磁同步电机数字交流伺服系统的研究.pdf

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1、摘要论文题目:永磁同 步电 机数字交流伺服系统的研究学科:电 力电 子与电力传动作者:沈涛导师:钟彦儒教授 徐艳平讲师签 名，*白 淆签 名 乞袋 含 签名二塑 二二 二乙 一摘要 随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对伺服系统的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。由于交流伺服系统具有直流系统不可比拟的优越性，因此，研究并制造高性能、高可靠性的交流伺服控制系统有着十分重要的现实意义。木文在建立不同坐标系下永磁同步电机(P MS M)数学模型的基础上，详细论述了P MS M 的工作原理和实现 P MS M 电流、速度、位置闭环控制的算法，在此基础上利用M A T I AB/S I M U

2、 U N K仿真工具建立了 整个位置伺服系 统的 模型，进行了 仿真研究，仿真结果验证了控制算法的正确性。同时，在建立 P MS M模型的基础上利用基于高频信号注入的方法观测电机转子位置。仿真结果证明该方法可有效估计出电机的转子位置。利用数字信号处理器 D S P芯片T MS 320 F 2 8 12，实现了对永磁同步电机的电流、速度和位置的闭环控制，验证了 所设计的算法的 正确性。实验结果证明，所设计的伺服系统具有较宽的调速比，具有良好的动静态性能，可满足高性能伺服控制系统的要求。关键词:交流伺服:高频信号;矢量控制西安理工大学硕士学位论文T i t l e:RE SE RCHONTHEDI

3、 G皿 下 ALS ER VOS 丫S T E M F ORT HEPE RMANEN TMA GNE TS 丫NCHR ON OU S MOT ORMa j o r:P O w e r E le Ctr o n i c a n dP o w e r D r 百 v eNa me:飞 抽OSh e nS u P e rvis o r:P r o fe s s o r ya n r u Z H O N GL e c t u r e r 粕 n P i n gX u5.g n a t u r e:血一 溢一5 og natu re:妙尹沙5.9 二，。r。:.州竺 平 缘 竺A】S t r 8 C

4、 t H i gh P e rfo rmanc e A Cs e rv os y s t em s，wid e l yu s e dinv a r i o u s are a s，ar e d e m and e dw i t ht h ed e v e lo P m e n t o f m o d e rnin d u s tti a l iz a ti o n.A Cs 柳os ys tems h a v e a d v a n ta g e s o v e r D Cs e 列。s y s te m s，s oit is v e r y im P o rt an t t o d e v

5、e lo Ph i沙 P e rforman c e a n dh igh r e l ia b i lityA Cs e rv ocon trol s y s te m s.In th is P a P e r，th e con tro l m e th o d 0 f th e P e rman e n t m a 罗e t s y n c h ro n 0 u s m 0 to r(PM S M)an dits m a t h e m at ic m o d e l a refu l lys t u d ie d.The w o rk in gP r in ci P le so f P

6、M S M a n dd o s e 一 lo o Pcon t rol me t hod s o fP MS M curren t、s P e e dandP o s i t i o narod e t a i l l yd i s c u s s e db a s e do nt heP MS Mma th e m a t i c alm o d e l s i nt h e 一 d i fferen t re fe re n c e 介 a l n e s.Th即 t he P 0 s i ti o n s e r v o s y s t e mi s s i m u l a t e d

7、 b yMA T L A B/S I MU LIN K.The c o ni r o l me t h o di s P rov e d cor re c t b y the s i m u l ai i o nr e s u l tMor e o v e r t he t h e s i s P res ent s ah i g h 一 ft e q u e n c ys i 助a l i nj eet i o nm c t hod t o o b s e rve r o t o rP o s i t i o n b ase d o nP e rma n e n t Ma gne t S y

8、 n c b r 0 n o u s Mo t o r mo d e l s.The s i mu l a t i o n res u l t s s h owi t is a dj u s tin g an d e ffec ti v e to e s ti m a te ro t o r P o s itio n.I t，s P ro v e d s u cc e s s 加 l o n P MS M，s s e rv o c o n t ro l b as e d o n th e D ig ita l s ig n a p ro c e s s o r 归S p)chiPT MS 3

9、2 0 F 2 8 1 2，in c l u d i n gc u rr e n t、s P e e da n dP o s i t i o nc o n t rol.The e x P e r i me n t alre s u l t sP r o v e 比 a t t h i s s ervos y s t e mh a s v e r y w i d e r a n g e o f r e gu1 a t i n g s P e e d and h a s goo d d y n ami c ands t a ti c b e b a v i o rs.Mo r e o v e r

