永磁同步電動機的控制方法研究

I永磁同步電機產(chǎn)生于20世紀60年代。普通勵磁同步電動機在運行方面的本文最后使用Matlab軟件建立該電機的矢量控制系統(tǒng)模型，然后ⅡPermanentmagnetsynchronousmotorwasproducedintwentiethCenThebasicprincipleintherunningofthegeneralexcitationsynchronousmotoranditisbasicallythesame.Butbecauseofthepermanentmagnetsynchronousmotortoreplacetheexcitationwindingpermanetherunningreliabilityofthemotor.Atthesametime,thepermanentmagnetInthispaper,themainstructureofthepermanentmagnetsynchronousmotor,analyzedprincipleandcharacteristics,thebasicanalysisonvariouskindsofACstatorwinding,thepermanentmagnetsynchroninversioncontrolanalysis.Theworkingprincipleandthestructureofpermanentmagnetsynchronousmotorbasedonthecoordinatetransformation,furtheranalysisofthecontrolsystemofpermanentmagnmagnetsynchronousmotorisestablishedonthestationaryphasecocoordinatetransformationintotherotorrotatingtwo-phasecoordinatesystem.IestablishmentofgoodmodelconsideringcontrolmethodofpermanentmagnetInthispaper,thevectorcontrolsystemmodeloftheMatlabsoftwaretosetuptheuseofthemotorfinally,thenhascarriedonthesimulationtothemodel.Weobservedbychangingtheloadsimulation,toverifythefeasibilityofthevectormethod,thelastavailabletorquevectormethodcaneffectivelycontrolofpermanentmagnetsynchronousmotKeywords:permanentmagnetsynchronousmotor;vectorcontrol;simulationI 1第2章永磁同步電動機 22.1永磁同步電動機的組成和工作原理 22.1.1電動機的定子 22.1.2電動機的轉(zhuǎn)子 32.2永磁同步電動機的工作原理 42.3永磁電動機的特性 42.3.1工作特性 42.3.2機械特性 52.4永磁電動機電樞反應 52.5永磁同步電動機正反轉(zhuǎn)控制 82.6永磁同步電動機的控制策略 82.6.1變壓變頻控制 92.6.2直接轉(zhuǎn)矩控制 92.6.3矢量控制 第3章永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的設計 3.1基于矢量控制永磁同步電動機系統(tǒng)設計 3.1.1矢量控制法的原理 3.1.2矢量控制數(shù)學模型 3.2建立永磁同步電動機數(shù)學模型 3.2.1坐標變換 3.2.2定子三相靜止坐標系下的模型 3.2.3靜止坐標系(α,β坐標系)的模型 3.2.4旋轉(zhuǎn)坐標系(d,q坐標系)下的模型 3.2主電路供電方案的選擇 3.2.1系統(tǒng)供電方式 3.2.2.1開關功率管的選擇 3.2.2.2逆變電路的設計 3.3轉(zhuǎn)子位置和電流檢測 3.3.1位置傳感器檢測法 3.3.2電流的檢測 第4章永磁同步電動機矢量控制的MATLAB仿真 214.1建立系統(tǒng)仿真模型 214.2電源、速度器和永磁同步電動機模型 224.3矢量變換，脈沖和逆變模塊 4.3.1矢量變換 234.3.2脈沖控制模塊 254.3.3逆變模塊 254.4系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析 26 第6章致謝 Ⅱ 331永磁同步電動機的具有的特點。