（電機(jī)與電器專業(yè)論文）基于單神經(jīng)元pi控制的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr e l e v a n tt e c h n o l o g i e s ，t h e r ei sat r e n dt h a t a cs e r v os y s t e mw i1 1r e p l a c ed co n e e s p e c i a l l yw h e nh i g hp r e c i s i o na n d p e r f o r m a n c ea r en e e d e d s p e c i a l l y p m s ma cs e r v os y s t e mt h a tu s e sp m s ma sa c t i o n c o m p o n e n ti sd e v e l o p i n gr a p i d l y ，a n di tw i l lb et h ef i r s tc h o i c e o fm o d e r na c s e r v od r i v es y s t e ms t e pb ys t e p t h isp a p e rm a k e sm a t h m o d e lso fp m s m ，t h e na n a l y z e st h et r a n s v e c t o rc o n t r o l t h e o r ya n dc h o o s e sv o l t a g et r a n s v e c t o rc o n t r o lp r o j e c tb a s e do ns v p 刪w e e s t a b l i s ht h es y s t e mm o d e li nm a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，a n df i n i s ht h e e m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a 1 s o w ed e s i g na n de x p e r i m e n taf u l ld i g i t a lp m s ms e r v o c o n t r o ls y s t e mw h i c hu s e st m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ad s pt h a tt ic o r p o r a t i o nd e s i g n sf o rm o t o r c o n t r o ls p e c i a l l ya ss y s t e mc o r ea n di n t e l li g e n tp o w e rm o d u l ea sp o w e rc o n v e r t o r t h er e s u l t sb o t ho fe m u l a t i o na n dh a r d w a r es h o wt h es y s t e mh a sg o o dd y n a m i c p e r f o r m a n c e sa n ds t a t i co n e s b e c a u s eo ft h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rw h i c hc a n t r e g u l a t ec o n t r o lp a r a m e t e r sa u t o m a t i c a l l y ，w eu s ean e wc o n c e p t i n t e l l i g e n tp i d c o n t r 0 1 w eu s es i n g l en e u r a lc e l lp ic o n t r o l l e rw i t ha d j u s t a b l eg a i nt od o p o s i t i o ns e r v oa c t i o n t h i sc o n t r o l l e rh a ss i m p l es t r u c t u r e ，s t r o n gs t u d ya b i l i t y a n da d j u s t a b i l i t y t h er e s u l t so fe m u l a t i o ns h o wt h a ti t sp e r f o r m a n c ei sb e t t e r t h a n t h a to fn o r m a lp ic o n t r o l l e r k e y w o r d s ：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 s v p w m s i n g l en e u r a lc e l lp i f u l ld i g i t a ls y s t e m 第一章緒論 第一章緒論 隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，伺服控制系統(tǒng)在許多場合得到了廣泛的應(yīng) 用，人們對伺服控制產(chǎn)品的性能要求也越來越高。隨著交流電機(jī)調(diào)速理論的不斷 發(fā)展，以交流伺服電機(jī)為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的交流伺服控制系統(tǒng)由于具有了可與直流伺 服系統(tǒng)相媲美的性能，并且能夠發(fā)揮其自身優(yōu)勢，因而現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)控制正逐漸 朝著交流伺服控制的方向發(fā)展。而永磁同步電機(jī)( p m s m ) 因其卓越的性能正逐漸 成為交流伺服控制系統(tǒng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的主流之選。在此背景下，研究與開發(fā)高品質(zhì) 的p m s m 伺服控制系統(tǒng)，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。 1 1 伺服驅(qū)動(dòng)控制概述 伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)就是按照控制命令的要求，對信號(hào)進(jìn)行處理，使執(zhí)行元 件的輸出力矩、速度及位置都能得到靈活精確的控制。 按執(zhí)行元件的不同，伺服系統(tǒng)可以分為兩類：( 1 ) 電氣伺服控制，以電機(jī)為 執(zhí)行元件；( 2 ) 流體動(dòng)力伺服控制，這其中又可分為液壓控制和氣壓控制，它們 分別以礦物油和壓縮氣體作為工作介質(zhì)。 液壓系統(tǒng)能進(jìn)行高速，大功率控制，其缺點(diǎn)是發(fā)熱大、效率低、易污染環(huán)境、 不易維修等。氣壓系統(tǒng)維護(hù)容易，無污染，能在各種惡劣環(huán)境下工作，缺點(diǎn)是空 氣可壓縮會(huì)使其運(yùn)動(dòng)性能惡化。電氣系統(tǒng)易于控制，節(jié)能，環(huán)保，隨著相關(guān)技術(shù) 的發(fā)展，性能有了大幅的提高，在一些場合已經(jīng)有了取代液壓，氣壓系統(tǒng)的趨勢。 伺服系統(tǒng)發(fā)展緊密地與伺服電機(jī)發(fā)展相聯(lián)系，至今為止經(jīng)歷了三個(gè)階段1 3 6 】： 第一階段：2 0 世紀(jì)6 0 年代以前，液壓伺服和步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)得以廣泛應(yīng) 用，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，而且多為開環(huán)系統(tǒng)。這一時(shí)期是液壓伺服系統(tǒng)的全盛期。 第二階段：2 0 世紀(jì)6 0 到7 0 年代間，直流伺服電機(jī)迎來了全盛發(fā)展期。由 于直流電機(jī)的勵(lì)磁電流和電樞電流可獨(dú)立控制，電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流成正比，轉(zhuǎn) 矩響應(yīng)速度快，因而具有良好的調(diào)速性能。但是，贏流電機(jī)機(jī)械換向方式會(huì)產(chǎn)生 電火花，這加重了電刷和換向器的損耗，限制了其在易燃、易爆、多塵等環(huán)境中 的應(yīng)用。 