10、s o mefun c t i o n s o f s e rvos y s t e m ar ea c c o m P l i s h e d.5 0，t h es e rvos y s t e mc a n m e e t t h e d e m a n d o f h i g h con trol P e r forma n c e.K e y w o 曰5:A C s e rv o;h ig h 一 freq u enc y s ig n a l;vec to r c o n t r o 独 创 性 声 明 秉承祖国 优良 道德传统和学校的 严谨学风郑重申明:本人所呈交的学位论文是我

11、个人 在导师指导下进行的 研究工作及取得的 成果。尽我所知，除特别加以 标注和致谢的 地方 外，论文中 不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和 成果 的任何贡献均已 在论文中作了明 确的 说明 并已 致谢。本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任论 文 作 者 签 名:1 血 一 羞一-妙。7 年拳 月 侧 日学位论文使用授权声明 本 人澎涛在 导 师 的 指 导 下 创 作 完 成 毕 业 论 文。本 人 已 通 过 论 文 的 答 辩，并已经在西安理工大学申请博士/硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即

12、:1)已获学位的研究生按学校规定提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索;2)为教学和科研目 的，学校可以将公开的 学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等 场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。本人学位论文全部或部分内容的公布(包括刊 登)授权西安理工大学研究生部办理。(保密的 学位论文在解密后，适用本授权说明)。、血 蓝-导 二:耸 雄 三种年、日第 1 章 绪论1 绪论 目前，随着电力电子技术、微电子技术、电机制造技术、现代控制理论和计算机技术的发展，伺服控制系统在机电一体

13、化、工业机器人、柔性制造系统等等许多高科技领域中得到了 广泛的应用。人们对伺服控制产品的性能、功能及性价比要求越来越高。因此，研究 与开 发高品 质的交 流伺服控 制系 统，具 有极其重要的 现实 意义 1 习，1.1伺服系统简介 “伺服(servo)即 一词源于希腊语“奴隶，的意思。人们想把“伺服机构”做成一个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。伺服系统的准确定义指物体的位置、状态等输出被控量能 够跟随输入给定值的任意变化的自 动控制系统。伺服系统的主要任务是按照控制命令的要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的力矩、速度及位置都能 得到灵活方便的 控制”。伺服

14、系统的结构如图1 一 1 所示，它是具有信号反馈的闭环控制系统，主要包括位置反馈部分、误差放大部分、执行机构和被控对象。输入+输出信号产生 一如 例 功率放大伺服执行机构被控量信号反馈 图1 一 1 伺服控制系统结构 Fi g.l 一 1 5 加c tu reofs e r y o s y s t e m1.2交流伺服控制系统的发展概况 电机控制系统按控制方式主要分速度控制和位置控制两大类。传统的电气传动系统一般指速度控制系统，对于位置控制(伺服)系统，一般功率较小，并有定位要求和频繁起制动的特点川。伺服系统的发展紧密的与伺服电 机的不同发展阶段相联系，迄今为止主要经历了 三个阶段:(1)液压

15、伺服 卿 年 代以 前):主要以 步 进电 机驱动液 压伺服马 达或 者以功率步 进电机直接驱动，响应时间短，外型尺寸小但是发热大、效率低、易污染环境、不易维修且不能满足高性能要求;(2)有刷直流 伺服(60一 0 年 代):这一阶段是直流伺服电 动机的 诞生 和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。但是有刷直流电机换向器、西安理工大学硕士学 位论文电刷易磨损，需要经常维护，换向器会产生火花，限制了电动机的最高

16、转速和过载能力，且无法直接应用在易燃易爆的工作环境中;(3)第三阶段是二十世纪80年代至今，以 机电一体化发展为背景。由 于伺服电 机结构及永磁材料、控制技术的突破性进展，出 现了无刷直流电机、交流伺服电 机等许多新型电动机，同时电力电子技术、微处理器的迅速发展引发伺服驱动装置经历了模拟式、数字模拟混合式和全数字 化等几个发展时期“，。一 自2 0 世纪80年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备的重要驱动源之一的伺服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能交流伺服系统成为国内外的共识。有些努力已 经取得了 很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电 机材料的性能，改进电机结构，