相對于直流電機來說它沒有電刷和換向器等缺用的比較多，而美國在軍工業(yè)上用的比較多。在1972年，矢量的理論控制被德本論文先對永磁同步電動機結(jié)構(gòu)及原理和特性進2第2章永磁同步電動機很多塊硅鋼片通過疊壓及軸向沖壓，而且線圈構(gòu)成的繞組分布在每個沖槽在永磁同步電動機的定子上根據(jù)繞組的不一樣連接方法又把這些繞組分正3梯形的波形，因而定名。兩類繞組分別生成的反電動勢波形如圖2.2所示由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸及鐵心，永磁磁鋼構(gòu)成了永磁同步電動機轉(zhuǎn)子部分。當前，經(jīng)常使用釤鈷合金及釹鐵硼合金用作永磁材料。在安置方式上講，轉(zhuǎn)子的安置方式有三種。表面粘貼和插入的形式，還有內(nèi)置的形式，下面對其分析：(1)表面粘貼式磁極：用稀土永磁體瓦片形粘貼在鐵心的表面。當選用瓦片形永磁體時假設徑向勵磁取磁弧寬度高于110電角度。就能生成氣隙磁通密度為方波方式的。改善了轉(zhuǎn)矩的波動。由于這些特點轉(zhuǎn)子部分多選用這種結(jié)構(gòu)。(2)表面插入式磁極(又稱矩形磁極):矩形結(jié)構(gòu)的永磁體被內(nèi)嵌進鐵心里面，它的優(yōu)勢在于鄰近的兩個磁極并在一起提供極距的磁通。在聚磁作用下產(chǎn)生很大的磁通。但對于這類結(jié)構(gòu)選用不銹鋼軸做隔磁防護。(3)內(nèi)置式磁極：在鐵心的外面全覆蓋上稀土的永磁環(huán)。然后經(jīng)過特殊方式讓環(huán)形磁體徑向充磁變?yōu)槎鄻O。這類結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子方式，由于工藝簡單。廣泛應用于功率要求不高體積要求很小的電機。如圖2.3所示：4逆變器，位置傳感器，電動機這三部分構(gòu)成了永磁同步電動機。如圖2.4所n,η,I,和T,就能得出輸出的功率P2,同之間的工作特性曲線如圖2.5所示。5圖2.5永磁同步電動機的工作特性曲線2.3.2機械特性永磁同步電動機加上負載后，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關系稱為永磁同步電動機由公式可知，電機極對數(shù)及電源頻率決定著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度。對永磁同步電動機來講則它的轉(zhuǎn)速不變，則輸出的機械特性是一條直線。2.4永磁電動機電樞反應永磁交流伺服電動機工作時，電機中存在兩個旋轉(zhuǎn)磁勢，一個是轉(zhuǎn)子永磁體生成的機械旋轉(zhuǎn)磁勢。另一個是定子多相對稱電流產(chǎn)生的電氣旋轉(zhuǎn)磁勢。而影響電動機性能是這兩個磁勢合成后所產(chǎn)生的磁場。加上負載后，同時存在電樞磁動勢和轉(zhuǎn)子磁勢。由于在磁場中有磁動勢的存在。則它會使氣隙中的磁場的強弱發(fā)生改變，和所處的位置發(fā)生改變。進而影響著主磁極磁場的現(xiàn)象，取名為電樞反應。由于電機中存在電樞反應，有著增磁和去磁的作用。同時還影響著能量的轉(zhuǎn)換。會對電機的性能有著很大的影響。電樞磁勢和主磁場的位置關系決定了電樞6此外，我用D(垂直軸)為代表的轉(zhuǎn)子極軸(軸),用Q表示N,S之間的中線。這樣就能使幅值改變，磁勢軸線偏移位置。如圖2.6所示(2)E?超前相位1,90電角度(V=90)時。發(fā)生電樞反應由圖可知，兩種磁勢方向相反。所以電樞反應有著去磁的成效。如圖2.7所示磁勢方向相同。所以電樞反應有著增磁的成效。如圖2.8所示圖2.6I。與E?同相位圖2.7E?超前I。相位90電角度φf圖2.8I。超前E?