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第1章绪论课题讨论的背景永磁同步电机的进展状况永磁同步电机消失于20世纪50年月其运行原理与一般电激磁同步电机相同,但它以永磁体替代激磁绕组,使电机结构更为简洁,提高了电机运行的牢靠性随着电力电子技术和微型计算机的进展,20世纪70年月,永磁同步电机开头应用于沟通变频调速系统由于受到功率开关元件、永磁材料和驱动掌握技术进展水平的制约,永磁同步电机最初都采纳矩形波波形,在原理和掌握方式上基本上与直流电机类似但这种电机的转矩存在较大的波动为了克服这一缺点,人们在此基础上乂研制出带有位置传感器、逆变器驱动的正弦波永磁同步电机,这就使得永磁同步电机有了更宽阔的前景永磁同步电机掌握系统的进展随着永磁同步电动机的掌握技术的不断进展,各种掌握技术的应用也在逐步成熟,比如SVPWM、DTC、SVM-DTC、MRAS等方法都在实际中得到应用然而,在实际应用中,各种掌握策略都存在着肯定的不足,如低速特性不够抱负,过分依靠于电机的参数等等,因此,对掌握策略中存在的问题进行讨论就有着非常重大的意义2世纪90年月后,随着微电子学及计算机掌握技术的进展,高速度、高集成度、低成本的微处理器问世及商品化,使全数字化的沟通伺服系统成为可能通过微机掌握,可使电机的调速性能有很大的提高,使简单的矢量掌握与直接转矩掌握得以实现,大大简化了硬件,降低了成木,提高了掌握精度,还能具有爱护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能此外,转变掌握策略、修正掌握参数和模型也变得简洁易行,这样就大大提高了系统的柔性、牢靠性及有用性近几年,在先进的数控沟通伺服系统中,多家公司都推出了特地用于电机掌握的芯片能快速完成系统速度环、电流环以及位置环的精密快速调整和简单的矢量掌握,保证了用于电机掌握的算法,如直接转矩掌握、相对匕的空间角度转矩角掌握0=万/2时,向量八与匕正交,我们将这种状况称为“磁场定向”此时每安培定子电流产生的转矩值最大,即可获得最高的转矩/电流比值,电动机铜耗也最小明显,这是一种很有吸引力的运行状态因此,永磁同步电机的磁场定向矢量掌握就是要精确地检测出转子的空间位置d轴,通过掌握逆变器使三相定子的合成电流位于q轴上,那么,永磁同步电机的电磁转矩只与定子电流的幅值成正比,即掌握定子电流的幅值就能较好地掌握电磁转矩图4-3给出了转子磁场定向的矢量掌握系统原理图图4-3PMSM矢量掌握的原理图若使两相d-q坐标系与转子磁链同步旋转,并进一步将d轴取在转子磁链方向上,则转子磁链与转矩分别由定子电流的励磁重量凌和转矩重量4来掌握,当转子磁链幅值保持恒定时,系统可实现对转矩与转子磁链的解耦掌握图4-3表明,这是一个电流内环、转速外环的双闭环掌握系统首先,依据检测到的电机转速和输入的参考转速,采用转速与转矩的关系,通过速度PI掌握器计算得到定了电流的参考输入源“f和4面通过相电流检测电路提取4和八,再使用Clark变换将它们转换到定了两相坐标系中,然后使用Park变换将它们转换到d-q旋转坐标系中,再将d-q坐标系中的电流信号与它们的却.和4M相比较,其中,;drcf=O通过PI掌握器获得抱负的掌握量掌握信号再通过Park逆变换送到三相逆变器,从而得到掌握定了三相对称绕组的实际电流外环速度环产生了定子电流的参考值,内环电流环得到实际掌握信号,从而构成一个完整的速度矢量双闭环掌握系统