第三階段：2 0 世紀(jì)8 0 年代至今，以機(jī)電一體化發(fā)展為時(shí)代背景。由于電機(jī) 理論及材料科學(xué)、控制理論取得了突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了無刷直流伺服控制，永磁 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 同步伺服控制等多種新型電動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù)。同時(shí)微處理器的迅速發(fā)展使伺服 驅(qū)動(dòng)裝置經(jīng)歷了從模擬式到數(shù)字模擬混合式再到全數(shù)字化的發(fā)展歷程。 步進(jìn)電機(jī)是一種存在轉(zhuǎn)差率的同步電機(jī)，用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制。每輸入一 個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，無需位置反饋，容易實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制。作為一 種性價(jià)比較高的伺服執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外設(shè)、醫(yī) 療設(shè)備、包裝機(jī)械等系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)見圖1 1 。 圖1 1 步進(jìn)電機(jī)掩側(cè)系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)需要配備專用的驅(qū)動(dòng)電源爿能工作，控制器輸入脈沖信號(hào)和方向 信號(hào)，環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組通電邏輯的控制，其輸出信號(hào)經(jīng)過功率放大電路 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 為了獲得更好的控制效果，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器常采用微步細(xì)分驅(qū)動(dòng)。一般情況 下，根據(jù)脈沖分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組電流輪流切換，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子步進(jìn) 旋轉(zhuǎn)。如果每次進(jìn)行脈沖切換時(shí)，只改變對應(yīng)繞組中額定電流的一部分，那么轉(zhuǎn) 子每步轉(zhuǎn)動(dòng)也只是原有步距角的一部分。額定電流分成多少個(gè)級(jí)別進(jìn)行切換，轉(zhuǎn) 子就以多少步完成一個(gè)原有的步距角。換句話講，微步細(xì)分控制就是把傳統(tǒng)上用 簡單方波實(shí)現(xiàn)的控制，改用正弦階梯波束實(shí)現(xiàn)1 3 4 】。 微步細(xì)分驅(qū)動(dòng)不僅可以使步進(jìn)電機(jī)完全消除電機(jī)低頻振蕩，獲得更小的步距 角，提高電機(jī)的分辨率和輸出轉(zhuǎn)矩，也可以顯著減少電機(jī)的發(fā)熱和噪聲p 孔。 步進(jìn)電機(jī)存在矩頻特性，即當(dāng)其處于高速運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩特性會(huì)急劇惡化， 從而限制了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用場合。 常用的交流伺服電機(jī)主要有感應(yīng)式異步電機(jī)( i n d u c t i o nm o t o r ，i m ) 和永磁 同步電機(jī)( 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 ) 兩種。 感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：寬弱磁范圍，低齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，制造簡單， 整機(jī)價(jià)格低廉。它的缺點(diǎn)在于：須從定子端勵(lì)磁，功率因數(shù)低，所需變頻裝置容 量大，而且轉(zhuǎn)子參數(shù)隨溫度變化會(huì)影響磁場定向的準(zhǔn)確性。同時(shí)，低速運(yùn)行時(shí)發(fā) 熱比較嚴(yán)重，而低速運(yùn)行又往往是伺服控制機(jī)構(gòu)經(jīng)常所處的運(yùn)行狀態(tài)。異步電機(jī) 2 第一章緒論 交流伺服系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是：容易進(jìn)行弱磁控制，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)彳亍【”。 永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子采用永磁材料，不需要?jiǎng)?lì)磁電流， 可以顯著提高功率因數(shù)，減少了定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)不用擔(dān)心轉(zhuǎn)子 電阻損耗。 就永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制形式來分，通?？煞譃榉讲娏骺刂菩秃驼也?流控制型兩種。前者多被稱為無刷直流電動(dòng)機(jī)( b l d c m ) 交流伺服系統(tǒng)，后者多 被稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)( p m s m ) 交流伺服系統(tǒng)。 永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)與異步電機(jī)伺服系統(tǒng)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)【1 1 1 2 1 ： ( 1 ) 永磁同步電機(jī)沒有籠型轉(zhuǎn)子，與異步電機(jī)相比，具有較低的慣性，對于 電機(jī)轉(zhuǎn)矩具有更加快速的響應(yīng)能力，即轉(zhuǎn)矩慣性比較高； ( 2 ) 永磁同步電機(jī)不需要轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，無轉(zhuǎn)子損耗，且轉(zhuǎn)子無發(fā)熱問題； ( 3 ) 異步電機(jī)控制比永磁同步電機(jī)復(fù)雜； ( 4 ) 永磁同步電機(jī)效率較高，對于同等容量輸出，需要的功率整流器、逆變 器較小。 由上所述，永磁同步電機(jī)具有功率因素高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行乎穩(wěn)、過載能 力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，自然被選作本文所研究伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)。 1 2 交流伺服領(lǐng)域相關(guān)理論 目前產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的交流伺服系統(tǒng)主要包括以下幾方面技術(shù)【3 】： ( 1 ) 永磁同步電機(jī) 永磁同步電機(jī)的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展進(jìn)步密切相關(guān)。目前，永磁同步電機(jī) 采用的永磁材料主要有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁材料三大類。稀土永磁材料主 要包括釤鈷和釹鐵硼。其中釹鐵硼永磁材料具有高的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑力和磁 能積，因而其特別適合在電機(jī)中使用。以前它存在溫度系數(shù)大，容易氧化生銹等 不足。經(jīng)過近年來的不斷改進(jìn)，這些缺點(diǎn)大多已經(jīng)克服?