17、提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传感器化”:采用高性能的永磁材料和加工技术改进永磁同步电机伊 M s 峋转子结构 和性能，以 削弱因齿槽转矩所造成的P M s M转矩脉动对系统性能的 影响;采用基于现代控制理论为基础的具有较强鲁棒性的滑模控制策略以 提高系统对参数摄动的自 适应能力;在传统 PID控制基础上引入非线性和自 适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自 适应能力;基于智能控制的电机参数和模型识别，以 及负载特性识别。与直流伺服系统相比:交流伺服控制

18、系统没有换向器和电 刷，坚固耐用，维护量小，却具有类似于直流电 机的控制性能;与异步伺服系统相比:它容易制动、无转子损耗、控制简单，能够很好的满足快速、准确、精密的位置控制场合的要求;与无刷直流伺服系统相比:它转矩脉动小，低速性能好。根据国外资料，早在20世纪70年代末之80年代初就推出了永磁同步交流伺服系统。1 9 78年汉诺威贸易博览会上西德的M A N N E S MAN N 公司I NDR A M A T 首先正式推出M A C 永磁交流伺服电机系列及其驱动系统。随着微电 子、电力电 子技术、永磁材料技术和交流可调 速驱动技术的发展，永磁交流伺服技术有着长足的进步。国外著名电器(气)公

19、司相继推出并不断完善、更新各自的交流伺服系统。目 前，高性能伺服系统大多采用永磁同步交流伺服电动机，控制驱动器大多采用快速、准确定 位的 全数字位置伺服系统。其中助“m o rg en公司In du如aIO ri ve工业驱动分部脚金系列开(GOf dline)代表了当代永磁交流伺服技术的 最新水平，其推出了 几个系列的交流伺服电 动机和驱动器，其中伺服放大器B S DS具有代表性，它采用16位微处理器，具有“电子齿轮箱”的 功能，当 位置分辨率取为12位时，最大速度为8 000r/!ni n，调速范围高达 15000 0 00:1，位置分辨率为5.27弧分，定位精度为18弧分。综合交流伺服系

20、统的发展与现状，展望其未来，全数字化、微型化、高性能化和智能化将是交流伺服系统今后发展的必然趋势。主要表现为:(1)伺服技术将继续迅速地由直流伺服系统转向交流伺服系统;(2)交流伺服系统将向两大方向发展:一个方向是简易低成本的交流伺服系统将迅第 1 章 绪论速发展，应用领域进一步扩大;另一个方向是向更高性能的全数字化、智能化、软件化伺服方向发展，以满足高 精度数控机床、机器人、特种加工设备精细进给的需要，这是交流伺服系统发展的主流，反映了交流伺服系统发展的水平和主导方向;(3)交流伺服系统内采用数字电路、数字信号处理器，实现全数字化、软件伺服技术，增强交流伺服系统设计与使用的柔性;(4)由于高

21、速数字信号处理器用于交流伺服系统，现代控制理论、人工智能、模糊控制、神经元网络等新成果将应用于交流伺服系统研究中;(5)交流伺服系统中所用的电力电子器件将不断向高频化方向发展，智能功率集成电路将进一步得到普遍应用，逆变器也将逐渐转变为高 频化、小型化的无噪声逆变器。1.3交流伺服控制系统的性能要求 作为高性能的伺服系统，其主要控制目 标就是迅速跟踪指令值的任意变化。虽然因应用场合的不同，其性能指标会有所侧重和差异，但都包含反映系统跟踪性能的技术指标。对伺服控制系统来说，伺服系统必须具备可控性良 好、稳定性高和响应快等基本性能。判断控制性能好坏主要有以下几个方面:(1)调速范围:伺服系统的速度控

22、制应当具有足够宽的速度控制范围。即电机所能提供最高 转速n，和最 低转速n 之比;(2)静差率:即电 机以某一转速运转时，由空载增加到额定负载时转速降落与空载转速之比;(3)控制精度:定位精度是评价位置伺服系统位置控制准确度的性能指标。系统最终定位点与指令目 标值间的静止误差定义为系统的定位精度;(4)快速性:输出量是否快速而准确地响应控制命令，响应速度、跟踪控制命令的能力如何;(5)稳定性:伺服系统是否稳定，稳定是系统正常工作的前提。1.4本课题的研究背景、意义及主要研究内 容L 4.1 本课题的研究背景及意义 资源短缺是人类面临的共同难题。目 前，全世界一半以上的电能是消耗在交流电 机的驱

