永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)原理分析目錄TOC\o"1-3"\h\u11735永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)原理分析 1254001.1永磁同步電機矢量控制原理 1279471.2永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的PWM發(fā)生技術(shù) 3172131.3SVPWM控制原理及實現(xiàn) 3201501.4永磁同步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)控制組成 101.1永磁同步電機矢量控制原理高性能同步電機控制系統(tǒng)需要現(xiàn)代控制理論的支持。交流電動機目前廣泛使用，應(yīng)用于實際系統(tǒng)的是矢量控制理論。由于矢量控制技術(shù)的出現(xiàn)，理論上解決了交流電動機扭矩的高性能控制問題。1.1.1矢量控制基本原理電動機的速度調(diào)整系統(tǒng)的性能好壞取決于能否實現(xiàn)扭矩的高性能控制。扭矩控制的要求在響應(yīng)快、精度高、脈動小、系統(tǒng)效率和功率因數(shù)高時可以歸納。任意的拖動控制系統(tǒng)遵循基本運動方程式：(3-1)式中：—電動機和負載機械的飛輪力矩；=4gJ(J—轉(zhuǎn)動慣量)；—電動機轉(zhuǎn)速；；—電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩。從式(3-1)可以看出，除電磁扭矩外，其他控制量也會影響旋轉(zhuǎn)速度。速度調(diào)制系統(tǒng)具有更高的動態(tài)性能，使得如果能夠高速準(zhǔn)確地控制扭矩，則在負載擾動時可以獲得較小的動態(tài)速度下降和更短的恢復(fù)時間。因此，速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能的好壞在于電磁轉(zhuǎn)矩的控制如何重要。1971年，德國的Blascheke等人首先提出了交流電動機的矢量變換控制理論。該控制方法首先適用于異步馬達，并立即移植到同步馬達上。在永磁同步電動機的矢量控制中，由于沒有異步電動機的旋轉(zhuǎn)差頻率電流，受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響控制小，所以在永磁同步電動機上容易進行矢量控制。矢量控制的基本思想是將交流馬達模擬控制成直流馬達的控制法則。向量控制通常通過檢測或估計電機轉(zhuǎn)子的磁通量的位置和振幅來控制定子電流或電壓，因此馬達的轉(zhuǎn)矩僅與磁通量、電流有關(guān)，與直流電機的控制方法相同可以獲得高的控制性能。對于永久磁同步電動機，轉(zhuǎn)子的磁通量位置與轉(zhuǎn)子的機械位置相同，通過檢測轉(zhuǎn)子的實際位置可知馬達轉(zhuǎn)子的磁通量位置。因此，PMSM向量變換控制的本質(zhì)是定子電流的空間向量相位和振幅的控制。在磁場定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成兩個相互垂直，彼此獨立的矢量(產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量)和(產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量)如圖(3-1)所示。式(2-15)可知，與永久磁鐵的勵磁磁鏈交聯(lián)，在確定了直軸電感后，電動機的轉(zhuǎn)矩可以通過定子電流矢量和，即控制和便可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對應(yīng)于一定的*和*，通過這兩個電流的控制，使實際和跟蹤指令值*和*，實現(xiàn)了電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。1.1.2永磁同步電機的矢量控制方法的選擇永磁同步電動機的用途不同，馬達電流矢量的控制方法也各不相同?？刹捎玫目刂品椒ㄖ饕缦拢?1)控制；(2)最大轉(zhuǎn)矩/電流控制；(3)控制；(4)定磁鏈控制；(5)弱磁控制；(6)最大輸出功率控制不同控制方法具有不同的優(yōu)缺點，如最為簡單，可減少與之匹配的逆變器的容量，定磁鏈控制可以增加電機的最大輸出扭矩等。當(dāng)采用的控制方式時，轉(zhuǎn)矩和具有線性關(guān)系，只要對進行控制就實現(xiàn)了控制轉(zhuǎn)矩的目的。