，F(xiàn)在釹鐵硼永磁材料最 高的工作溫度己可達(dá)1 8 0 。，一般也可達(dá)1 5 0 。，己足以滿足絕大多數(shù)電機(jī)的使用 要求。到2 0 世紀(jì)9 0 年代初期，釹鐵硼永磁材料已經(jīng)占據(jù)了世界鐵磁市場的 5 0 】。我國釹鐵硼資源非常豐富，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，性能的逐步提高， 價(jià)格逐漸下降，釹鐵硼永磁材料在永磁同步電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛【4 】。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 2 ) 控制策略 在交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制策略的正確選擇發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，優(yōu)良 的控制策略可以有效彌補(bǔ)硬件設(shè)計(jì)上的不足，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的綜合性能。 高性能交流伺服系統(tǒng)對控制策略的要求可以概括為：系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和 高的動(dòng)靜態(tài)精度，而且對參數(shù)的變化和外部擾動(dòng)具有不敏感性( 即魯棒性好) 。 現(xiàn)在交流伺服系統(tǒng)常用的控制策略有：v v v f 控制、矢量控制、p i d 控制、 直接轉(zhuǎn)矩控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。 ( 3 ) 全數(shù)字化技術(shù) 最初的電機(jī)控制系統(tǒng)大都是采用分立元件的模擬電路，其往往具有體積大， 可靠性低，抗干擾能力差等缺點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，采用微處理器和集成電 路模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，能顯著提高系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn) 各種復(fù)雜控制算法。d s p ( 數(shù)字信號(hào)處理器) 和f p g a ( 現(xiàn)場可編程門陣列) 在交流伺 服控制系統(tǒng)中就得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 全數(shù)字化是未來伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。全數(shù)字化不僅包括伺服驅(qū)動(dòng) 內(nèi)部控制的數(shù)字化，伺服驅(qū)動(dòng)到數(shù)控系統(tǒng)接口的數(shù)字化，而且還包括測量單元數(shù) 字化。因此伺服驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部三環(huán)( 位置環(huán)速度環(huán)電流環(huán)) 的全數(shù)字化、現(xiàn)場總 線接口、編碼器到伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化接e l ，是全數(shù)字化的重要標(biāo)志 3 3 1 。 隨著d s p 芯片價(jià)格不斷下降，性能不斷提高，特別是電機(jī)控制專用d s p 芯 片的出現(xiàn)，為交流伺服系統(tǒng)的全數(shù)字化提供了硬件支持。如美國r n 公司的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列，主頻可達(dá)3 0 m h z ，芯片內(nèi)集成了a d 轉(zhuǎn)換模塊、p w m 模 塊及一些通用的i o 口，可以實(shí)現(xiàn)將交流伺服系統(tǒng)中的位置、速度和電流控制全 部由軟件完成【5 】【6 】。 而像f p g a 或者c p l d 這樣的可編程邏輯器件，可以多次反復(fù)擦寫，集成度 極高，一塊芯片往往就含有上萬個(gè)門電路。所以一塊f p g a 就能夠替代多塊分立 元件，從而極大的簡化了系統(tǒng)，降低了成本。 ( 4 ) 電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)橫跨“電力”，“電子”與“控制”三個(gè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代電子技 4 第一章緒論 術(shù)的基礎(chǔ)之一，已被廣泛地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，國防，交通等各個(gè)領(lǐng)域，有著極 其廣闊的應(yīng)用前景。在電機(jī)調(diào)速與控制中，運(yùn)用電力電子技術(shù)所構(gòu)成的各種調(diào)速 裝置更是弱電對強(qiáng)電實(shí)現(xiàn)控制的橋梁和紐帶1 7 1 。自5 0 年代末世界上第一個(gè)功率 半導(dǎo)體開關(guān)晶閘管發(fā)明以來，出現(xiàn)了一大批高電壓，大電流的大功率半導(dǎo)體電子 器件，如大功率二極管，各類晶閘管，大功率晶體管( g t r ) ，m o s f e t ，i g b t ， i p m 等等。半導(dǎo)體開關(guān)器件性能不斷提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制 電路日趨完善，極大地推動(dòng)了各類電機(jī)的控制。可以說每一次電力電子器件或者 理論上的突破都會(huì)使電機(jī)控制系統(tǒng)的性能有所提高。 1 3 交流伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 伺服系統(tǒng)通常包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三個(gè)控制環(huán)節(jié)。相應(yīng)地，針對這 三個(gè)環(huán)節(jié)，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。 1 9 7 1 年，德國的b l a s c h k e 等人提出了矢量變換控制理論，通過坐標(biāo)變換的 方式在交流電機(jī)上模擬直流電機(jī)的控制規(guī)律，極大提高了交流伺服控制系統(tǒng)的性 能。矢量變換控制涉及變量眾多，運(yùn)算量大，致使其系統(tǒng)往往比較復(fù)雜。 1 9 8 5 年，德國d e p e n b r o c k 和日本t a k a h a s h i 提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論。通 過定子磁鏈定向，實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡單，但是也 存在著逆變器開關(guān)頻率不固定，轉(zhuǎn)矩電流波動(dòng)大等問題。 脈寬調(diào)制( p w m ) 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體功率器件的通斷把直流電壓變成 電壓脈沖列，并通過調(diào)節(jié)脈沖列的寬度或周期以達(dá)到變壓變頻目的【s 】，主要有滯 環(huán)調(diào)制、正弦波調(diào)制( s p w m ) 、空間矢量調(diào)制( s v p w m ) 等。 滯環(huán)調(diào)制實(shí)現(xiàn)簡單，但電流諧波分量大，系統(tǒng)性能較差；s p w m 調(diào)制由正 弦波信號(hào)波和三角載波相交形成電壓脈沖，在數(shù)字實(shí)現(xiàn)時(shí)出現(xiàn)了多種不同規(guī)則的 采樣方法。2 0 世紀(jì)8 0 年代德國b r o e e k 提出了空間矢量脈寬調(diào)制，它具有線性 范圍寬，電流高次諧波少，調(diào)制比高，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)【2 9 】。 