（电工理论与新技术专业论文）永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计.pdf

永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计 t h er e s e a r c ho fp m s ms e r v os y s t e mb a s e do nf u z z y l o g i c c o n t r o l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，t h em o t o rm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n dt h e p r o g r e s s o ft h e o r i e so fa cs p e e dr e g u l a t i o n s y s t e ma n dn o v e l c o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h e 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 ( p m s m ) i sw i d e l yu s e di ne l e c t r o m e c h a n i c a l i n t e g r a t i o n ，r o b o ta n da v i a t i o nt e r r i t o r y b e c a u s eo fi t sg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fs m a l ls i z e ，l i g h t w e i g h t ，r e l i a b l eo p e r a t i o n ，h i 。g he n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ，h i g hs p e e dw i d er a n g ea n d g o o ds t a t i ca n dd y n a m i cb e h a v i o r , e t c t h e r e f o r e , s t u d y i n gp m s ms e r v os y s t e mi sq u i t e s i g n i f i c a n t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eg e n e r a ld e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fp m s ms e r v os y s t e mf i r s t l y , i nw h i c ht h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c ea r ei n d i c a t e d b a s e do na n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo f t h ep m s m ，t h em a t h e m a t i c sm o d e l sa r es e tu pa tt h r e ec o o r d i n a t e s t h ev e c t o rc o n t r o l m e t h o do fp m s mi sa n a l y z e di nd e t a i l p i dc o n t r o l l e ri st h ek e yt ot h ep m s mv e c t o rc o n t r o ls y s t e m ag o o dp e r f o r m a n c ec a n b ea c h i e v e dw h e nt h ep i dc o n t r o l l e r sp a r a m e t e r sa r em a t c h i n gw i t ht h ec o n t r o ls y s t e m t h e p a r a m e t e r so fp i dh a v et oa d j u s t e dw h e nt h es y s t e m sp a r a m e t e r so re n v i r o n m e n tc h a n g e ， w h i c hw i l ll o to ft r o u b l ef o r i na c c o r d a n c ew i t ht h i sp r o b l e mo fb e i n gd i f f i c u l t yo fp a r a m e t e r s a d j u s t m e n ti nt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r , t h i sp a p e ru s e sak i n do fs i n g l en e u r o nc o