永磁同步電機的矢量控制策略的研究和實現(xiàn)

1、永磁同步電機矢量控制策略的研究與實現(xiàn) 主要內(nèi)容l 基于永磁同步電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型的控制策略l PMSM電機的FOC控制策略l 后續(xù)的工作2/19一.永磁同步電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型的控制策略l 電動機是電能與機械能轉(zhuǎn)換的能量載體，電氣傳動控制技術(shù)則通過電壓、電流、頻率等電氣量，實現(xiàn)速度、轉(zhuǎn)矩、角度、位移等機械量的控制、使得生產(chǎn)機械按照人們期望的方式運行。3/19l 相對于異步電機，永磁同步電機具有功率密度大，功率因數(shù)高，效率高，體積小、重量輕等特點。作為一種極具發(fā)展前景的新型電機，由于其自身的優(yōu)良性能，具有節(jié)能環(huán)保的特點，將會贏得更為廣闊的發(fā)展空間。4/195/19CBACBAsCBAddtiiiRuu

2、u)120(cos)120(coscos rCBACCCBCABCBBBAACABAACBAiiiLMMMLMMML三相靜止坐標(biāo)系下的定子磁鏈方程其中， 為定子三相繞組的磁鏈， 為定子三相繞組的自感系數(shù)， 為定子三相繞組兩兩之間的互感系數(shù)，為 方向與A相繞組軸線方向的夾角。ACBBBLCCLAALBAMABMACMCAMBCMCBMr三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程:6/192022-3-20定子三相繞組是對稱的且互為120度，所以有:BCCBCABAACABMMMMMMMCCBBAALLLL由于三相繞組是星型連接，且無中線，所以有:0CBAiii所以三相靜止坐標(biāo)系下的定子磁鏈方程可表示為)120(

3、cos)120(coscos )(rCBACBAiiiML電壓方程可表示為)120(sin)120(sinsin dd)(rrCBACBAsCBAiiitMLiiiRuuu轉(zhuǎn)子電角速度可表示為dtdr7/192022-3-20電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示為)120(sin)120(sinsin(eCBArpiiinT 根據(jù)永磁同步電機在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型公式可以看出，許多電機參數(shù)和轉(zhuǎn)子位置角度有關(guān)，而其是時變系數(shù)，所以此時系統(tǒng)是非線性的。由于非線性系統(tǒng)的復(fù)雜性，利用坐標(biāo)變換原理簡化永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)坐標(biāo)變換原理，可建立永磁同步電機在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。8/19)()(ddddf

4、dqqdqeqqqfddddeqqqqedddqdpqdprpLLiiniiLLninTiLiLtRiutRiudq軸系下的電壓方程qqqfdddiLiL)(ddddddfeqqqqqqeddddiLtiLRiuiLtiLRiu9/192022-3-20電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示為)()(dqqdqerqdpqdprpLLiiniiLLninT 從上式可知，由于轉(zhuǎn)子磁鏈幅值為恒定值，通過控制永磁同步電動機定子電流的d, q軸分量便可控制永磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩輸出。運動方程可表示為repplnBdtdnJTT其中，J為轉(zhuǎn)動慣量，B為粘滯摩擦系數(shù)。對于表貼式三相PMSM，定子電感滿足sLLLqdmprnm

5、N30rdtr其中， 為電機的機械角度，rad/s；Nr為電機的轉(zhuǎn)速,r/minm10/192022-3-2011/192022-3-20)(ddddddfeqqqqqqeddddiLtiLRiuiLtiLRiu)()(dqqdqerqdpqdprpLLiiniiLLninTl PMSM(Permanent synchronous motor)的控制策略按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制滑膜變結(jié)構(gòu)控制智能控制l 在上述諸多控制策略中，只有前兩種方法廣泛應(yīng)用于實際的變頻調(diào)速系統(tǒng)中。而其他的控制方法大都停留在理論實驗階段，并沒有在實際中得到廣泛應(yīng)用。12/19二.

6、PMSM電機的FOC控制策略13/19 定子電流經(jīng)過坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐定子電流經(jīng)過坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流標(biāo)系上的電流 和和 ，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和實現(xiàn)，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和實現(xiàn)弱磁控制。弱磁控制。 FOC中需要測量的量為：定子電流、中需要測量的量為：定子電流、 轉(zhuǎn)子位置角轉(zhuǎn)子位置角 1、工作原理dsiqsi14/19n以轉(zhuǎn)子磁場定向以轉(zhuǎn)子磁場定向n系統(tǒng)動態(tài)性能好，控制精度高系統(tǒng)動態(tài)性能好，控制精度高n控制簡單、具有直流電機的調(diào)速性能控制簡單、具有直流電機的調(diào)速性能n運行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動很小運行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動很小2、FOC特點15/19n 控制控制 定子電流中只有交軸分量，是一種轉(zhuǎn)子磁

7、鏈定向定子電流中只有交軸分量，是一種轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量控制，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?？刂葡鄬φ唬姍C的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比?？刂葡鄬Ρ容^簡單，實現(xiàn)起來比較容易。比較簡單，實現(xiàn)起來比較容易。 其性能類似于直流電機，控制系統(tǒng)簡單，轉(zhuǎn)矩性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)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。和逆變器容量不能

8、充分利用。3、FOC控制方式0di 16/19n 控制控制 控制交、直軸電流分量，保持控制交、直軸電流分量，保持PMSMPMSM的功率因數(shù)為的功率因數(shù)為1 1，在在 條件下，電機的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈條件下，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?，F(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。的最大轉(zhuǎn)矩較小。n最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩/ /電流比控制電流比控制 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）。制）。 它是凸極它是凸極PMSMPMSM用的較多的一

9、種電流控制策略。當(dāng)輸出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，可以減小電機的轉(zhuǎn)矩一定時，逆變器輸出電流最小，可以減小電機的銅耗。對于表面式永磁同步電機來說，銅耗。對于表面式永磁同步電機來說， 的控制即的控制即為最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。為最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。cos1cos10di 17/19（1 1）SVPWMSVPWM模塊模塊（2 2）電流讀取模塊）電流讀取模塊（3 3）轉(zhuǎn)子速度）轉(zhuǎn)子速度/ /位置反饋模塊位置反饋模塊（4 4）PIDPID控制模塊控制模塊（5 5）坐標(biāo)變換模塊）坐標(biāo)變換模塊18/1919/191.研究永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的工作原理、模型建立和仿真驗證;2.采用TMS320F28335數(shù)字信號處理器為控制芯片，完成永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn);3.并對交流調(diào)速實驗平臺進(jìn)行搭建和實驗驗證，可以實現(xiàn)高性能的數(shù)字化調(diào)速算法及智能控制算法實驗。硬件部分：設(shè)計永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的控制板電路和電源電路、系統(tǒng)主電路、信號檢測電路