永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)是典型的非線性、參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的p i d 控 制難以獲得令人滿意的控制效果，因此需要設(shè)計(jì)一種有更強(qiáng)自適應(yīng)能力和魯棒性 的控制器?，F(xiàn)在智能控制理論得到了很大發(fā)展，比如滑模變結(jié)構(gòu)控制，自適應(yīng)控 制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。將其同p i d 控制相結(jié)合，構(gòu)成的智能p i d 控制， 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 因其出色的控制性能，在交流伺服控制領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用。 1 4 交流伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢 綜合交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，展望其未來，全數(shù)字化、微型化、高性能化 和智能化將是交流伺服系統(tǒng)今后發(fā)展的必然趨勢1 3 9 1 。主要表現(xiàn)為： ( 1 ) 伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由直流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向交流伺服系統(tǒng)； ( 2 ) 交流伺服系統(tǒng)將向兩大方向發(fā)展：一個(gè)方向是簡易低成本的交流伺服系 統(tǒng)將迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大；另一個(gè)方向是向更高性能的全數(shù)字化、智 能化、軟件化伺服發(fā)展，以滿足高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、設(shè)備精細(xì)加工的需要， 這是交流伺服系統(tǒng)發(fā)展的主流，反映了交流伺服系統(tǒng)發(fā)展的水平和主導(dǎo)方向； ( 3 ) 交流伺服系統(tǒng)內(nèi)采用數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，同時(shí)提供十分豐富的自 動(dòng)診斷、保護(hù)、顯示等功能，根據(jù)運(yùn)行要求，可以很方便地設(shè)置參數(shù)，增強(qiáng)與上 位控制機(jī)的通訊能力； ( 4 ) 未來交流伺服系統(tǒng)將引入軟件伺服控制的設(shè)計(jì)思想，重點(diǎn)突破軟件伺服 功能模塊的算法以及電機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)和控制模型重構(gòu)等問題，通過功能模塊在 線編程，針對被控對象負(fù)載變化要求，對交流電機(jī)的位置，轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn) 高精度的軟件伺服控制； ( 5 ) 高性能數(shù)字信號(hào)處理器將越來越多的用于交流伺服系統(tǒng)，在控制上由通 常所采用的p i d 控制開始轉(zhuǎn)向?qū)⒅悄芸刂评碚?，如模糊控制、神?jīng)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用于 交流伺服系統(tǒng)研究中； ( 6 ) 交流伺服系統(tǒng)中的電力電子器件將不斷向高頻化方向發(fā)展，智能功率集 成電路將進(jìn)一步得到普及； ( 7 ) 交流伺服控制系統(tǒng)的性價(jià)比會(huì)進(jìn)一步提高。 1 5 本課題的意義及主要內(nèi)容 高性能交流伺服系統(tǒng)作為一個(gè)高尖端技術(shù)產(chǎn)品，在航空航天、軍事、機(jī)器人 及精密加工等高科技領(lǐng)域具有十分重要的地位。近年來，研究和開發(fā)高性能交流 伺服系統(tǒng)也理所當(dāng)然的成為了工業(yè)控制領(lǐng)域的一大熱門。 本課題選擇主流的永磁同步電機(jī)為控制對象，運(yùn)用先進(jìn)的空間矢量變換控制 6 第一章緒論 策略。由于控制對象是時(shí)變及非線性的，傳統(tǒng)p i d 控制難以達(dá)到要求，我們引入 了先進(jìn)的智能控制理論對其進(jìn)行改造。硬件上，采用d s p 芯片為核心構(gòu)建數(shù)字 控制系統(tǒng)，利用其高性能完成一系列復(fù)雜的算法。總的來講，本課題對于高性能 交流伺服系統(tǒng)的研究是具有一定參考意義的。 本文共分為五個(gè)章節(jié)： 第一章：簡述了伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展過程，從各方面比較了交流伺服控制常 用的兩種執(zhí)行電機(jī)。介紹了交流伺服控制領(lǐng)域相關(guān)理論，研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向， 以及本課題的意義及主要內(nèi)容。 第二章：首先簡單介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和特性，然后介紹了矢量控 制理論和相關(guān)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，通過建立數(shù)學(xué)模型分析了轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制的原 理。提出了基于空間矢量p w m 控制的永磁同步電機(jī)矢量控制實(shí)現(xiàn)方案，最后分 析了空i 日j 矢量p w m 控制的理論和具體實(shí)現(xiàn)。 第三章：介紹了幾種常用的系統(tǒng)仿真軟件，接著在m a t l a b s i m u l i n k 環(huán)境 下建立了永磁同步電機(jī)矢量控制的模型，再按模塊進(jìn)行了具體介紹。最后給出了 相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)波形，并分析了結(jié)果。 第四章：首先介紹了p i d 控制的原理，針對傳統(tǒng)數(shù)字p i d 控制的局限性， 引入了智能p i d 控制。接著介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論，提出了一個(gè)基于單神經(jīng)元 自適應(yīng)的位置環(huán)p i 控制方案。最后用m a t l a b 建立模型，對單神經(jīng)元自適應(yīng) p i 控制器進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。 第五章：首先介紹了d s p ( 數(shù)字信號(hào)處理器) 的特點(diǎn)，接著提出了以t i 公司 專用電機(jī)控制d s p 芯片為核心構(gòu)架的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。按模塊對硬 件設(shè)計(jì)做了介紹，然后分析了軟件編程的相關(guān)問題，并給出了軟件流程圖。最后 對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了簡單分析。 7 第二章永磁同步電機(jī)矢量控制相關(guān)原理 第二章永磁同步電機(jī)矢量控制相關(guān)原理 電機(jī)控制的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制。在很長一段時(shí)間里，直流電機(jī)以卓越的控制性 能成為了控制系統(tǒng)執(zhí)行元件的主流之選。相應(yīng)的，交流電機(jī)由于電機(jī)定，轉(zhuǎn)子各 繞組之間耦合緊密，形成了一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，使其轉(zhuǎn)矩與電流不成正比， 瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制困難，導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)控制性能較差。