基于DSP的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

1、隸韻大嚶碩士學(xué)位論文基于的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)本論文工作受國家自然科學(xué)基金（）資助蚵），哪東南大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽名：舛日期：圳東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮

2、印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括以電子信息形式刊登）論文的全部內(nèi)容或中、英文摘要等部分內(nèi)容。論文的公布（包括以電子信息形式刊登）授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。研究生簽名：導(dǎo)師簽名：出多摘要摘要永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和航天等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，由于其作為一種新型的交流伺服系統(tǒng)比直流電機(jī)伺服系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，在很多場合已經(jīng)取代了直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主流。本文針對永磁同步電機(jī)的空間矢量控制原理和技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，并且分析了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并在【中建立了基于空間矢量脈寬調(diào)制的永磁同步電

3、機(jī)雙閉環(huán)模型，驗證了調(diào)制算法的優(yōu)缺點。在此基礎(chǔ)上，針對永磁同步電機(jī)模型高度非線性化的特點，給出了一種滑?？刂扑惴?，并針對普通滑?？刂扑a(chǎn)生誤差和抖振的缺點，給出了改進(jìn)的滑?？刂扑惴?，結(jié)合自帶的三相永磁同步電機(jī)模型進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明了所給算法的有效性。針對矢量控制實現(xiàn)較為復(fù)雜的缺點，文章還重點分析了直接轉(zhuǎn)矩控制的控制方法，并給出了相關(guān)的仿真分析了控制效果。此外，結(jié)合一臺交流永磁同步電機(jī)，設(shè)計了其相關(guān)的控制器的硬件和軟件。硬件結(jié)構(gòu)包括控制部分、接口部分和功率驅(qū)動部分?？刂菩酒捎霉镜男酒撔酒瑢ｉT針對電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，其高性能的處理能力為控制算法的實現(xiàn)提供了可能。軟件系統(tǒng)部分使用語言進(jìn)行編

4、寫，保證了軟件的高效性和較好的可維護(hù)性。文章中給出了主要模塊及控制算法軟件實現(xiàn)的流程圖。最后在設(shè)計伺服平臺上進(jìn)行了一系列的測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)該方案設(shè)計具有良好的動、靜態(tài)特性，控制精度高，基本能夠滿足預(yù)期的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)、直接轉(zhuǎn)矩控制、滑模、誦恤咄唧，杜地趾嬲），仃鋤，鋤，：協(xié)【，鋤鋤刪培甜）麗仕哆，也，昀盟，瑪弘，伍膿曲夠嘶乏毗證，脅，鋤眥，眥，、：，目錄目錄摘要目錄第一章緒論弓言永磁同步電機(jī)發(fā)展概況【】交流調(diào)速的概況電力電子技術(shù)的新發(fā)展永磁同步電機(jī)控制方式及研究國內(nèi)外研究動態(tài)。本課題研究的意義。本課題研究的內(nèi)容第二章交流永磁同步電機(jī)模型及矢量控制原理交流永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)

5、的結(jié)構(gòu)與特點交流永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)的矢量控制控制弱磁控制空間矢量脈寬調(diào)制空間矢量脈寬調(diào)制原理空間矢量脈寬調(diào)制算法永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)在中的建模仿真建模仿真工具，簡介閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型仿真結(jié)果及分析本章小結(jié)第三章交流永磁同步電機(jī)控制算法研究?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)控制定義?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計步驟基于趨近率的滑?？刂朴来磐诫姍C(jī)的滑?？刂票菊滦〗Y(jié)第四章永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略的研究直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的實現(xiàn)逆變器模型和空間電壓矢量的應(yīng)用東南大學(xué)碩士學(xué)位論文永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的開關(guān)表磁鏈滯環(huán)比較器和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的估算永磁同步

6、電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真研究仿真模型的建立仿真結(jié)果仿真結(jié)果分析本章小結(jié)第五章基于的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)硬件電路設(shè)計控制器的選型處理器介紹。電機(jī)控制電路設(shè)計系統(tǒng)電源的設(shè)計控制電路設(shè)計電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計功率管的選擇驅(qū)動系統(tǒng)電源設(shè)計信號隔離電路設(shè)計故障信號處理電路驅(qū)動電路整體設(shè)計本章小結(jié)第六章基于的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計¨引言。開發(fā)軟件介紹轉(zhuǎn)速檢測程序設(shè)計電流檢測程序設(shè)計電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置判斷角度的計算砌變換和變換名程序設(shè)計上位機(jī)軟件的設(shè)計本章小結(jié)第七章實驗結(jié)果及其分析。實驗參數(shù)與實驗平臺介紹實驗結(jié)果及其分析波形的測試電流波形電機(jī)頻率響應(yīng)曲線電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形本章小結(jié)第八章總結(jié)與展望全文