n t r o l l e rt o t a k et h ep l a c eo ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rm a k i n gu s eo fi t ss e l f - l e a n i n ga b i l i t y b a s e do nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t su n d e rm a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，t h i sp l a ni se f f e c t i v e ，a n dt h i ss i n g l e n e u r o nc o n t r o l l e rh a sg o o dc o n t r o lp r o p e r t yt h a nt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e ri ss r v os y s t e m o b v i o u s l y l a s t l y ，af u l ld i g i t a lp m s m s e r v os y s t e mi sp r o p o s e dc o m p l e t e l y ，b a s e di t sd s pa st h e c e n t r a lp r o c e s su n i t ，a n di p mu s e dw i d e l ya sp o w e rs u p p l yu n i t ，w h i c hm a k e st h ec o m p l i c a t e d c o n t r o ls t r a t e g i e sa p p l y i n ga n ds o f t w a r ee x p a n de a s i e r k e yw o r d s ：p m s m ；s i n g l e n e u r o n ；v e c t o rc o n t r o l ；d s p i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：翅缝塑垄幽幽壹主氲尘邋毖鱼缝掣 作者签名：筮整煎日期：三巫年乙月f 1 日 大连理j 二人学硕+ 研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 人连理工人学硕十学位论文 1绪论 1 1伺服控制系统发展概述 “伺服( s e r v o ) ”这个词语源于希腊语，含有“奴隶 的意思。在科学技术飞速发 展的今天，“伺服系统 就是指执行机构按照控制信号的要求而动作的系统。控制信号 到来之前，被控对象是静止不动的；接受到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制 信号消失之后，被控对象又能自行保持或停止。 伺服系统的主要任务就是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大处 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。图1 1 给出了伺服 控制系统的基本结构组成。从图中可以看出决定一个伺服控制系统整体性能高低的关键 就在于其各组成部分的性能是否完善。所以伺服控制技术作为一门综合性技术，它随着 电机制造技术、电力半导体器件、微处理器和控制技术水平的提高而得到了不断的发展。 图1 1 伺服控制系统结构图 f i g 1 1 b l o c kd i a g r a mo f s e r v os y s t e m ( 1 ) 电机制造技术的发展 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围己遍及国民经济的各 个领域以及人们的日常生活。按照使用的电源性质不同，伺服电动机分为直流伺服电动 机和交流伺服电动机两大类。电动机作为伺服系统的执行元件，其特性对于构建高性能 伺服系统具有极其重要的意义。由于直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优 点，因此诞生之日起就一直受到人们的关注，并且在工业生产和生活中得到极为广泛的 应用。但是，传统的直流电动机采用换向器一电刷进行换向( 机械换向) ，换向时产生 电磁干扰、噪声、火花等，造成电机的可靠性差，并且制造成本高、维修困难，极大的 限制了其应用。 随着高性能永磁材料的采用和产业化、电机设计方法的优化和改进、控制策略和算 法的提高，交流伺服电机的性价比有了很大的提高【2 1 。交流伺服系统又分为同步型交流 伺服系统和异步型交流伺服系统。由于异步型交流伺服控制系统控制复杂，低速性能欠 永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计 佳，因而，同步交流伺服控制系统就凭着其显著的优势得到了越来越广泛的应用。在同 步交流伺服控制系统中，永磁同步电机又凭借其结构简单、维护容易、适应性强以及转 动惯量小等优点逐步成为了交流伺服控制系统的主流，被广泛地应用在工业生产自动化 领域中。