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永磁同步电动机弱磁调速控制.pdf

发布时间：2022-06-15 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.76M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    封面
    文摘
    英文文摘
    声明
    1 概述
    2 永磁同步电动机的稳定运行原理和数学模型
    3 永磁同步电机的矢量控制
    4 永磁同步电机弱磁调速控制
    5 永磁同步电机调速系统的设计与实现
    6 全文总结
    致谢
    参考文献
    附录攻读硕士学位期间发表的论文
    华中科技大学硕士学位论文永磁同步电动机弱磁调速控制姓名：冷再兴申请学位级别：硕士专业：电机与电器指导教师：马志源20060501
    I摘 要 作为数控机床、机器人等的重要组成部分，随着加工制造、汽车等行业的发展，永磁交流伺服系统成为国内外研究和应用的一个重要领域。同时随着功率电子器件和微处理器的进步，伺服系统也逐步向全数字化方向发展，全数字化系统具有可靠性高、实现新控制策略容易、功能丰富等优点。 本文论述了永磁同步电机空间矢量脉宽调制控制的最新发展，分析了从基础理论到最新的控制算法的有关永磁同步电机空间矢量控制的许多问题。在对永磁同步电动机(PMSM)的数学模型和控制理论进行全面、深入研究的基础上，本文在PMSM的电压空间矢量的弱磁控制方面做了大量的理论和实验研究，提出一种基于空间矢量PWM (SVPWM)的PMSM定子磁链弱磁控制定方法，在电机转速达到基本转速之前采用最大转矩/电流策略控制，超过基本转速之后采用弱磁扩速的电流控制策略，使电机具有更大的调速空间，该策略可实现电压矢量近似连续调节，有效减小了PMSM的转矩脉动，提高了系统的性能，仿真结果证明了这一结论。 在上述工作的基础上，研制开发了一套基于TMS320LF2407A的高性能全数字永磁交流调速系统。该系统以空间矢量PWM控制为核心。 关键词：交流调速 空间矢量PWM 弱磁控制
    IIABSTRACT Along with the development of the manufacturing as an important part of the digital control machine tool and the robot etc., PMAC servo system has been the important domain of the domestic and foreign research and application. With developments of power converters technology and high performance microprocessors, servo system is steadily moving towards fully digital implementation of the controllers. Fully digital AC servo system has high reliability, and it is excellently flexible to implement new control strategies without ameliorating system hardware. This thesis presents the recent and new developments of the space vector PWM techniques for permanent magnet synchronous motors (PMSM). Many important issues about space vector PWM control for PMSM, from the basic theory to new control algorithms, have been investigated both analytically and numerically. Based on the comprehensively deep research on the PMSM's mathematic model and control theory, deep theory and substantially experimental research are made in this paper on the PMSM's space vector control and field-weakening control. A stator flux oriented control of the PMSM based on the SVPWM is presented. It can realize the approximate continuous voltage vector; and decrease the torque ripple. The conclusion above is verified by the simulation and experiment results. Grounded on the work above, a high performance full digital PM AC Servo system based on the TMS320LF2407A is developed. Having the space vector PWM as the core of the servo system, it has qualities such as multi-interface, wide speed range, and good dynamic and static performance. Keywords：AC Servo Space Vector PWM Field-weakening Control
