永磁同步电机无差拍直接转矩控制的研究

发布时间：2016-08-31 06:51

第一章  绪  论 

1.1 永磁同步电机的发展概况 
早在上世纪八十年代，人们利用永磁材料高矫顽磁力、高磁能积的特点研制出高性能小体积的永磁同步电动机（ Permanent Magnet Synchronous Motor ,简 称PMSM），这种电机以损耗低、效率高、灵活、体积小、成本价格较低等优势不但满足了人们的日常生活需求，而且在电动汽车、轨机车、电梯、家用电器、航海等领域得到了广泛的应用，可见，其发展前景颇为良好。近年来，永磁同步电机发展迅猛，因其高转矩惯量比、高效性和高能量密度等优点，使得永磁同步电机成为当下各行各界关注的一大亮点。我国传统的永磁电机主要分为两种，一种是输入的电流为正弦波，被人们称为永磁同步电机；另一种是输入的电流为方波，也就是人们常说的无刷直流电动机。电动机、控制器和功率是电机传动系统中重要的三大组成部分，同时也是影响电机传动调速系统的重要因素，按照电流进行分类，调速传动系统可分为两大类，一类是直流传动，另一类是交流传动，交流传动又由同步电动机和异步电动机两大类组成  [1]。近年来，人们对传统的同步电机不断的进行创新改革，通过变频电源，解决了同步电机电网电压自动启动和调速的问题，，使同步电机具备了其他两大电机所不具备的优势，这也是同步电机发展迅速的原因。 通常情况下永磁同步电机适用于快速、准确、精密位置控制的领域，近年来研究者们致力于直接转矩控制在同步电机上的应用，这一研究领域目前已经取得了较为长足的进步，而且完成了具有实际操作性的永磁同步电机直接转矩控制，现在的趋势是电机要向小型化、高速化发展。并且通过对直接转矩控制和矢量控制的原理进行对比，可以很显然的看出矢量控制在电机控制算法相对于直接转矩控制算法相当复杂，它需要在矢量控制的原理基础上进行复杂的矢量旋转变换，另外，众所周知电动机的机械常数往往要比电磁常数较低，因此运转过程中对于矢量控制中的转矩不能及时快速的做出反应。但是如果寻求简化控制过程中的环节，就可以解决对于转矩反应跟不上的问题。因此比矢量控制出现的更晚的直接转矩控制选择摒弃矢量控制思想中的解耦控制环节和电流反馈环节，采取定子磁链定向这一更加简便高效的方法，这一方法从根本上解决了矢量控制中不能及时快速响应转矩的问题，也是直接转矩控制在思想上和矢量控制最大的不同之处。而这一方法的工作原理是运用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩起调节作用。这一方式极大的简化了矢量控制的运转环节和操作流程，极大的提高了响应转矩的速度，具有明显的比较优势。
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1.2 永磁同步电机的控制策略
磁通的控制方式被称为是变压变频控制(Variable Voltage Variable Frequency，简称 VVVF)。为了使变频调速控制系统的稳定性有所提高，只有永磁体为插入式或者是内装式的永磁同步电机才可以适用于该控制策略。永磁同步电机通过改变电源电压和频率之比来控制磁通的这种控制方式与感应异步电动机是类似的，在基频以上和基频以下这两种情况时，我们分别采取恒功率调速和恒转矩调速。为了实现恒功率调速，则要求在升高转速的同时使转矩降低；要想实现恒转矩调速，则需要同时控制电源电压和频率，且必须是按比例保持 fu / 的幅值不变，即磁通恒定。 1971 年,德国西门子公司的 F.Blaschke 提出矢量控制理论(Field  Oriented  Control, FOC)，这一理论的提出标志着不同于变压变频控制的一种新控制算法的诞生，在电机控制理论发展历史上具有里程碑式的意义，这一理论第一次把一种全新的完全不同于变频变压控制的方法展现在世人面前，让第三次工业革命的众多丰硕成果衍生和转化为实际科学技术变成触手可及的现实，对于当代科技发展具有重大的推进作用。也正因为此，人们在航空航天领域、机械工程领域、道路交通领域等关乎全人类发展进步的科技领域内看到了如何使本领域内的发展速度提高、使操作变得更高效、更简洁的方法。随后，又由德国的 F.Blaschke 等人初次提出了交流电机从理论到实际的矢量控制（Vector Control，简称 VC），这一控制方法伴随着电子电力技术、航空航天技术、船舶制造技术、微电子技术、永磁材料和新型点击控制技术上的应用，发展变得更加突飞猛进，其中最重要的是在永磁同步电机上的运用，永磁同步电机在高性能机床进给控制、位置控制、机器人、航天科技、船舶生产等领域的实际运用在这一控制技术的运用后变得更加便捷高效，生产效率有效提升。最重要的是因为这一技术而引发的连锁反应导致人们对其他各领域，尤其是和机械生产相关联的领域中产生了进一步的提高性能和效率的要求。众所周知，如果永磁同步电机的控制方式在性能上具有更高的气隙磁密、更小的转矩脉动、更大的转矩惯量比、更高的效率，那么是不是生产效率会更高，而现实是人们正是这么要求的，矢量控制技术出现后一经在永磁同步电动机上运用，这些完全符合人们想象的优良的性能立即显现出来。 
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第二章  永磁同步电机的数学模型