而且，在表面型永磁同步電機中，保持可以保證在最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩?；蛘?，在產(chǎn)生所要求轉(zhuǎn)距的情況下，只需要最小電流，降低銅的消耗，提高效率。這是本文采用這種控制方法的理由。圖3-1為永磁同步電機的矢量圖。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC1永磁同步電機的矢量圖1.2永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的PWM發(fā)生技術(shù)1.2.1永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的PWM發(fā)生技術(shù)簡介本文使用電壓空間矢量脈沖寬度調(diào)制（SVPWM）技術(shù)進行矢量控制研究。從SVPWM角度來看，著眼于如何使電機獲得幅值恒定圓形旋轉(zhuǎn)磁場，即正弦磁通量的方法。以正弦波電壓供電式交流馬達這三個相對理想的磁通圓為基準(zhǔn)，將逆變器不同開關(guān)模式下產(chǎn)生的實際磁通近似為基準(zhǔn)圓磁通，通過比較，確定逆變器開關(guān)狀態(tài)，形成PWM波形。該控制方法是將逆變器和電動機作為整體來處理，因此得到的模型具有簡單、直流電壓的利用率高、諧波小、微處理器的實時控制容易等特征，是現(xiàn)在廣泛使用的調(diào)制方法。1.2.2SVPWM與其它PWM的比較SPWM在滿調(diào)制()時，輸出線電壓的峰值為0.866VDC。SVPWM在Vs的模長達到上限時，其輸出的線電壓峰值達到VDC，比常規(guī)SPWM高15.47%，因此，電壓空間矢量脈寬調(diào)制比SPWM具有更高的直流電壓利用率，即更寬的線性動作范圍。1.3SVPWM控制原理及實現(xiàn)1.1.1SVPWM控制原理設(shè)電機的理想供給電壓設(shè)定為三相稱正弦波電壓，如下：(3-2)(3-3)理想供給電壓設(shè)定為三相稱正弦波電壓Us，其軌跡在復(fù)平面上是圓。在三相狀態(tài)功率橋情況下，不使用三相正弦電壓源，采用6個電源晶體管，通過其開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換直流電壓。目的是在在線環(huán)路中重新生成正弦波電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。由于相位的感應(yīng)特性，正弦電流頻率由功率開關(guān)的調(diào)制周期確定。圖3-2提供三相功率橋與PMSM的典型連接圖。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC2相逆變器與PMSM的典型連接圖電機的端電壓通過逆變器6個功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷來切換。當(dāng)反相器采用雙極調(diào)制時，各相上下兩橋臂的開關(guān)元件相互鎖定。這種狀態(tài)可以理想化為三個無接點開關(guān)(、、)。當(dāng)一個橋臂的上管導(dǎo)通時，為1；反之，下管接通時為0。根據(jù)三個開關(guān)的不同接通模式，共有8種組合狀態(tài):其中6組(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)為運動矢量;2組(000)和(111)是零電壓矢量，表示電機三相同時接到電源的正極或負極，電機的端電壓實際為零。功率開關(guān)的8種可能性組合在一起時，其對應(yīng)的功率橋輸出電壓如表3-1所示。三相電壓(、、)通過公式（3-3）clark變換，在(αβ)坐標(biāo)系中如下表3-2示：表3-SEQ表3-\*ARABIC1功率橋輸出電壓ABC000000001--+--2010-+--2-011-++-2-100+--2--101+-+-2-110++-111+++000表3-SEQ表3-\*ARABIC2定子在坐標(biāo)系下的電壓輸出ABC00000V001--010-011-2010020101-11011100根據(jù)表3-2所得數(shù)據(jù)，我們可以用空間電壓矢量來表示逆變器三相輸出電壓的各種狀態(tài)，如圖3-3所示。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC3電壓矢量圖為了使逆變器輸出的電壓矢量接近圓形，最終為了得到圓形的旋轉(zhuǎn)磁通，需要利用逆變器的輸出電壓的時間組合，形成多邊形電壓矢量軌跡，進而接近圓形。