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2.2永磁同步电机的矢量掌握方法的选择永磁同步电机用途不同,电机电流矢量的掌握方法也各不相同可采纳的掌握方法主要有1id=0掌握;2最大转矩/电流掌握;3掌握cos°=l;4恒磁链掌握;5弱磁掌握;6最大输出功率掌握不同掌握方法具有不同的优缺点,如方=0最为简洁,cos^=I可降低与之匹配的逆变器的容量,恒磁链掌握可增大电动机的最大输出转矩等当采纳=0的掌握方案时,转矩和%呈线性关系,只要对4进行掌握就达到了掌握转矩的目的并且,在表面式永磁同步电机中,保持乙=0可以保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩或者说,在产生所要求转距的状况下,只需最小的电流,从而使铜耗下降,效率有所提高这正是本文采纳这种掌握策略的缘由3MATLAB仿真工具箱简介MATLAB/SIMUL1NK是MATHWORKS公司开发的用于数学计算的工具软件它具有强大的矩阵运算力量、绘图功能、可视化的仿真环境SIMULINKoSIMULINK可以对通信系统、非线性掌握、电力系统等进行深化的建模、仿真和讨论它由模块库、模型构造及分析指令、演示程序Dem三部分组成用户进行仿真时很少需要程序,只需要用鼠标完成拖拉等简洁的操作,就可以形象地建立起被讨论系统的数学模型,并进行仿真和分析讨论⑶L
4.4永磁同步电机矢量掌握仿真模块的建立基于永磁同步电机的矢量掌握原理,采用MATLAB仿真工具,建立了系统的仿真模型
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4.1坐标变换模块矢量掌握中用到的坐标变换有Clarke变换将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的转换和Park变换将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系的变换静止的三相定子坐标系a-b-c和静止的两相定子坐标系a邛以及固定在转子上的两相旋转坐标系dq间变换矩阵的MATLAB实现如图4-4所示图4-4d-q到a-p变换
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4.2SVPWM模块从原理上讲,SVPWM着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场,当电机通以三相对称正弦电压时,沟通电机内产生圆形磁链,SVPWM以此圆形磁链为基准,通过逆变器功率器件的不同开关模式产生有效矢量来靠近基准圆,即用多边形来靠近圆形,同时产生三相互差120°电角度的接近正弦波的电流来驱动电机由于逆变器产生的矢量数目有限,不能产生角度连续变化的空间矢量,SVPWM方法通过上述8个基本空间电压矢量中两个相邻的有效矢量及零矢量,并依据各自的作用时间不同来等效电机所需的空间电压矢量K其原理如图4-5所示图4-5基本电压矢量1扇区选择依据图4-5中各扇区与匕,灯的关系,当外>0时,令A=l当6%—匕>0时,令8=1当6匕+h<时,令C=lWN=A+23+4V可得到各扇区与N的对应关系如表4-1所示其模型如图4-6所示表4TN与扇区号得对应关系⑵基本电压矢量的作用时间力和Tm令八急小1曲;电匕+/’z=濠的匕心则N与矢量作用时间T|和Tm的对应关系如表4-2所示图4-6扇区选择之后还要进行饱和推断,当K+7;>,时,应取T\=T\TJ5D,Tm=+4,其MATLAB实现如图4-7所示图4-7基本矢量作用时间表4-2N与矢量作用时间对应关系⑶计算开关作用时间应关系如表4-3所示其中,MATLAB实现如图4-8所示图4-8开关作用时间表4-3N与7;mx的对应关系计算得到的,T,m3值与等腰三角形进行比较,就可以生成对称空间矢量PWM波形将生成的PWM1PWM3PWM5进行非运算就可以生成PWM2PWM4PWM6同时还应将去其由bool型转换成double类型,如图4-9所示再将上述模块连接生成SVPWM整体模型如图4-10所示