相位90電角度7(4)對于φ=任意角度時的電樞反應，發(fā)生電樞反應，要認真區(qū)別電動勢是否超如下數(shù)學關系：E?當φ=任意角度分析如下：樞磁勢Fa按φ分解如下：電流超前電動勢：-90°<ψ<0°從圖2.10上可看出：此時1,仍然起交軸作用，但I與主磁勢方向相同起增磁作用。8是這與電機繞組的連接方式(星接、角接)無關。如下圖2.11M圖2.11永磁同步電動機正反轉(zhuǎn)控制圖9從開始最初的小系統(tǒng)調(diào)速到要求更高精度，更快，更穩(wěn)，更準的調(diào)速系統(tǒng)。差不多都用到了交流調(diào)速的技術。當前，對永磁同步電動機的控制策略有三種方法：矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制，變頻控制。對變頻控制技術手段是說，它的控制變量為頻率和電壓。原理如下，在控制系統(tǒng)中通過調(diào)節(jié)器把我們設定的頻率和電壓參數(shù)進行調(diào)節(jié)。隨后經(jīng)過逆變器輸出來交變正弦電壓給定子繞組。這樣永磁同步電動機就可以根據(jù)我們之前設定的參數(shù)下運行了。由于該系統(tǒng)是靠一個調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)控制的，系統(tǒng)又不引用一些速度，信號或者位置的反饋信號，并且它構(gòu)成的系統(tǒng)是個開環(huán)系統(tǒng)。是系統(tǒng)動態(tài)性不是很好，響應不及時。所以電機的最后調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)矩不是那么理想。這類控制策略適用于那些對精度不需要那么高，或者需求超高速度的電動機調(diào)速系統(tǒng)。如抽水機，風機等適用這種控制策略。直接轉(zhuǎn)矩與變頻變壓控制的方式不一樣，同時也和矢量的方法不一樣。它不像矢量一樣，控制電流還有磁鏈就能對電路進行控制。它只是經(jīng)過控制轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩達到實現(xiàn)控制永磁同步電動機。把轉(zhuǎn)子的磁通替換為定子的磁通。由于定子的磁通和定子電阻有關，所以對電機的參數(shù)大大減少了依賴。直接轉(zhuǎn)矩不像矢量控制那樣建立坐標及變換。首先，經(jīng)過檢測電壓及電流。然后借助空間矢量算得定子的轉(zhuǎn)矩及磁鏈。當與速度給定的數(shù)比較時，通過這樣就能達到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩和產(chǎn)生的磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制如圖2.12所示。逆變器磁鏈區(qū)14磁鏈觀測速度調(diào)節(jié)器開關矢量表速度給定圖2.12永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩框圖逆變器當前開關狀態(tài)和定子電流反饋值和直流母線電壓值控制理論的不段向前發(fā)展，帶動著調(diào)速技術的快速發(fā)展。對電機的控制技術日漸成熟，高精度，高效率，高范圍的進行控制。如今對永磁同步電動機控制有個很多方法，在本論文中，采用矢量控制的方法來設計永磁同步電動機。矢量控制的方法可以將三相靜止的磁場轉(zhuǎn)化為兩相靜止的磁場，然后兩相靜止的磁場變換為兩相旋轉(zhuǎn)的磁場。這樣可以像直流電動機一樣便于控制。三相控制信號i、i、,經(jīng)過坐標變換可以得到兩相控制信號i與斗。然后經(jīng)過控制這兩相控制信號，達到控制整個系統(tǒng)的方法。與直流電動機相同，假設一個量固定(in)不變，改變另一個量(i),類似研究直流電動機相同。則框圖如圖3.1所示。nθVkn,ef工作原理分析如下：輸入速度的參數(shù)，通過位置傳感器檢測在比較器的作用下與其比較。然后在速度PI控制器的作用下，輸出電流的一個分量',同時經(jīng)坐標變換后變?yōu)閮蓚€反饋電流Id及Iq。經(jīng)過和直軸電流1d做對比，電壓Vd在PI比較器的作用下就輸出了。