基于DSP的永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究 電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)論文

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1、誠 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計（論文）中的所有內(nèi)容均真實、可信。作者簽名： 日期： 年 月 日湖南工程學(xué)院湖南工程學(xué)院畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計（論計（論 文）任文）任 務(wù)務(wù) 書書設(shè)計（論文）題目： 基于 DSP 的永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究 姓名 周琳 系別 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級 0786 學(xué)號 200713010616

2、 指導(dǎo)老師 顏漸德 教研室主任 謝衛(wèi)才 一、基本任務(wù)及要求：一、基本任務(wù)及要求：1）掌握矢量控制的基本原理。2）掌握永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)。3）利用 MATLAB 軟件仿真，分析。4)硬件設(shè)計及軟件設(shè)計二、進(jìn)度安排及完成時間：二、進(jìn)度安排及完成時間：2 月 20 日：布置任務(wù)，下達(dá)設(shè)計任務(wù)書2 月 21 日3 月 10 日：查閱相關(guān)的資料（總參考文章 15 篇，其中 2 篇以上 IEEE的相關(guān)文章）。3 月 13 日3 月 25 日：畢業(yè)實習(xí)、撰寫實習(xí)報告3 月 27 日5 月 30 日：畢業(yè)設(shè)計、4 月中旬畢業(yè)設(shè)計中期抽查6 月 1 日6 月 7 日：撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）6 月 8

3、 日6 月 10 日：修改、裝訂畢業(yè)設(shè)計說明書（論文），并將電子文檔上傳FTP。 6 月 11 日6 月 12 日：畢業(yè)設(shè)計答辯目 錄摘 要 .IABSTRACT .II第章 概述 .11.1 永磁同步電動機(jī)的發(fā)展概況及應(yīng)用前景 .11.1.1 永磁同步電動機(jī)發(fā)展概況.11.1.2 永磁同步電動機(jī)特點及應(yīng)用.21.2 永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 .31.3 課題研究的背景及本文的主要研究內(nèi)容.41.4 本課題的研究意義.5第 2 章 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型 .72.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu) .72.2 永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 .82.2.1 永磁同步電機(jī)在靜止坐標(biāo)系(U

4、VW)上的模型.82.2.2 永磁同步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系()上的模型方程 .102.2.3 永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)上的數(shù)學(xué)模型.12第 3 章 永磁同步電機(jī)矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制 .163.1 永磁同步電機(jī)的控制策略 .163.1.1 永磁同步電機(jī)外同步控制策略 .163.1.2 永磁同步電機(jī)自同步控制策略.163.1.3 永磁同步電動機(jī)的弱磁控制.1932 空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM) .193.2.1 空間矢量脈寬調(diào)制原理.193.2.2 空間矢量脈寬調(diào)制實現(xiàn).223.3 PI 控制器的設(shè)計 .243.3.1 電流環(huán) PI 控制器的設(shè)計.243.3.2 速度環(huán) PI 控制

5、器的設(shè)計.25第 4 章 系統(tǒng)仿真模型 .264.1 MATLAB 仿真工具箱簡介 .264.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真.274.3 仿真結(jié)果及分析 .31第 5 章 永磁同步電機(jī)控制器的硬件設(shè)計 .345.1 功率變換單元的設(shè)計 .345.1.1 三相橋式主電路.355.1.2 IR2130 驅(qū)動器 .365.1.3 信號隔離電路.385.2 檢測單元的設(shè)計 .385.2.1 位置檢測單元的設(shè)計 .385.2.2 電流檢測電路.405.2.3 電壓檢測電路.405.3 控制器的設(shè)計 .415.3.1 DSP 的特點和資源 .425.3.2 系統(tǒng)設(shè)計中所用的 DSP 硬件資源.435.4 電平轉(zhuǎn)換

6、.445.5 保護(hù)電路的設(shè)計 .455.5.1 過流保護(hù)電路.455.5.2 過壓保護(hù)電路.465.5.3 上電保護(hù)電路.465.5.4 系統(tǒng)保護(hù)電路.47第 6 章 永磁同步電機(jī)控制器的軟件設(shè)計 .486.1 DSP 軟件一般設(shè)計特點 .486.1.1 公共文件目標(biāo)格式.486.1.2 Q格式表示方法.496.2 控制系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu) .506.3 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計 .536.3.1 位置和速度計算.536.3.2 速度、電流 PI 控制.556.3.3 電流的采樣與濾波.566.3.4 坐標(biāo)變換軟件實現(xiàn).586.3.5 正余弦值的產(chǎn)生.586.3.6 空間矢量 PWM 程序.59結(jié)束語

7、 .60參考文獻(xiàn) .61致 謝 .62附錄 .63湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計I基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究摘 要：本論文在分析了PMSM的結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上采用弧公司專用于電機(jī)控制的TMS320F2407A型數(shù)字信號處理器作為核心，開發(fā)了全數(shù)字化的永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，主要完成了以下幾個方面的工作：(1)本文查閱大量的文獻(xiàn)資料，闡述了永磁同步電機(jī)的發(fā)展概況及應(yīng)用以及其控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了此課題的研究意義。(2)在分析了PMSM的工作原理及其運行特點的基礎(chǔ)上，深入研究了永磁同步電機(jī)的矢量控制理論，采用SVPWM矢量控制技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上建立PMSM數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了采用

8、速度和電流雙閉環(huán)的矢量控制策略。(3)在分析了TI公司的高速數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320LF2407A的特點的基礎(chǔ)上，通過其專用開發(fā)平臺，設(shè)計了基于該DSP的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，完成了控制器、功率變換單元以及位置檢測單元的設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計各種保護(hù)電路。同時設(shè)計了系統(tǒng)軟件控制部分，完成了主程序、中斷控制程序以及各項子程序的設(shè)計。(4)本文在研究MATLAB/SIMULINK的基礎(chǔ)上，建立了永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了控制仿真研究，仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，抗干擾性能強(qiáng)。關(guān)鍵詞：DSP；永磁同步電動機(jī)；矢量控制系統(tǒng)；湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計IIVe

9、ctor Control System of PMSM Based on DSPAbstract: This thesis,basing on analyzing the structure and mathematics model of PMSM,empoldered the timing system of vector control of PMSM through using the TMS320F2407A of TI company as its core. The main jobs are just as:(1) In this paper,with abundance of

10、 literature we introduced development and application of PMSM,also include its development in control system.then we discussed the researching purport of this paper.(2) based on the research on work elements and work characteristic of PMSM,we deeply researched its Vector Control Theory.with SVPWM Ve

11、ctor Control Technology,we build PMSM Mathematical model,construct the Vector Control plan which used speed and Current double-loop.(3) based on the research of High-speed digital signal processor TMS320F2407A s trait which produced by TI,we designed the whole PMSM vector control system of DSP with

12、its Dedicated development platform.we completed the controller、Power Conversion unit and Position Detection Unit.we also designed the Protection circuits.and we design the Some software control system,include main program、Interruption control procedures and The subroutine.(4) based on the research o