7、總結(jié)第一章緒論第一章緒論引言伴隨著交流電機(jī)調(diào)速理論的不斷發(fā)展，人們對伺服控制產(chǎn)品的性能要求越來越高，以交流伺服電機(jī)為執(zhí)行元件的交流伺服控制系統(tǒng)具有可與直流伺服系統(tǒng)媲美的性能，而且能夠充分發(fā)揮交流電動機(jī)的優(yōu)勢，現(xiàn)代伺服驅(qū)動控制也逐步朝著交流伺服電機(jī)控制的方向發(fā)展。在此社會和行業(yè)背景下，研究和開發(fā)高品質(zhì)的交流伺服控制系統(tǒng)，具有及其重要的現(xiàn)實意義。永磁同步電機(jī)發(fā)展概況川例傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速控制已經(jīng)有幾十年的歷史了，但由于機(jī)械換相器和電刷的固有缺陷已逐漸退出歷史舞臺。由于電力電子器件以及微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，使交流電機(jī)調(diào)速運行成為可能，并逐漸成熟。交流電機(jī)分為異步電機(jī)和同步電機(jī)。異步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單

8、、可靠，在工業(yè)中被大量運用，但功率因數(shù)低、效率也受影響。電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但功率因數(shù)高、效率也高。如果用永磁體勵磁構(gòu)成永磁同步電機(jī)，則可兼顧兩者優(yōu)點，因此永磁同步電機(jī)及其高性能控制的研究已成為當(dāng)前的研究熱點。永磁同步電機(jī)的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展密不可分。但早期所用的永磁材料是天然磁鐵礦石，磁能密度很低，用它制成的電機(jī)體積龐大，不久被電勵磁電機(jī)所取代。直至稀土鈷永磁和欽鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱稀土永磁）的相繼問世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線等優(yōu)異磁性能特別適用于制造電機(jī)，從而使永磁電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個新的歷史時期。世紀(jì)年代以后，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是欽鐵

9、硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性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，再加上永磁電機(jī)研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，除了大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，使永磁電機(jī)在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用，同時稀土永磁電機(jī)的研究開發(fā)也進(jìn)入一個新階段。交流調(diào)速的概況交流電機(jī)從發(fā)明至今，廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防以及日常生活當(dāng)中。交流調(diào)速的發(fā)展，經(jīng)歷了漫長的探索和研究，應(yīng)該說，現(xiàn)今高性能交流調(diào)速是功率器件、微電子技術(shù)和控制方法綜合發(fā)展的結(jié)果。晶閘管研究的成功開創(chuàng)了電力電子發(fā)展的新時代，同時也使交流調(diào)速產(chǎn)生了一次飛躍，從低效耗能的不能調(diào)速或串電阻、電磁離合器等調(diào)速過渡到高效的變頻

10、調(diào)速。此后，公司的等人引入了在通信領(lǐng)域東南大學(xué)碩士學(xué)位論文常用的脈寬調(diào)制（）思想，有力推進(jìn)了交流調(diào)速的發(fā)展。早期的交流調(diào)速采用變壓變頻）速度開環(huán)的方式，基頻以下是恒壓頻比控制，且低速時通過提升電壓來獲得比較大的轉(zhuǎn)矩，基頻以上弱磁升速。開環(huán)調(diào)速方式導(dǎo)致動態(tài)性能很差，另外在某些速度段的震蕩也影響了穩(wěn)定性能，但是由于實現(xiàn)簡單，現(xiàn)在開環(huán)調(diào)速仍廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)和泵類等對控制性能要求不高的場合。世紀(jì)七十年代，交流電機(jī)的控制技術(shù)取得突破性進(jìn)展。德國工程師【提出了矢量控制原理【】，使得交流調(diào)速技術(shù)產(chǎn)生了一次質(zhì)的飛躍?；谟来磐诫姍C(jī)模型的特點。即多變量、強(qiáng)耦合、非線性，永磁同步電機(jī)矢量控制也引入了坐標(biāo)變換，將原

11、本復(fù)雜的永磁同步電機(jī)模型等效為轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型，即通過按轉(zhuǎn)子直軸永磁磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實現(xiàn)定子電流直軸與交軸（力矩）電流分量之間的解耦，達(dá)到對永磁同步電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別控制的目的，化簡為簡單的類似于直流電機(jī)的模型。由于坐標(biāo)變換后的永磁同步電機(jī)模型考慮了瞬態(tài)情況，不僅可以較準(zhǔn)確地控制電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能。因此，以矢量控制思想作為主要控制算法的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)很快地發(fā)展起來。年德國魯爾大學(xué)教授和日本的教授分別提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的方法，其中前者是基于六邊形磁鏈軌跡來進(jìn)行控制的，后者是基于圓形磁鏈軌跡來進(jìn)行控制的。一開始，稱之為，簡稱【。在后來的文章中，毗才將之命名為直接轉(zhuǎn)矩控制。在直接