因此，本设计就选用了这种当今应用比较广泛的永磁同步电机作为伺服系统的 执行元件。 ( 2 ) 电力电子技术是信息流与物质流、能量流之间相互传递的重要纽带，尽管当 前信息技术和微电子技术正引领着新技术的发展潮流，但是如果没有电力电子变换，则 信息就只能是信息，不可能真正用来控制生产【3 】。在大功率电力电子装置中，功率器件 对整个装置的性能、体积、重量和价格的影响是非常大的。一般来说，功率电子学的发 展是以功率器件的进步为标志的。 自1 9 5 8 年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了 第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件( 大功率晶体管g t r 、可关断 晶闸管g t o 、功率场效应管m o s f e t ) 和第三代复合型场控器件( 绝缘栅功率晶体管 i g b t 、静电感应式晶体管s i t 、m o s 控制的晶体管m c t 等) ，直至2 0 世纪9 0 年代出 现的第四代功率集成电路i p m 。 i p m 是采用微电子技术和先进的制造工艺，把智能功率集成电路与微电子器件及外 围功率器件组装成一体，是一种能实现智能功率控制的商品化部件。 半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善， 极大的推动了各类电机控制的发展。2 0 世纪7 0 年代研制成功了通用变频器系列产品， 可将工频电源转换为频率连续可调的变频电源，对于目前的永磁同步电动机，高性能电 力半导体开关器件组成的逆变器电路是其控制系统中必不可少的功率环节。因此，这就 对永磁同步电动机变频调速创造了条件。 ( 3 ) 数字控制器技术 微处理器是伺服控制系统的核心，所以其型号的选择往往直接影响到伺服系统的控 制性能和效果。在伺服控制系统中常用的微处理器有单片机和d s p ( 数字信号处理器) 和f p g a ( 现场可编程门阵列) 两种。单片机在片内集成了较多的i o 接口和外围部件， 单运算速度比较慢，所以一般来讲它是面向控制的。与单片机相比，d s p 器件具有较高 的集成度，运算速度快，存储器容量大。它采用哈佛结构，具有独立的程序和数据空间， 程序总线和数据总线分离，同时可以对程序和数据进行操作，其内置高速硬件乘法器， 取指、译码、操作采取多级流水线。所以它的运算速度比同一时期的单片机要快l 至2 个数量级，但价格相对昂贵。所以，为了满足实际需要，单片机和d s p 都在沿着扩大 人连理t 大学硕士学位论文 集成度、增加处理位数、加快计算速度、提高数据和信号处理能力、扩展功能、降低成 本的方向发展。 经过这几年的发展，d s p 芯片已经逐步取代了单片机成为了伺服控制领域的主流控 制芯片。目前，由美国德州仪器t i 公司推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 、t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 等专门 用于电动机控制的d s p 芯片由于其更快的处理速度，强大的处理能力，几乎能够满足 所有的实时控制场所的要求，而被广泛应用。f p g a 可以方便地实现多次修改，而且集 成度非常高，一片f p g a 含有几万、几十万个等效门，所以单片f p g a 就可以实现非常 复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路，从而简化了系统的设计，并大 大提高了系统的可靠性。 计算机技术的发展，使得运动控制系统的网络化、信息化和智能化成为了可能。 借助于信息网络技术，电机控制系统也将不只是一个孤立的系统，将和其他相关系统一 起被规划和设计，实现整体系统控制的优化。 ( 4 )自动控制技术的发展 自动控制技术是一门较年轻的技术，它在2 0 世纪4 0 年代末才形成。世界上最早的 自动控制系统是在1 8 世纪中叶由瓦特( j a m e s w a t t ) 研制的，他设计了离心调节器去控 制蒸汽发动机的速度。1 9 3 2 年奈魁斯特( w n y q u i s t ) 针对反馈放大器提出了几何稳定 判据，后来证明，这个判据同样也适用于线性控制系统。 从1 9 3 2 年至今，控制理论从形成到发展，已经历三个阶段近7 0 年的发展历程。第 一阶段( 2 0 世纪4 0 5 0 年代) 是经典控制理论的成熟和发展阶段；第二阶段( 2 0 世纪6 0 7 0 年代) 是经典控制理论向现代控制理论过渡过程；第三发展阶段( 2 0 世 纪8 0 年代至今) 是智能控制的诞生和发展。目前，这种新型的智能控制理论不依赖确 定性的数学模型，而有效地将熟练的人类经验知识和控制理论结合解决复杂系统控制问 题。 智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) 包括人工智能、神经网络、模糊控制、遗传算法等， 是- - f - j 新兴的交叉前沿学科，具有非常广泛的应用领域。他主要是针对控制对象及其环 境、目标和任务的不确定性和复杂性而提出来的。它突破了传统控制理论的局限性，大 大降低了控制技术对精确数学模型的依赖性，使其应用变得更广泛。 