13、n MATLAB/SIMULINK,we build PMSM Vector Control System Simulation Model.with this,we research the control Simulation.the result of Simulation means this system has trait of Fast response,small Overshoot and Strong anti-jamming performance.Key words: DSP；PMSM；Vector control system基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研

14、究1第章 概述隨著電氣傳動技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對調(diào)速的要求也不斷提高，永磁同步電動機(jī)具有體積小、重量輕、功率密度大、效率高、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、便于控制以及形式多樣等優(yōu)點，所以在航空航天、國防、電動汽車、機(jī)床控制和日常生活等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，永磁同步電動機(jī)是用永磁材料產(chǎn)生勵磁磁場的電動機(jī)，與普通的電動機(jī)相比，永磁同步電動機(jī)不需要專門的繞組與裝置提供外加能量來產(chǎn)生勵磁磁場，使其結(jié)構(gòu)簡化并可節(jié)約能量，由于電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的突破性發(fā)展，尤其是具有強(qiáng)大計算能力的數(shù)字信號處理器(DSP) 的出現(xiàn)，使得結(jié)構(gòu)簡單的同步電動機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)成為可能。1.1 永磁同步電動機(jī)的發(fā)展概況及

15、應(yīng)用前景1.1.1 永磁同步電動機(jī)發(fā)展概況所謂永磁電機(jī)就是指采用永磁體代替通電線圈勵磁的電機(jī)。早在十九世紀(jì)二十年代出現(xiàn)的世界上第一臺電機(jī)，就是由永磁體產(chǎn)生勵磁磁場的永磁電機(jī)。但當(dāng)時所用的永磁材料是天然磁鐵礦石，磁能密度低，用它制成的電機(jī)體積龐大，不久便被電勵磁電機(jī)所取代。直到上世紀(jì)七十年代末、八十年代初，隨著永磁材料的發(fā)展，永磁同步電動機(jī)才以其體積小、功率密度高、效率和功率因數(shù)高等顯著的優(yōu)點引起了電機(jī)設(shè)計及驅(qū)動技術(shù)研究人員的廣泛關(guān)注和重視。英國學(xué)者 Merrill 最早提出了稱之為“Permasyn”的永磁交流電機(jī)設(shè)計方案。從1979 年開始，長期致力于永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)理論研究和技術(shù)開

16、發(fā)工作的英國學(xué)者、利物浦大學(xué) K JBinns 教授先后發(fā)表了有關(guān)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理、性能分析、參數(shù)估算、驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和新型轉(zhuǎn)子位置檢測裝置等內(nèi)容的學(xué)術(shù)論文，對推動永磁同步電機(jī)的理論研究和工程應(yīng)用產(chǎn)生了極大的影響。此外，英國曼徹斯特大學(xué)的 B.J.Chalmer 教授對永磁同步電機(jī)變頻運行時參數(shù)及性能的分析，波蘭學(xué)者PMPetczwski 對永磁同步電機(jī)最優(yōu)模型位置跟蹤控制系統(tǒng)的研究，意大利學(xué)者Alfio Consoli 對永磁同步電機(jī)等效電路的分析均各具新穎性和獨到之處。永磁同步電機(jī)的發(fā)展與永磁材料工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。關(guān)于其中的永磁材料，英國南安普頓大學(xué)TMWong進(jìn)行了十分細(xì)

17、致的物理性能研究?？勺鳛橛来磐诫姍C(jī)的永磁材料有AlNiCo，Ceramic，Rare Earth，F(xiàn)erritesNdFeB，Barium和Strontium等鐵磁性材料，1983年問世的釹鐵硼(NdFeB)永磁材料，由于其優(yōu)異的磁特性、低廉的成基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究2本和充足的材料來源等原因，引起了各主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家的重視，并進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用開發(fā)工作。到了九十年代初期，釹鐵硼永磁材料已經(jīng)占據(jù)了世界永磁材料市場的5096左右。可以預(yù)測，釹鐵硼永磁材料有可能在相當(dāng)大程度上取代某些永磁材料，成為永磁同步電動機(jī)首選的永磁材料。自上世紀(jì)九十年代以來，隨著永磁材料性能的不斷

18、提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料性能的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，稀土永磁電機(jī)的研究進(jìn)入了一個新階段。在永磁電機(jī)的設(shè)計理論、計算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面的研究工作出現(xiàn)了嶄新的局面，形成了以電磁場數(shù)值計算和等效磁路解析求解相結(jié)合的一整套分析方法和計算機(jī)輔助分析軟件。由于我國稀土資源蘊藏量占世界 85以上，因而在開發(fā)高磁場永磁材料一方面具有得天獨厚的有利條件。目前我國一大批科學(xué)研究單位和高等院校積極參加到高磁場永磁材料的應(yīng)用和開發(fā)研究工作中，并取得了豐碩的研究成果。11.1.2 永磁同步電動機(jī)特點及應(yīng)用目前，永磁電機(jī)的輸出功率可以做小至幾毫瓦、大至幾千千瓦，不僅覆蓋了微

19、、小及中型電機(jī)的功率范圍，且延伸至大功率領(lǐng)域。此外，永磁材料的高能積、小尺寸、輕量化等特點，給永磁電機(jī)帶來一系列突出優(yōu)點：(1)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動小、轉(zhuǎn)速(3)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、可靠性高。平穩(wěn)、動態(tài)響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)：(2)低損耗、高效率、節(jié)約能源：因而，永磁電機(jī)應(yīng)用范圍非常廣泛，遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個領(lǐng)域。永磁同步電動機(jī)在船舶推進(jìn)系統(tǒng)中也得到了充分的應(yīng)用。德國西門子公司早在1996年便完成了1100KW，230轉(zhuǎn)分永磁同步推進(jìn)電機(jī)的設(shè)計，并于1997年進(jìn)行了實船運行實驗。目前研制出的最大功率14MW、轉(zhuǎn)速150轉(zhuǎn)分的永磁同步電動機(jī)已用于西門子公司和Schotel

20、公司聯(lián)合生產(chǎn)的SSP吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)。德國、法國和瑞士等國對永磁電機(jī)及其控制系統(tǒng)在艦艇電力推進(jìn)中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究工作，中國船舶重工集團(tuán)公司武漢船舶推進(jìn)裝置研究所也對此進(jìn)行了預(yù)研。永磁同步電動機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用。近十年來風(fēng)力發(fā)電得到了迅速發(fā)展，其中變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)在更多地捕獲風(fēng)能和減少維護(hù)方面效果顯著。永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不需要勵磁裝置，具有重量輕、效率高、可靠性高的優(yōu)點。風(fēng)輪機(jī)可以和永磁同步發(fā)電機(jī)直接耦合，省去了其他風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中增速箱，減少發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作并且基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究3降低了系統(tǒng)噪聲。專為電梯設(shè)計的稀土永磁同步無齒拽引機(jī)的成功研制，為綠色電梯的

