運(yùn)控課程設(shè)計(jì)

1、基于脈振高頻電壓注入法永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真1緒論由于永磁同步電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor 縮寫為 PMSM）具有體積小、效率高、可靠性好以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逐漸取代傳統(tǒng)的直流驅(qū)動(dòng)方式，在各種高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。高頻信號(hào)注入法是利用電動(dòng)機(jī)的空間凸極效應(yīng)，通過(guò)向電動(dòng)機(jī)定子繞組注入高頻電壓/電流信號(hào)，檢測(cè)相應(yīng)的定子電壓/電流幅值，由于電壓/電流幅值在空間上的各向異向性，從而估計(jì)出轉(zhuǎn)子實(shí)際位置，特別在零速到低速有非常好的控制效果。該方法主要分為旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法、旋轉(zhuǎn)高頻電流信號(hào)注入法、脈動(dòng)高頻電壓

2、信號(hào)注入法三種，其中前兩種方法的均需要大量的坐標(biāo)變換和數(shù)字濾波，運(yùn)算比較復(fù)雜，而且只適用于凸極效應(yīng)比較明顯的內(nèi)插式、內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)，對(duì)面裝式永磁同步電機(jī)無(wú)能為力。脈動(dòng)高頻信號(hào)注入法則具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于面裝式永磁同步電機(jī)也有很好的控制效果。矢量控制是永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用的兩種控制方式之一。為了更好地驗(yàn)證兩種控制方式在交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中各部分輸出特性的正確性，并為其設(shè)計(jì)提供必要的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用Matlab/Simulink工具箱搭建系統(tǒng)的仿真模型將會(huì)為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供充分的理論依據(jù)。國(guó)內(nèi)對(duì)于感應(yīng)電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)傳感器控制研究相對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)要多一些，也取得了

3、一定的成果。但是國(guó)內(nèi)的無(wú)傳感器控制技術(shù)研究與國(guó)外的研究現(xiàn)狀相比，尚有一定的差距。多停留在理論研究階段，還沒(méi)有達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的階段。2永磁同步電機(jī)的矢量控制原理2.1永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型圖 2-1 是永磁同步電動(dòng)機(jī)的模型圖。圖中，a- b-c 為定子三相靜止軸系，以上標(biāo) s 表示；d-q 為轉(zhuǎn)子兩相旋轉(zhuǎn)軸系，以上標(biāo) r 表示。q 軸沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前 d 軸 90，r 為磁極位置角（電角度）。圖2-1 永磁同步電機(jī)模型圖這里仍然沿用理想電機(jī)模型的一系列假設(shè)：1. 不考慮電機(jī)的磁路飽和，所有的磁路都是線性的；2. 電機(jī)的電樞反電勢(shì)為正弦；3. 電機(jī)中的渦流損耗和磁滯損耗可以忽略不計(jì)。這樣經(jīng)過(guò)一系列

4、推導(dǎo)可以得到永磁同步電動(dòng)機(jī)定子基于轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系（d-q 軸系）的數(shù)學(xué)模型：定子磁鏈方程為：d=Ldid+r（2-1）q=Lqiq定子電壓方程為：ud=Raid+Pd-wrq（2-2）uq=Raid+Pq+wrdPMSM電磁轉(zhuǎn)矩方程為：Tem=np.(diq-qid)（2-3）PMSM的運(yùn)動(dòng)方程為：Jnp.PWm=Tem-TL（2-4）式中：ud、uq為定子基于 d-q 軸系的電壓；id、iq為定子基于 d-q 軸系的電流；d、q為定子基于 d-q 軸系的磁鏈；Ld、Lq為定子基于 d-q 軸系的等效電感；Ra 為定子電阻；r 為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈；wr為轉(zhuǎn)子電角速度；wm為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。2.2永磁同

5、步電機(jī)的矢量調(diào)速原理圖 2-2 是永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理框圖。 在與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)座標(biāo)系上，建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并基于該模型分別對(duì)速度、轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。雙閉環(huán)系統(tǒng)中外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。轉(zhuǎn)矩控制在電流環(huán)上實(shí)現(xiàn)，采用最大轉(zhuǎn)矩控制方法。控制回路的內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，應(yīng)用 3/2 變換將采樣到的電流值從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系上，實(shí)際上得到了轉(zhuǎn)矩電流分量iq和勵(lì)磁電流分量id。采用最大轉(zhuǎn)矩控制方式時(shí)，勵(lì)磁電流給定分量id*為零，使轉(zhuǎn)矩電流分量達(dá)到最大。轉(zhuǎn)矩電流給定分量iq*由速度環(huán)計(jì)算給出。電流環(huán)中給定電流分量與實(shí)際電流分量的差值經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器計(jì)算，得到 d

6、-q 軸系的電壓分量ud和uq 。再應(yīng)用 2/3 變換將兩相電壓分量從與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系分解到三相靜止坐標(biāo)系上，即得到了三相輸出電壓的指令值。最后以PWM 方式輸出三相電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)逆變器功率輸出部分后，即得到了電機(jī)的三相實(shí)際控制電壓?？刂苹芈返耐猸h(huán)為速度環(huán)，計(jì)算轉(zhuǎn)矩電流給定分量iq*，其值為轉(zhuǎn)速指令wr*和轉(zhuǎn)速反饋wr的差值經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器計(jì)算出的結(jié)果。控制過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)通過(guò)速度的變化傳遞給電流環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償。圖2-2 PMSM調(diào)速原理框圖上述按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向并使id=0的永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)中，定子電流與轉(zhuǎn)子永磁磁通互相獨(dú)立（解耦），控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩恒定性好，可以獲得很寬