12、轉(zhuǎn)矩控制中不需要對轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行解耦，因此沒有復(fù)雜的坐標(biāo)變換?；诙ㄗ觽?cè)的變量進(jìn)行控制，因此對電機(jī)參數(shù)變化的魯棒性高；以磁鏈和轉(zhuǎn)矩為直接控制對象，因此可以獲得很高的動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制具有新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的動、靜態(tài)性能給高性能的交流調(diào)速注入了新的活力。但是傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制是基于有限個的電壓矢量來進(jìn)行控制的，難免會導(dǎo)致低速時產(chǎn)生比較大的轉(zhuǎn)矩脈動，因此如何采用新的直接轉(zhuǎn)矩控制策略來降低低速時轉(zhuǎn)矩脈動成為眾多學(xué)者目前研究的焦劇引。電力電子技術(shù)的新發(fā)展電力電子技術(shù)一直是電機(jī)控制發(fā)展最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展也制約著電機(jī)控制的水平。從最初的晶閘管（）到第二代的電

13、子晶體管（）、場效應(yīng)晶體管（）再到第三代的絕緣柵雙極型晶體管（），大功率半導(dǎo)體器件的性能逐漸提高。比晶閘管具有控制方便、是全控型自關(guān)斷元件和工作頻率高等優(yōu)點。而又具有比雙極型功率晶體管控制簡單，是電壓控制器件和安全工作區(qū)大等優(yōu)點。而則集的電壓控制與雙極型大功率晶體管的大電流、低導(dǎo)通電阻的特點與一體，開關(guān)頻率高，可達(dá)，噪聲較小，有靜音王之美稱【】。在功率開關(guān)元件發(fā)展的同時，驅(qū)動電路也獲得了飛速的發(fā)展。現(xiàn)在已可以做到使用一片驅(qū)動電路，個驅(qū)動電源就驅(qū)動三相六個開關(guān)管。不必再為每個開關(guān)元件單獨提供第一章緒論電源、隔離驅(qū)動等，大大簡化了外圍電路特別是驅(qū)動電路的設(shè)計。目前，大功率半導(dǎo)體器件又向集成化智能化

14、方向發(fā)展。智能功率模塊（）是向第四代器件功率集成電路（）的過渡產(chǎn)品。它是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它不但提供一定功率輸出能力，而且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護(hù)和自診斷等功能。它內(nèi)含驅(qū)動電路、保護(hù)電路，具有過流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)和過壓保護(hù)等功能。外界只需提供信號給智能功率模塊，就可以實現(xiàn)以往復(fù)雜的主電路及其外圍電路的功能。由于采用了隔離技術(shù)，散熱更均勻，體積更加緊湊。而且如果與單片控制芯片結(jié)合，則可以實現(xiàn)兩片式系統(tǒng)。不但提高了可靠性，而且系統(tǒng)的開發(fā)時間、開發(fā)費用都將大幅度減少，從而為搶占市場創(chuàng)造了良好的先決條件。永磁同步電機(jī)控制方式及研究由于永磁同步電機(jī)的非線性特性以及控制

15、參數(shù)多，因此控制比較靈活，同時也比較復(fù)雜。為了獲得良好的轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩輸出，控制算法及優(yōu)化算法的設(shè)計非常重要。文獻(xiàn)【】研究了一種基于的永磁同步電機(jī)速度辨識方案，該方案在高、低速以及轉(zhuǎn)速突變時均能準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子的速度，提高系統(tǒng)的靜動態(tài)性能；文獻(xiàn)【】針對永磁同步電機(jī)非線性、強(qiáng)耦合等特點提出了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法，使系統(tǒng)的反應(yīng)速度變快，超調(diào)變小，性能得到較大的提高，但是對于系統(tǒng)硬件和軟件的要求較高：文獻(xiàn)】【】均是針對永磁同步電機(jī)的非線性強(qiáng)耦合、抖振的特點以及高性能控制的要求，提出了幾種改進(jìn)的滑?？刂品椒?，使系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化，抖振得到抑制，控制更為靈活。國內(nèi)外研究動態(tài)交流伺服系統(tǒng)的研究國外開

16、始于年代，年代進(jìn)入實用階段，到年代技術(shù)趨于成熟，其中以美國的公司、公司、公司、德國的公司為代表。與發(fā)達(dá)國家相比，我國的交流伺服控制的研究起步較晚，年代末開始研究和引進(jìn)交流伺服控制技術(shù)，到年代逐漸形成研究熱點，在控制理論上與發(fā)達(dá)國家的差距很小，但實際應(yīng)用上，與國外相比，在調(diào)速范圍、控制精度等主要技術(shù)指標(biāo)方面還有很大差距。目前國內(nèi)外伺服系統(tǒng)的研究與發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個方面【：、交流化：伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向伺服系統(tǒng)。交流控制系統(tǒng)具備了調(diào)速范圍寬等良好的技術(shù)性能。從目前國際市場的情況看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，伺服電機(jī)的市場占有率已經(jīng)超過。在不遠(yuǎn)的將來，除了某