23、动上，而且基本上采用恒速工作方式。只要将低成本、高效率的交流伺服技术应用到这些系统上，便可极大的 提高电 机的运行效率，得到显著的节能效果。而且，高性能的交流伺服系统作为一个高技术产品，在宇航、军事、机器人及精密数控机床等领域具有十分重要的地位。永磁同步电 机交流伺服系统由于其控制简单、性能好，在高性能的交流伺服系统领域占据了很重要的地位。西安理工大学硕士学位论文L 4.2本课题的研究目 的 (1)掌握永磁同步电 机的 结构特点、数学模型及运动规律;(2)熟悉数字信号处理器(DsP)翎5 3 2 0 F 2 812 的编程环境，将基于磁场矢量定向 控制方法应用到交流伺服系统中;(3)熟悉数字永

24、磁同步电机交流伺服系统主电路及控制电路;(4)完成永磁同步电 机伺服系统电 流环、速度环及位置环的 实验;(5)改善测速方法，提高伺服系统的调速范围;(6)完成伺服系统功能的软件编程，并对软件进行测试。L 4 3论文的主要内 容 论文章节内容安排如下:第一章是绪论，简单阐述了 伺服系统的结构组成及发展概况，介绍了当前交流伺服系统的研究现状及发展趋势，以及课题的意义和本文的主要研究内 容。第二章建立了基于磁场定向 控制的永磁同步电机的数学模型，为了便于系统实现数字化控制，建立了相应的标么 值模型。第三章主要介绍了永磁同步电机服系统矢量控制原理以及本伺服系统所采用的控制方案，在建立其模型的基础上进

25、行了仿真验证.仿真结果表明，该系统稳态运行平稳，动态响应较快。同时详细阐述了基于高频信号注入法的转子位置检测原理，并建立了相应的仿真模型，实现了对高频信号的处理并提取出了转速和位置信息。仿真结果证实了这种方法的可行性与有效性。第四 章介绍了永磁同步电 机伺服系统的 硬件设计，主要包括D SP最小系统、D SP的外围电路、主回路及保护电路的设计。第五章主要介绍了 永磁同步电机伺服系统的主要部分软件流程及部分相关算法的推导及实现.第六章主要介绍了全数字永磁同步电机伺服系统实验结果及分析，验证了 理论和软硬件设计的正确性。第七章总结了本文所做的工作，并对下一步的工作展望。第2 章 永滋同步电机的结构

26、与数学模型2永磁同步电机的结构与数学模型2.1永磁同步电机的发展概况 19世纪2 0 年代出 现的世界上第一台电 机就是由 永磁体产生 励磁磁场的永磁电 机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石(F e 3 O 4)，磁能密度很低，用它制成的电 机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。铝镍钻永磁的矫顽力偏低(3 6，6 0沁 叼 m)，铁氧体永磁的剩磁密度不高(0.2 0.44，0，限 制了 它们在电 机中 的 应用范围。一直到2 0 世纪6 0 年代 和8 0 年代，稀土钻永磁和钦铁硼永磁(二者统称稀土永磁)相继问 世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲 线的 优异磁性能 特别适合于

27、制造电 机，从而使永磁电 机的 发展进入一个新的历史时期。永磁同步电机具有电 磁转矩纹波系数小、动态响应快、运行平稳、过载能力强等优点，非常适合在负载转矩变化较大的情况下使用:而且它的功率因素高，在轻载运行时节能明显，长期使用时可以 大幅度节省电 能;另外电 机体积小、重量轻、结构多样化，因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日 常生活的各个领域。2.2永磁同步电 机的结构 永磁同 步电机(PMS M)与普通同步机在定子结构上是一致的，由 三相绕组及铁心构成，且电 枢绕组通常为星型连接。在转子结构上，是用磁体取代普通同步机的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。即SM

28、按永磁体在转子上安装位置的不同，可分为三类:表面式、嵌入式和内 埋式。前两种结构转子直径较小，从而降低了转动惯量，一般 附S M多采用这两种形式的转子结构.内 埋式转子是将永磁体装于转子铁心内部。它的机械强度高，磁路气隙小，适于弱磁控制。本文讨论表面式永磁同步电动机。(a)表面式(b)内 埋式 图2 一 1永磁同步电 机转子结构 Fi g.2 一 I S l ru ctu肥ofP M S Mm tor2.3永磁同 步电 机的 数学模型“”【”(c)内嵌式为了分析永磁同步电机的数学模型，我们做出如下假设:(1)定子绕组Y 形连接，绕组电流为对称的三相正弦波电流;(2)定子磁场呈正弦分布，不考虑谐