21、開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。1996年3月，芬蘭的通力(KONE)公司推出了以碟式永磁同步拽引機(jī)為核心的3000MonoSpac型電梯升降系統(tǒng)，為機(jī)房電梯開創(chuàng)了電梯無齒輪傳動的新時代。綜上所述，永磁同步電動機(jī)的主要運用領(lǐng)域包括：(1)軍事、航空、航天領(lǐng)域：(2)控制精度要求高的領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人控制等：(3)交通工具控制領(lǐng)域，如電動汽車控制：(4)家用電器控制領(lǐng)域，如家用空調(diào)、電冰箱等。1.2 永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢對永磁同步電動機(jī)的控制方法的研究始于七十年代，與當(dāng)時在調(diào)速應(yīng)用中占主導(dǎo)地位的直流電動機(jī)相比，永磁同步電動機(jī)由于具有強(qiáng)耦合、非線性及多變量的特性，為獲得較好的調(diào)速控制性

22、能，需要采用復(fù)雜的控制算法，其調(diào)速控制系統(tǒng)復(fù)雜而昂貴。然而，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其調(diào)速控制系統(tǒng)的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。21)外同步控制策略外同步是指永磁同步電動機(jī)用獨立的變頻電源供電，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格跟隨電源頻率變化，也稱之為它控式變頻調(diào)速。外同步運行常用于開環(huán)控制，多用在紡織工業(yè)的小容量多電機(jī)拖動系統(tǒng)中，這種場合要求多臺電動機(jī)嚴(yán)格同步運行。多臺永磁同步電動機(jī)并聯(lián)在公共的變頻器上，由統(tǒng)一的轉(zhuǎn)速給定信號調(diào)節(jié)各電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種系統(tǒng)雖然解決了啟動問題，但轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題并未得到很好的解決，一旦其中一臺電動機(jī)出現(xiàn)失步，將影響其他電動機(jī)正常工作，因此這種調(diào)速方法用途有限。2)自控式變頻調(diào)速自

23、控式變頻調(diào)速系統(tǒng)包含永磁電機(jī)、轉(zhuǎn)子位置檢測器、主回路和控制回路。轉(zhuǎn)子位黃檢測器與轉(zhuǎn)子同軸安裝，它把檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號傳遞給控制回路，控制回路根據(jù)此信號，觸發(fā)主回路的開關(guān)元件，使定子各繞組獲得與轉(zhuǎn)子頻率相同的交流電，從而達(dá)到調(diào)速的目的。這種方法在原理上類似于直流電機(jī)改變電樞電壓的調(diào)速方法，但是又與直流電機(jī)稍有差別。自控式變頻調(diào)速的永磁電機(jī)換相電勢比直流電機(jī)的換相電勢要大很多，直流電機(jī)在換相時采用機(jī)械換相器，每次換相只有一個換相片上的繞組電流換相，如果每個槽對應(yīng)于一個換相片，則每次參與換流的只是一個槽的繞組。而對于永磁電機(jī)來說，每次換相時，參與換流的是一相繞組，顯而易見，電機(jī)設(shè)計中，增加槽數(shù)相對

24、容基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究4易，增加相數(shù)就很困難。如果永磁電機(jī)的相數(shù)等于槽數(shù)，則其等同于一臺直流電機(jī)?，F(xiàn)代變頻調(diào)速的控制算法有很多，主流的算法主要有以下幾種：(1)正弦脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM。SPWM的變形有很多種，例如：梯形波與三角波相交的方法，馬鞍波與三角波相交的方法(三次諧波注入法)等。SPWM在通用變頻器中越來越成熟，且在高壓變頻器領(lǐng)域內(nèi)占主導(dǎo)地位。在高壓變頻器中，硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多采用二極管(或電容)鉗位技術(shù)、級連技術(shù)或二者的混合。這些技術(shù)的特點是采用多電平技術(shù)，用低耐壓功率器件來輸出高壓。(2)隨機(jī)PWM。隨機(jī)PWM通過分散噪聲頻譜，能避免變頻器在某一頻率點的高頻噪聲

25、，但如果隨機(jī)PWM處理不好，就會在各個頻率點都產(chǎn)生噪音，這也限制了隨機(jī)PWM的應(yīng)用推廣。(3)電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)SVPWM。SVPWM具有電流諧波少、轉(zhuǎn)矩脈動小、噪音低等優(yōu)點，而且相對于常規(guī)的SPWM直流電壓利用率能提高約15(三次諧波注入法也可以提高直流電壓利用率約15)，所以SVPWM前途十分廣闊。(4)矢量控制FOC算法。矢量控制算法在高性能領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位。矢量控制的動態(tài)、低速運行等性能指標(biāo)都達(dá)到了相當(dāng)高的水平。目前，采用此種算法的調(diào)速控制器越來越普遍。(5)直接轉(zhuǎn)矩控制DTC。相對于矢量控制，從實用性來說，一直沒有推廣開來。對于大的變頻器廠家來說，目前只有ABB宣傳做出DTC

26、產(chǎn)品，其產(chǎn)品的響應(yīng)速度只有5ms，這是矢量控制遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的?？偟膩碚f，DTC的優(yōu)勢是動態(tài)響應(yīng)速度快，但在低速時其穩(wěn)定性能不如矢量控制。1.3 課題研究的背景及本文的主要研究內(nèi)容在直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、交流同步電機(jī)三大電機(jī)形式中，永磁同步電動機(jī)因其優(yōu)良的性能和多樣的結(jié)構(gòu)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、航空航天和國防等各個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。為獲得高性能、高精度的執(zhí)行效果，需要使用變頻電源對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動和控制。因此，永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的研究具有重要的理論意義和實用價值。目前國內(nèi)對永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的研究進(jìn)行了很多，但主要還存在以下不足之處：3(1)國內(nèi)對永磁同步電動機(jī)的研究工作主要側(cè)

27、重于電動機(jī)本體的研究，對其調(diào)速控制系統(tǒng)的研究工作較少。(2)對于永磁同步電動機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)的理論研究和仿真研究較多，生產(chǎn)實際中應(yīng)用的成果較少：對于先進(jìn)的電機(jī)控制方法在永磁同步電動機(jī)上的運用研究較少。基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究5(3)由于受到國內(nèi)的設(shè)備、經(jīng)費等條件的限制，對國際上電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中的前沿性課題研究較少。對最新出現(xiàn)的電氣傳動研究方向，如：自適應(yīng)控制技術(shù)、人工智能的控制技術(shù)及無速度傳感器技術(shù)與應(yīng)用同國際先進(jìn)水平還有較大差距。鑒于以上背景，本人提出設(shè)計基于DSP的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)這一課題。在本課題中對永磁同步電機(jī)系統(tǒng)控制器進(jìn)行了研究，采用SPWM控制方法，并結(jié)合美國

