永磁同步电机控制策略

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,永磁同步电,机,机的控制策,略,略,张遥,当前永磁同,步,步伺服系统,的,的控制策略,主,主要有,：,磁场定向（,矢,矢量）控制,直接转矩控,制,制,自适应控制,滑模变结构,控,控制,调压调频（,VVVF,）控制,PID,控制,线性化控制,模糊控制和,神,神经网络控,制,制以及多种,控,控制策,略的复合控,制,制,矢量控制也,称,称做磁场定,向,向控制,(FOC),其基本思路,是,是,:,通过坐标,变,变换实现模,拟,拟直流电,机,机的控制方,法,法来对永磁,同,同步电机进,行,行 控制,其实现步骤,如,如下：,一、根据磁,势,势和功率不,变,变的原则通,过,过正交变换,将三相静止,坐,坐标变换成,二,二相静止坐,标,标，也就是,Clarke,变换，将三,相,相的电流先,转,转变到静止,坐,坐标系，再,通,通过旋转变,换,换将二相静,止,止坐标变成,二,二相旋转坐,标,标，也就是,Park,变换，,Park,变换中定子,电,电流矢量被,分,分解成按转,子,子磁场定向,的,的,2,个直流分量,id,、,iq(,其中,id,为励磁电流,分,分量,iq,为转矩电流,分,分量,),。,二、通过控,制,制器对其速,度,度电流环进,行,行控制,控制,id,就相当于控,制,制磁通,而控制,iq,就相当于控,制,制转矩。,iq,调节参考量,是,是由速度控,制,制器给出，,经,经过电流环,调,调节后得出,其,其,d,q,轴上的电压,分,分量即,ud,和,uq,。,.,三、控制量,ud,和,uq,通过,Park,逆变换。,四、根据,SVPWM,空间矢量合,成,成方法实现,矢,矢量控制量,输,输出，达到,矢,矢量控制的,目,目的,矢量控制原,理,理图,永磁同步电,机,机矢量控制,系,系统结构框,图,图,坐标变换图,abc,三相定子电,流,流，经过,claeke,变换为,坐标系，在,经,经过,park,变换为,dq,坐标,Clarke,变换与逆变,换,换,Park,变换与逆变,换,换,SVPWM,产生原理,SVPWM,是空间电压,矢,矢量,PWM,波产生，它,具,具有电压利,用,用率高、低,谐,谐波成分、,开,开关次数少,和,和功率管功,耗,耗小等特点,。,。同时，,SVPWM,还能很好的,结,结合矢量控,制,制算法，为,矢,矢量控制得,实,实现提供很,好,好的途径，,以,以最大限度,的,的发挥设备,的,的性能。因,此,此被越来越,多,多的变频设,备,备所采用。,电压空间矢,量,量,SVPWM,技术的基本,原,原理：,电压矢量与,磁,磁链矢量的,关,关系,:,当用三相平,衡,衡的正弦电,压,压向交,流电机供电,时,时，电动机,的,的定子磁链,空,空间矢量幅,值,值恒定，并,以恒速旋转,，,，磁链矢量,的,的运动轨迹,形,形成圆形的,空,空间旋转磁,场,(,磁链圆,),。因此如果,有,有一种方法,，,，使得逆变,电,电路能向交,流,流,电动机提供,可,可变频、并,能,能保证电动,机,机形成定子,磁,磁链圆，就,可以实现交,流,流电动机的,变,变频调速。,电压空间矢,量,量是按照电,压,压所加在绕,组,组上的空间,位,位置来定的,。,。,电动机的三,相,相定子绕组,可,可以定义一,个,个三相平面,静,静止坐标系,这是一个特,殊,殊的坐标系,，,，它有三个,轴,轴,互相间隔,120,度，分别代,表,表三个相。,三,三相定子相,电,电压,Ua,Ub,Uc,分别施加在,三,三相绕组上,，,，形成三个,相,相电压空间,矢,矢量,Ua,Ub,Uc,它们的方向,始,始终在各相,的,的轴线上，,大,大小则随着,时,时间按正弦,规,规律变化。,因,因此，三个,相,相电压空间,矢,矢量相加所,形,形成的一个,合,合成电压空,间,间矢量是一,个,个以电源角,频,频率速度旋转的,空,空间矢量,:,同样的，也,可,可以定义电,流,流和磁链的,空,空间矢量,I,和,。