17、些微型電機(jī)領(lǐng)域之外，伺服電機(jī)將完全取代伺服電機(jī)。、全數(shù)字化：采用新型告訴微處理器和專用數(shù)字信號處理器（）的伺服控制單元東南大學(xué)碩士學(xué)位論文將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。我國目前所應(yīng)用的交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品仍以數(shù)字模擬混合式為主，由于受運算速度的限制，動態(tài)響應(yīng)最快的電流環(huán)控制仍由模擬電路完成，因此國產(chǎn)交流伺服系統(tǒng)普遍存在外觀尺寸大、笨重和可靠性低等缺點。面對電機(jī)控制開發(fā)的芯片，不但可以實現(xiàn)如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制這樣的控制算法，而且也有條件完成現(xiàn)代控制理論或智能控制理論的一些復(fù)雜的算法，如自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件伺服控

18、制變成了軟件控制伺服，使伺服控制系統(tǒng)的精度以及魯棒性得到了更好的保證。、高度集成化：新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變其性能，既可以使用電機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精第一章緒論本課題研究的內(nèi)容永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)由于其控制簡單、性能好，在高性能的交流伺服系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)了很重要的地位。本文在吸取和借鑒國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，采用電壓空間矢量控制方法和直接轉(zhuǎn)矩控制的方法，實現(xiàn)了永磁同步電機(jī)交流伺

19、服驅(qū)動系統(tǒng)的全數(shù)字化設(shè)計。為進(jìn)一步改善系統(tǒng)的性能，本文對交流永磁同步電機(jī)采取了一些先進(jìn)的控制算法并進(jìn)行了仿真研究。在本課題的研究中，作者通過以下六個方面的研究，來實現(xiàn)永磁同步電機(jī)的控制，并設(shè)計硬件電路，進(jìn)行軟件調(diào)試、仿真來驗證所設(shè)計方案的可行性。、空間矢量脈寬調(diào)制實現(xiàn)方法的研究；、直接轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)方法的研究：、先進(jìn)伺服系統(tǒng)控制算法的研究設(shè)計；、控制器的硬件設(shè)計；、控制器的軟件設(shè)計以及空間電壓矢量脈寬調(diào)制方法的實現(xiàn)；、控制系統(tǒng)在環(huán)境下的仿真研究。第一章介紹了永磁同步電機(jī)的發(fā)展概況、國內(nèi)外的研究動態(tài)，說明了本課題的研究意義，并大致介紹了本文研究的內(nèi)容。第二章介紹了永磁同步電機(jī)在靜止坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)

20、系下的模型并簡單介紹了空間矢量脈寬調(diào)制的原理，并在此基礎(chǔ)上做了永磁同步電機(jī)基于空間矢量脈寬調(diào)制的閉環(huán)仿真，給出了仿真結(jié)果。第三章針對控制算法進(jìn)行研究，提出了滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，并在環(huán)境下進(jìn)行了仿真，與傳統(tǒng)的控制算法進(jìn)行了比較，總結(jié)出了優(yōu)缺點。第四章詳細(xì)研究了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略，分析了直接轉(zhuǎn)矩控制中每個模塊的功能和原理，最后進(jìn)行了仿真研究，分析了此控制策略的優(yōu)缺點。第五章和第六章針對本人設(shè)計的一套永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，分模塊介紹了其硬件設(shè)計的原理和軟件設(shè)計的框架。第七章針對前兩章介紹的伺服系統(tǒng)，將其應(yīng)用于一臺三洋的的永磁同步電機(jī)上，測試了其運行的效果，給出了測試波形圖，并分析了性能的優(yōu)

21、劣。第八章對全文進(jìn)行了總結(jié)，并且針對已完成的工作量一些不足的地方進(jìn)行了分析和改進(jìn)的計劃，規(guī)劃了今后一段時間的工作計劃。東南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章交流永磁同步電機(jī)模型及矢量控制原理本文的研究對象為交流永磁同步電機(jī)，為此，本章先介紹一下關(guān)于永磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)知識，主要包括永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點、數(shù)學(xué)模型、控制方法等，并且在中做了關(guān)于永磁同步電機(jī)空間矢量脈寬調(diào)制的仿真。交流永磁同步電機(jī)在伺服系統(tǒng)中，應(yīng)用較為普遍的永磁伺服電機(jī)主要有兩類：一類為無刷直流電機(jī)（）；另一類為三相永磁同步電機(jī)（）。前者采用方波電流驅(qū)動，后者是采用三相正弦電流驅(qū)動。盡管伺服系統(tǒng)有轉(zhuǎn)子位置傳感器簡單、成本低、材料利用率高、控制簡