然后反饋電流Iq與1比較在PI的作用下輸出了交軸電壓Vq。然后通過Park將兩相靜止坐標變成了兩相旋轉(zhuǎn)坐標。最后經(jīng)兩個分量都相互獨立。然后對這兩個分量進行固定某個圖3.2永磁同步電機矢量一樣電角度的旋轉(zhuǎn)坐標系dq。等效永磁同步電動機模型如圖3.3所示。圖3.3dq坐標系下電機模型式(3.3)可知，電機轉(zhuǎn)矩中存在兩個分量。第一個分量是旋轉(zhuǎn)的磁場和電流之間的作用，生成了轉(zhuǎn)矩。第二個分量是由于凸極效應產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。對于隱極永磁同步電機，兩個分量相等。所以沒有磁阻轉(zhuǎn)矩。唯一只有電磁轉(zhuǎn)矩。在建好的矢量模型上，首先先測出d軸的位置也就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的位置。然后經(jīng)過逆變器把合成的電流整合到q軸上。所以我們要控制電機的轉(zhuǎn)矩可以通過控制定子電流幅值的方法來實現(xiàn)。3.2建立永磁同步電動機數(shù)學模型數(shù)學模型是研究系統(tǒng)的基礎。反應著系統(tǒng)的整個性能和各個模塊的功能。所以我們要認真分析和研究建一個適合的數(shù)學模型，達到對永磁同步電動機的控制。通過對模型的認識和分析能更好的了解控制永磁同步電動機。3.2.1坐標變換以功率不變?yōu)樵瓌t，dq.aβ,AB坐標系之間電流變換關系如下(電壓，磁鏈等的變換)(1)定子靜止三相ABC坐標系到靜止兩相aβ坐標系的變換—Clake變換。(2)定子靜止兩相aβ坐標系到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系的變換-Park變換。(3)定子靜止三相ABC坐標系到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系的變換。有式(3.6)和式(3.8)可以推出：3.2.2定子三相靜止坐標系下的模型定子上有(ABC)三相繞組。因為電機輸入的是三相正弦交流電，所以電路的模型可用定子三相靜止坐標系中的定子電壓，電流關系描述。在定子和轉(zhuǎn)子中存在氣隙磁場耦合和互相運動。所以對定子和轉(zhuǎn)子的研究比較難。為簡化分析，(1)磁路不飽和，渦流和磁滯的影響，認為磁路是線性的，可以應用疊加原理。(3)忽略磁場高階諧波，電機感應的電勢呈正弦的波形。則由上假設可以得到交流電動機定子電勢平衡方程式和磁鏈表達式如下：3.2.3靜止坐標系(a,β坐標系)的模型3.2.4旋轉(zhuǎn)坐標系(d,q坐標系)下的模型坐標系，通過變換簡化了分析和計算。轉(zhuǎn)子dq坐標系下建立的數(shù)學模型是比較Y;為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；3.2.1系統(tǒng)供電方式本論文主電路采用交直交的供電方式。輸入的電流為電網(wǎng)三相交流電。如圖3.4所示。電容C在電路中起濾波，然后通過逆變器的作用，直變交輸出。整流器整流器AC~)C逆變器+3.2.2逆變電路單元逆變電路采用三相橋式可控逆變單元，通過對IGBT功率管的控制來控制輸出的電壓最終實現(xiàn)永磁同步電動機的控制。發(fā)電流。加上晶閘管是不可控開關器件，不利于本設計的控制。所以不選用。所謂的逆變電路就是把直流電轉(zhuǎn)換為交流電。所以逆變電路的用途非常廣開關功率管這里我們選用IGBT,其逆變電路如圖3.5所示?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃睦碚摶A上弄成了霍爾電路。結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。經(jīng)過開環(huán)放大器來驅(qū)動輸出級。UAUA圖3.6霍爾集成電路結(jié)構(gòu)圖E圖3.7霍爾元件基本電路第4章永磁同步電動機矢量控制的MATLAB仿真Matlab為仿真軟件。同時也是程序設計語言，它提供了各種運算與操作，和系統(tǒng)建模等，是當今世界上應用比較廣泛的控制系統(tǒng)輔助設計的軟件。