM 来实现。此外，利用SVM 可以改进开关状态表直接转矩控制的一些其它的缺点，例如违反极性的一致性规则，由于扇区改变造成的高采样频率数字实现的比较和扭曲。但是，有几种方法来计算最适当的电压矢量和所需的电机参数，而且在比较不同的方案时必须考虑到计算的复杂性。1）带有闭环转矩控制的电压矢量-直接转矩控制：图3 给出了这种类型的典型方法。在文献【14】中将实际和参考转矩的偏差值输入到PI 调节器来改变负载角。根据（3），使用预算控制器来计算带有测量电流、实际电流和给定磁通的信号所需的电压矢量极坐标。定子电压控制用

12、到一个空间矢量调制器。然而这种方法采用了运动状态传感器。 文献【15】中提出了一种适用于永磁同步电动机的不带位置传感器的相关的方法。估计的定子磁链位置，从PI 控制器得到的负载角校正和参考磁通的幅值用来计算给定的磁通矢量。给定磁通矢量和实际矢量之间的偏差值，通过SVM 来更正所需的电压矢量。文献【14】【15】中提出了地纹波和固定开关频率的获得方法。但是有人指出由于PI 控制器对调谐很敏感，PI 控制器的使用可能恶化驱动器的性能。定子磁场定向控制：正如文献16中所讲的定子磁链控制的永磁同步电动机与先前的电压矢量-直接转矩控制方法联系在一起。再者脉宽调制器用来产生一个增量的定子磁链（包括振幅角）

13、但是转矩控制是开环。这个方法控制负载角和定子磁链的振幅。负载角的给定值能从转矩给定中计算出来。建议采用一个位置传感器。3）预测控制：文献17讨论了一种永磁同步电动机的估计直接转矩控制，图4给出了表示。利用永磁同步电动机的有关方程，在某一特定的时间内计算转矩的轨迹是可能的。用这种方法可以计算出最佳的开关顺序。在恒定的开关时间间隔，一个合适的电压矢量的应用所需的时间可以满足纹波段的边界计算，其余的时间间隔采用零电压矢量从而可以减少纹波。在稳态下这个能产生一个固定的开关频率和一个固定的转矩纹波。电压矢量和开关时间的选择是根据每次采样间隔初始时的估测转矩和磁通决定的。对于转矩估测，转矩的时间变化率由定

14、子电压、定子电流、永磁磁通和转子位置的作用来计算的。很显然，在这个方法中电机参数的依赖性要比基本的直接转矩控制大。然而，这个方法需要通过位置编码器来获得转子位置角。4）变结构控制：文献【18】中提出了基于永磁同步电动机的变结构直接转矩控制，其中提出了滑动面和电压源换流器。利用转矩和定子磁链偏差，以及磁通组成，电机转速和扩大的磁通通过可变结构控制器来计算和滑动面相连的电压矢量驱动系统。通过SVM 这个电压矢量就实现了。可以获得低纹波和固定开关频率，但是需要使用速度编码器。变结构控制的计算使得驱动器性能更加依赖于电机参数。 4 定子磁链估计直接转矩控制的基本原则是以瞬时转矩和定子磁链误差减少到最低

15、限度这种方式，通过改变定子磁场矢量来控制转矩。这样的定子磁链矢量的估计对于直接转矩驱动的正确操作是十分重要的。估计定子磁链的一种方法是测量定子电压和电流以及方程（3）。唯一需要的电机参数是定子电阻。一体化的使用有它的缺点：任何的电压或电流的直流偏移都会导致估计定子磁链的大漂移。文献【19】提出了一些补偿技术并进行了简短地概括。为了克服这个问题，文献【19】提出了采用可编程级联低通滤波器作为替代集成。每一个低通滤波器都有一个传输特性，其中为滤波时间， 为信号频率。如果时间常数和增益G 是可编程的并适合于转子转速，阶梯可以达到同样的相位滞后并获得一个纯积分。基于电压方程组的定子磁链估计的另一个问题

16、是定子电阻变化。由于皮肤效应和温度变化，定子阻抗将有很大的差异。错误的电阻值将会在方程（3）中产生较大的误差。文献【19】和【20】描述了一种定子电阻估计技术。它是基于电阻和电流变化的关系的，它允许PI 控制器来更正定子电阻。该算法不需要转子位置。尽管依赖在和上的电流给定，饱和度的影响在这个方法中可以不考虑.文献21介绍了另一种定子磁链的估计方法。该方法是根据检测产品的数量估计定子磁链和实测定子电流。交流中提取一部分，用于过滤和估计定子磁链。也讨论了简单的低通滤波器和合适的滤波器。文献【22】讲述了估计定子磁链的延伸方法卡尔曼滤波，其中估计了永磁同步电动机的机械状态。文献【23】描述了基于滑模

17、的演示。5 初始转子位置估计正如第二部分提到的，在直接转矩控制驱动中必须知道初始转子位置，因为它需要初步估计定子磁链。如果控制器中的初始位置信息太不准确的话，电机最初可能位于错误的方向上。文献【19】和【24】讨论了一种估计永磁同步电动机初始位置的技术。这个方法是基于高频率（300 赫兹）定子电流振幅和转子角位置之间的关系。饱和定子电流影响磁场极方向。文献【25】描述了矩形脉冲电压的方法，而且是针对凸极式永磁同步电动机，即只有IPMSM。 对于非凸极式永磁同步电动机，初始转子位置的无传感器估计更加困难。当考虑饱和度影响度时，文献【19】和【24】中描述了可能适用于永磁同步电动机的方法。6 将来