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4.3逆变器模块仿真中用到的逆变器和永磁同步电机模型是采用MATLAB/SIMULINK中的S1MPOWERSYSTEM中给出的模型电机测量模块可以直接检测出电机的各输出物理量作为反馈参数构成电机闭环系统输入为SPWM模块给出的6组掌握信号,输出为三相相电压该逆变器模块,有6个IGBT功率开关器件,反向并联续流二极管,依据SPWM模块给出的6组掌握信号掌握各个功率开关器件导通与关断,从而输出三相电压
4.5仿真讨论采用MATLAB/SIMULINK的SIMPOWERSYSTEM所供应的PMSM模块和输出测量模块,PMSM模块输入为三相电压和负载转矩PWSM矢量掌握闭环掌握系统模型如图4-12其中参数可以自行设定,具体参数有:定子电阻RC、交直轴定子电感乙“、
4、转子磁场通从MWb>电机转动惯量Jkg•m
2、粘滞摩系数8N•加…、极对数〃等图4T2PWSM矢量掌握闭环掌握系统模型
4.51仿真结果分别为电机三项电流,转矩,速度由仿真结果可以得出⑴波形符合理论分析,系统运行稳定,具有较好的静、动态特性2为保证起动过程达到设计要求,既要依据PMSM数学模型选择和设计合适的仿真模型,又要合理设定仿真参数3采纳该PMSM矢量掌握系统仿真模型,可快捷验证掌握算法,也可对其进行简洁修改或替换,完成掌握策略的改进,通用性较强第5章全文总结本论文系统地分析了永磁同步电机数学模型、采用矢量掌握的方法对永磁同步电机进行掌握仿真,其中主要做了以下几个方面工作1首先分析了仿真与建模的亲密关系以及建模的五大要素2具体介绍了永磁同步电机的数学建模,把定子静止三相坐标系通过变换得到定子两相坐标系,再通过变换得到空间旋转坐标系,达到永磁同步电机各个参数量化的目的参考文献
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18.矢量掌握、神经网络掌握等可以高速、高精度的完成非线性解耦掌握、人工神经网络自适应掌握、模型参考自适应掌握、观测掌握及状态观测器、线性二次型积分掌握及模糊智能掌握等各种新的掌握策略正在不断涌现,呈现出更为宽阔的前景因此,采纳高性能数字信号处理器的全数字沟通永磁伺服智能掌握系统是沟通伺服系统的重要进展方向之一
1.2本文主要工作本文立题为永磁同步电机掌握系统仿真,进行了一系列的工作,主要涉及以下的讨论内容1建模与仿真的关系,及仿真的实际应用意义;2介绍永磁同步电机的分类、结构与应用,给出永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型及运动方程;3介绍永磁同步电机矢量掌握的理论基础;4建立永磁同步电机矢量掌握系统的仿真模型;5对仿真结果的进行分析,得出永磁同步电机的性质特点第2章建模与仿真建模与仿真是指构造现实世界实际系统的模型和计算机上进行仿真的有关简单活动,它主要包括实际系统、模型和计算机等三个部分,同时考虑三个基本部分之间的联系,即建模与仿真关系图2-1建模与仿真的基本组成与两个关系第3章永磁同步电机结构及其数学模型永磁同步电动机的概述