22、單等優(yōu)點，但是由于其原理上存在固有的缺陷，使得轉(zhuǎn)矩脈沖較大，鐵心附加損耗較大，因此只適用于一般精度及性能的場合；而伺服系統(tǒng)能克服系統(tǒng)的不足，常用于高精度、高性能要求的場合。永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點永磁同步電機(jī)是用永磁體來代替直流勵磁作為恒定勵磁的一種電機(jī)。在永磁同步電機(jī)上外加一個轉(zhuǎn)子位置檢測元件就成為永磁同步伺服電樹。永磁同步電機(jī)主要是由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。電機(jī)的定子指的是電機(jī)在運轉(zhuǎn)時的不動部分，主要是由硅鋼沖壓片，三相對稱地分布在它們的槽中的繞組、固定鐵心用的機(jī)殼以及端蓋等部分組成。永磁同步電機(jī)的定子和異步電動機(jī)的定子結(jié)構(gòu)基本相同。電機(jī)的轉(zhuǎn)子是指電動機(jī)運行時可以轉(zhuǎn)動的部分，通常由磁極鐵心、

23、勵磁繞組、永磁磁鋼及磁軛等部分組成。磁極鐵心由鋼板片疊壓而成，磁極上套有勵磁繞組。勵磁繞組兩出線端接到兩個集電環(huán)上，再通過與集電環(huán)相接觸的靜止電刷向外引出。勵磁繞組由直流勵磁電源供電，其正確連接應(yīng)使相鄰磁極的極性呈與交替排列。轉(zhuǎn)子的主要作用是在電動機(jī)的氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并同通電后的定子繞組相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩用來驅(qū)動自身的運轉(zhuǎn)。永磁同步電機(jī)的勵磁磁場可視為恒定【。永磁同步電機(jī)按轉(zhuǎn)子形狀可以分為兩類：一類是凸極式永磁同步電機(jī)，另一類是隱極式永磁同步電機(jī)。它們的根本區(qū)別在于轉(zhuǎn)子磁極所在的位置，凸極式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極是突起在軸上的，而隱極式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極是內(nèi)置在軸內(nèi)的。凸極式轉(zhuǎn)子具

24、有明顯的磁極，轉(zhuǎn)子跟定子之間的氣隙是不均勻的，因此其磁路與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)。根據(jù)轉(zhuǎn)子極對數(shù)的不同，永磁同步電機(jī)可分為單極電機(jī)和多極電機(jī)。永磁同步電機(jī)的工作原理是當(dāng)通入由三相逆變器經(jīng)脈沖調(diào)制的三相交流電源后，電機(jī)的定子繞組會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，它與轉(zhuǎn)子永磁磁鋼產(chǎn)生的磁場相互作用，產(chǎn)生與定第二章交流永磁同步電機(jī)模型及矢量控制原理子繞組旋轉(zhuǎn)磁場方向一致的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩克服了轉(zhuǎn)子本身的慣量以及由永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中永磁體磁鋼的存在所產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩時，電機(jī)就開始轉(zhuǎn)動起來，并且不斷加速直到定子旋轉(zhuǎn)磁場帶動轉(zhuǎn)子永磁體磁鋼一起同步運行。永磁材料的使用給永磁同步電機(jī)帶來了許多優(yōu)點，永磁同步電機(jī)與有刷直流電機(jī)相比

25、，除了具有無機(jī)械換向器和電刷、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、運行可靠、易實現(xiàn)高速、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點外，還具有如下優(yōu)點：易實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)切換、定子繞組發(fā)散熱容易、快速響應(yīng)能力好、可以采用較高的工作電壓、易實現(xiàn)大容量化【。永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)相比，具有如下優(yōu)點：轉(zhuǎn)子沒有損耗、具有更高的效率、電機(jī)體積小，由轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生氣隙磁密、功率因數(shù)較高，在相同輸出功率下，所需整流器和逆變器的容量較??；具有小的轉(zhuǎn)動慣量、快速響應(yīng)能力好；在感應(yīng)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁通的大小是不固定的，而且也不和定子產(chǎn)生的磁場正交，因為它是由勵磁磁通感應(yīng)而產(chǎn)生的。因此，感應(yīng)電機(jī)的矢量控制比較復(fù)雜，而永磁同步電機(jī)的勵磁磁通大小不變并且與電樞電

