永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真畢業(yè)設(shè)計論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 之具有和直流機相似的特點。因此矢量控制的關(guān)鍵在于對定子電流幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終的實施是對、的控制。由于定子側(cè)的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)、控制和計算都不方便。需借助復(fù)雜的坐標(biāo)變換進(jìn)行矢量控制，而且對電動機參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。矢量控制的優(yōu)點在于調(diào)速范圍寬，動態(tài)性能較好。不足之處是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向會受電動機參數(shù)變化的影響而失真，從而降低了系統(tǒng)的調(diào)速性能。解決方法是采用智能化調(diào)節(jié)器可以提高系統(tǒng)的調(diào)速性能和魯棒性。 矢量控制的組成和原理1) SVPWM模塊。采用先進(jìn)的調(diào)制算法以減少電流諧波、提高直流母線電壓利用率；2) 電流讀取模塊。通過精密電阻或電流傳感器測量定子電流；3) 轉(zhuǎn)子速度/位置反饋模塊。采用霍爾傳感器或增量式光電編碼器來準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可采用無傳感器檢測算法進(jìn)行測量；4) PID控制模塊；5) Clark、Park及Reverse Park變換模塊。圖31 矢量控制原理圖1) 將電流讀取模塊測量的相電流和，經(jīng)過Clark變換將其從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系和； 2) 和與轉(zhuǎn)子位置結(jié)合，經(jīng)過Park變換從兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和； 3) 轉(zhuǎn)子速度/位置反饋模塊將測量的轉(zhuǎn)子角速度參考轉(zhuǎn)速行比較，并通過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生交軸參考電流； 4) 交、直軸參考電流、與實際反饋的交、直軸電流、進(jìn)行比較，取直軸參考電流為0。再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)化為電壓和；5) 電壓和與檢測到的轉(zhuǎn)子角位置相結(jié)合進(jìn)行反Park變換，變換為兩相靜止坐標(biāo)系的電壓和； 6) 電壓和經(jīng)過SVPWM模塊調(diào)制為六路開關(guān)信號從而控制三相逆變器的開通與關(guān)斷。 當(dāng)變化時產(chǎn)生偏差，PI調(diào)節(jié)器輸出設(shè)定值和實際交軸電流比較,得到偏差，用來調(diào)節(jié)實際交軸電流；如果直軸電流不為0，因為直軸電流給定值為0，產(chǎn)生直軸電流；以上兩個偏差電流和經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器及反Park變換后為SVPWM調(diào)制算法提供兩相電壓、從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)電壓空間矢量，并通過逆變器來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，然后重復(fù)上述過程，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 矢量控制的控制方式1. 控制定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，電機的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。其性能類似于直流電機，控制系統(tǒng)簡單，轉(zhuǎn)矩性能好，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于高性能的數(shù)控機床、機器人等場合。電機運行功率因數(shù)低，電機和逆變器容量不能充分利用。2. 控制控制交、直軸電流分量，保持PMSM的功率因數(shù)為1，在條件下，電機的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。可以充分利用逆變器的容量。不足之處在于能夠輸出的最大轉(zhuǎn)矩較小。3. 最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制也稱為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制（最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制）。它是凸極PMSM用的較多的一種電流控制策略。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩一定時，逆變器輸出電流最小，可以減小電機的銅耗。 矢量控制的坐標(biāo)變換1. Clarke（3s/2s）變換N3：三相繞組每相繞組匝數(shù)N2：兩相繞組每相繞組匝數(shù)圖32 Clarke（3s/2s）變換各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其相關(guān)空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上設(shè)磁動勢波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動勢與相總磁動勢與二相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在軸上的投影都應(yīng)相等，因此 （31）考慮變換前后總功率不變，可得匝數(shù)比應(yīng)為 （32）可得 （33）坐標(biāo)系變換矩陣： （34） （35）如果三相繞組是Y形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有于是 （36） （37）2. Park（2s/2r）變換兩個交流電流、和兩個直流電流、產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢。d、q軸和矢量都以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，分量、的長短不變。a軸與d軸的夾角隨時間變化。