1 2 智能控制理论在伺服控制系统中的应用 伺服控制系统研究的目的就是获得更快的响应速度，更平稳的过渡过程，更好的抗 干扰性能以及更高的稳态精度等。到目前为止，交流伺服系统已拥有如矢量控制、直接 转矩控制等较为成熟的控制方案，理论上，交流伺服系统运用矢量控制方法，经过电流 永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计 内环改造后，其结构同直流伺服系统一样，可以建立统一的数学模型，采用传统控制如 p i d 算法就能取得基本满意的效果。虽然这种控制方法已经在工程实践中取得了很好的 应用，但并非是最理想的控制器。因为传统p i d 控制理论研究的是线性时不变的控制问 题，要求具有精确的数学模型，在实际应用中，交流伺服系统并不如理想模型那样一成 不变的，交流电机本质上是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或机械间隙 等非线性因素；而且，交流电机参数和拖动负载的参数( 如转动惯量) 在某些应用场合 随工况而变化，同时，许多干扰( 如电网扰动等) 具有不确定因素。而经典控制理论和 现代控制理论的控制算法都是建立在控制对象的模型基础上，不能在各种工况下都保持 设计时的性能指标，因此如果电机参数变化或具有非线性特性时，系统性能将会受到影 响，系统的鲁棒性差。所以，用经典控制理论设计的控制器有时难免会使控制系统不能 满足更高性能指标要求。随着现代工业的发展，人们面临的被控对象越来越复杂，对控 制系统的精度、性能和可靠性的要求越来越高。因此，如何结合控制理论新的发展，引 进一些先进的控制策略越来越受到人们的关注。 近几年人们将智能控制引入交流伺服系统控制中，并且取得了良好的控制效果。 智能控制是一门新兴的学科，是控制理论发展的高级阶段，是以人工智能、控制论、信 息论、运筹学为基础的交叉学科，智能控制的引入主要用于解决传统控制方法难以解决 的系统控制问题。j 下如文献 4 所指出：对于以电机为控制对象的电气传动控制系统，其 模型基本确定，引入智能控制方法，主要是利用非线性、变结构、自寻优等各种功能来 克服电气传动系统的变参数、非线性等不利因素，从而提高系统的鲁棒性。因此，在多 闭环伺服系统中，由于内环参数基本上变化不大，通常内环仍保留矢量控制、p i d 调节 器等传统方法，而智能控制器常常用来代替速度调节器和位置调节器，进行速度和位置 调节。用于交流传动的智能控制器应具有如下特点： ( 1 ) 有较高的动态性能和静态性能。 ( 2 ) 算法简单，易于解析生成，适合于实时控制： ( 3 ) 对各种参数变化、扰动及不确定性干扰不敏感，系统鲁棒性好； ( 4 ) 可以与传统控制策略( 如p i d 控制) 相结合，优势互补【5 儿6 | 。 神经网络是智能控制的一个重要分支，它是以大脑生理研究成果为基础，模拟大 脑的某些机理与机制，由人工建立的以有向图拓扑结构的网络，它通过对连续或断续的 输入做状态响应而进行信息处理。神经网络在复杂系统的控制方面具有明显的优势，神 经元网络控制和辨识的研究已经成为智能控制研究的主流【4 j 。 4 一 大连理- t 大学硕士学位论文 1 3 永磁同步电机伺服控制系统研究的背景和意义 如前一小节所述，交流伺服系统逐步取代直流伺服系统已成定局。因此，世界各国 在高精度速度和位置控制场合，都努力用交流电力传动取代直流电力传动。在这种大的 环境下，由于永磁电动机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低， 易于散热及维护等显著优点，特别是随着新型的永磁材料的出现，永磁材料价格的下降 以及材料磁性能的提高，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中， 永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域越来越宽广。当前，永 磁电机在军事上的应用是占绝对优势的，几乎取代所有电磁电机。永磁电机在工、农、 商、建筑、医药、旅游、金融业以及日常生活中的应用也越来越广【5 】。 用在伺服系统领域的永磁电动机，按照电动机反电动势波形的不同分为两类：正弦 波的永磁同步电动机( 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 ，简称p m s m ) 和梯形波的 无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，简称b l d c m ) 。由于这两种电机的感应电动势 波形分别为正弦波和方波，因此它们也被成为永磁无刷交流电动机和永磁无刷直流电动 机。它们的共同点是定子电流的通断受转子位置传感器控制，不同之处在于二者的磁场 分布和反电动势波形。二者的优缺点比较如下： ( 1 ) 在同样体积的条件下，p m s m 比b l d c m 重量要小1 5 ，材料利用率高； ( 2 ) p m s m 通常采用矢量控制，控制算法复杂，控制器成本高，而b l d c 控制 方法和控制器结构简单； ( 3 ) p m s m 必须使用高分辨率的转子位置传感器，而b l d c m 转子位置传感器结 构简单、成本低； ( 4 ) p m s m 电流连续，铁心中附加损耗较小，而b l d c m 定子磁场非连续旋转， 造成铁心附加损耗增加； ( 5 ) p m s m 只要保证各个向量均为正弦波，就可以消除转矩脉动，然而b l d c m 不可能完全消除转矩脉动。 