28、TI公司的DSP芯片TMS320F2407A設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)軟件。主要包括以下幾個方面：(1)詳細(xì)討論永磁同步電動機(jī)的電壓方程、向量圖、轉(zhuǎn)矩等特性，并對永磁同步電動機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析：提出永磁同步電動機(jī)閉環(huán)控制策略，為控制系統(tǒng)的實現(xiàn)給出理論依據(jù)及現(xiàn)實的解決方法。(2)硬件電路設(shè)計包括以DSP為核心的控制系統(tǒng)中設(shè)計主電路和保護(hù)電路等，并給出功率驅(qū)動電路、電流檢測、電壓檢測、電平轉(zhuǎn)換等電路的分析和設(shè)計。(3)設(shè)計并實現(xiàn)基于DSP的控制系統(tǒng)軟件，包括系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)子定位程序、AD轉(zhuǎn)換程序、PWM波產(chǎn)生等算法程序。1.4 本課題的研究意義對基于DSP的PMSM矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行研究具有如下重大意義：

29、(1)PMSM矢量控制系統(tǒng)是一種高性能的交流伺服系統(tǒng)。由于PMSM具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小，重量輕、效率高、過載能力大、轉(zhuǎn)動慣量小以及轉(zhuǎn)矩脈動小等優(yōu)點，并且利用矢量控制思想PMSM容易實現(xiàn)線性的轉(zhuǎn)矩電流特性，所以由PMSM構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)能夠達(dá)到很好的控制性能。(2)我國是世界第一稀土大國，稀土的總儲量約占全球稀土資源的80。目前稀土永磁同步電機(jī)已經(jīng)在航空航天多種型號中得到成功的應(yīng)用，同時多種民用稀土永磁同步電機(jī)正在逐步走向規(guī)?；a(chǎn)，所以對稀土永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的研究對國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的發(fā)展都具有非常重大的戰(zhàn)略價值。(3)微處理器的發(fā)展促進(jìn)了電力電子系統(tǒng)中數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，即采用軟件技術(shù)，提

30、供了更大的靈活性和更好的性能。電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字化是現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的方向之一。數(shù)字控制克服了模擬控制的缺點，易于實現(xiàn)先進(jìn)控制策略同時數(shù)字控制的硬件簡單，體積小、重量輕而且能耗小。新型微處理器的執(zhí)行速度有助于增加采樣速度、帶寬，從而達(dá)到與模擬控制器可比的數(shù)值，抗負(fù)載擾動的能力也得到加強(qiáng)。處理器的高速運算能力使得人們有可能實現(xiàn)復(fù)雜的實時控制算法，如狀態(tài)反饋控制、最優(yōu)控制、狀態(tài)觀測器、Kalman濾波器以及具有高采樣速度的自適應(yīng)控制。下一代基于專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯的智能基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究6控制器也將會采用高級處理器和ASIC加以實現(xiàn)。(4)智能控制技術(shù)的發(fā)展是學(xué)科

31、發(fā)展的一個新階段。利用智能控制的非線性，變結(jié)構(gòu)，自尋優(yōu)等各種功能來克服控制系統(tǒng)中變參數(shù)與非線性等不利因素，可以提高系統(tǒng)的魯棒性。目前智能控制在控制系統(tǒng)應(yīng)用中較為成熟的有模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，而且大多是在模型控制基礎(chǔ)上增加一定的智能控制手段，以消除參數(shù)變化和擾動的影響。雖然將智能控制用于交流傳動系統(tǒng)的研究已取得了一些成果，但是有許多問題尚待解決，如智能控制器主要憑經(jīng)驗設(shè)計，對系統(tǒng)性能(如穩(wěn)定性和魯棒性)缺少客觀的理論預(yù)見性，且設(shè)計一個系統(tǒng)需獲取大量數(shù)據(jù)，設(shè)計出的系統(tǒng)容易產(chǎn)生振蕩：另外，交流傳動智能控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，它的實現(xiàn)依賴于DSP，F(xiàn)PGA等電子控制器件的高速化。4基于 DSP 永磁同步電

32、動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究7第 2 章 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型本章以正弦交流電流驅(qū)動的永磁同步電機(jī)(PMSM)為主要研究對象，從永磁同步電機(jī)在靜止的三相對稱坐標(biāo)系模型出發(fā)，討論永磁同步電動機(jī)的基本電磁關(guān)系，分別建立其在三相靜止坐標(biāo)系()、兩相靜止坐標(biāo)系()和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()中UVWdq的電壓回路方程、磁鏈方程及其轉(zhuǎn)矩方程。這些電磁約束對了解同步電機(jī)的原理、分析其運動規(guī)律和研究高性能控制決策提供了理論基礎(chǔ)。從其動態(tài)數(shù)學(xué)模型出發(fā)，找出各個物理量之間的關(guān)系，特別是定子和轉(zhuǎn)子電流相互作用而產(chǎn)生的磁通和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，在定向坐標(biāo)系上實現(xiàn)各量的控制和條件，組成一個矢量控制系統(tǒng)。2.1 永磁同步電動機(jī)

33、的結(jié)構(gòu)永磁同步電動機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。5永磁同步電動機(jī)的定子是指電動機(jī)在運行狀態(tài)下靜止不動的部分，其與異步電動機(jī)定子結(jié)構(gòu)相似，主要是由硅鋼片、三相對稱的繞組、固定鐵心的機(jī)殼及端蓋部分組成。對其三相對稱的繞組通入三相對稱的空間電流就可以得到一個旋轉(zhuǎn)的圓形空間磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速被稱為同步轉(zhuǎn)速，其中，為定子電流頻率，為電60/nfpfp動機(jī)的極對數(shù)。永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是指電動機(jī)在運行狀態(tài)下可以自由旋轉(zhuǎn)的部分，采用磁性材料組成，如釹鐵硼等，不再需要額外的直流勵磁電路。這樣的永磁稀土材料具有很高的剩余磁通密度和很大的矯頑力，加上它的磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率相仿，對于徑向結(jié)構(gòu)的電動機(jī)交軸和直軸磁

34、路磁阻都很大，可以很大程度上的減少電樞反應(yīng)。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子按其形狀可以分為兩類：凸極式永磁同步電機(jī)，如圖 2.1(a)和隱極式永磁同步電機(jī)如圖 2.1(b)。它們的根本不同在于轉(zhuǎn)子磁極所在位置，凸極式是將永磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子軸的表面，因為永磁材料的磁導(dǎo)率很接近空氣磁導(dǎo)率，所以在交軸(軸)和直q軸(軸)上的電感基本相同。隱極式轉(zhuǎn)子則是將永磁鐵嵌入在轉(zhuǎn)子軸的內(nèi)部，因此交d軸的電感大于直軸的電感，并且，除了電磁轉(zhuǎn)矩外，還有磁阻轉(zhuǎn)矩存在。為了使得永磁同步伺服電動機(jī)具有正弦波感應(yīng)電動勢波形，其轉(zhuǎn)子磁鋼形狀呈拋物線狀，使其氣隙中產(chǎn)生的磁通密度盡量呈正弦分布。定子電樞采用短距分布式繞組，能最大限度地消除諧波磁