早在上世纪八十年代，人们利用永磁材料高矫顽磁力、高磁能积的特点研制出高性能、小体积的永磁同步电动机，这种电机以损耗低、效率高、灵活、体积小、成本价格较低等优势不但满足了人们的日常生活需求，而且在电动汽车、轨机车、电梯、家用电器、航海等领域得到了广泛的应用，可见，其发展前景颇为良好。近年来，永磁同步电机发展迅猛，因其高转矩惯量比、高效性和高能量密度等优点，使得永磁同步电机成为当下各行各界关注的一大亮点。随着科技发展的日新月异，永磁同步电机控制技术也精益求精，根据科技发展的需要，永磁同步电机的控制技术也被要求更加简便快捷。为了使永磁同步电机控制策略更加简便快捷，我们应该从永磁同步电机的内部结构入手，详细解构、分析各坐标轴系下的电机数学模型，以此来寻找更好的突破点。所以本章节要对电机结构进行简单介绍，并对电机不同坐标系下相应的数学模型进行分析,为后续章节的进一步研究分析奠定了理论基础。 

2.1 永磁同步电机的基本结构 
转子、定子构成了永磁同步电机的两大主要组成部分。电机的定子，主要是由导电三相绕组、导磁定子铁芯、端盖以及机座四部分组成，结构形式较为简单，其结构与普通感应电机是基本一致的，在工作中，定子匀速旋转在空间中产生磁场，定子的频率是正弦波从而决定了磁场的旋转速度，定子与转子之间通过电能相互作用产生互动作用，最后通过转子所受到的外力使转子自身产生作用，再作用于定子。即定子将接受到的外力使电能转换为旋转磁场，而定子通过旋转磁场与转子相互产生作用力，转子在作用力的驱使下开始旋转，并且产生新的作用力，即将电能成功的转换为机械能。永磁同步电机的转子结构与其定子结构相比较而言，要复杂的多，位置也要复杂的多，永磁体和转轴以及导磁扼构成了永磁同步电机转子结构的主要组成部分。转轴上套着圆形的导磁扼，导磁扼上附着着永磁体。永磁体体积的大小是由永磁材料决定的，两者存在着密切的关联，具有良好性能的永磁体材料，其用量则会大大减少，同时永磁体的体积也随之减小，且两者是成正比关系的，因此，所产生的转子磁路就会变得更加轻巧、灵敏，这便使得永磁材料在人们的日常生活中得到越来越广泛的应用。 
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2.2 永磁同步电机的数学模型 
本文在文章的第一小节中简单的阐述了一下永磁同步电机最重要的组成部分——定子的结构构造，同时也阐述了与另一个重要组成部分——转子在结构构造上的紧密联系，从而为进一步深入的研究分析永磁同步电机，并在分析研究的基础上建立永磁同步电机的数学模型奠定理论基础。三相永磁同步电机作为有多个输入、强耦合性的非线性系统，能在三相静止坐标轴系、两相静止坐标轴系、两相旋转坐标轴系以及定向坐标轴系下建立数学模型。针对永磁同步电动机磁路不对称的情况， qd 坐标系更便于分析研究，从而消除由于微分方程中有周期性变化量而导致复杂计算这一弊端。由上述研究分析可知，在qd  坐标轴系下建立的数学模型是我们在研究分析时最长用的永磁同步电机数学研究模型。同时更加重要的是上述几种在坐标轴系下的数学模型可以在坐标变换后推演得到。因此，文章将根据后续研究内容的需要，将详细介绍永磁同步电机在 qd 坐标轴系下的数学模型。 
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第三章 永磁同步电机直接转矩控制系统仿真 ..... 17 
3.1 永磁同步电机的逆变器模型及电压矢量 .... 17 
3.2 永磁同步电机直接转矩控制的仿真模型 .... 22 
3.3 永磁同步电机传统直接转矩控制的仿真结果 .... 33 
3.4 本章小节 ........ 38 
第四章 基于电流预测的无差拍直接转矩控制 ..... 39 
4.1 无差拍直接转矩控制理论介绍 .... 39 
4.2 无差拍直接转矩控制的仿真实现 ......... 43
4.3 无差拍直接转矩控制的仿真结果 ......... 51 
4.4 本章小节 ......... 53 
第五章无差拍直接转矩控制的参数敏感性分析以及初步解决方案 ........... 55 
5.1 电机运行在不匹配定子电阻的转矩响应比较 ..... 55 
5.2 电机运行在不匹配的dqL 下的转矩响应 ....... 56 
5.3 电机运行在不匹配的永磁体磁链情况下的转矩响应 ......... 57 
5.4 解决方案 ......... 58 
5.4.1 加 PI 控制器解决电阻误差 .... 58 
5.4.2 加 PI 控制器解决dqL 误差 ...... 61 
5.5 本章小节 ......... 63 