1.1同步电机的基本原理同步电动机是一种沟通电动机,其主要特点是电动机转速与电动机定子电流频率以及电动机极对数存在着严格不变的关系一般同步电动机由定子和转子两大部分组成,电动机定子由定子铁心、定子绕组和机壳组成电动机转子有凸极式和隐极式两种结构形式,隐极式转子做成圆柱形且其气隙匀称,而凸极式转子的磁极明显凸出且气隙不匀称,极弧底下气隙较小,极间部分气隙较大一般而言,当同步电动机转速较小时,可采纳结构简洁的凸极式转子结构同步电动机的励磁绕组套在转子磁极铁心上,而经由电刷和集电环引入的励磁电流应能使转子磁极的极性呈现NS极交替排列[3⑵同步电动机的工作原理,就是电动机定子的旋转磁场以磁拉力拖着电动机转子的同步地旋转电动机定子三相绕组接入三相电流而产生的旋转磁场与电动机转子励磁绕组接入直流电流而形成的转子磁场相互作用同步电动机的转速表达式为〃=%=6Q4/〃n式中孤为电源频率;Pn为电动机的极对数;质为同步转速
1.2永磁同步电机的基本结构与传统电机全都,永磁同步电机由定子和转子两大部分组成与传统同步电机定子结构基本相同,永磁同步电机定子主要由冲有槽孔的硅钢片、三相Y型连接的对称分布在槽中的绕组、固定铁芯的机壳及端盖等部分组成三相永磁同步电机的基本结构如图3-1所示假如在三相空间对称的定子绕组中通入三相时间上也对称的正弦电流,那么在三相永磁同步电机的气隙中会产生一个在空间旋转的圆形磁场,其转速为片〃S=6咙仇式中,力为电源频率;Pn为电动机的极对数;%为同步转速2永磁同步电机数学模型数学模型能够描述实际系统各物理量之间的关系和性能,是被描述系统的近似模拟永磁同步电机的数学模型熟悉、分析电机的运动规律和各变量间的因果或定量关系,是对永磁同步电机进行掌握的理论基础永磁同步电机的定子与一般励磁同步电机的定子一样都是三相对称绕组通常依据电动机惯例规定各物理量的正方向以三相星形180°的通电模式为例来分析PMSM的数学模型及电磁转矩等特性[回2引为了便于分析,假定1磁路不饱和,电机电感不受电流变化影响,不计涡流和磁滞损耗;2忽视齿槽、换相过程和电枢反应的影响;3三相绕组对称,永久磁钢的磁场沿气隙四周正弦分布;4电枢绕组在定子内表面匀称连续分布;5驱动二极管和续流二极管为抱负元件;3-
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2.1电压平衡方程三相永磁同步电机的定子绕组和一般三相沟通感应电机或同步电机的定子绕组很相像的,三相绕组空间分布,轴线互差120°电角度,每项绕组电压与电阻压降和磁链变化相平衡有所不同的是定子每相绕组内部的磁链,一般三相沟通感应电机由定子三相电流和转子电流共同产生;一般同步电机由定子三相绕组与转子励磁电流和阻尼绕组电流共同产生;永磁同步电机由定子三相绕组电流和转子永磁体产生定子三相绕组电流产生的磁链与转子的位置角有关,其中转子永磁磁链在每相绕组中产生反电动势由此得到定子电压方程式〃A=R、,A+〃歹A3-2〃B=RJb+p+b3-3uc=RJc+p+c3-4其中三相绕组电压;尺-每相绕组电阻;..ic-三相绕组相电流;匕-三相绕组匝链的磁链;〃=/力-微分算子
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2.2磁链方程定子每相绕组磁链不仅与三相绕组电流有关,而且与转子永磁极的励磁磁场和转子的位置角有关,因此磁链方程可以表示为八=La/a+Mabb+Macc+%A3-5—B=MB\iA+,Bbb+Mrcc+3-6+c=Mca,a+Mcbb+Lccc+卜fc3-7其中4b,Lbb,Lcc-每相绕组互感;Mab=A/bajWbc=McbMca=Mac-两相绕组互感;匕A,匕B,匕「三相绕组匝链的磁链的转子每极永磁磁链并且匕定子电枢绕组最大可能匝链的转子每极永磁磁链匕A=匕cos匕B=%cos6一24/3匕c=匕cos+21/
33.