35、動勢。永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生恒定的電磁場。當(dāng)定子通以三相對稱的正弦波交流電時，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。兩種磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如果能改變定子三相基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究8電源的頻率和相位，就可以改變轉(zhuǎn)子的速度和位置。因此對三相永磁同步伺服電機(jī)的控制也和對三相異步電動機(jī)的控制相似，采用矢量控制。并且不要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行繞組和坐標(biāo)變換，從而使得三相永磁同步電機(jī)的矢量控制要比三相異步電機(jī)的控制要簡單。圖 2.1(a) 凸極式電機(jī)轉(zhuǎn) 圖 2.1(b) 隱極式電機(jī)轉(zhuǎn)子 2.2 永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型下面我們將以三相正弦波電流驅(qū)動的永磁同步機(jī)(PMSM)為研究對象，分析永磁同步電機(jī)在

36、三相靜止坐標(biāo)系()、兩相靜止坐標(biāo)系()和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()，三UVWdq種坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并討論其電磁約束關(guān)系。2.2.1 永磁同步電機(jī)在靜止坐標(biāo)系()上的模型UVW永磁同步電動機(jī)三相集中繞組分別為 U，V，W，各相繞組的中心線在與轉(zhuǎn)子軸垂直的平面上，如圖 2.2 所示。需要說明的在表達(dá)坐標(biāo)系的時候，一般用 U，V，W 來表示，而不用 A，B，C，但這與后面章節(jié)的 A，B，C 來表示三相參數(shù)表示方法具有等效性。UUIWwVIV圖2.2 三相集中繞組分布三相繞組的電壓回路方程如下： (2.1)wvupIwIvIuRsRsRsUwUvUu000000式中：，各相繞組兩端的電壓。UuUvUw基于 D

37、SP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究9 ，各相的線電流。IuIvIw ，各相繞組的總磁鏈。uvw 微分算子（） 。Pdtd磁鏈方程為： (2.2)wwvvuurrrIwIvIuMMMMMMMMLwvu）（）（）（）（3332)(312322)(21)(13)(12)(11 其中=，為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。tr.r ，為轉(zhuǎn)子磁鏈在 U，V，W 相繞組中產(chǎn)生的交鏈，是角的函數(shù)。uurvvrwwr 為各自繞組的自感，為各相繞組之間的互感。)(Lxx)(Mxy 如果下面的條件可以滿足，那么電壓回路方程就可以得到簡化。(1)氣隙分布均勻，磁回路與轉(zhuǎn)子的位置無關(guān)，即各相繞組的自感、繞組之)(Lxx間的互感與轉(zhuǎn)子

38、的位置無關(guān)。)(Mxy(2)不考慮磁飽和現(xiàn)象，即各相繞組的自感、繞組之間的互感與通)(Lxx)(Mxy入繞組中的電流大小無關(guān)，忽略漏磁通的影響。(3)轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。轉(zhuǎn)子磁鏈在各相繞組中的交鏈分別為：)34cos()32cos()cos(MIfrrrwwvvuuMIf為轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值，對于給定永磁同步電動機(jī)來說該值一般為常數(shù)?；谝陨霞僭O(shè)條件，把式(22)代入式(21)中，則電壓回路方程可以寫成如下的形式： )34sin()32sin()sin(000000333231232221131211frWVUWVUWVUMIIIILMMMLMMMLPIIIRsRsRsUUU （2.3）三

39、相繞組在空間上對稱分布，并且通入三相繞組中的電流是對稱的，則有下述關(guān)系成立： 1332211LLLL基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究10 且1323123211312MMMMMMM0WVUIII把以上條件代入式(23)，就可以得到實用的電壓回路方程： )34sin()32sin()sin(000000frWVUsssWVUMIIIILPRLPRLPRUUU（2.4）2.2.2 永磁同步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系()上的模型方程眾所周知，電磁場是電機(jī)進(jìn)行能量交換的媒體，電機(jī)之所以能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩做功，是因為定子產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用的結(jié)果。因此，我們可以不看電機(jī)繞組的具體形式，完全可以利

40、用磁場等效的觀點來簡化三相電機(jī)的模型方程。以三相電機(jī)為例，說明將三相坐標(biāo)簡化為兩相坐標(biāo)。三相電機(jī)的集中繞組 U，V，W 的軸線在與轉(zhuǎn)子垂直的平面分布如圖 2.3 所示，軸線之間相互差 120 度。每相繞組在氣隙中產(chǎn)生的單位磁勢(磁勢方向)記為：，。因為，會在軸向上產(chǎn)生分量，可以把氣隙內(nèi)的磁場簡化為UFVFWFUFVFWF一個二維的平面（） ，所以，就成為在同一個平面場內(nèi)的三個向量，它2RUFVFWF們的值分別為，。由于在二維線性空間的三個向量一定線性相關(guān)，即0je32 je34 je，的線性張成（其中，為任意實數(shù)）與二UFVFEWVVUUFkFkFkS1UkVkWk維平面場（）內(nèi)任意兩個不相關(guān)

41、的向量（，）的線性張成2RFF（，其中，為任意的實數(shù)）構(gòu)成同一個線性空間。與中的FkFkS2kk1S2S每一個元都具有一一對應(yīng)的關(guān)系。因此在與之間就可以找到一種線性變換，來把1S2S，轉(zhuǎn)化為，。UFVFWFFFUWVFFVFwF圖2.3 平面場（）磁勢圖2R基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究11因為在，的選取上具有任意性，為了統(tǒng)一和簡便起見，選取一組相互垂直FF的坐標(biāo)軸()表示空間。，的具體選取如圖 2-3，即與相重合，2SFFFUF超前于90 度，且，的值分別為，。如果，分別代表，F(xiàn)FFF0je3xjeFF軸上的集中繞組產(chǎn)生的磁勢的方向，那么三相繞組在氣隙中產(chǎn)生的總磁勢就可以F由兩

42、相繞組，來等效產(chǎn)生。 等效關(guān)系為： (2.5)WVUIIINwFvFuFIINFFF32式中：兩相繞組，的匝數(shù) 2N 三相繞組 U，V,W 的匝數(shù)3N根據(jù)（2.5）式可以得到電流的變化矩陣： WVUWVUIIITIIINNII232302121123（2.6）滿足功率不變時應(yīng)有：3223NN因此得到從U，V，W坐標(biāo)軸向，坐標(biāo)軸的變換矩陣T為： 1 1 2 1 2230 3 23 2T （2.7）永磁電機(jī)的電壓變換關(guān)系與磁動勢變化關(guān)系是一致的。由此，我們可以得到由三相靜止繞組的電壓回路方程變化到兩相靜止繞組的電壓回路方程為： 0sin( )0cos( )srfsVIRP LMIVIRP L（2.