p m s m 最大的优势在于它的转子位置检测通常使用旋转变压器或光电编码器，可更 精确地获得瞬间转子位置信息。因而，凭借p m s m 的控制精度和转矩的平稳性等控制 性能都比b l d c m 系统好，故其应用更广泛，主要用于机器人、数控机床、电梯控制等 高性能驱动领域。可以预料，随着永磁材料和电动机转子制造价格的降低，以及驱动系 统理论和实践应用的不断完善和提高，永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进一步的 发展和应用，在某些场合会逐渐取代现有的普通绕线转子异步电动机及其驱动系统【2 5 】。 这也是本文把反电动势为正弦波的永磁同步电动机作为更高精度伺服系统研究对象的 依据。 永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计 永磁同步电动机伺服控制系统的研究和应用近年来正在成为电机领域的热点。国外 基于永磁同步电动机的伺服系统的研究开始较早，如日本的f a n u c 、安川、富士通、 松下，美国的a e 公司、科尔摩根公司，德国的西门子公司，法国的e b c 公司，韩国三 星公司等早在2 0 世纪8 0 年代就不断推出交流伺服驱动产品，伺服驱动市场几乎是外国 公司一统天下的局面。而国内在这方面起步较晚，但生产和应用规模也在快速增长。目 前我国的华中科技大学、北京机床研究所、中科院沈阳自动化研究所等厂家单位开始研 究并推出交流伺服系统，打破了外国公司完全垄断的格局，并且我国自主研制的永磁同 步电动机伺服产品已经在自动化、家电、电子信息产业、航空航天和现代军事装备等领 域迅速得到应用【8 j 。 正是基于上述分析，本文以永磁同步电机伺服控制为研究对象，在剖析系统特点及 控制要求的基础上，结合智能控制理论，从系统的角度出发，围绕控制策略问题进行分 析和研究，并作了一些理论上的探讨、分析、设计，通过仿真和实验对所提出的控制策 略及对应算法进行验证。通过应用先进的智能控制策略改进改进传统控制器性能来提高 永磁同步电机伺服系统的伺服性能，为发展高性能永磁同步电机伺服系统提供有益的技 术资料，并为实际应用奠定了基础。 1 4 本文的主要工作及研究内容随着电机制造技术 本课题研究的是基于d s p 的永磁同步电动机伺服系统。在永磁同步电机矢量控制 的前提下，采用速度和电流双闭环的控制策略，并结合美国m i c r o c h i p 公司生产的电机 控制专用d s p 芯片d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为数字控制器的核心，辅以相应的外围电路， 设计了整个控制系统的硬件和软件。 主要包括以下几个方面工作： ( 1 ) 从永磁同步电机( p m s m ) 的数学模型出发，深入剖析其运行特点及控制机 理，分析和研究了同步电机矢量控制方法，还给出了目前使用较多的电压空间矢量脉宽 调制控制( s v p w m ) 方法。 ( 2 ) 将智能控制引入交流伺服系统中，针对传统p i d 控制器参数难以整定提出了 修正方案，提出了用单神经元p i d 控制器代替调速系统中速度环的传统p i d 控制器策略。 ( 3 ) 在m a t l a b 环境下进行了仿真研究，验证方法的可行性。 ( 4 ) 软硬件电路的设计及调试。设计了一套基于d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的全数字 控制系统实验平台。 ( 5 ) 在设计的永磁同步电机伺服控制系统上进行实验调试。 一6 大连理工大学硕士学位论文 2 永磁同步电机伺服控制系统的理论基础 2 1 永磁同步电机数学模型及坐标变换 和普通同步电动机一样，永磁同步电动机也是由定子和转子组成。定子的结构形式 和异步电动机相同，都是由导磁的定子铁芯和导电的三相对称绕组以及固定铁心用的机 座和端盖等部分组成：转子用稀土永磁材料做磁钢。在磁路分布和绕组结构上保证定子 感应电动势具有j 下弦波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波。永磁同步电动机的基 本结构如图2 1 所示。 了绕组 图2 1 极对数为1 的永磁同步电机结构图 f i g 2 1 b l a c kd i a g r a mw i t ho i l ep o l ep a i r so fp m s m 永磁同步电机的数学模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和机械运动方程组成， 为了简化分析，在忽略一些影响较小的参数的，即把电机当作理想电机处理的条件下， 分别建立在a b c 坐标系、a b 坐标系和d q 坐标系下的数学模型并介绍相互变换过程， 为永磁同步电机矢量控制提供理论基础。 理想电机的基本假设如下【7 】【8 】： ( 1 ) 定子三相绕组对称分布、气隙均匀并且忽略电机铁心的饱和。 ( 2 ) 不计电机的涡流和磁滞损耗。 ( 3 ) 转子上无阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用。 ( 4 ) 反电动势波形是正弦的。 