26、流有著固定的相位關(guān)系，因此控制比較簡單【】。交流永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)是利用定子的三相交流電流和永磁轉(zhuǎn)子的磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩來帶動電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的。當(dāng)定子繞組中通過對稱的三相電流時，定子將產(chǎn)生一個以同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)移的旋轉(zhuǎn)磁場。在穩(wěn)態(tài)情況下，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為同步轉(zhuǎn)速。于是，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場保持相對靜止，此即同步的由來。永磁同步伺服電機(jī)的定子和普通電勵磁三相同步電機(jī)的定子是相似的。如果永磁體產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢（反電動勢）與勵磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢一樣，也是正弦的，那么永磁同步伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型就與電勵磁同步電機(jī)基本相同。根據(jù)矢量控制原理，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)前作如下假設(shè)【】

27、：、忽略鐵心飽和、渦流和磁滯損耗；、感應(yīng)電動勢及氣隙磁場均按正弦分布，且不計磁場的各次諧波；、轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用；、反電勢是正弦的；、永磁體磁動勢恒定，即等效的勵磁電流恒定不變；、三相定子繞組在空間呈對稱星形分布，定子各繞組的電樞電阻相等；定子各相繞組的電感相等；、不考慮溫度對電機(jī)的影響。永磁同步電機(jī)在定子坐標(biāo)系上的模型方程永磁同步電機(jī)定子三相集中繞組分別為、，各相繞組的軸線在與轉(zhuǎn)子軸垂直東南大學(xué)碩士學(xué)位論文的且過電機(jī)幾何中心的平面上，分布如圖所示。、口圖三相集中繞組分布圖剛專謐糾其中：爿，為三相繞組各自繞組端電壓。，為三相繞組各組的線電流。，為三相繞組各自總磁鏈。（）且

28、（秒）（臼）（矽）如陋：陋高乏翟象矧陋篙【肘（鄉(xiāng)）（臼）（臼）【，昂（占）（），（口）其中：臼國，國，為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角速度?！保ň剩?，占（），占（）為轉(zhuǎn)子磁鏈在，三相繞組中產(chǎn)生的交鏈，均為伊的函數(shù)。三。（口）為三相繞組各相繞組的自感，。（鄉(xiāng)）為三相繞組各相繞組之間的互感。轉(zhuǎn)子磁鏈氣隙為正弦分布，磁場轉(zhuǎn)子磁鏈與定子各相繞組之間的交鏈分別為：第二章交流永磁同步電機(jī)模型及矢量控制原理杪，以腳，（目），矗塒，（秒一。）虬施，（目一。）為轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子相繞組軸線重合時互感的幅值，為等效的勵磁電流幅值，對永磁同步電機(jī)來說塒，的值為常數(shù)。三相繞組在空間上呈星形對稱分布，而且通入三相繞組中的電流是對稱的，不

29、考慮磁場的各次諧波則有以下條件成立：厶三厶三鳩塢一，且如剛：矛黜卜，鼴：；卜，一如一萬，塒，（一。）（）。礎(chǔ)【（護(hù)一。）以定子軸軸向為口軸。逆時針旋轉(zhuǎn)。為軸建立，）坐標(biāo)系（如圖）。由（，。引小一壓萬、，），七永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（，）上的模型方程坐標(biāo)變換，從數(shù)學(xué)角度來說，就是將方程式原來的一組變量，用一組新的變量來代替，使分析計算得到簡化。若新舊變量之間為線性關(guān)系，則變換為線性變換【】。對于永磁同步電機(jī)來說，用固定于轉(zhuǎn)子的參考坐標(biāo)來描述和分析其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能是十分方便的。此時，取永磁體基波勵磁磁場軸線（磁極軸線）為軸（直軸），而軸（交軸）順著旋轉(zhuǎn)方向（此處設(shè)為逆時針方向）超前軸。電角度

30、。，軸系隨同轉(zhuǎn)子以電角速度（電角頻率）萬，一起旋轉(zhuǎn)。軸坐標(biāo)系如圖所示。東南大學(xué)碩士學(xué)位論文圖軸坐標(biāo)系示意圖軸上的分量可以由定子三相繞組經(jīng)三相坐標(biāo)系變換或矢量變換得到，即進(jìn)行三相軸系到旋轉(zhuǎn)軸系的變換。如對定子電流，采用坐標(biāo)系變換則有：印。（已一娶）“（包一姿）壓慪一（爭痂（爭（）哆礎(chǔ)僦信延、互上述變換關(guān)系同樣適用于電壓和磁鏈變量變換。對于這個平衡系統(tǒng)，若兩參考軸系間的輸入功率滿足下述條件：“一甜且如甜如“屯甜（）則由軸系計算出的電磁轉(zhuǎn)矩就是電動機(jī)的實際值。為滿足這種功率不變約束，軸定子線圈的有效匝數(shù)應(yīng)為原三相繞組每相有效值匝數(shù)的芝倍，如果原三相繞組為對稱的正弦穩(wěn)態(tài)量，在一定的條件下，變換后的量就