    独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密□，在______年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密□。 （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日
    11 概 述 电力传动系统是在各种应用场合中转换电能为机械能的装置。目前最为普遍的传动方式是调速传动，即按照需要调节电机的速度和转矩以适应各种机械负载的变化。传统的直流电机调速控制由于机械换相器和电刷的固有缺陷己逐渐退出历史舞台。电力电子器件以及微处理器技术的迅速发展，使交流电机调速运行技术逐渐成熟。交流电机分为异步电机和同步电机。异步电机转子结构简单、可靠，在工业中被大量应用，但功率因数低、效率也受影响。电励磁同步电机转子结构较复杂，但功率因数高、效率也高。如果用永磁体励磁构成永磁同步电机，则可兼顾两者优点，因此永磁同步电机及其高性能控制的研究己成为当前的研究热点，本章主要对永磁同步电机及其控制研究现状进行综述。 1.1 永磁同步电机简介 由于高性能电机控制理论和电力电子技术以及微机控制技术的迅速发展，永磁(PM)电机以其高效性，高转矩惯量比，高能量密度而得到了更多关注。 PM电机通常分为两类：永磁无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)。BLDC通常具有梯形波反电势波形，如图1.1b)。梯形波反电势由定子集中绕组和方波充磁的表面磁铁产生。其转子位置的测量可以非常方便地利用反电势的测量得到，控制方式简单。但存在转矩脉动,换相间存在冲击电流，一般不太适用于高性能驱动。 图1.1 两种永磁同步电动机理想激励波形 a) 正弦波 b) 梯形波
    2 图1.2 PMSM的不同转子结构 (a)表贴式 (b)插入式 (c)内嵌式 PMSM与BLDC的不同仅在于控制策略和激励电压的方式。在PMSM中，电机反电势的形状基本上是正弦的，如图1.1a)所示，其正弦的纯度取决于永磁材料充磁的质量。如果永磁铁在转子中的放置正确，纯正弦的气隙密度是可以得到的。因为实际上定子绕组不会精确正弦分布，因此其气隙密度也只能是尽量接近正弦。 PMSM电机转子的结构和永磁体的安装方法对电机的性能影响很大。图1.2显示了PMSM的三种基本的结构。永磁体可以安装于转子表面或是嵌入于转子内部。表面安装式和嵌入式的PMSM各有优缺点。如图1.2(a)所示的表面安装式转子结构可能是最简单、最便宜的一种结构，也是现今用得较多的结构。这种结构中电机转子直径变得较小，从而使得电机的惯量较小，因而这种结构适用于伺服系统。 在PMSM中，小电感将导致弱磁控制成为一个问题。在弱磁控制期间，随着转速的增加，电压将达到逆变器所能提供的最大值，但转速还没有达到给定指令，速度依然需要不断上升。而弱磁的控制是通过增加反相直轴定子电流分量实现的，如果电感很小，弱磁就只能通过较大的去磁电流和降低负载来实现了。 永磁体也可以如图1.2(b)那样置于转子表面。这种结构称为插入式转子，这种结构的永磁体更稳定，有利于漏磁链的增大。 如图1.2(a)所示的具有置于转子表面的永磁体的电机在理论上属于隐极电机，其交、直轴电感稍有差异。然而插入式和嵌入式电机（图1.2(b)、(c)）属于凸极电机，因交、直轴电感不同会产生一个磁阻转矩。 如图1.2(c)所示的嵌入式电机虽然结构复杂、昂贵，但是具有几个优点。因有高气隙磁通密度，因此它较表贴式电机产生更大的转矩。因为永磁体嵌入转子中，永磁体去磁的危险性减小，电机还可以运行于更高的旋转速度而无需顾虑转子中永磁体是
    3否会遭受离心力破坏。此结构的另一好处就是气隙磁通易于正弦分布，从而可降低齿槽转矩效应。 本文将重点研究具有近似正弦反电势的永磁同步电机，并以PMSM来简称。 1.2 PMSM驱动系统的速度控制方法 常用的PMSM的控制策略有如图1.3所示三类，分别为变压变频控制(VVVF)，磁场定向矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)。下面将对各控制方法的具体实现和特点进行说明。 PMSMUFSVPWM3phase−InverterDCUrefω (a) VVVF控制 PISVPWM3-phaseInverter,dq,αβPI,dq,αβ,,abc,αβPMSMPosition andspeed sensingPIrefnSqrefiSdrefiSqrefvSdrefvSrefvαSrefvβaubucuaibisiβsiαsdisqineθSensor InformationDCUParkClarkePark (b) 矢量控制
    4HystersiscontrollerHystersiscontrollerControllerSwitchtable1s3-phaseInverterPMSMaiDCVPIrωrTsrψdψdT123456,TΨbiencoderaibiDCV−−−+++fωfψfTfψ （c） 直接转矩控制器 图1.3 PMSM的主要控制方法 1.2.1 VVVF控制 VVVF控制策略的控制变量为电机的外部变量，即电压和频率。控制系统将参考电压和频率输入到实现VVVF的调制器中，最后由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。逆变器所用的调制方式为脉冲宽度调制(PWM)。PWM可以有多种不同的实现方式，如空间矢量调制(SVPWM)。PMSM的VVVF控制方框图如图1.3(a)所示。 这种控制方法无需从电机引入任何速度、位置或电压、电流反馈信号，属于开环控制。这种控制系统易于实现且价格低廉。由于系统中不引入速度、位置或其它任何反馈信号，因此不能即时捕捉电机状态，无法对电机进行精确的电磁转矩控制。由于仅使用一个调节器实现对输入电压和磁链的调制，将导致输入电压、频率信号和电机最终的转矩、速度反应之间的通讯速度降低，使电机的响应变慢。这种驱动系统仅适用于风机、水泵之类无需精确控制的场合。 1.2.2 磁场定向矢量控制 Blaschke在1971年发表了第一篇有关异步电机(IM)的矢量控制(VC)的方法，之后该方法被应用于PMSM中。这种控制方法目前已经全面发展并在工业上被认为是较成
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