29、波与饱和;西安理工大学硕士学位论文(3)电机磁滞及涡流的影响忽略不计;(4)转子无阻尼绕组:则永磁同步电机三相 A、B、C 坐标系下电压模型为:(2.1)伸.冲.际L P +，.J.勺la.Icr.皿se.L，.ljwe.J暇暇Lc心蝙+尸 I M。几住尸铸00RORoR00护.目一llJ 月SC扭|lluL 其 中，“，、“，、“。为 三 相 绕 组 的 相电 压 瞬 时 值;几、ia、ic为 三 相 绕 组 的 相 电 流 瞬 时 值;劝”、叻，、劝 为 永 磁 体 磁 链 在 各 绕 组 中 的 投 影;p 为微分算子(d/dt);R为永磁同步电机定子各相绕组的电阻;与、La、L。分别

30、为电 机A、B、C 三相绕组的电 感;M。、M，。、M。、Mac、M。、M。为 三相绕 组 之间 的互感0 永磁同步电机在三相实际轴系下的电压方程为一组变系数的线性微分方程，不易直接求解。因此，通常采用坐标变换的方法对模型加以改造。矢量控制就是建立在对电机数学模型进行坐标变换的基础之上，实现对电机瞬态转矩的控制。矢量控制所用到的 坐标系一般有两种，一种是静止坐标系，如A Bc坐标系、峭 轴坐标系等;另一 种为 旋转坐标系，如匆轴坐标系。，Z J.lA B C坐标系 各坐标系关系如图2 一 2 所示。电 机三相电枢绕组的 轴线分别为 A、B、C，彼此互差 1 20度空间电角度，构成了ABC 三相

31、坐标系。a(A)图2 一 2永磁同步电机矢量关系图Fi g.2 一 Z R e l a t i o n s h i P s o f P MS Mv e c t o 第2 章 永磁同步电机的结构与数学模型2 沃2峭坐标系 峭 坐标系是一 个在空间具有相对固定不动正交轴线的坐标系统，不随转子旋转而转动，属于静止坐 标系。它的a 轴与 三相 坐标系的A 轴 重 合，夕 轴超前。轴90度电 角度.如图2 2 所示。A B C 坐标系到叨 坐标系的 坐标 变换为:、卫少、，产n乙qU :00产.、了、仗厂卜卜、2诬21-五12万-21一万rll八卜防 厄朽 目 伙卜阵卜隔其逆变换为:枯物，101一万1一

32、涯1一五。迈2互211一212 厅一物 .伙厂汤卜卜式 中，、“电 机 的，序 电 流 分 量，一 岩(i.ia 钻，一。2 O 3内轴坐标系 将坐标系固定 在 转子 上，坐 标系随 转子以 同 步速旋 转，q 轴 超前d 轴 90 度电 角度，就构成了dq轴坐标系，它是坐标轴旋转的等效两相坐标系。如图2 一 2 所示。ABc 坐标系到两坐标系的 坐标变换为:(2.(2.阵仪日卜co s(6一 1 20”)一 s in(8一1 20。cos(e+1 2 0 0)一 s in(8+1 20 0)1 万1-涯万 凡.仪尸协引侧引州司C O S SS in 口co s(e一 1 2 0 0)一 5

33、加(8一 1 2 0 0)cos 归+1 200)一 s i n(6+1 200)翻几卜山卜浅西安理工大学硕士学位论文式(2.4)中，夕 为d 轴与A轴之间的夹角。dq坐标系到峭 坐标系的 坐 标变换为:(2.6)风卜口风卜汤一S i n 6C O S 口其逆变换为S in6C OS6(2.7)在二 相旋转坐标系(d 一 q)下的电 压、磁链方程分别为:“-u 叮-一 卿;+R.几(2.8)艺+。助+尺 几劝 才 L 几+劝 了 势。L;1。:一 号，。“，一，;“)号;，了。+。一 L。，“;，(2.9)(2.1 0)(2.1 1)(2.1 2)帆一帆一机械运动方程为:J 竺 玉.dt 兀一