直到1 9 7 3 年，德國的f b l a s e h k e 等人提出了矢量變換控制方法，它以坐標(biāo)變換理論為基礎(chǔ)，參照直流電機(jī)運(yùn)行方 式，極大的提高了交流電機(jī)的控制性能【1 0 1 。 2 1 永磁同步電機(jī)簡介 同步電機(jī)是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，定子電樞繞組通以對稱正弦波電流的交流電機(jī)。同步 電機(jī)要穩(wěn)定運(yùn)行，定子電樞繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場在空間要保持相 對靜止，這也是稱其為同步電機(jī)的原因。 永磁同步電機(jī)與普通電勵(lì)磁同步電機(jī)有很多相似之處，定予由三相電樞繞組 和鐵芯構(gòu)成，而且通常按星形連接。它們之間的區(qū)別主要在于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁方式不同， 前者采用高性能永磁體提供勵(lì)磁磁場，永磁體相當(dāng)于具有恒定電流的直流勵(lì)磁線 圈，而后者則采用轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，勵(lì)磁電流既可以是直流電流，也可以是交 流電測1 。 目前常用的永磁材料多為稀土永磁材料，比如釹鐵硼( n d f e b ) 合金，釤錮 ( s m c o ) 合金等，高性能稀土永磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了1 1 2 t 以上， 嬌頑力達(dá)到了7 0 0 k a m ，而且退磁曲線為直線，因而回復(fù)線與退磁曲線重合f l l 】。 稀土永磁材料的另一個(gè)特點(diǎn)是它的磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率相仿，對于徑向結(jié)構(gòu)的電 動(dòng)機(jī)交軸和直軸磁路磁阻均較大，可大大減少電樞反應(yīng)。通常在額定負(fù)載以內(nèi)， 氣隙磁場與電樞電流無關(guān)，使轉(zhuǎn)矩與電流呈線性關(guān)系【1 1 。 永磁體在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的安放方式主要有兩種：面裝式和內(nèi)置式。面裝式見圖 2 1 ( a ) ，利用強(qiáng)力膠將片狀永磁極粘貼在轉(zhuǎn)子表面( 也有在轉(zhuǎn)子鐵芯表面開槽埋 入永磁體片的做法，在效果上相似) 。這種結(jié)構(gòu)下，永磁體提供徑向磁通，是較 為常見的一種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式見圖2 1 0 ) ，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部開槽，將永磁體放置在 槽內(nèi)。根據(jù)永磁體放置方式的不同，可能提供徑向磁通也可能提供軸向磁通。但 是這種結(jié)構(gòu)存在磁極短路的風(fēng)險(xiǎn)，需要在適當(dāng)位置填充非磁性材料，使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 趨于復(fù)雜。由于這種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不對稱，會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，有助于提高電機(jī)的 過載能力和功率密度，適于恒功率弱磁控制運(yùn)行場合。 尸、弋 ( ) ( - - ) 、_ ( a ) 表面式( b ) 內(nèi)置式 圖2 1 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu) 永磁同步電機(jī)運(yùn)行可進(jìn)行開環(huán)或者閉環(huán)控制1 1 1 。 ( 1 ) 對于丌環(huán)控制系統(tǒng)，不需要安裝位置傳感器，簡單改變供電電源頻率就 可以達(dá)到調(diào)速目的。不過，對永磁同步電機(jī)來講，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速要同定子電源頻率保 持同步。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的存在，定子電源頻率不能改變太快，否則會(huì)出現(xiàn)失 步的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速落后于電源頻率，會(huì)嚴(yán)重影響控制精度，甚至出現(xiàn)停機(jī)。 ( 2 ) 對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要轉(zhuǎn)子位置信息，以避免失步現(xiàn)象發(fā)生。轉(zhuǎn)子位 置信息的獲取可以采用精度相對較高的光電編碼器，也可以采用無位置傳感器的 方法。 永磁同步電機(jī)具有電磁轉(zhuǎn)矩波紋系數(shù)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行平穩(wěn)、過載能力 強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩有較大波動(dòng)的場會(huì)：它的功率因數(shù)高，輕載節(jié) 能效果明顯；而且電機(jī)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)多樣化，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。正是由于 永磁同步電機(jī)突出的特點(diǎn)，非常適合在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，目前已經(jīng)得到人 們越來越多的關(guān)注 4 1 。 2 2 矢量控制原理 2 2 1 矢量控制原理的提出 電動(dòng)機(jī)調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩的控制，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由主磁場和電樞磁場 相互作用產(chǎn)生的。交流電機(jī)之所以比直流電機(jī)控制性能差，主要就是由于轉(zhuǎn)矩關(guān) 系中各變量相互耦合，互不獨(dú)立，難以直接控制。例如以隱極同步電機(jī)來說，其 9 第二章永磁同步電機(jī)矢量控制相關(guān)原理 電磁轉(zhuǎn)矩滿足公式乃= k 。f f 7s i n0 ，兩個(gè)磁動(dòng)勢互不垂直，互相耦合。 要想控制好轉(zhuǎn)矩，不但要控制好定轉(zhuǎn)子電流的幅值，還要控制好定轉(zhuǎn)子電流矢量 之間的夾角，用一般方法很難實(shí)現(xiàn)。 1 9 7 1 年，由德國b l 勰c l l l ( e 等人首先提出了交流電動(dòng)機(jī)的矢量變換控制( t r a n s v e c m rc o n t r 0 1 ) 理論。其基本思想是在三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng) 機(jī)的控制規(guī)律，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量， 并使兩分量互相垂直，彼此獨(dú)立，分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制， 從原理和特性上就與直流電機(jī)相似了【l l 口 矢量控制的最終實(shí)施仍然是落實(shí)到對定予電流的控制上。由于定子側(cè)的物理 量都是交流量，其空間矢量以同步速旋轉(zhuǎn)，控制不方便。因而這里需要借助坐標(biāo) 變換，將各物理量由靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，站在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上 觀察，空間矢量就都變成了標(biāo)量。再設(shè)法找到轉(zhuǎn)矩與被控空間矢量的關(guān)系，得出 相應(yīng)的直流給定量，從而就可以按照直流電機(jī)那樣的方式去控制交流電機(jī)。 考慮通常的三相繞組，在空間位置上互差1 2 0 。機(jī)械角度，當(dāng)在其中通入三 相對稱電流，在相位上互差1 2 0 。