,。因此有,当转速不是,很,很低的时候,，,，定子电阻,R,的压降相对,较,较小,该式说明，,当,当磁链幅值,一,一定时，,u,的大小与,成正比，或,者,者说供电电,压,压与频率,f,成正比。其,方,方向是磁链,轨,轨迹方向的,切,切线方向。,当,当磁链矢量,在,在空间旋转,一,一周时，电,压,压矢量也连,续,续地按磁链,圆,圆的切线方,向,向运动,弧,弧,度,度，其运动,轨,轨迹与磁链,圆,圆重合。这,样,样，电动机,旋,旋转磁场的,形,形状问题就,可,可转化为电,压,压空间矢量,运,运动轨迹的,形,形状问题来,讨,讨论。,此图是一个,电,电压型,PWM,逆变器。利,用,用这种逆变,器,器功率开关,管,管的开关状,态,态和顺序组,合,合，以及开,关,关时间的调,整,整，以保证,电,电压空间矢,量,量圆形运行,轨,轨迹为目标,，,，就可以产,生,生谐波较少,的,的、且直流,电,电源利用率,较,较高的输出,。,。,SVPWM,是通过三相,交,交流逆变桥,的,的,6,个开关的不,同,同导通模式,产,产生不同的,电,电压基本矢,量,量，通过矢,量,量合成，来,合,合成任意矢,量,量（在实际,允,允许范围内,）,），通过导,通,通时间的不,同,同大小，来,确,确定矢量的,大,大小，这也,就,就是,PWM,调制的原理,。,。上图是一,个,个典型的电,压,压源型,PWM,逆变器模型,。,。令,a=0,表示在第一,组,组桥臂中：,上,上桥臂截止,，,，下桥臂导,通,通，,a=1,表示第一组,桥,桥臂中：上,桥,桥臂导通，,下,下桥臂截止,，,，同理定义,b,c,对应于第二,组,组桥臂和第,三,三组桥臂中,上,上下桥臂的,导,导通关系，,因,因为实际的,工,工作状态不,允,允许逆变的,同,同一组桥臂,同,同时导通，,V(a,b,c),有,8,种导通状态,即,即,V(000),V(001),V(010),V(011),V(100),V(101),V(110),V(111),。,可以推导出,，,，三相逆变,器,器输出的线,电,电压矢量,与,与开关状,态,态矢量,的,的关系,为,为,:,三相逆变器,输,输出的相电,压,压矢量,与,与开关状,态,态矢量,的,的关系为,三相电压源,逆,逆变器的,8,个电压空间,矢,矢量,SVPWM,通过这六个,基,基本向量和,零,零向量来合,成,成我们所需,的,的向量，可,见,见这六个向,量,量把向量空,间,间分为六部,分,分，在不同,区,区间内，向,量,量都可使用,它,它邻近的两,个,个基本向量,来,来进行合成,，,，可以使用,PWM,的概念通过,占,占空比来调,节,节基本的大,小,小，通过在,采,采样周期内,导,导通时间的,控,控制来近似,被,被调制向量,在,在该方向上,的,的大小。,如果向量如,图,图所示位置,则,则：,：,V(110),状态的导通,时,时间,：,V(100),状态的导通,时,时间,：零向量的,导,导通时间,：采样周期,从一个空间,电,电压矢量旋,转,转到另一个,矢,矢量的过程,中,中，应当遵,循,循功率器件,的,的开关状态,变,变化最小的,原,原则，即应,只,只使一个功,率,率器件的开,关,关状态发生,变,变化，这样,可,可以尽量减,少,少开关损耗,。,。在零矢量,的,的插入上，,有,有两种方法,处,处理，下图,所,所示为在区,域,域,1,中以两相调,制,制方法形成,的,的,SVPWM,波形图。,上面的图为,区,区域,I,中以三相调,制,制方法形成,的,的,SVPWM,波形图。采,用,用三相调制,具,具有更低的,谐,谐波，在系,统,统中，采用,了,了这种调制,方,方式。,总结：永磁,同,同步电机的,矢,矢量控制原,理,理本质上就,是,是围绕着如,何,何建立一个,旋,旋转的空间,磁,磁场。电机,转,转动实质上,就,就是空间磁,场,场的转动。