這是SVPWM原理的基本出發(fā)點。1.1.2SVPWM控制的實現(xiàn)在交流馬達的電壓轉(zhuǎn)換速度調(diào)整系統(tǒng)中，三相電壓型逆變器也可以由圖3-4所示的6個開關(guān)元件等效表示馬達的相電壓和線電壓取決于相應(yīng)的逆變器橋臂的上下6個電源開關(guān)的狀態(tài)。圖中，為直流母線電壓，a、b、c為開關(guān)狀態(tài)量。規(guī)定當(dāng)各開關(guān)狀態(tài)量為1時上橋臂導(dǎo)通，開關(guān)狀態(tài)量為0時下橋臂導(dǎo)通，各相上下臂不能同時開啟。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC4PWM逆變器控制電路6個開關(guān)的不同組合可構(gòu)成逆變器8種不同的工作狀態(tài)。根據(jù)Clark變換，得到不同開關(guān)向量在、坐標(biāo)系下的相電壓矢量，各矢量如圖3-5所示。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC5、坐標(biāo)系下的電壓矢量圖圖中…是6個非零矢量，、是兩個零矢量，其中各相鄰非零矢量間隔，且幅值相同。設(shè)輸出電壓矢量是由基本電壓矢量和線性組合得到的，其關(guān)系可表示為：(3-4)其中，、、分別是、、的作用時間，且滿足下式(3-5)其中，為零矢量的作用時間，當(dāng)取值足夠小時電壓空間矢量的軌跡是一個近似圓形的正多邊形。SVPWM控制策略的實現(xiàn)主要分以下四個步驟[5]：1、確定矢量所在扇區(qū)在圖3-5中，通過分析和與扇區(qū)的關(guān)系，可得到如下規(guī)律：若>0，則令A(yù)=1，否則A=0；若，則B=1，否則B=0；若，則C=1，否則C=0?？捎孟率接嬎愠鍪噶克谏葏^(qū)的P值：(3-6)根據(jù)P值查表3-3，,可得到矢量所在扇區(qū)號。表3-SEQ表3-\*ARABIC3P值與扇區(qū)號對應(yīng)表P值123456扇區(qū)號=1\*ROMANI=4\*ROMANIV=1\*ROMANI=4\*ROMANIV=3\*ROMANIII=5\*ROMANV圖3-SEQ圖3-\*ARABIC6判斷矢量所在扇區(qū)的仿真模塊2、X、Y、Z值的計算定義=，(3)=，(3)Z=。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC7計算X、Y、Z的仿真模塊3、計算扇區(qū)內(nèi)相鄰兩電壓矢量的作用時間對于不同扇區(qū)、按表2取值。、賦值后還要進行飽和判斷，若+>，則取=/(+)，=/(+)。表3-SEQ表3-\*ARABIC4T1、T2與X、Y、Z的對應(yīng)關(guān)系表P值123456ZY-Z-XX-YY-XXZ-Y-Z圖3-SEQ圖3-\*ARABIC8計算矢量作用時間模塊4、計算切換時間(3-7)則開關(guān)的比較時間、、，與、、的對應(yīng)關(guān)系如表3-5所示：表3-SEQ表3-\*ARABIC5切換時間確定表扇區(qū)=1\*ROMANI=2\*ROMANII=3\*ROMANIII=4\*ROMANIV=5\*ROMANV=6\*ROMANVI圖3-SEQ圖3-\*ARABIC9切換時間計算模塊1.4永磁同步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)控制組成1.4.1永磁同步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)框圖圖3-10為SPMSM矢量變換控制系統(tǒng)框圖。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC10SPMSM矢量變換控制系統(tǒng)框圖 由于實際檢測到的電動機電樞繞組電流是三相交流電流、和，要進行電流控制，必須由坐標(biāo)變換公式(2-6)得到dq坐標(biāo)系下的電流值和。同時由于++=0，所以公式(2-6)可以簡化為：(3-8)由此可見，電流檢測只需檢測任意兩相電流即可。1.4.2永磁同步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的控制過程(l)、通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子角位置，同時計算出轉(zhuǎn)子的速度。(2