34、 兀一 B 气(2.1 3)其中，:，L 砂为定 子电 压、电 流、电 感及磁链;凡为 定 子电 阻;p 为电 机转子极对 数;势 1 为 转 子 永 磁 体 产 生 的 磁 链;兀 为 电 机 电 磁 转 矩:兀 为 电 机 负 载 转 矩;J 为 转 动惯 量;叽为 转 子 角 速 度;田 p 气为 转 子 电 角 速 度;下 标 d，q 为 各 物 理 量 在 d，q 轴 上的分量:B为摩擦系数。.由 式(2.6)(2.13)，可得永磁同 步电 机的状态方程为:丘句生乓几一了 十、气 了-P 叱0 R，P 叻 L。气P 劝，B JJ(2.1 4)护.lee.，十!1.J队匡一以.队匡 由

35、 公 式(2.1 4)可以 看出，方 程中 包含 有 机 械角 速 度叱和心坐标 系定 子电 流分 量几、凡 的 乘 积，因 此 永 磁 同 步 电 机 具 有 多 变 量、非 线 性 的 特 点.静止两相坐标系(峭 坐标系)下电 压、磁链和转矩可以 表示为:r“1 二!尺 土 八L u 夕 J夕%口户 气 口R，+砂户1;一 了 一(2.1 5)(2.1 6)(2.1 7)冲知声从林打尸汀尸劝劝第2 章 永磁同步电 机的结构与数学模型:号，(，。、一，、)(21 8)2.4标么值的选取 在以电 机为 执行机构的 控制算法中，所牵涉的各个量，它们的数值大小差别很大，比如直流母线电 压为0 30

36、0v，电 机转速为0 一2 000r加in，然而系统的 采样周期为0.0 0 0 2 5 5.将控制算法离散化后，采用微处理器运算时，如直接将这些量的实际值代入运算，处理起来非常困难，且容易发生运算结果溢出，造成很大的计算误差。在本文的研究中，采用Tl公司的定点D SP一M S 3 2 O F 2 8 12作为数字化电 机控制系统的微处理器，如将电机参数与状态变量按照基值进行归算，利用电 机数学模型的标么 值公式进行运算，就能把系统控制算法计算得到的变量都限 制在一定的范围内，这样就能够尽量避免运算过程中产生的结果溢出 情况，并有利于减小计算过程中产生的误差。通常选取相电压、相电流的峰值作为电

37、 压、电 流的基值，即 认 价 必(2.19)几 扼(2.2 0)式(2.1 9)及(2.2 0)中，矶、几 为 电 压、电 流的 基 值，巧、今为 相电 压、相电 流 的额定值，气 助fb 助f.助fl。鸣(2.21)式(2.21)中，气为 角 频 率的 基 值，几为 电 流 频 率，fl 为 电 机额 定 频 率。由上述三个基值可以推导出电机其他变量的基值。其他永磁同步电机数学模型各变量的标么 值基值计算公式如式(2.2 2)(2.2 3)所示:磁链基值计算公式:(2.2 2)转矩基值计算公式:3PU 几ha3三 p 势 b l b(2.2 3)式(223)中，叨*为 磁 链 基值，兀 为

38、转 矩基值西安理工大学硕士学位论文3 永磁同步电机的矢量控制原理及仿真分析 永磁同步电机通常有两种控制方式:电流控制和电压控制。电 流控制主要应用在模拟控制，有快速的动态响应。电压控制是基于空间矢量P 翎控制，能提高逆变器的电压输出能力，且开关频率固定，适合于数字控制。磁场定向矢量控制技术有良 好的转矩响应，精确的速度控制，零速时可以实 现全负载，系统调速范围较宽，而且矢量控制技术已经成熟，目 前已 广泛应用在伺服和机器人领域。永磁同步电机矢量控制的基本思想是模仿直流电机的控制方式，具 有转矩响应快、速度控制精确等优点。矢量控制是通过控制定子电流的转矩分量来间接控制电机转矩，所以内部电流环调节

39、器的参数会影响到电 机转矩的动态响应性能。而且为了实现高性能的速度和转矩控制，需要准确知道转子磁链矢量的空间位置，这就需要电 机额外安装位置编码器。3.1 转子磁链定向 矢量控制的原理 川 在交流电动机中，励磁磁场和电枢磁势间的空间角度不是固定的，它随负载变化而变化，这将会引起磁场间十分复杂的作用关系，因此不能简单的如直流电动机般通过调节电枢电流来控制电磁转矩.矢量变换控制是70年代前西德B l aschke等人首先提出来的.这是对交流电动机提出的一种新的控制思想和控制技术，是交流电动机的一种理想调速方法。矢量变换控制应用于永磁同步电机的基本思想，就是利用电动机外部的控制系统，即 通过外部条件