第五章无差拍直接转矩控制的参数敏感性分析以及初步解决方案 

本文在利用无差拍直接转矩控制时，控制器在计算电压值时会涉及到较多的电机参数，这些都是假定电机是理想模型的基础上。但在实际生产中，电机的参数往往随着温度、湿度、转速的变化而变化，高性能的电机控制都需要匹配较精确的电机参数，因此矢量控制中如定子电阻、转子磁链、电感的敏感性分析则显得尤为重要，所以本章将会探讨当电机实际运行参数与控制器中的电机参数不同时，对电机转矩的影响，以此来提高电机控制的性能。 

5.1 电机运行在不匹配定子电阻的转矩响应比较           

在本部分中，仿真文件的控制器部分将会保持使用电机额定参数，电机部分将会使电机电阻从 0.3? 到 0.65? 之间变化，并观察仿真结果。电机的转矩响应如下图所示（转速 3000rpm）：从上图可以看出，随着电阻的增大，电机的输出转矩在逐渐的减小。这个仿真还可以以同样的方法在转速为 200rpm 的时候重新测取一组数据。数据如下图所示： 针对上述问题，本文提出了一种常见的解决方案，在转矩环的外侧加 PI 控制器。其实加了 PI 控制器并不是从根本上解决了参数不准的问题，因为我们既没有动态的测试电机参数和在控制器中更换参数，而是通过转矩误差引起的转速误差，由 PI 控制器判定转速误差后给电机发送新的转矩参考而达到纠正转矩误差的问题。例如，要求电机转速稳定在 3000rpm，并且电机带 7N.m 的负载。但是，由于电机参数因环境影响会出现小范围波动的问题，当电机的参考转矩为 7N.m 时，其实际输出要比 7N.m 偏大或者偏小，这时候电机表现出来的运行状态就是转速上升或者下降，当 PI 控制器发现转速上升或者下降时，将会给电机一个新的转矩参考从而使电机最终的输出转矩达到额定转矩，这个新的转矩参考可能不是 7N.m，但是电机最终的稳态输出却是 7N.m。 

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总结

随着具有高剩磁密度、高磁能积等特点的钕铁硼永磁材料和电力电子器件的不断发展，永磁同步电机以其转速平稳、动态响应快、高效性、高转矩惯量比、结构简单等一系列优点而得到了诸多关注，在国防、航空航天以及工业机器人中得到广泛应用。研究永磁同步电机的高性能控制方法，具有重要的理论和应用价值。 直接转矩控制是上世纪80年代发展起来的一种高性能交流调速方法，它具有模型简单、控制直接、计算量小、动态响应快的特点，一直以来深受研究人员的重视，在异步电机、同步电机的控制中都获得了广泛的应用。 本文针对永磁同步电机直接转矩控制技术的相关研究内容已介绍完毕，现将上述所研究的内容进行汇总，在归纳总结的同时，找出一些论文疏漏、不足的地方，以便于在今后的研究工作当中进一步对此系统进行完善。 主要工作、创新点汇总如下： 
（1）简单介绍了永磁同步电机的发展概况，传统直接转矩研究现状和无差拍直接转矩的控制理论及其领域的相关研究成果，了解了一些控制策略,并引出本论文的研究问题。 
（2）阐述了永磁同步电机的种类、结构和工作原理,然后，介绍了基本的坐标系，通过不同坐标轴系之间的变换,建立了 qd坐标系轴下的电机数学模型。 
（3）介绍了永磁同步电机的直接转矩控制策略，并详细叙述了每个模块的设计和整体的实现，不仅说明了传统直接转矩控制所具有的优势，同时也发现了其存在的转矩脉动较大和开关频率无法固定等一系列问题。 
（4）为了提高系统的稳态性能，本文引入了一种基于电流预测的无差拍直接转矩控制系统改进策略。该方法有效的削弱了输出的转矩脉动，稳定了开关频率，实现了实时、精确控制，没有任何延迟。 
（5）本文在利用无差拍直接转矩控制时，电机参数会随着工作环境的变化而变化，出现电机参数和控制器参数不匹配的情况，比较这两种情况，总结一下控制规律，来提高电机的控制性能。针对上述参数不匹配的问题，在转矩环的外侧加一个 PI控制器，用速度控制补偿由于参数变化造成的转矩变化的问题，从而在不增加参数辨识计算量的前提下，实现了快速而准确的转矩跟踪。  
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参考文献(略)

本文编号：106388