2.3感应电动势转子永磁在气隙中产生的正弦分布磁场,正弦分布磁场的幅值以2是恒定的,空间位置就是转子永磁磁极的直轴位置,它相对于定子A相绕组轴线等于转子位置角0,在空间的分布可以表示为匕=匕cosa-3-11或者匕ga=匕cosacos+匕sinasin03-12当永磁磁极旋转,转子位置角随时间变化时,由式3-12可知,转子永磁磁场是一个幅值恒定不变、幅值位置二随转子永磁磁极位置变化的圆形旋转磁场,旋转磁场的幅值在空间的转速等于转子转速对每一相定子电枢绕组来说,旋转的圆形旋转磁场会在绕组中感应电势,称为运动电势由于圆形旋转磁场对于空间任意一点确定的位置仍旧表现为脉动的磁场,而且任意时刻圆形旋转磁场的空间分布仍旧具有正弦规律,因此由式3-13可以看出,对于每一相定子电枢来说,绕组轴线的空间位置角是确定的,转子圆形旋转磁场相当于是两个正交的脉振磁场的叠加【2-231如图头2所示该圆形旋转磁场从定子上观测,相当于一个同A相绕组轴线重合依据余弦规律变化的脉振磁场匕与另一个同A相绕组垂直依据正弦规律变化的脉振磁场匕2的叠加,即有匕a=%cos3-13匕asin3-14与A相绕组轴线正交的脉振磁场匕在A相绕组中匝链的磁链等于0因此巴“在A相绕组中产生的感应电势也是等于0o而与绕组轴线重合的脉振磁场匕.a则产生感应电势依据电磁感应定律,可以得到A相绕组由转子永磁磁场引起的感应电势为幺=一吗4=叫5皿63-15图3-2圆形磁场与脉振磁场其中转子旋转的电角速度等于转子位置角的微分=〃夕3-16同理有,匕b=%cos-21/33-17匕c=%cos8+2乃/33-18由此,依据式3-18可以求出B相和C相绕组中由转子永磁磁场产生的感应电势分别为%=sin6-2;r/33-194=叫sin6+21/33-20三相绕组感应电势也可以用统一的表达式,即6二3匕$皿夕一右3-21由式3-21可知,永磁磁场在定子电枢绕组中产生的感应电势的幅值为匕,它不仅与转子的转速成正比,还与转子永磁磁场与定子电枢绕组匝链的磁链成正比
3.3坐标变换对于三相永磁同步电机来说,它是一个具有多变量、解耦合及非线性的简单系统,要想对它进行直接的掌握是非常困难的,因此借助于坐标变换,将它解耦,使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系,此时,同步坐标系中的各空间向量就都变成了直流量,这样就把定子电流中的励磁重量和转矩重量变成标量独立开来,对这些给定量实时掌握,就能达到直流电机的掌握性能了
3.
3.1三相静止坐标系A-B-C轴系三相永磁同步电机的定子中有三相绕组,其绕组轴线分别为A、B、C且彼此相差120空间电角度,构成了一个A-B-C三相坐标系,如图3-3所示空间矢量匕在三个坐标轴上的投影分别为匕、%、匕,代表该矢量在三个绕组上的重量“8-23)图3-3三相静止坐标系
3.
3.2两相静止坐标系(a-0轴系)定义一个两相直角坐标系(a-0轴系),它的a轴和三相静止坐标系的A轴重合,0轴逆时针超前a轴90空间电角度,如图3-4图中匕、峥为匕矢量在a-p坐标系的投影由于a轴固定在定子A相绕组轴线,故a-0坐标系亦为静止坐标系
3.
3.3两相旋转坐标系(d-q轴系)两相旋转坐标系固定在转子上,其d轴位于转子磁极轴线,q轴逆时针超前d轴90°空间电角度,如图3-4所示,该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转,故为旋转坐标系图3-4两相静止坐标系
3.4三相静止坐标系与两相静止坐标系间的变换(3s/2s)在三相静止坐标系中,空间矢量匕可由匕、
4、%来表示,即用匕、%、%来合成匕,有.2jt匕=匕+匕+2匕(其中,a=e^)(3-22)同样,也可以在两相静止坐标系中用匕、”来合成外假如保证两次合成的矢量相等,那么这种变换就是等效变换.2»匕=匕+.陷=匕+%/(其中,a=e^)(3-23)分别实部和虚部,有匕=匕一;%-;匕(3-24)匕=白匕一半%(3-25)写为矩阵形式111VAV22广逅正;32622°式3-26的变换被称为clarke变换,假如按总磁势、总功率不变的原则,上式方程右边矩阵前加系数历第4章永磁同步电机的矢量掌握系统
4.1永磁同步电机的掌握策略及仿真
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1.1矢量掌握SVPWM矢量掌握的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链经坐标变换变成以转子磁链定向的两相参考坐标系,参照直流电机的掌握思想,完成电机转矩的掌握磁场定向矢量掌握的优点是有良好的转矩响应,精确的速度掌握,零速时可实现全负载但是,矢量掌握系统需要确定转子磁链,要进行坐标变换,运算量很大,而且还要考虑电机转子参数变动的影响,使得系统比较简单,这是矢量掌握存在的不足之处⑶々6】本文所采纳的掌握策略为矢量掌握
4.