7、的調(diào)速范圍，非常適用于永磁同步電機(jī)的調(diào)速控制。3高頻信號(hào)注入法3.1高頻信號(hào)注入法在低速時(shí)的應(yīng)用在低速時(shí)，定子電壓值較小，由于信號(hào)噪聲比很小加之其它干擾因素，就是采用了精確的觀測(cè)器也難以對(duì)定子電壓進(jìn)行精確測(cè)量，基于反電動(dòng)勢(shì)的 MRAS控制方法較適合于中、高速范圍內(nèi)的速度、位置估計(jì)，對(duì)低速范圍應(yīng)采取其它方法。高頻信號(hào)注入法是利用電動(dòng)機(jī)的空間凸極效應(yīng)，通過(guò)向電動(dòng)機(jī)定子繞組注入高頻電壓/電流信號(hào)，檢測(cè)相應(yīng)的定子電壓/電流幅值，由于電壓/電流幅值在空間上的各向異向性，從而估計(jì)出轉(zhuǎn)子實(shí)際位置，特別在零速到低速有非常好的控制效果。該方法主要分為旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法、旋轉(zhuǎn)高頻電流信號(hào)注入法、脈動(dòng)高頻電壓信

8、號(hào)注入法三種，其中前兩種方法的均需要大量的坐標(biāo)變換和數(shù)字濾波，運(yùn)算比較復(fù)雜，而且只適用于凸極效應(yīng)比較明顯的內(nèi)插式、內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)，對(duì)面裝式永磁同步電機(jī)無(wú)能為力。脈動(dòng)高頻信號(hào)注入法則具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于面裝式永磁同步電機(jī)也有很好的控制效果。3.2脈動(dòng)高頻電壓信號(hào)注入法原理分析圖3-1 面裝式永磁同步電機(jī)如圖 3-1 所示面裝式 PMSM，dq軸系是實(shí)際的磁場(chǎng)定向坐標(biāo)，d 軸與永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)f一致， r為轉(zhuǎn)子位置角。 dq軸是轉(zhuǎn)子位置估計(jì)坐標(biāo)，與 dq 坐標(biāo)的夾角為，即有： 在d軸上注入高頻脈動(dòng)電壓信號(hào)ucd=uccoswct，式中wc為電壓交變頻率，Uc為其幅值。將ucd變換到

9、d 軸上，則應(yīng)有:角度不同，由飽和性凸極效應(yīng)對(duì)注入信號(hào)的調(diào)制也不同。這種變化反映在高頻電流響應(yīng)中，這個(gè)電流響應(yīng)便會(huì)載有轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差的信息。在 dq 坐標(biāo)中由上面公式綜合得：說(shuō)明電流幅值與脈動(dòng)電壓大小，頻率有關(guān)，還直接與位置誤差有關(guān)。為了檢測(cè)到定子電流，將其變換到 ABC 軸系中：通過(guò)低通濾波器將式的高頻分量濾掉，余下的電流信號(hào)為：其中便載有有用的位置誤差信息r，利用這個(gè)信號(hào)可以構(gòu)成各種反饋控制系統(tǒng)。3.3脈動(dòng)高頻信號(hào)注入法模型系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-2 所示：圖3-2基于脈振高頻注入法的PMSM控制系統(tǒng)仿真原理圖高頻信號(hào)注入法比較適合低速時(shí)的轉(zhuǎn)速估計(jì)，但不適于高速區(qū)，因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)過(guò)大，電

10、壓矢量方程已不再成立，不能及時(shí)跟蹤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，會(huì)在突加、突卸負(fù)載或者轉(zhuǎn)速指令變化較快大時(shí)出現(xiàn)跟蹤失敗。所以，應(yīng)發(fā)揮各種估計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，在電機(jī)從低速到高速運(yùn)行的不同速度區(qū)間，分別選擇合適的估計(jì)方法。4坐標(biāo)變換4.1三相/兩相變換（3/2變換）現(xiàn)在先考慮上述的第一種坐標(biāo)變換在三相靜止繞組A、B、C和兩相靜止繞組a、b 之間的變換，或稱三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變換，簡(jiǎn)稱 3/2 變換。圖4-1中繪出了 A、B、C 和 a、b 兩個(gè)坐標(biāo)系，為方便起見(jiàn)，取 A 軸和 a 軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為N3，兩相繞組每相有效匝數(shù)為N2，各相磁動(dòng)勢(shì)為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。由于交流磁動(dòng)勢(shì)的大小隨時(shí)間在變化著，圖中磁動(dòng)勢(shì)矢量的長(zhǎng)度是隨意的。圖4-1 三相和兩相坐標(biāo)系與繞組磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量設(shè)磁動(dòng)勢(shì)波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動(dòng)勢(shì)與二相總磁動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，兩套繞組瞬時(shí)磁動(dòng)勢(shì)在 a、b 軸上的投影都應(yīng)相等，因此寫成矩陣形式，得：考慮變換前后總功率不變，在