40、对定子磁动势相对励磁磁动势的空间角度和定子电 流幅值的 控制，从而将永磁同步电 机模拟为它励直流电动机。采用固 定于转子的向旋转坐标系 来分析系 统的 性能 十分方 便，如图2 一 2 所示.图中，毛 为 定 子 电 流 空 间 矢 量，设刀 为 元 在 心轴 系 中 的 空 间 相 角，则 其 大 小 决 定 于 元 在 两轴 上 的两 个 分 量 几 和几。如 果己 知了 弓 和几，那 么 不 仅 确 定了 夕 角，同 时 也 确 定了 定 子电 流 空间 矢量毛 的 幅 值。也 就 是 说，矢 量 控 制 就 是 通 过 对 两 个 电 流 分 量 的 控 制 来 实 现 的。矢量 控制

41、是控制匆电 流，必须转换为 三 相电 流，这就要 进行内轴系到A Bc轴系的坐 标变换。采 用矢量 变换，要利 用 转子的 位置 信息，所以 必须实 时 取 得 转子 位置e，可通过 在电动机的非负载端安放编码器，检测转子位置。3.2永磁同步电机矢量控制方案分析 由永磁同步电 机的运动方程式(2.13)可见，电 机动态特性的调 节和控制完全取决于动态中能否简单而精确的控制电 机的电磁转矩输出。由式(2.12)可以 看出，永磁同步电 机的电磁转矩基本上取决于交轴电流和直轴电流，对转矩的控制最终可以转化为对交轴电流和直轴电流的控制。在输出 转矩为某一值时，对交轴电 流和直轴电 流的不同组合的 选择

42、，将影响电机和逆变器的输出能力以及系统的效率、功率因素等。如何根据给定转矩确定交轴电流和直轴电流，使其满足转矩方程构成了永磁同步电机电流环的控制方案问题。第3 章 永磁同 步电 机的矢 童控制原理及仿真分 析 永磁同 步电 机电 流环的控制方案主要有:(1)几 0 控制:(2)转矩电 流比 最大控制;(3)cos伊 二 1 控 制;“)恒磁链控制等。(1)几 0 控 制 是 一种最简 单的电 流 控 制 方 法，该方法由 于电 枢反 应 没 有 直轴去 磁分量而不会产生去磁效应，不会出现永磁电 机退磁而使电机性能变坏的现象，能保证电机的电磁转矩和电 枢电 流成正比。其主要的 缺点是功角和电动机

43、端电 压均随负载而增大，功率因素低，要求逆变器的输出电压高，容量比较大。另外，该方法输出转矩中磁阻反应转矩为0，未能充分利用永磁同步电 机的转矩输出能力。(2)转矩电 流比 最大控制在电 机输出 转矩满足要求的条件下使定子电 流最小，减小了电机的铜耗，有利于逆变器开关器件的开关工作，逆变器损耗也最小.同时，运用该控制方法由于逆变器需要的输出电流小可以 选用较小额定电流的逆变器，使系统运行成本下降。在该方法的基础上，采用适当的弱磁控制方法，可以改善电 机高速时的性能。因此，该方法是一种较适合永磁同步电 机的电 流 控制方法。缺点是，功率因素随着输出转矩的增大下降较快。(3)co s 切 1 控制

44、方 法使电 机的 功率因 素 恒为 1，逆变器的 容量得到 充分的 利用。但是在永磁电机中，由 于转子励磁不能调节，在负载变化时，转矩绕组的总 磁链无法保持恒定，所以电枢电流和转矩之间不能保持线性关系，而且最大输出 转矩小，退磁系数较大，永磁材料可能被去磁，造成电机电 磁转矩、功率因素和效率的下降。(4)恒磁链控制方法就是控制电 机的定子电 流，使气隙磁链与定子磁链的幅值相等。这种方法在功率因素较高的情况下，一定程度上提高了电机的最大输出转矩，但仍存在最大输出转矩的限制。以上各种电流控制方法各有特点，适用于不同的场合.对于本系统的凸极式永磁同步电 机来说，转子磁 路对 称，磁阻 转 矩为零，几