永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计 2 2 1永磁同步电机在三相静止坐标系( a b e ) 上的模型 设永磁同步电动机三相集中绕组分别用a 、b 、c 表示，绕组轴线彼此互差1 2 0 0 空间 电角度，各相绕组的轴线在与转子轴垂直的平面上，构成一个a b c 三相静止坐标系( 称 为相坐标系) ，如图2 2 所示，为三相绕组中分别通入电流毛，毛，乇时产生的合成磁 动势【1 5 2 6 1 。 b a c 图2 2 三相集中绕组分布 f i g 2 2 d i s t r i b u t i o no f3 - p h a s el a m p e dw i n d i n g s 三相绕组的回路电压方程为： 讣雕删+ 槲 ， 式中，材。、材。为各相绕组两端的电压，、t 为各相的线电流，、仇、虬 为各相绕组的总磁链，p 为对时间的微分算子( d d r ) 。 磁链方程为： 一m 1 2 三2 2 一m 3 2 ( 2 2 ) 1j 口，c， y 少少 。l + 1j 乞“0 l1j ” 为 m m k 一 一 期 引 彳彳 k m m 一 一 。l = 1j 口 f少少少 人连理工大学硕士学位论文 式中，0 = q f ，q 为转子旋转角速度；三厨为各自绕组的自感；一m 胛为各相绕 ly ；i = 慨ic o s ( o 一2 x 3 ) i ，吗为转子磁链的幅值。 三i = 耄吾主 篆 + p 二笔i ：焉三二多 萋 一缈，朋7 ，s i n o ：；三； c 2 3 ， 甜d 1 = 尺s 三二p r s 三二p rs三二p差一国，打，：sinoubj 0 s i n ( o - 2 x 3 ) c 2 4 ，【- 2 l 。 r s 言印r s 呈印j 【- 乏j 一国， 打，j 2 4 永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计 dj 耳j 万 呻 f 印 。一 d 乒j 五一 图2 3 平面场磁动势图 f i g 2 3 d i s t r i b u t i o no f m a g n e t i cp o t e n t i a li nf l a tf i e l d 与凡相重合，昂超前于f a 9 0 。，且r ，耶的值分别为e j o , e 做。，那么三相绕组在气 f = k 磊： ； = k 瓦c m 蔓 c 2 5 ， 式中，2 为两相绕组a ，p 的匝数，3 为三相绕组a 、b 、c 的匝数，根据( 2 5 ) 乏=妥善三-互1，22一-1j22j?【-z4jl=丁篆 c 2 6 ， mf 2 贡2 、了 丁= 徘压- 1 麓- 肌1 2 汜7 ， 大连理t 大学硕十学位论文 丁 三； = 丁 尺s 喜二pr s 三二p 尺s 兰二p 丁丁 篆 一，尢盯，丁【- ： g s i 二n 三0 二； c 2 8 ) 讣丁恻，肾豳 ( 2 9 ) 由此，我们可以得到由三相静止绕组的回路电压方程变换到两相静止绕组的回路电 压方程为： 卧r 0 幻r 。乞捌坞呜i c o i n s o 习 汜 h j 【-。+ 如p j b j 7 川【- j 式中，r s = r = 饰；厶= 岛= 号三；秒= c o r 矿，哆为转子旋转角速度；哆。= 詈。坶。 另有： 瓦= i p 丸- i 。乃 ( 2 1 1 ) 式中，以= m i s l c o s ( o ) ，以= m i i l s i n ( o ) 通过对于三相坐标系向两相坐标系的变换关系，我们可以得到如下的结论： ( 1 ) 回路电压方程变量个数减少了，给分析问题带来了很大的方便。 ( 2 ) 当a 、b 、c 各相绕组上的电压与电流为相位互差1 2 0 度的正弦波时，通过变 换方程式( 2 6 ) 和变换矩阵( 2 7 ) 可以得到在a ，b 绕组上的电压与电流正弦波。三相 绕组和两相绕组在空间气隙产生的磁动势是完全等效的，并且由矩阵方程式( 2 5 ) 可以 看到该磁动势为一个旋转磁动势，旋转角速度为电源电流( 电压) 的角频率。 ( 3 ) 从某种意义上来看，我们可以认为三相绕组向两相绕组系统的变换关系就是 一种阻抗变换关系。 上面是从产生磁动势等效的观点出发，将原来三相静止的绕组上的回路电压方程转 化成为了两相静止绕组上的回路电压方程。从转矩方程式( 2 1 1 ) 可以看出电机的电磁 转矩与电流如，如以及口有关。若要控制电机的转矩就必须要控制f 旺，f b 的幅值和相位。 但如，站仍然是函数值按正弦变化的物理量，为了用类似直流电机控制的方法对同步电 永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计 机进行控制，我们还需要把空间位置静止但函数值变化的f n ，f b 从( 0 【p ) 坐标系向空间 位置旋转但幅值恒定的( d q ) 坐标系变换。 2 1 3 永磁同步电机在两相旋转坐标系( d - q ) 上的模型 如图2 4 所示为静止的坐标系( 0 【d ) 与旋转坐标系( d q ) 中的坐标轴在二维平面 场( r 2 ) 中的分布。