18、研究饱和度和参数估计误差对直接转矩控制的永磁同步电动机性能，尤其是对模型估计和控制器的影响要考虑。要把重点放在无传感器控制和估计上。传感器位置估计除了直接转矩控制的永磁同步电动机外还有其它的应用。直接转矩控制的永磁同步电动机的数字执行以及相关的永磁同步电动机的离散模型，加上新的直接转矩控制的方法都为更深入的研究提供了许多机会。结合于直接转矩控制的研究计划，最适当的开关战略研究在进行。文献中提出了很多实现方法。但是，尽管有由于最大的转矩特性带来的不稳定这一事实，除了文献【26】，稳定的直接转矩控制的永磁同步电动机驱动器还没有许多研究。负载角对应的最大转矩，负载角将产生较低的转矩。如果直接转矩控制

19、器通过增加负载角来增加转矩，转矩会进一步减少从而造成不稳定。文献26讨论了避免这种不稳定的两种方法。两者都是基于控制负载角。但是除了静态的不稳定，驱动器的整体稳定性也应该考虑。文献【27】给出了异步电机直接转矩控制的稳态机制的数学分析并用它理解直接转矩控制的观察行为。作为这样的一个永磁同步电动机的直接转矩控制的稳定性的彻底研究仍然在进行中。7 结论本文概述了现有的永磁同步电动机直接转矩控制的实现方法。概述将这些方法分为两大类，基于矢量电压选择的不同和方法的构成。首先，基于直接转矩控制的开关表简单易于实现。但是，作为结果输入到控制器中，只有有限的电压矢量可以使用。这样可以观察重大转矩和定子磁链纹

20、波。其次，恒定开关频率直接转矩控制计划允许使用逆变方法建设电压矢量，但是有较高的计算负担和参数依赖。在每一个主要类别中有变化电压的选择，并产生电压矢量。除了电压选择和生成，可能的直接转矩控制计划会随着定子磁链和转矩估计的不同而不同。讨论了可能的估计技术。由于直接转矩控制本身就是一个运动状态无传感器技术，当评估一个直接转矩控制策略时，位置编码器的使用（无论是在启动还是正常工作条件下）必须要考虑到。为此，也讨论了一些初始转子位置估计技术。可能实施方法的概述和相关估计问题清楚地确定了进一步研究的兴趣点，这是本文的总结。致谢Thomas Vyncke 的这个研究是由根特大学特别研究基金的博士学位补助赞

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41、alderrama, “Direct torque control of induction motors: stability analysis and performance improvement,” IEEE Trans. Automat. Contr.,vol. 46, no. 8, pp. 12091222, Aug. 2001.附录5 外文原文Direct Torque Control of Permanent Magnet Synchronous Motors An OverviewThomas J. Vyncke, Rene K. Boel and Jan A.A. Melk

42、ebeekDepartment of Electrical Energy, Systems and Automation (EESA)Ghent University (UGent), Sint-Pietersnieuwstraat 41, B-9000 Gent, Belgiumphone: +32 (0)9 264 3442, fax: +32 (0)9 264 3582,e-mail:Thomas.VynckeUGent.beAbstractIn high-performance servo applications a rapid and accurate torque control

43、 isdesired, preferably without the use of a motion-state sensor. The use of permanentmagnet synchronous motors (PMSMs) combined with the direct torque control (DTC)scheme offers many opportunities to achieve this goal. Recently several authors haveproposed possible implementations of direct torque c

44、ontrol for permanentmagnetsynchronous motors. In this paper an overview is given. The basic principles of DTC forPMSMs are explained. Topologies and algorithms described in the literature for interiorPMSMs as well as surface mounted PMSMs are discussed. Estimations of stator fluxlinkage and initial

45、rotor position are needed in these control schemes. Techniques toachieve these estimations are discussed in this paper as well. The main goal of the paperis to give an outline of what is already achieved and to determine points of interest forfurther research.I. INTRODUCTIONPermanent magnet synchron

46、ous motor (PMSM) drives are replacing classic dc andinduction machine (IM) drives in a variety of industrial applications, such as industrialrobots and machine tools. Advantages of PMSMs include low inertia, high efficiency,high power density and reliability. Because of these advantages, PMSMSs are

47、indeedexcellent for use in high-performance servo drives where a fast and accurate torqueresponse is required. In PMSM drives, the electromagnetic torque is usually controlledindirectly via the stator current components in a reference frame fixed to the rotor fluxfield. This field orientation create

48、s the need for a position sensor, which reduces thereliability and increases the cost of the drive.For induction motors, direct torque control (DTC) was proposed as an alternativecontrol scheme in 1 and became very popular in the past two decades. DTC for induction machines is inherently motion-state sensorless as the calculations are executedin a stationary reference frame. Moreover DTC uses no current controller and no motorparameters other than the stator resistance, which yields a faster torque response and a lower parameter dependence than wit