45、。控制就是最大转 矩电 流比 控制。因 此，在本系 统中 应用几 0 控制不但简单易 行，而且能 满足系统高 性能 的 要求。3.3本伺服系统采用的控制策略分析当 几 0，定 子电 流的d轴分量为 0，磁链 和转 矩方程可以 简化为:势 d 劝 1 势，二 L q 几:一;号，d、一 号 砷，、(3，1)(3.2)(3.3)于是，电 磁转 矩仅 仅包括永 磁转矩凡，定 子电 流合 成矢量与q 轴电 流 相等，这就与直流电动机的控制原理变得一样，只要能够检侧出转子位置，使三相定子电流的合成电流矢量位于q 轴上就 可以 了.心 0 转 子磁链定向 矢量控制的 永磁同 步电 机伺 服系统的 原 理如

46、图3 一 1 所示，是一个位置、速度、电流闭环的三闭环系统。控制方案结构明了，主要包括定子电流检测、转子位置检测、速度环调节器、clarke 变换、p ark 变换与逆变换、电压空间矢量 P W M 控制等西安理工大学硕士学位论文几个环节。工作原理简介如下:位置检测单元获取电机转子的角位置，把当前位置与给定位置的差值送给位置控制器，其输出为速度给定值。测速单元根据转子不同时刻的角位置计算出电 机的转速，把当前转速和给定转速的差值送给速度调节器，速度调节器的输出 为表示 转 矩 大小的 电 流 给定 值，该值为 标 量。由 于 我 们采 用了几 0 的 矢量 控 制 方 法，速 度调 节 器 输

47、 出 的 电 流 指 令 值 和 电 流 矢 量 在 q 轴 分 量 的 幅 值 相 等，因 此 q 轴 给 定 电 流 的 值 犷就等于速度调节器的输出值。电流检测单元获取电机定子三相绕组的瞬时相电 流，然后对相电 流 进 行 坐 标 变 换，计算出 电 流空 间 矢 量 在d 轴 和q 轴的 上 的 等 效电 流 分 量 几、礼。把礼、礼 和 电 流 给 定 值 叮、几的 差 值 分 别 送 给 电 流 调 节 器，电 流 调 节 器 输 出 空 间 电 压 矢量在d 轴和q 轴上的 等效电 压分量“制逆变器产生三相定子绕组电流。经过坐标变换后送给svp w m 波形发生器，控u，卜和i0

48、*游卜.置制位控位置给 定创S V P 呱鹦1(】*二 0峭d o/尸 一门叨id!1/峭 山 一 习/ab以J为位置和速度计算 图 3 一 1 永磁同 步电 机伺服系统原理图 F i g.3 一 I B l o c k d l a gr a mo f F M S Mse rvo s yste m3.4矢量控制的S i m u l i n k 仿真 在前面对永磁同步电机数学模型及控制策略分析的基础上，利用 M A T L A B/S I 娜LI NK建立伺服系统速度闭环和位置闭环的仿真模型，以便对整个系统的性能做进一步的分析，为下一步的实验调试做准备。3 4 I M A T L A 丑简介“，

49、【2，撇T LAB 软件是Mathw ork 软件公司 推出 的，适于矩阵分析和计算，并且使用方便，人机界面直观，输出结果可视化。目 前，M A T LAB已 经成为一种非常流行的软件，除了传统的交互式编程，它还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图象处理、方便的Wi ndo ws 编程等便利工具，出现了各种以MATLAB 为基础的实用工具箱，广泛应用于自 动控制、图象处理、信号第3 章 永磁同步电 机的矢量控制原理及仿真分析分析、系统建模、优化设计等领域。对于电气工程领域主要的工具箱包括控制系统、系统辩识、鲁棒控制、多变量频率设计、神经网络、最优化、信号处理、模糊控制、小波分析工具

50、等。为了准确的把一个复杂的控制系统模型输入给计算机并对之进行分析与仿真，Mat 恤ork公司为 琳T LAB使用者提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具一51翻L I N K。51用L I N K是 一个用于对动态系统建模、仿真和分析的 软件包，它支持连续、离散及混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多 速率系统。SIMULINK 工具箱包括了 专门 用于电 力电子与电 力传动学科进行仿真的电气系统模块库(P，er s y ste m B l oc kse t)。电 力系统 模块 库主要由以 下六个子 模块 库组成:(1)电源模块:包括直流电压源、交流电 压源、交流电流源、可控电