d q 轴的旋转角频率为钛，d 轴与a 轴的初始位置角为缈，所以在 d q 轴上的集中绕组产生的单位磁动势( 包括磁动势方向) 凡，目定义为e “州伸) ， p j ( r + 卅f o q 7 d - i、 ， 捻一 d ) c k j 气 农、 图2 4 静止坐标系和旋转坐标系相对分布图 f i g 2 4s t a t i o n a r ya n dr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m k 咯k ：臣 = k 】? v z c 2 ，2 ， 式中，4 为d - q 轴上集中绕组的匝数。 由式( 2 1 2 ) 可以得到静止坐标系q p 与旋转坐标系d - q 中的电流变换关系： ；： = 瓮n 卜lsin(c搿o t 2 。8 c o 咄s ( c o 孑焉玢l i 啪 l 如j 2 。+ 缈) 。，+ 缈) j。j 人连理工大学硕士学位论文 丝：l 2 由此我们可以得到电流的变换矩阵r ： 丁，：ic o s ( 。+ 缈) “n ( 缈l ( 2 1 4 ) l s i n ( ，+ 缈)c o s ( r 力r + 伊) j 根据( 2 1 3 ) 的变化矩阵可以得到如下的变化关系： 乏 = 丁， z ； ：三 = 丁 孑；p 乏 = p 丁7 z 把上囱的变抉夭糸代八在静止坐标糸q ，bf 的删路电胜万) | 璺式( 2 1 0 ) ，就口j 以得 到永磁同步电机在旋转坐标系d - q 下的回路电压方程式如下： 阱 笼譬r , + l p p n j l l q j 妒 嚣瑚 汜 因为9 = 织t ，t o , 为转子旋转角速度，所以我们还可以得到： 阱u d 陉翟r , + l 鸭。p 可j l 厶i q 卜慨 嚣谢嬲 汜 式中，矽为d 轴与转子主磁极轴线之间的初始位置角度。当d - q 轴坐标系的旋转角 频率与转子旋转角频率一致的时候，也就是q = 叹时，可以得到永磁同步电机在同步运 转时的回路电压方程： 阡u d 陵z 鸣r , + l 哆p p j l i q j 坞叫等 汜忉 如果在初始状态时，d 轴与转子主磁通重合，即矽等于零，则可以进一步得到永磁 同步电动机同步运转时转子磁通定向的回路电压方程： 阱r s + 口l 哆, z p r , + l 哆卢p j l l q j 坞呜 0 由于事实上有：g d = l a 和l q = 三b ，所p a 麓=lr,+。ldpr,l+l。国qpll-lliqju lr p j l i + 国，? ， c 2 - 9 ， 【- 。jl 一。一【_ q ，j 式中， = m i f 。为转子磁钢在定子上的耦合磁链。 永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计 t = 二 ( d i q 一g i d ) = 二 眇，i g + ( l d - l q ) ，d i gj ( 2 2 0 ) - 二 通过从两相静止坐标系( 0 【一b ) 向两相旋转坐标系( d q ) 的变换可以看出： ( 1 ) 在旋转坐标系( d q ) 中的变量都为直流变量，并且若能保持直轴分量厶为 常量，则电机的输出转矩与电流交轴分量厶呈线性关系，即只需要控制厶的大小就可以 控制电机的输出转矩。显然使厶= 0 是一种较为简单的控制方式。 ( 2 ) 在旋转坐标d q 轴上的绕组中，分别通入直流电流矗，厶同样可以产生旋转 磁动势，并由于电流厶，厶在空间互差9 0 。，其合成矢量旋转角速度与永磁同步电机 实际旋转角速度一致【7 _ 9 】。 2 2 矢量控制理论基础 众所周知，直流电动机具有优越的控制性能，这归功于它的被控量易于控制。它之 所以具有良好的静、动态特性，是因为其两个参数：励磁电流及电枢电流是两个可以独 立控制的变量，只要分别控制这两个变量，就可以独立地控制直流电动机的气隙磁通和 电磁转矩。但是交流电机却不行，因为交流电动机是一个高阶、强耦合、非线性的多变 量系统，定子电压、电流、频率与电机磁通和转矩之间不是简单的对应关系，因此不能 简单地通过调节电枢电流来控制电磁转矩。 上述问题引发了人们的思考，如果在交流电动机中，也能够对负载电流和励磁电流 分别进行独立的控制，那么，其调速性能就可以和直流电动机相媲美了。这一思考成了 相当长时间内人们的追求目标，并终于通过矢量控制方式得到了实现。 矢量控制思想是由德国学者于1 9 7 2 年提出的。其基本思想是在普通的三相交流电动机上 设法模拟直流电机转矩控制的规律，通过数学上的坐标变换方法，把交流电机三相绕组 a 、b 、c 中的电流f 。、f 。、f ，变换到两相静止q 、b 绕组中的电流和f 疗，再由数学 变换将屯和f 疗变换到两相旋转绕组d 、q 中的直流电流l 和l ，这两个变换分别称为 c l a r k 变换和p a r k 变换，变换公式如式( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 所示： c l a r k 变换： p a r k 变换： 卧 1 2 压 2 f i ， f c o s 0 削2l “n 9 ( 2 2 2 ) 0“0 一2压一2。一2压一2 r-j 口 。l 1j d 9 蓦 啷 大连理工大学硕士学位论文 矢量控制的实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流矢量分解成两 个分量，一个是用来产生旋转磁动势的励磁分量厶，另一个是用来产生电磁转矩的转 矩分量，- 并使两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别进行调节。交流电机的矢量控 制使得转矩和磁通的控制实现解藕。