圖33 Park（2s/2r）變換由圖可見，、和、之間存在下列關(guān)系 （38）寫成矩陣的形式，得 （39）坐標(biāo)系變換矩陣 （310） （311）3. 電壓空間矢量由三組六個開關(guān)（、、）組成。由于與、與、與之間互為反向，即一個接通，一個斷開，所以三組開關(guān)有 種開關(guān)組合。圖34 PWM逆變器模型若規(guī)定三相負(fù)載的某一相與“+”極接通時，該相的開關(guān)狀態(tài)為“1”態(tài)；反之，與“”極接通時，為“0”態(tài)。則有8種可能的開關(guān)組合。表31 8種可能的開關(guān)組合狀態(tài)01234567010101010011001100001111逆變器7種不同的電壓狀態(tài)：電壓狀態(tài)“1”至“6”零電壓關(guān)狀態(tài)“0”和“7” 逆變器的輸出電壓用空間電壓矢量來表示，依次表示為 （312） 逆變器非零電壓矢量輸出時的相電壓波形、幅值和電壓狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系圖、電壓狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)均以6個狀態(tài)為一個周期，相電壓幅值為兩種： 和。 圖35 逆變器各量對應(yīng)關(guān)系圖把逆變器的7個輸出電壓狀態(tài)放入空間平面內(nèi)，形成7個離散的電壓空間矢量。每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔60186。角度，6個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成正六邊形。圖36 6個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成的正六邊形選定定子坐標(biāo)系中的與Park矢量復(fù)平面的實軸、其三相物理量Park的矢量為 （313）式中——復(fù)系數(shù)旋轉(zhuǎn)空間矢量的某個時刻在某軸線a、b、c軸上的投影就是該時刻該相物理量的瞬時值。若 三相負(fù)載的定子繞組接成星形，其輸出電壓的空間矢量Park矢量變換表達(dá)式為 （314）對于狀態(tài)“1”Sabc=001 時；可知 （315） 則: (316) 電壓空間矢量的結(jié)論：1) 逆變器六個工作電壓狀態(tài)給出了六個不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰兩個矢量之間相差60度；2) 電壓空間矢量的幅值不變，都等于2ud/3；3) 因此六個電壓空間矢量的頂點構(gòu)成了正六邊形的六個頂點；4) 六個電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)；5) 零電壓狀態(tài)7位于六邊形中心。 矢量控制的基本方程SMPMSM的電壓和磁鏈方程： （317） （318）：定子相繞組：定子相繞組電感：定子相繞組互感：轉(zhuǎn)子電角度：轉(zhuǎn)子永磁磁鏈其中：磁鏈轉(zhuǎn)矩方程: （319） （320） 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是用空間矢量的分析方法直接在定子坐標(biāo)系下計算并控制交流電機的轉(zhuǎn)矩，借助于雙位模擬調(diào)節(jié)器產(chǎn)生信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高性能控制。矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動機控制方案。但因其需要復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動機的機械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響應(yīng)矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。針對矢量控制的這一缺點，德國學(xué)者Depenbrock于上世紀(jì)80年代提出了一種具有快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性的控制方案，即直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)，在此之后越來越多的學(xué)者投入到永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的研究。它采取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點式控制直接對電動機的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，省掉了復(fù)雜的矢量變換，其控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確等優(yōu)點[14]。DTC最早用于感應(yīng)電動機，1997年L Zhong等人對DTC算法進(jìn)行改造，將其用于永磁同步電動機控制。DTC方法實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制。在得到電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩值后，即可對永磁同步電動機進(jìn)行DTC。隨著現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的引入，涌現(xiàn)出許多基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、非線性控制、變結(jié)構(gòu)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，使直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)得到進(jìn)一步改善和提高。直接轉(zhuǎn)矩控制的目標(biāo)是：通過選擇適當(dāng)?shù)亩ㄗ与妷嚎臻g矢量，使定子磁鏈的運動軌跡為圓形，同時實現(xiàn)磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的跟蹤控制，其基本原理如圖37所示。在圖37中，定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩分別采用閉環(huán)控制，、分別為定子磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號，作為反饋信號使用。根據(jù)誤差信號，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩增、減控制信號；磁鏈調(diào)節(jié)器輸出磁鏈增、減控制信號。開關(guān)表根據(jù)；以及估計器