43、8）其中：為轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度。fMI ，為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。rtr，sRRR32LLL基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究12 另有，132ffMIMIUVWIIT IIIUVWUUT UUU則轉(zhuǎn)矩方程： eTII（2.9）式中：，1cos( )fMI1sin( )fMI通過對于三相坐標(biāo)系向兩相坐標(biāo)系的變換關(guān)系，我們可以得到如下的結(jié)論：（1）電壓回路方程變量個數(shù)減少了，給分析問題帶來了很大的方便。（2）當(dāng) U，V，W 各項繞組上的電壓與電流為相位互差 120 度得正弦波時，通過變換方程式(26)和變換矩陣(27)可以得到在，繞組上的電壓與電流正弦波。三相繞組和兩相繞組在空間氣隙產(chǎn)生的磁

44、動勢是完全等效的，并且由矩陣方程式(25)可以看到該磁勢為一個旋轉(zhuǎn)磁勢，旋轉(zhuǎn)角速度為電源電流(電壓)的角頻率。（3）從某種意義上來看，我們可以認(rèn)為三相繞組向兩相繞組系統(tǒng)的變換關(guān)系就是一種阻抗變換關(guān)系。從轉(zhuǎn)矩方程式(29)可以看出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電流，以及II有關(guān)。若想要控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就必須要控制，的電流頻率、幅值和相位。II但，任然是幅值隨著正弦變化的物理量，為了用類似直流電機(jī)控制的方法對同步II電機(jī)進(jìn)行控制，我們還需要把空間位置靜止但幅值變化的，從（，）坐標(biāo)系II向空間位置旋轉(zhuǎn)但幅值恒定的（）坐標(biāo)系變換的電機(jī)模型。dq2.2.3 永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()上的數(shù)學(xué)模型dq靜止的坐標(biāo)系（

45、，）與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()中的坐標(biāo)軸在二維平面場()中的dq2R分布如圖 2-4。軸的旋轉(zhuǎn)角頻率為,軸與軸的初始位置角為,所以在dq0d軸上的集中繞組產(chǎn)生的單位磁勢(包括磁勢方向) ,定義為，dqdFqF0()jte。0(2)jte FFdFqFn基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究13 圖 2.4 靜止坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系相對分布圖根據(jù)磁勢等效的原則，有以下的方程式成立： (2.10)24ddqqIIFFNFFNII式中：軸上集中繞組的匝數(shù)。4Ndq由式(210)可以得到靜止坐標(biāo)系與與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電流變抉關(guān)系：dq (2.11)42cos()sin()sin()cos()dnnqnnIIt

46、tNIIttN 滿足功率不變時應(yīng)有：421NN由此我們可以得到電流的變換矩陣：T (2.12)cos()sin()sin()cos()nnnnttTtt 根據(jù)(212)的變化矩陣可以得到如下的變化關(guān)系：；dqIITIIdqVVTVVdqIIPPTII把上面的變換關(guān)系代入在靜止坐標(biāo)系，下的電壓回路方程式(28)，就可以得到永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，下的電壓回路方程式如下：dq (2.13)1sin()cos()dsnnrfqnnsIVRP LLtMIIVtLRP L 又有，為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。rtr所以我們還可以得到： (2.14)1sin()cos()ddsnrnrfqqrnnsVIRP LLt

47、MIVItLRP L 其中，為軸與轉(zhuǎn)子主磁通線之間的初始位置角度。d當(dāng)軸坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率一致的時候，也就是時，dqrn可以得到永磁同步電機(jī)在同步運轉(zhuǎn)時的電壓回路方程： (2.15)1sin( )cos( )ddsnrfqqnsVIRP LLMIVILRP L基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究14如果在初始狀態(tài)時，軸與轉(zhuǎn)子主磁通重合，即等于零，則可以進(jìn)一步的得到d永磁同步電動機(jī)同步運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子磁通定向的電壓回路方程： (2.16)101ddsnrfqqnsVIRP LLMIVILRP L 此時，我們采用控制方法，使得，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程可以寫為：0dI (2.17)1e

48、fqTMI I因為，所以在這里有。0dI qII以上是通過對于從兩相靜止坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()的變換來推導(dǎo)()dq完成了永磁同步電機(jī)在()坐標(biāo)系中的電壓回路方程。然而，事實上，我們也可以dq通過直接引入旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()來得到永磁同步電機(jī)定向后的數(shù)學(xué)模型，并可進(jìn)行一dq下對比。由于永磁同步電動機(jī)具有正弦波的反電動勢波形，其定子電壓、定子電流也應(yīng)該為正弦波。做以下假設(shè)：電動機(jī)是線性的、參數(shù)不隨溫度等外界環(huán)境因素變化、忽略磁滯、渦流損耗、轉(zhuǎn)子無阻尼繞組。那么基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()中的永磁同步電動機(jī)dq的定子磁鏈方程為： (2.18)000dddrqqqLILI其中：轉(zhuǎn)子磁鋼在釘子上的耦合磁鏈。r ，永

49、磁同步電動機(jī)的，軸主電感。dLqLdq ，永磁同步電動機(jī)的，軸電流。dIqIdq根據(jù)在兩相繞組中，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的永磁同步電動機(jī)電壓矢量方程式，得出永磁同步電動機(jī)在，軸上的兩個分量的定子電壓方程式：dq (2.19)00dddsrqqqsrVIRPVIRP其中：，空間電壓矢量V的，軸分量。dVqVdq與前面的從兩相靜止坐標(biāo)，變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，一樣，直接寫出電壓回dq路方程也要有一定的條件。在認(rèn)為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率一致，并且當(dāng)軸與轉(zhuǎn)子主磁d通方向一致時，將(218)的定子磁鏈方程式代入(219)的定子電壓方程式就得到永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的電壓回路方程式：基于 DSP 永磁同步電動

50、機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究15 (2.20)0ddsnqqrrnsVIRP LLVILRP L 由于事實上有：， ，并且和，所以上面的方程式(2.20)與1rfMIdqLLLL前面的方程式(2.16)相同。即 101ddsnrfqqnsVIRP LLMIVILRP L 假設(shè)得到證明。同時也可以得到轉(zhuǎn)矩的方程式為： (2.21)()()eddqqrqdqdqTPIIPILL I I其中：為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。P由上面的推導(dǎo)可以看出，永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩基本上取決于定子軸電流分d量和軸電流分量。在永磁同步電動機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈恒定不變，所以采用轉(zhuǎn)子磁q鏈定向方式來控制永磁同步電機(jī)要比交流異步電機(jī)簡單。在基速

51、以下恒轉(zhuǎn)速運行區(qū)中，采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的永磁同步電機(jī)定子電流矢量位于軸，無軸分量，即定子電流全qd部用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此時永磁同步電動機(jī)的電壓方程可寫為： (2.22)00sdqrdqqrrdrsqRP LLVIVLRP L 其中：qII電磁轉(zhuǎn)矩方程為：erqTI由于，所以以上得到的轉(zhuǎn)矩方程與上面介紹的控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩1rfMI0qI 方程是一致的。1efqTMI I通過從兩相靜止坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()的變換可以看出：()dq(1)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()中的變量都為直流變量，并且由轉(zhuǎn)矩方程式直接可以看dq出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電流呈線性關(guān)系，只需要控制的大小就可以控制電機(jī)的輸出qIqI轉(zhuǎn)矩。(2) 在旋轉(zhuǎn)