31、為恒定值，該值為原正弦量有效值的倍。、軸系的定子電壓矢量方程可以表示為：”印。心魯丟（咿可將式電壓方程變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)軸系中得：。屯妒一國，緲。（）（）（）口妒一國，第二章交流永磁同步電機(jī)模型及矢量控制原理麗（）軸系電機(jī)的磁鏈表達(dá)式為：（）（）織（）軸系電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程表達(dá)式為：丁吾。（仍一）。仍口一（）【）其中，。，屯，。，幺，。分別是定子繞組、軸的磁鏈、電壓、電流和電感。璣，織，為定子端電壓、磁鏈和定子繞組電阻；伊，為轉(zhuǎn)子磁鋼在定子側(cè)的耦合磁鏈；見，國，為電機(jī)極對數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩和角頻率，為微分算子。以上即是永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系下的數(shù)學(xué)模型。永磁同步電機(jī)的矢量控制矢量控制最初是針對感

32、應(yīng)電機(jī)提出的，其工作原理和方法同樣適用于永磁同步電機(jī)。由于永磁同步電機(jī)不存在轉(zhuǎn)差頻率電流（感應(yīng)電機(jī)中存在）和高性能永磁材料的選用，使永磁同步電機(jī)的功率密度高于感應(yīng)電機(jī)，這樣也使矢量控制在永磁同步電機(jī)中更容易實現(xiàn)。永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)的基本思想是建立在坐標(biāo)變換及電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程上，通過對定子電流矢量的相位和幅值的控制來實現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩控制，即通過控制，軸電流，經(jīng)過矢量變換或坐標(biāo)變換而實現(xiàn)的。其優(yōu)點在于不論在低速還是在高速，只要系統(tǒng)給定了在該轉(zhuǎn)速下所需要的電流波形，電機(jī)電流均能很好地響應(yīng)，則所得電流的交軸分量就是電機(jī)旋轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩分量，電機(jī)的響應(yīng)性能十分優(yōu)異【】。從前面的討論可以看出，當(dāng)永磁體產(chǎn)生

33、的磁鏈，和直交軸電感，。確定后，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流矢量。，而。的大小和相位取決于屯和。，因此只要控制屯和乞便可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對應(yīng)于一定的和。永磁同步電機(jī)的矢量控制框圖如圖所示：東南大學(xué)碩士學(xué)位論文圖永磁同步電機(jī)矢量控制原理框圖我們必須根據(jù)不同的要求選擇不同的控制方法，當(dāng)轉(zhuǎn)速在基速以下時，在定子電流給定的情況下，控制屯，這樣只要控制的大小就能控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)矢量控制；當(dāng)轉(zhuǎn)速在基速以上時，因為永久磁鐵的勵磁磁鏈為常數(shù)，電機(jī)感應(yīng)電動勢隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比例增加，電機(jī)感應(yīng)電壓也隨著提高，但是電機(jī)相電壓有效值的極限值“和相電流有效值的極限值要受到與電機(jī)端相連的逆變器

34、的直流側(cè)電壓和逆變器的最大輸出電流的限制，所以必須進(jìn)行弱磁升速；通過控制屯來控制磁鏈，通過控制。來控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)矢量控制?？刂朴猛涂刂茣r，從電機(jī)端口看，相當(dāng)于一臺他勵直流電機(jī)，定子電流中的直軸分量等于，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，等于度，此時乙。沙，口吧此時的，。，在生產(chǎn)所要求轉(zhuǎn)矩的情況下，只需最小的定子電流，從而使銅耗下降，效率有所提高；對控制系統(tǒng)來說，只要檢測出轉(zhuǎn)子位置（軸），使三相定子電流的合成電流矢量位于軸上就可以了。從電機(jī)的電壓方程（忽略轉(zhuǎn)子上存在的阻尼繞組）和轉(zhuǎn)矩方程可得到采用屯控制時，在逆變器極限電壓下電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為：刃。甜。（。廠）（三礦，）（）從上式可以看出

35、，采用屯控制時，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受逆變器可提供的最高電壓和第二章交流永磁同步電機(jī)模型及矢量控制原理電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩兩方面的影響。其特點是控制簡單，定子電流與電磁轉(zhuǎn)矩輸出成正比，無弱磁電流分量。弱磁控制弱磁控制原理永磁同步電機(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)部的反電勢等于額定狀態(tài)時的大小，而反電勢與轉(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