,矢量控制永,磁,磁同步电机,的,的死区效应,采用,SVPWM,的电压源逆,变,变器中，同,一,一桥臂的上,F,两个开关器,件,件施加互补,的,的驱动信号,，,，由于功率,器,器件的开通,时,时间往往小,于,于关断时间,，,，容易发生,同,同桥臂两只,开,开关管同时,导,导通的短路,故,故障，为了,防,防止这种短,路,路故障的发,生,生，逆变器,控,控制必须引,入,入一段封锁,时,时间，此时,上,上下桥臂均,将,将驱动信号,封,封锁以保证,同,同桥臂上一,只,只开关管可,靠,靠关断后另,一,一只开关管,才,才能开通，,这,这段时间被,称,称为开关时,滞,滞，亦称为,死,死区时间。,受,受功率开关,器,器件的这种,固,固有存储时,间,间的影响，,逆,逆变器呈现,非,非理想化特,性,性。,死区时间的,存,存在使得实,际,际输出电压,和,和给定电压,之,之间存在着,偏,偏差，引起,了,了负载相电,流,流的畸变，,主,主要是零电,流,流的钳位现,象,象，电机的,转,转矩也将受,影,影响而产生,波,波动，甚至,导,导致机电稳,定,定性问题。,永磁同步电,机,机直接转矩,控,控制法,直接转矩控,制,制方法就是,维,维持定子总,磁,磁链恒定，,通,通过在定子,坐,坐标系下实,时,时计算和控,制,制定子磁链,和,和转矩，利,用,用磁连和转,矩,矩的直接跟,踪,踪，来实现,系,系统的高动,态,态性能。,直接转矩控,制,制与矢量控,制,制相比较：,（,1,）直接转矩,控,控制是在静,止,止两相坐标,系,系下，计算,并,并控制交流,电,电机的转矩,，,，打破传统,的,的矢量控制,要,要模仿直流,电,电机的解耦,控,控制思想，,不,不必为了将,交,交流电机等,效,效转化为了,将,将交流电机,等,等效转化为,直,直流电机而,对,对电机模型,进,进行的简化,，,，避免了许,多,多复杂计算,。,。,（,2,）直接转矩,控,控制采用的,是,是钉子磁链,磁,磁场定向，,只,只要知道定,子,子电阻就可,利,利用反电动,势,势积分法将,定,定子磁链观,测,测出来。不,像,像矢量控制,采,采用转子磁,链,链磁场定向,，,，而观测转,子,子磁链时，,转,转子的电阻,和,和电感极易,受,受到外界的,影,影响，导致,控,控制性能不,稳,稳定。,（,3,）直接转矩,控,控制采用空,间,间电压矢量,概,概念分析三,相,相交流电机,的,的数学模型,，,，特别是利,用,用钉子电压,空,空间矢量计,算,算和控制其,他,他各个物理,量,量，使问题,得,得到简化，,他,他不考虑定,子,子电流波形,是,是否为正弦,波,波，也不管,电,电机内部磁,场,场运动速度,是,是否均匀，,只,只关心转矩,的,的响应速度,和,和转矩的控,制,制效果。,（,4,）对转矩和,磁,磁链直接控,制,制，它摒弃,了,了解耦的思,想,想，不需要,任,任何电流调,节,节器，,PWM,信号发生器,，,，只是通过,测,测定电机定,子,子电压和电,流,流，借助瞬,时,时空间矢量,理,理论计算电,机,机的磁链和,转,转矩，并通,过,过两点式调,节,节器把转矩,检,检测值与给,定,定值进行滞,环,环比较，由,滞,滞环调节器,来,来控制转矩,波,波动。控制,效,效果取决于,转,转矩的实际,情,情况。,永磁同步电,机,机直接转矩,控,控制结构图,在上图的结,构,构框图中，,工,工作的原理,是,是，转速参,考,考值 与,施,施测电机转,速,速 的差,值,值通过,PI,调解器得到,电,电磁转矩参,考,考值 ，,转,转子永磁体,产,产生的磁链,作,作为磁链参,考,考值 ，,讲,讲磁链和转,矩,矩的观测值,与,与参考值分,别,别在磁链，,转,转矩滞环比,较,较器中比较,，,，得到磁链,和,和转矩的控,制,制信号。由,磁,磁链和转巨,额,额的控制信,号,号以及当前,磁,磁链的位置,确,确定当前逆,变,变器的开关,状,状态，并选,择,择合适的空,间,间电压矢量,，,，经过,PWM,输出后驱动,逆,逆变器工作,。,。,谢谢！,