電角度，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)按同步速轉(zhuǎn)動(dòng)的圓形旋 轉(zhuǎn)磁場，在旋轉(zhuǎn)過程中，其合成磁場強(qiáng)度不變。而且產(chǎn)生這樣的旋轉(zhuǎn)磁場不一定 非要三相繞組，單相，兩相及多相對稱繞組都能產(chǎn)生這樣的旋轉(zhuǎn)磁場，關(guān)鍵是要 通入相應(yīng)的對稱電流。比如說兩相對稱繞組，空間上相互垂直，當(dāng)通入9 0 。相 位差的兩相對稱電流以后，它產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與三相繞組的旋轉(zhuǎn)磁場有完全相同 的特性。 以上考慮的都是電流靜止的情況，現(xiàn)在我們在一個(gè)旋轉(zhuǎn)體上放置兩個(gè)匝數(shù)相 等，相互垂直的直流繞組m 和t ，對其分別透入直流電流l m ，1 7 ，它們的合成 磁場也是恒定磁場，可以通過調(diào)節(jié)其中任意一個(gè)電流來改變合成磁場的強(qiáng)度。當(dāng) 此旋轉(zhuǎn)體以同步速開始轉(zhuǎn)動(dòng)，它們產(chǎn)生的合成磁通也會(huì)同步旋轉(zhuǎn)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場 同前面提到得三相，兩相繞組產(chǎn)生的磁場也是可以完全等效得。我們可以簡單通 過調(diào)節(jié)直流電流量來控制轉(zhuǎn)矩，這與直流電機(jī)的運(yùn)行原理是相一致的。 上面提到的三種旋轉(zhuǎn)磁場磁極對數(shù)相同，磁場強(qiáng)度相等，轉(zhuǎn)速一樣，則可以 認(rèn)為三相磁場系統(tǒng)，兩相磁場系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)的直流磁場系統(tǒng)是完全等效的。因而這 三種磁場系統(tǒng)之間可以相互進(jìn)行等效變換。 1 0 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 2 坐標(biāo)變換 在矢量變換理論中，涉及到四個(gè)相關(guān)的坐標(biāo)系，如圖2 2 所示： ( 1 ) 定子靜止三相a b c 坐標(biāo)系，三條坐標(biāo)軸在空間上間隔1 2 0 。均勻分布； ( 2 ) 定子靜止兩相a p 坐標(biāo)系，兩條坐標(biāo)軸垂直，b 軸為逆時(shí)針方向超前a 軸9 0 。，而且a 軸與a 軸重合； ( 3 ) 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)d - q 坐標(biāo)系，兩條坐標(biāo)軸垂直，d 軸定向在轉(zhuǎn)子磁鏈歹。方向上， q 軸為逆時(shí)針方向超前d 軸9 0 。，坐標(biāo)軸隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)； ( 4 ) 定位坐標(biāo)系m t ，兩條坐標(biāo)軸垂直，t 軸逆時(shí)針方向超前m 軸9 0 。， 坐標(biāo)系以同步速轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子磁鏈定向的情況中，此坐標(biāo)系同d - q 坐標(biāo)系完全等 效，m 軸同d 軸重合。 t 網(wǎng)2 2 欠跫變換坐標(biāo)系 1 ，三相靜止坐標(biāo)系a - b - c 與兩相靜止坐標(biāo)系a b 之間的變換。 一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量i 從三相定子a - b c 坐標(biāo)系變換至兩相定子a b 坐標(biāo)系，通常 稱之為c l a r k e 變換，也叫做3 2 變換，其矩陣形式為： 卜吲 ( 2 - 1 ) 由于定子三相繞組按星形連接，一般中性點(diǎn)不接地，故其零序電流乇= 0 。 其逆變換為 第二章永磁同步電機(jī)矢量控制相關(guān)原理 t c e i = 嘲 j t ；己慨= 1 1 2 1 2 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 2 ，兩相靜止坐標(biāo)系a - b 與定位坐標(biāo)系m - t ( 在轉(zhuǎn)子磁鏈定向的情況下，也 就是同轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d q ) 之間的變換。 一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量i 從兩相定子靜止坐標(biāo)葉b 變化到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d - q ，稱為 p a r k 變換，也叫做交直流變換，其矩陣形式為： 肛豳 這里的e 為d 軸與a 軸的夾角。 其逆變換為 i - c o st 9t w - k2 【- - s i n t 9 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 1 2 一2后一2一| 2 笪2 一2 5一： l 0 l 2 3 0b七 ，。l o笪2笪2 r_，j 秒矽 l s o s c 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 肛豳 - c o s 秒 破2 醫(yī)秒 l ( 2 7 ) ( 2 8 ) 2 2 3 標(biāo)么值系統(tǒng) 眾所周知，用有名值表示的變量采用實(shí)際的單位，如電壓為v ( 伏) ，電流 為a ( 安) ，其物理概念清楚，但不同容量電機(jī)的參數(shù)問不便于比較【惶1 。而且它 們所處的數(shù)量級(jí)差別很大，像轉(zhuǎn)速電壓這些量往往是1 0 2 ，1 0 3 這樣的量級(jí)；時(shí)間 常數(shù)，采樣周期往往是l o 。，l o 。這樣的量級(jí)。如果我們直接把這些數(shù)值代入微 處理器中計(jì)算，很容易引發(fā)數(shù)值溢出的現(xiàn)象，從而造成很大的誤差。 故在工程計(jì)算中常采用標(biāo)么值系統(tǒng)，其定義為 標(biāo)么值= 甄毒 顯然，各變量的標(biāo)么值是沒有量綱的；而且通過適當(dāng)選擇基值，可以把標(biāo)么 值的數(shù)值控制在較小范圍，對于數(shù)字化系統(tǒng)的處理來說，這是非常有利的。 我們之前提到的坐標(biāo)變換通常有兩種類型：一個(gè)是恒相幅值變換，變換前后 各相變量的瞬時(shí)值幅值不變；另一個(gè)是恒功率變換，變換前后的功率保持不變。 恒功率變換使變換后定轉(zhuǎn)子互感是可逆的，但是變換前后標(biāo)么值不同。恒相幅值 變換能夠保證變換前后標(biāo)么值不發(fā)生變化，而且通過適當(dāng)?shù)倪x擇基準(zhǔn)量，可以解 決互感系數(shù)可逆問題，因而本文采用恒相幅值變換。 下面的關(guān)鍵是選擇適當(dāng)基值，選擇的原則為： ( 1 ) 使采用標(biāo)么值后方程式的形式與采用有名值時(shí)的相同； ( 2 ) 用標(biāo)么值表示的電樞與轉(zhuǎn)子繞組間的互感系數(shù)是可逆的。 分析電機(jī)中各物理量的量綱可知，各量綱都可以表示為電壓，電流與時(shí)間三 個(gè)量綱的組合。因而我們先選取這三個(gè)變量的基值，然后再導(dǎo)出別的基值 1 2 l 。 1 j p m 秒 商 吣 一 c 第二章永磁同步電機(jī)矢量控制相關(guān)原理 通常電j 土，電流基值米用具額定僵的幅值，而不用有效值，故而： = = 2 ( 2 9 ) ib = i n m = q 2 i n 1 2 1 0 ) 其中，厶為電壓，電流基值；，凡為相電壓，相電流額定值。 對于時(shí)間基值，定義如下： 11 2 百2 瓦萬( 2 - 1 1 ) 其中，為時(shí)間基值，即在額定頻率 下經(jīng)過一個(gè)電弧度所需的時(shí)間。 由此可以推導(dǎo)出其他各變量的基值如下： 阻抗基值 角頻率基值 z 。：警 6 ( 2 1 2 ) 1 緲62 = _ ( 2 1 3 ) b 機(jī)械角速度基值g 2 警 c z - 電感基值 電容基值 磁鏈基值 功率基值 轉(zhuǎn)矩基值 鏟毒2 銣 c a2 壺= 缶緲a髀，國 6 = l 6 l = u 6 t 6 ( 2 1 7 ) 只= 3 u ，= 詈u 。，砌= 詈u 。