52、坐標(biāo)d-q軸上的繞組中，分別通入直流電流,同樣可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁dIqI勢，并由電流,空間互差90度，其合成矢量旋轉(zhuǎn)角頻率與永磁同步電機(jī)實際旋轉(zhuǎn)角dIqI頻率一致?；?DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究16基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究17第 3 章 永磁同步電機(jī)矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制3.1 永磁同步電機(jī)的控制策略永磁同步電機(jī)的主要控制策略有：外同步控制、自同步控制與弱磁控制。63.1.1 永磁同步電機(jī)外同步控制策略外同步是指永磁同步電動機(jī)用獨立的變頻電源供電，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格地跟隨電源頻率而變化，也稱之為他控式變頻調(diào)速。外同步運行常為開環(huán)控制，多用在小容量多電機(jī)拖動系

53、統(tǒng)中，這種場合要求多臺電動機(jī)嚴(yán)格同步運行。多臺永磁同步電動機(jī)并聯(lián)在公共的變頻器上，統(tǒng)一的轉(zhuǎn)速給定信號同時調(diào)節(jié)各電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種系統(tǒng)雖然解決了啟動問題，但轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題并未很好地解決，一旦其中一臺電動機(jī)出現(xiàn)失步，將影響其他電動機(jī)正常工作。因此這種調(diào)速方法用途有限。3.1.2 永磁同步電機(jī)自同步控制策略1)永磁同步電動機(jī)自控式變頻調(diào)速自控式變頻調(diào)速，又稱無刷直流型調(diào)速，整個系統(tǒng)主要由電動機(jī)本體，位置檢測環(huán)節(jié)以及驅(qū)動器三大部分組成。其中位置檢測環(huán)節(jié)通常是由位置檢測元件或者無位置檢測技術(shù)完成，用以反饋電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置亦即轉(zhuǎn)子磁場的位置，同時反饋轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂齐娐犯鶕?jù)

54、檢測到的位置信號，觸發(fā)主電路的開關(guān)元件，使定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢與轉(zhuǎn)子磁場的夾角保持為，從而保證展大的90輸出轉(zhuǎn)矩。從原理上，這種方法類似于直流電機(jī)改變電樞電壓的調(diào)速控制方法，但是又與直流電機(jī)稍有差別。自式變頻調(diào)速的永磁電機(jī)換向電勢比直流電機(jī)的換向電勢要大很多。直流電機(jī)采用機(jī)械換向器進(jìn)行換向，且每次換向只有1個換向片上的繞組電流換向。如果每個槽對應(yīng)于1個換向片，則每次參與換流的只是1個槽的繞組。而對于永磁電機(jī)來說，每次換向時，參與換流的是一相繞組，顯而易見，將1臺電機(jī)做成很多槽數(shù)比較容易，但是要將1臺電機(jī)做成很多相數(shù)并不那么容易。 自控式變頻調(diào)速控制可以分為電流源型和電壓源型兩種策略。兩種不同

55、的情況對電機(jī)設(shè)計提出的要求也不完全一樣。2)永磁同步電動機(jī)矢量控制矢量控制最早是在1971年由Blashke等人針對異步電動機(jī)提出的，其基本思想源于基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究18對直流電機(jī)的嚴(yán)格模擬。直流電機(jī)本身具有良好的解耦性，可以分別控制其電樞電流和勵磁電流達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制的最終目的是改善電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實施仍需落實到對定子電流的控制上。矢量控制通過磁場定向?qū)⒍ㄗ与娏鞣譃閯畲欧至亢娃D(zhuǎn)矩分量分別加以控制，從而獲得良好的解耦特性。因此，矢量控制既需要控制定子電流的幅值，又需要控制電流的相位。在永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁極的位置用來決定逆變器

56、的觸發(fā)信號，以保證逆變器輸出頻率始終等于轉(zhuǎn)子角頻率。在這種控制策略下，永磁無刷伺服電動機(jī)激磁磁場每相繞組的反電勢和輸入電流波形為正弦波，與一般交流同步電動機(jī)的概念相同。一般的三相交流同步電動機(jī)外部供以三相正弦波交流電源，電動機(jī)的工作頻率是由外部電源給定的，因而轉(zhuǎn)速是恒定不變的，且起動困難。但是，正弦波驅(qū)動的永磁交流伺服電動機(jī)則完全不同，首先他的反電勢和相電流頻率由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速決定，正弦波相電流是由電路強(qiáng)制產(chǎn)生的。通過矢量控制使電機(jī)運行在最佳狀態(tài)。這是通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子相對定子的絕對位置，由伺服驅(qū)動器實現(xiàn)的。永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)原理框圖如圖31所示，由圖可以得知永磁同步電動機(jī)矢量控制

57、系統(tǒng)以下四部分組成：(1)位置和速度檢測模塊。(2)電流環(huán)、速度環(huán)PI控制器。(3)坐標(biāo)變換模塊。(4)SVPWM模塊和逆變模塊。控制過程為：給定速度信號與檢測到的速度信號相比較，經(jīng)速度Pl控制器的調(diào)節(jié)后，輸出交軸電流分量作為電流PI調(diào)節(jié)器的給定信號，同時，經(jīng)坐標(biāo)變換后，定子qi反饋電流變?yōu)?、，控制直軸給定電流，與變換后得到的直軸電流相比較，dIqI0qidI經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出直軸電壓，定交軸電流與變換后的得到的交軸電流相比drefVqiqI較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出交軸電壓，然后經(jīng)過Park逆變換得，軸電壓。 。最后drefV通過SVPWM模塊輸出六路控制信號驅(qū)動逆變器工作，輸出可變幅值和頻

58、率的三相正弦電流輸入電動機(jī)定子。一般說來，電機(jī)控制策略是通過綜合考慮電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電流之間的線性度、控制過程中電機(jī)端電壓的允許變化程度、功率因數(shù)和電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)等因素來確定的。在永磁同步電動機(jī)矢量控制中，常用的控制模式有直軸電流模式、功率因數(shù)0dI 式、轉(zhuǎn)矩線性模式和恒磁通模式。其中式應(yīng)用最多，其突出優(yōu)點是沒有cos10dI 電機(jī)直軸電樞反應(yīng)，不會引起永磁體的去磁現(xiàn)象，且可以實現(xiàn)隱極式電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。不足之處是電機(jī)端電壓隨負(fù)載增大而增大，因而要求逆變器具有較高的輸基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究19出電壓和較大的容量。本系統(tǒng)將使用矢量控制策略。PIPIPI1ParkSVPW

59、M三相逆變器ParkClarke位置與速度檢測PMSM傳感器信息n didcUqiiiaibiaubucunqidiqerfVderfVrefVrefV圖3.1 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理框圖3)永磁同步電動杌直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)由德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授在1985年針對異步電機(jī)首次提出，是繼矢量控制技術(shù)之后又一高性能交流變頻調(diào)速技術(shù)。其特點是采用空問電壓矢量分析方法，定子磁場定向，直接在定子坐標(biāo)系下計算并控制電機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，借助離散兩點式控制調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號，對逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，獲得轉(zhuǎn)矩的快速性和準(zhǔn)確性。直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了矢量控制中解耦思想，很大程度上