变换过程如图2 5 所示： l l d 等效 3 ，2 ，7，7 直流旋转 变换 变换 i q 一 电机 l l i 一 模型 图2 5 矢量控制坐标变换过程示意图 f i g 2 5 t h eh i n to fc o o r d i n a t ec h a n g i n go fv e c t o rc o n t r o l 矢量控制一般是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。对于永磁同步电机，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。 在前一小结中我们给出了转子定向旋转坐标系d - q 下的永磁同步电动机瞬时电磁转 矩方程为： 疋= 三譬( y d 一。厶) = 三争砂，l + ( 三d l q ) l ，】 由上式可知，对永磁同步电动机电磁转矩的控制最终可归结为对直轴电流l 和交轴 电流l 的控制。所以，不同的交、直轴电流组合输出电磁转矩会对应不同的系统功率、 功率因数以及转矩输出能力，因此永磁同步电动机有不同的六种控制策略： ( 1 ) 令l = 0 控制。 ( 2 ) 最大转矩电流比控制。 ( 3 ) c o s c p = 1 控制。 ( 4 ) 恒磁链控制。 ( 5 ) 弱磁控制。 ( 6 ) 最大输出功率控制等。 永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计 不同控制方法具有不同的优缺点。下面分别就几种最常用的矢量控制方法进行分 析。 ( 1 ) 令厶= 0 控制 在表面式永磁同步电机( s p m s m ) 中，电机参数厶和三q 相等，从电动机端1 ：3 看， 此时在物理模型上己经可以看成一台直流电机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动 势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，定子电枢电流对转子励磁磁场既无增磁作用也 无去磁作用，其转矩表达式为： 气n t e2 半杪， ( 2 2 3 ) 此时电机的输出转矩与电流厶呈线形关系。令厶= o 矢量控制的控制方式的实现过 程为：在准确检测转子磁极空间位置d 轴的前提下，通过控制逆变器功率开关器件导通 的关断，使定子合成电流位于q 轴，此时d 轴定子电流分量为零，这样就实现了使永磁 同步电动机电磁转矩正比于转矩电流厶，即正比于定子电流幅值，只需控制定子电流的 大小，就可以很好地控制永磁同步电动机的输出电磁转矩。 ( 2 ) k o 控制 在这种方式下厶和厶都大于零。电枢绕组电流存在直轴分量，且该直轴分量对转子 励磁磁场有增磁作用，永磁同步电动机工作在该方式下可在一定程度上提高其输出转 矩。 人连理工人学硕士学位论文 在凸极永磁同步电机组成的伺服驱动系统中，可以灵活地利用磁阻转矩。例如，在 基速以下恒转矩运行区中，控制定子磁链与永磁体产生的气隙磁场间的空间电角度1 3 角， 使其在9 0 0 d 0 ，s i g n ( x ) = 1 ；如果x 0 ，s i g n ( x ) = 0 。 第二步：计算r 1 、t ：署 1 t o ，即计算扇区内相邻两矢量及零矢量在半个采样周期中各 自的作用时间( 这里要注意t ，为半个采样周期的作用时间) 根据上一小节推到出的归纳公式： x = 压b t 2 u 】，：( _ 4 2 3u o m p + 互3u 叫a ) 吖2 u d c ( 2 3 5 ) z ：( 孚。一芝3u 一咖眦 则在不同的扇区，t ，和，：按表2 3 进行赋值： f 。，乞赋值后，还要对其进行饱和判断： 若f 。+ f 2 生尹则对f i 和f 2 重新赋值2 云芋岛乞2 乞玄高。 人连理工大学硕士学位论文 表2 3 根据扇区号确定f l 和乞 t a b ? 2 3 c o n f i r m i n gt la n d ，2a c c o r d i n gt os e c t o 鸺 扇区号123456 t l z】，zxxy f 2 】，xxz弋一z 第三步：计算空间电压矢量切换点乙。、乙：、乙。 在本系统中正确的计算切换点的意义在于正确给d s p - 一个p w m l l 较寄存器分别赋 值，完成输出p w m 波形的最后一步。具体实现方法如下： 令： t o ：_ t - 2 t 1 - - 2 一t 2 ，厶：乙+ f l ，： ( 3 7 ) t h + t 2 23 7 = 一，厶= 乙+ f l ，= ( 斗 则在不同的扇区内乙。、乙：、乙，根据下表规则进行赋值： 表2 4 根据扇区号确定咒。 t a b 2 4 c o n f i r m i n g 疋ma c c o r d i n gt os e c t o r s 扇区号12 3456 r e 1厶乞乞tt c “ 乙：t 口t c “t h t d tc 乙3t c厶乙乙l ht d 综上所述，在每个p w m 周期中，根据p m s m 控制系统测量反馈输n 至i j d s p 的u 刎。 和虬舢，执行上述步骤，通过d s p 2 4 0 7 芯片事件管理器中的比较寄存器，即可得到对称 的空间矢量p w m 波形。 2 4 永磁同步电机伺服控制系统模型建立 采用d = 0 的永磁同步电机矢量控制系统如图2 9