36、轉(zhuǎn)速增加而減小，即所謂的弱磁控制【。當(dāng)永磁同步電機(jī)采用逆變器供電時，電機(jī)的電樞電流。和端電壓要受逆變器直流側(cè)（直流母線）最大電壓和逆變器的最大輸出電流的限制。甓知坳逆變器是依靠外施直流電壓向電動機(jī)強(qiáng)迫輸入電流的，當(dāng)電動機(jī)為連接時，逆變器向電動機(jī)可提供的線電壓最大為出，而相電壓基波有效值的最大值被限定為：彘等億由電機(jī)電壓方程有：“，“（緲，緲，三屯尺，）（，屯一國，）（）電動機(jī)高速運行時電阻壓降可以忽略，于是有：“，緲，三（）（屯）（厶三）（）由上式可知，當(dāng)電動機(jī)電壓達(dá)到逆變器所能輸出的最大電壓時，即材，擾，一時，速度如果要繼續(xù)升高，只有調(diào)節(jié)，乞來實現(xiàn)。增加電動機(jī)直軸去磁電流來部分地抵消永磁體勵

37、磁磁場，以此削弱氣隙磁通值。此即稱之為弱磁。東南大學(xué)碩士學(xué)位論文弱磁控制實現(xiàn)采用弱磁控制可以擴(kuò)展永磁同步電機(jī)的調(diào)速范圍，在高速段避免電流控制器飽和，即提高高速運行時永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的調(diào)速性能。進(jìn)行弱磁控制時，首先必須確定弱磁控制區(qū)域，即確定永磁同步電機(jī)何時采用弱磁控制【】。電流控制器的飽和是由于電機(jī)的反電勢升高，當(dāng)電機(jī)的端電壓達(dá)到逆變器能夠輸出的最高電壓、電機(jī)電流不能跟隨給定電流而引起的。定義：電機(jī)的端電壓比為電機(jī)負(fù)載情況下的端電壓和空載時的端電壓之比，即：趾老芳瓜而萬面和，從而確定是否開始弱磁控制。若甜。麟緲，則電流控制器未飽和：若“，一緲，則進(jìn)入弱磁控制。該弱磁控制的算法如下：構(gòu)造

38、輔助函數(shù)，（屯，）（）（屯三）五疋一?！?，（三一三）屯）在永磁同步電機(jī)電樞電流控制中，只需監(jiān)視端電壓比，即可決定電流控制器是否飽式中元為拉格朗日乘子。對上式分別求偏導(dǎo)，令其等于零，對得到的方程求解，可得到在最小端電壓比電流控制下的交、直軸電流關(guān)系如下：空間矢量脈寬調(diào)制經(jīng)典的（正弦脈寬調(diào)制）控制主要使逆變器輸出電壓盡量接近于正弦波，目的是使電流會受負(fù)載或電路參數(shù)的影響。電流跟蹤控制直接控制三相輸出電流是否按正弦變化，這比只考察輸出電壓波形有一定的進(jìn)步。但同步電機(jī)輸入三相電流的最終目的是形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。但是按照這一目標(biāo)，如果把三相逆變器和同步電機(jī)看做一個整體，盡量形成圓形旋

39、轉(zhuǎn)磁場來控制效果會更好。德國學(xué)者提出了基于電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)不僅使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動降低，使電流波形畸變減小，而且與技術(shù)相比直流電壓利用率有很大提高，更易于數(shù)字化實現(xiàn)【。電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)實際是磁通，其特點是從電機(jī)角度出發(fā)，著眼于通過控制電機(jī)端電壓，使電機(jī)獲得幅值恒定的空間旋轉(zhuǎn)磁場。德國的一仁墮型墮生蜂竺堅蘭盟“一）（）、第二章交流永磁同步電機(jī)模型及矢量控制原理教授提出的電壓空間矢量脈寬調(diào)制策略，與常規(guī)的技術(shù)相比，空間矢量脈寬調(diào)制的逆變器輸出電壓高出引。三相同步電機(jī)要求定子輸入三相對稱正弦電流的最終目的是在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生圓形氣隙旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。因此，把逆變器和電機(jī)視為一體

40、，以跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目的來控制逆變器的輸出電壓波形，一定會產(chǎn)生更好的控制效果。從這一思路出發(fā)，年代中期，國外學(xué)者在交流電機(jī)提速中提出了磁通軌跡控制的思想，而磁通軌跡的控制是通過電壓空間矢量的合成實現(xiàn)的，所以又稱為電壓空間矢量（，）控制?？臻g矢量脈寬調(diào)制原理在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器為電動機(jī)提供的是經(jīng)過調(diào)制的電壓。圖是典型的三相電壓逆變器示意圖。圖三相電壓逆變器結(jié)構(gòu)圖最終的礦驢是逆變器的輸出，到是六個功率晶體管，他們分別由六個信號控制。因為逆變器的上橋臂和下橋臂的開關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)，當(dāng)同一橋臂的上一晶體管處于導(dǎo)通時，則下一晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)。由破變換定義的電壓空間矢量為：一一三（口口）（），三！式中口一。如果把上橋臂的功率開關(guān)器件的導(dǎo)通狀態(tài)用“表示，關(guān)斷狀態(tài)用“”表示，那么上橋臂的三個功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)共