厶( z 一- 8 ) 瓦= 岳= 警2 c o1 2 m 厶( 2 - 1 9 ) 。 q 66 “、“7 7 2 2 4 轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制 永磁同步電機(jī)具有正弦形的反電動(dòng)勢，其定子電壓，電流也為正弦波形 2 7 1 。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 假設(shè)電機(jī)參數(shù)不隨溫度變化，忽略電機(jī)鐵芯的飽和，不計(jì)磁滯和渦流損耗。1 3 坐標(biāo)為定子靜止兩相坐標(biāo)系，d - q 為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，如圖2 3 所示。 p d ， 尹w 。 、 7 k 雨 a u 翻2 3 轉(zhuǎn)了滋鏈定陽矢麓鯔 所謂轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制，就是將定位坐標(biāo)系m 軸定向在轉(zhuǎn)子磁鏈。方 向上，坐標(biāo)軸隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，即是說m 軸與d 軸重合。由于m t 坐杯系與d - q 坐標(biāo)系相重合，建立在這兩個(gè)坐標(biāo)系上的同步電機(jī)模型也應(yīng)該是相同的。 基于電動(dòng)機(jī)統(tǒng)一理論的結(jié)論可以得到，轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系( d q 軸系) 中的永磁同 步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈方程為： 甲d s = l a 露+ 甲7 ( 2 2 0 ) 、壬，；= 厶 ( 2 - 2 1 ) 式中，、王，轉(zhuǎn)子磁鋼在定子上的耦合磁鏈； 厶，厶永磁同步電機(jī)的直，交軸主電感： ：s：s 幻，q - - - - d 定子電流矢量的直，交軸分量。 p m s m 定子電壓方程為： u ：= 茹+ p 、壬，：一彩、壬，； ( 2 2 2 ) 甜；= 名葛+ p w ；+ 彩、壬，：( 2 - 2 3 ) 式中，甜d 8 ，u ：定子電壓矢量甜5 的直，交軸分量； 緲轉(zhuǎn)子角頻率。 p m s m 轉(zhuǎn)矩方程為： 第二章永磁同步電機(jī)矢量控制相關(guān)原理 乃= ( 嘭一k ) = 甲薯+ ( 厶一) 戮】( 2 - 2 4 ) 由轉(zhuǎn)矩方程可以看出，永磁同步r t t 機(jī)轉(zhuǎn)矩基本取決于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流的 交直軸分量。由于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為永磁體，產(chǎn)生的磁鏈幅值基本恒定 不變，所以可以采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的方式來實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的高性能控制。 為了簡化系統(tǒng)，可以把定予電流矢量始終控制在q 軸上，即茹= 0 ，那么電 磁轉(zhuǎn)矩只與定予電流的幅值成正比。此時(shí)定子電壓方程可以改為： 甜：= 一c o l g i ； ( 2 2 5 ) 甜；= + l q 盟d t + 洲 ( 2 捌) 轉(zhuǎn)矩方程為： 乃= p 。甲7 菇( 2 2 7 ) 從上面一系列公式推導(dǎo)可以看出，轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制以后，乃只與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 矩分量( 交軸電流) i ；呈正比，且、壬，7 與i ；相互解耦。可以簡單的通過調(diào)節(jié)f ； 達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩乃的目的，也就是說永磁同步電機(jī)矢量控制能達(dá)到直流電機(jī)那樣 簡單方便的控制性能。 2 3 矢量控制策略 永磁同步電機(jī)矢量控制策略根據(jù)不同的性能要求可分為如下幾種【1 1 】： ( 1 ) 直軸電樞電流為0 的控制策略 這個(gè)控制策略在上面已經(jīng)提到過了，即是在控制過程中保持永磁同步電機(jī)定 子電樞電流直軸分量等于0 。這種控制策略算法簡單，控制靈活，在永磁同步電 機(jī)控制系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，本文也是采用這種策略。 需要注意的是，這種策略控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)，只能在額定轉(zhuǎn)速以下范圍 內(nèi)運(yùn)行，否則轉(zhuǎn)子永磁磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電勢就會(huì)等于甚至超過端電壓，最終無法 作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。 ( 2 ) 最大轉(zhuǎn)矩電流比的控制策略 直軸電樞電流為0 的算法還有一個(gè)缺點(diǎn)，它致使永磁電機(jī)本身氣隙磁阻不均 1 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 勻，忽略了磁阻轉(zhuǎn)矩的作用，使單位電流的電磁轉(zhuǎn)矩沒有達(dá)到最大。最大轉(zhuǎn)矩 電流比的控制策略就是著眼于如何使單位電樞電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大。 當(dāng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子氣隙比磁導(dǎo)均勻時(shí)，類似于隱極同步電機(jī)。此時(shí)最大轉(zhuǎn) 矩電流比控制與直軸電樞電流為0 控制完全一樣。 當(dāng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子氣隙比磁導(dǎo)不均勻時(shí)，類似于凸極同步電機(jī)。 如果三d 0 ，電樞反應(yīng)起助磁作用。這時(shí)以增強(qiáng)轉(zhuǎn)子勵(lì) 磁磁場，提高電機(jī)功率因數(shù)的方式束提高單位電流電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn) 速時(shí)，這種控制策略的電機(jī)無法作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。 ( 3 ) 弱磁控制 永磁同步電機(jī)弱磁控制的思想為：在電樞電壓額定的條件下，永磁同步電機(jī) 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場被定子電樞反應(yīng)磁場削弱的同時(shí)，定子電樞反應(yīng)磁場的空間轉(zhuǎn)速相 對于電樞繞組不斷提高。因?yàn)楫?dāng)電樞電壓達(dá)到極限值時(shí)，為了使電機(jī)能以更高的 轉(zhuǎn)速運(yùn)行，必須維持反電動(dòng)勢等于額定狀念時(shí)的大小，反電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)速和氣隙磁 通的乘積成正比，因而隨著轉(zhuǎn)速的上升，氣隙磁通要相應(yīng)減小，即所謂的弱磁控 制。 為了減小氣隙磁通同時(shí)維持反電勢不變，可以利用直軸電樞反應(yīng)去磁作用削 弱轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場。顯然。永磁同步電機(jī)等效氣隙越大，電樞反應(yīng)去磁作用越小， 氣隙越小越有利于電樞反應(yīng)去磁。因此，弱磁控制永磁同步電機(jī)通常以凸極轉(zhuǎn)子 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)居多，而表面式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)由于等效氣隙較大采用弱 磁控制相對效果不明顯。 ( 4 ) 最大輸出功率控制 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過最大電磁轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的極限轉(zhuǎn)速以后，定子電流矢量沿著電壓 極限曲線在電流極限曲線內(nèi)部取值，對給定轉(zhuǎn)速存在最大輸出功率點(diǎn)對應(yīng)的定子 電流矢量。 第二章永磁同步電機(jī)矢量控制相關(guān)原理 2 4 永磁同步電機(jī)矢量控制基本方式 永磁同步電機(jī)矢量控制通常有兩種控制方式：電流型控制和電壓型控制。它 們之間的區(qū)別在于形成d - q 參考電流之后處理的方式不同。 2 4 1 電流型矢量控制 電流型控制方式基于電流跟蹤s p w m 控制，通過電流參考值與測量值之差 控制p w m 信號(hào)，強(qiáng)迫定子電流快速逼近參考電流曲糾，系統(tǒng)如圖2 4 ： 溯2 4 永磁同步電機(jī)電流矢鐨控涮系統(tǒng)躐理嘲 系統(tǒng)主要由定子電流檢測，2 一粥變換，電流滯環(huán)比較器，位置傳感器等 構(gòu)成。2 b c 是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到定子三相靜止坐標(biāo)系的變換，其矩陣如下： 件閣 h訓(xùn) ( 2 - 2 8 ) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 c o s 占 c 。s ( o - 姿) c o s ( 一一4 - 7 1 ) j s i np “咄一爭 “n ( 護(hù)一爭 ( 2 2 9 ) 其過程如下：由電流傳感器得到兩相電流值乞，毛，由之= 一( 屯+ ) 求得l c ；轉(zhuǎn)子位置傳感器測得電機(jī)轉(zhuǎn)子空問位置( d 軸) ，計(jì)算得到轉(zhuǎn)予的轉(zhuǎn)速 和電角度：經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器以后，得到轉(zhuǎn)子交軸電流參考值耐：由一和 可通過由2 肥交換z 一- - 。窺參考值k 何，6 ，阿：e h - - - 相 定子電流參考值與測量值比較以后通過一個(gè)電流滯環(huán)控制器去控制三相逆變器。 電流型控制主要應(yīng)用在模擬控制，優(yōu)點(diǎn)是有快速的動(dòng)態(tài)性能，但是模擬器件 存在溫漂，元件老化，難于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法等缺點(diǎn)。 2 4 2 電壓型矢量控制 圖2 5 永磁降j 步電楓電m 矢鬃擰制系統(tǒng)原理圖 電壓型控制基于空間矢量p w m 控制策略，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 5 ： 系統(tǒng)主要由定子電流檢測，c l a r k e 變換，p a r k 正逆變換，s v p w m 模塊，轉(zhuǎn) 子位置傳感器等部分構(gòu)成。 1 9 第二章永磁同步電機(jī)矢量控制相關(guān)原理 其實(shí)現(xiàn)過程如下：由電流傳感器得到兩相電流值，由z 。= 一( 屹+ ) 求得乇，經(jīng)過c l a r k e 變換和p a r k 變換得到轉(zhuǎn)子交直軸電流值，o ；轉(zhuǎn)子位 置傳感器測到電機(jī)轉(zhuǎn)子空間位置( d 軸) ，計(jì)算得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電角度；經(jīng)過 速度調(diào)節(jié)器以后，得到轉(zhuǎn)子交軸電流參考值k w ，再通過電流調(diào)節(jié)器得到空間 電壓矢量交直軸分量“w 一，甜。蝌；經(jīng)過p a r k 逆變換，形成s v p w m 控制信號(hào)， 驅(qū)動(dòng)逆變器對電機(jī)進(jìn)行控制。 電壓型控制基于空間矢量p w m 控制，能提高逆變器的電壓輸出能力，且開 關(guān)頻率固定，適合于數(shù)字控制。本文采用得正是這種方案。 2 5 空間矢量p w m 控制( s v p w m ) 匈牙利學(xué)者在1 9 世紀(jì)8 0 年代首先提出了空間矢量p w m 控制理論 3 9 1 。經(jīng)典 的s p w m 控制是從電源角度出發(fā)，著眼于生成一個(gè)三相平衡正弦電壓源。空間 矢量p w m 控制則是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，基于磁鏈跟蹤控制思想，著眼于如何 控制逆變器功率開關(guān)以改變電機(jī)的端電壓，使電機(jī)內(nèi)部形成的磁鏈軌跡去跟蹤由 理想三相對稱j 下弦波電壓供電時(shí)所形成的基準(zhǔn)磁鏈圓【l 。 空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，能有效改善電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減少電流波形畸變，并 且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化i 川。其原理圖如圖2 6 ： 系統(tǒng)由矢量時(shí)間計(jì)算環(huán)節(jié)，p w m 信號(hào)發(fā)生器，以及三相電壓型逆變器組成。 p w m 以往常用模擬積分器和比較器產(chǎn)生三角形載波和開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻，本文 采用基于微處理器的數(shù)字化控制方式，用數(shù)字定時(shí)器代替積分器。數(shù)字化參考信 2 0 浙江大學(xué)碩十學(xué)位論文 號(hào)與高重復(fù)頻率的實(shí)際定時(shí)器計(jì)數(shù)值相比較，可獲得需要的高分辨率【1 3 】【2 9 1 。 典型的三相電壓型逆變器是由六個(gè)可控開關(guān)器件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2 7 ： 卜 ， i b f霉i 1 啦習(xí) ，k 蚓 l 潮2 7 三栩電壓型逆變器典塑結(jié)掏 逆變器同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)元件狀態(tài)互補(bǔ)，一個(gè)導(dǎo)通的同時(shí)另一個(gè)必然 關(guān)斷，因而可以用上半橋臂的三個(gè)丌關(guān)a , b ，c 的狀態(tài)來描述整個(gè)逆變器的工作過 程。 假如元件導(dǎo)通狀態(tài)用“l(fā) ”表示，關(guān)斷狀態(tài)用0 表示，則逆變器共有8 個(gè)開關(guān)狀態(tài)組合。根據(jù)不同開關(guān)狀態(tài)下三相定予繞組電壓值，u b ，u c 通過 c l a r k e 變換，可以得到復(fù)平面上8 個(gè)相應(yīng)的基本空間電壓矢量，即 “品o ，縮l ， u o i o ，1 1 0 0 ，u 0 1 i ，u 1 0 1 ，1 0 ，i i ，( u 0 0 0 表示a = 0 ，b = 0 ，c = 0 時(shí)的空間 矢量，以此類推) 。其中，和“ i 為零矢量，其空間分布如圖2 8 。 n 1 8 夕 u b 勿毫? 。 o 圖2 ，8 空問矢量分布圖 空間矢量p w m 調(diào)制將電壓矢量作為一個(gè)整體來考慮，利用基本空間矢量去 2 l 第二章永磁同步電機(jī)矢量控制相關(guān)原理 逼近電機(jī)參考矢量甜，其工作原理如下： 這里礦= 材。阿斗j “，阿，即是由定子兩相靜止坐標(biāo)小p 上的電壓參考值作 為復(fù)平面上實(shí)數(shù)值和虛數(shù)值得到電壓參考矢量。參考矢量礦按固定的時(shí)鐘頻率 2 z 進(jìn)行采樣的，從圖2 8 中可以看到，整個(gè)復(fù)平面被基本空間矢量分成了6 個(gè)區(qū)域，每部分占有6 0 。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，參考矢量u 4 總是會(huì)落入6 個(gè)區(qū)域之 一，因而我們可以用分割這一區(qū)域的兩個(gè)基本矢量去逼近甜+ ，其滿足公式： f t u = 五砰+ 正甜； 1 r = 互+ 五十霸( 2 - 3 0 ) 式中，材：，甜：甜+ 所處區(qū)域相鄰基本空問矢量； t 一一一系統(tǒng)p w m 周期； 五一基本矢量甜i 施加時(shí)間： 乏一基