1.2直接转矩掌握DTC它通过对定子磁链定向,实现对定子磁链和转矩的直接掌握其掌握思想是通过实时检测电机转矩和磁链的幅值,分别与转矩和磁链的给定值比较,由转矩和磁链调整器直接从一个离线计算的开关表中选择合适的定子电压空间矢量,进而掌握逆变器的功率开关的状态直接转矩掌握不需要简单的矢量坐标变换,对电机模型进行简化处理,没有脉宽调制PWM信号发生器,掌握结构简洁,受电机参数变化影响小,能够获得较好的动态性能但是也存在着一些不足如逆变器开关频率不固定;转矩、电流脉动大;实现数字化掌握需要很高的采样频率等124-2叫
4.2永磁同步电机矢量掌握的理论基础
4.
2.1永磁同步电机磁场定向矢量掌握的基本原理图4-1永磁同步电机矢量图矢量掌握的思想源于对直流电机掌握的严格模拟,通过磁场定向将定子电流矢量分解为两个重量励磁电流重量和转矩电流重量,并使两重量相互垂直彼此独立,然后分别加以掌握,从而可获得很好的解耦掌握特性矢量掌握需要使用坐标变换来实现,如图4-1所示其中包含从三相坐标系A-B-C到两相坐标系a邛的变换,从两相静止坐标系a邛到两相旋转坐标系d-q的变换,相关变换关系公式见第三章依据矢量掌握原理,在不同的应用场合可选择不同的磁链矢量作为定向坐标轴,依据定位的磁场矢量方向不同,目前存在四种磁场定向掌握方式转子磁链定向掌握、定子磁链定向掌握、气隙磁链定向掌握和阻尼磁链定向掌握对于PMSM主要采纳转子磁链定向方式,该方式对小容量驱动场合特殊适合依据转子磁场定向矢量掌握原则,采纳同转子以相同电角速度旋转的两相旋转坐标系d-q此时永磁同步电机等效模型见图4-2所示[回231图4-2d-q坐标系下电机模型图4-2中取逆时针方向为转速的正方向d-q坐标系随定子磁场同步旋转,d轴固定在永磁体磁链匕方向上,沿转速方向逆时针旋转超前d轴90度电角度为q轴为定子三相基波合成旋转磁场轴线与永磁体基波励磁磁场轴线间的空间电角度,则工三[cosp4-1名三%sin£4-2Tc=
1.5%叱4sin4+
0.5Ld-Lq资sin2/7]4-3由式4-3可以看出,永磁同步电机输出转矩中包含两个重量,第一项是由两磁场相互作用所产生的电磁转矩,其次项是由凸极效应引起,并与两轴电感参数的差值成正比的磁阻转矩对于隐极永磁同步电机,=4其次项为零,不存在磁阻转矩,只存在电磁转矩即7;=
1.5%匕sin64-4由于匕是不行调整的,因此矢量掌握就是掌握定子电流矢量i的幅值和它扇区号IIIIIIIVVVIN315462N1234567}-ZYZ-XX-YTmY-XX-Z-YZN123456T1om1八T.八T1om2r八八T1om3八£♦。