60、克服了矢量變換控制中的計算復(fù)雜性，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡單，控制思路新穎，因此從提出之初就受到了人們的廣泛關(guān)注。直接轉(zhuǎn)矩控制最初是針對異步電動機(jī)提出的，是建立在異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差角頻率控制基礎(chǔ)上的，因此不能在永磁同步電動機(jī)上直接加以利用，1997年L.Zhong、M.FRahman、YW.Hu等人率先把直接轉(zhuǎn)矩控制與永磁同步電動機(jī)結(jié)合起來，成功實現(xiàn)了永磁同步電動機(jī)基本直接轉(zhuǎn)距控制。直接轉(zhuǎn)矩控制理論研究已取得很大進(jìn)展，但它在永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)中的實際應(yīng)用方面技術(shù)還不夠成熟。目前直接轉(zhuǎn)矩控基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究20制在PMSM中應(yīng)用的研究多集中在其它控制策略與直接轉(zhuǎn)距的復(fù)合使用以及無

61、傳感器控制等方面。73.1.3 永磁同步電動機(jī)的弱磁控制永磁同步電機(jī)的弱磁控制思想類似于他勵直流電動機(jī)的調(diào)磁控制，在電樞電壓額定的條件下，永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子看來勵磁磁場被定子電樞反應(yīng)磁場削弱的同時，定子電樞反應(yīng)磁場的空間轉(zhuǎn)速相對于電樞繞組在不斷提高。因為當(dāng)電壓達(dá)到極限值時，為了使電機(jī)能以更高的轉(zhuǎn)速運行，必須維持電機(jī)內(nèi)部的反電動勢等于額定狀態(tài)時的大小，而反電動勢與轉(zhuǎn)速和氣隙磁通的乘積成正比，因此必須使轉(zhuǎn)速與氣隙磁通的乘積保持不變，也就是要使氣隙磁通隨轉(zhuǎn)速增大而減小，即所謂的弱磁控制。永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場由永磁體產(chǎn)生，因此不可能直接被減弱。其弱磁控制是利用直軸電樞反應(yīng)使電機(jī)氣隙磁場減弱，從而達(dá)

62、到等效于減弱磁場的效果。永磁同步電動機(jī)弱磁困難的根本原因在于磁路結(jié)構(gòu)的特殊性。盡管永磁同步電動機(jī)有多種多樣的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但無論是并聯(lián)永磁磁路轉(zhuǎn)子還是串聯(lián)永磁磁路轉(zhuǎn)子，永磁體總是串聯(lián)在直流磁路中，并占去交軸磁路的部分空間。因此，交直軸磁路的等效氣隙都很大，交直軸同步電抗較普通同步電動機(jī)小很多。由此引起的后果是：建立同樣大小的電樞反應(yīng)氣隙磁場，永磁同步電動機(jī)需要比普通同步電動機(jī)大得多的電負(fù)荷，即在正常的電負(fù)荷下，永磁同步電動機(jī)的交直軸電樞反應(yīng)相對于普通同步電動機(jī)微乎其微。如果永磁體提供正常的勵磁磁場，則額定電流產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)磁通只能削弱磁通的極小部分。而提高永磁同步電機(jī)的弱磁能力，主要通過改善電

63、機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進(jìn)控制方法兩種途徑。弱磁控制可實現(xiàn)永磁同步電動機(jī)在低速時能輸出恒定轉(zhuǎn)矩，高速時能輸出恒定功率，有較寬的調(diào)速范圍。較強(qiáng)的弱磁性能能夠在逆變器容量不變的情況下提高系統(tǒng)性能：或者說在保持系統(tǒng)性能不變的前提下降低電機(jī)的最大功率，從而降低逆變器的容量。因此對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行弱磁控制并且拓寬弱磁范圍有著重要的意義。32 空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，為了改變注入電機(jī)定子電流的頻率和幅值，控制設(shè)備需要實時的產(chǎn)生六路PWM脈沖去控制逆變器的通斷。可見能否實時準(zhǔn)確的產(chǎn)生六路PWM對實現(xiàn)永磁同步電機(jī)控制是很關(guān)鍵的。下面就講述空間矢量脈寬調(diào)制原理及實現(xiàn)?；?DSP 永磁同

64、步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究213.2.1 空間矢量脈寬調(diào)制原理空間矢量PWM波是一個由三相功率逆變器六個功率開關(guān)元件的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波?？臻g矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM波不同，它是從電動機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得圓形理想磁鏈圓，使逆變器注入定子的電流形成的磁場必須實時追蹤轉(zhuǎn)子磁場，并且兩磁場實時保持正交以實現(xiàn)永磁電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的矢量控制?？臻g矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，不僅使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動降低，電流波形畸變減少，而且與常規(guī)的SPWM技術(shù)相比直流電壓利用率有很大的提高，并且易于實現(xiàn)數(shù)字化。下圖是三相電力逆變器。設(shè)直流側(cè)重點的口作為參考點，則上管導(dǎo)通時輸出電壓為，下管導(dǎo)通2dU時輸出電壓

65、為。2dU圖3.2 三相電力逆變器由Park變換定義的電壓空間矢量為： （3.1）22()3rabcUuuu 式中：23je ，。分別表示逆變器的三相上橋臂的開關(guān)狀態(tài)。 aubucu按(3.1)式定義的電壓空間矢量，逆變器可以輸出圖3.3所示的八個電壓空間矢量，他們分別對應(yīng)逆變器的八個開關(guān)模式?；?DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究22圖3.3 電壓空間矢量定義在八個開關(guān)模式中，(000)和(111)對應(yīng)輸出的電壓空間矢量為零，我們把這兩個電壓空間矢量稱為零矢量。其它六個矢量稱為有效矢量，有效矢量長度均為。23dU眾所周知，對稱的三相正弦變量按(3.1)式合成，將得到一個幅度固定的勻速旋

66、轉(zhuǎn)的空間矢量。反過來，一個這樣的空間矢量在三相空間A，B，C軸上的投影是三相對稱的正弦變量，且矢量的模長等于各相正弦量的峰值。由于變換器的實際所能產(chǎn)生的矢量(有效矢量和零矢量)有限，不可能輸出角度連續(xù)變化的空間矢量。為獲得旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量，只有利用各矢量的作用時間的不同來等效的合成所需要的矢量。一個正弦周期內(nèi)發(fā)出的合成矢量越多，意味著開關(guān)頻率越高以第三扇區(qū)為例，用最近的兩個相鄰有效矢量，。和零矢量合成參考矢量，等效矢量按伏秒平衡原則合成。4U6UrefU于是有： (3.2)4466refU TU TUT (3.3)460TTTT式中: 系統(tǒng)PWM周期T 作用時間4T4U 作用時間6T6U （）的作用時間0T0U7U式(32)的意義是，矢量在T時間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果與，和及零矢量refU4U6U分別在，間內(nèi)的積分和效果相同。4T6T0T在此：42(10)3dUUj基于 DSP 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究236213()322dUUj(cossin )refrefUUj把上式代入(32)得：46213()(cossin )322ddrefTUTj UUj零矢量只是補(bǔ)足，外的時間，它對