1993年MathWorks公司開發(fā)了輸入仿真的Simulink,同時Simulink中增加了功率系統(tǒng)環(huán)節(jié)庫。對系統(tǒng)的仿真更加輕松了。在本章中將對永磁同步電機控制系統(tǒng)的控制器進行分析研究，著重于永磁同步電機的坐標變化過程及各模塊的功能，最后用Matlab/Simulink對其進行仿真實驗。我們先用Matlab7.9.0中的simulink工具構(gòu)建了永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)設計仿真模型。然后把系統(tǒng)分割為幾個獨立的功能子模塊，主要包括：坐標變換模塊、速度調(diào)節(jié)模塊、逆變器模塊，脈沖控制模塊。經(jīng)過這些功能模塊的有機組成，在Matlab/Simulink中建出永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，實現(xiàn)對永磁同步電機的有效控制，下面主要介紹各個模塊的功能。8電源直接選用了SimPowerSystem模塊。電壓為200V。速度調(diào)節(jié)模塊。該模塊用于控制電機的速度、轉(zhuǎn)數(shù)。還能使輸出的電流波形為正弦波。當給定一個速度，通過比較器后，在經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器模塊也有效的對該速度進行控制。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。21w1+Matlab軟件中。本設計永磁同步電機的模塊選用Simulink中提供的PermanentMagnetSynchronous,并把反電動勢波形改為為梯形波。選400瓦交流伺服電機則參數(shù)設置如圖4.3所示。圖4.3400瓦電機參數(shù)設置圖其具體含義為：StatorphaseresistanceRs:定子繞組相電阻2.872StatorphaseinductanceLs:定子繞組相電感0.00013HBackEMFflatarea:反電動勢平頂寬度120°電角度Inertia,fictionfactorandpolepairs:轉(zhuǎn)動慣量0.008kg.m^2,摩擦系數(shù)0.0087N.m.s,極對數(shù)4兩相靜止的坐標系。再從兩相靜止的坐標系轉(zhuǎn)換為圖4.4所示。1EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up4(dq),oo)EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up3(teA),wer)EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up2(C),on)靜止的三相定子坐標系(ABC)變換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標系(d,q)框圖如圖4.5所示。213P/312假設a,,b,c輸入是幅值為1,2,3的正弦波，通過變換后則輸出的波形如圖4.6所示。圖4.6Clarke變換輸入輸出波形兩相旋轉(zhuǎn)坐標系(d,q)反變換為靜止的三相定子坐標系(ABC)如圖4.7所示。圖4.8Park逆變換輸入輸出波形1121圖4.9脈沖控制模塊)))2R仿真和結(jié)果分析仿真參數(shù)設置：400瓦交流電機參數(shù)設置見圖4.3。對永磁電動機增加負載，負載隨時間變化見表4.1所示。表4.1時間t與負載變化的對應關系時間(t)01負載5圖4.11負載轉(zhuǎn)矩為5N·m時的定子電流圖4.12負載轉(zhuǎn)矩為10N·m時的定子電流轉(zhuǎn)子位置(rad由圖4.11圖4.12可以看出，負載轉(zhuǎn)矩由5N·m突變?yōu)?0N·m,再由10N·m突變?yōu)?5N·m時，定子電流的幅值逐漸增大，即定子電流與負載成正比的關系。圖4.14轉(zhuǎn)子角速度d軸定子電流(A)q軸定子電流(A)d軸定子電流(A)q軸定子電流(A)圖4.17d軸定子電流由仿真的結(jié)果可以看出負載轉(zhuǎn)矩由5N·m突變