【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 流空間矢量則反映了定子合成磁勢(shì)，它的長(zhǎng)度反映了定子合成磁勢(shì)的大小, 的方向就是定子合成磁勢(shì)的方向。接著可討論abc坐標(biāo)分量和dq0坐標(biāo)分量之間的坐標(biāo)變量關(guān)系[1314]。這種坐標(biāo)變換是將a、b、c三相繞組的電流、電壓、磁鏈等實(shí)際值，通過(guò)數(shù)學(xué)公式進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)換成假想的d、q、0分量，以便于解題。先定義d、q、0分量中的零軸電流分量如下： （32）由于永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組為無(wú)中線的Y型接法,固有 （33）此種情況下,零軸電流分量恒等于零[1]。定子電流的d、q分量用、表示，它們分別是定子電流空間矢量在d、q軸方向的投影分量。因?yàn)殡娏骺臻g矢量在d軸方向的投影等于組成的各個(gè)分量在d軸方向的投影之和，所以可得到： (34)同理，可得到 (35)式（32）至式（35）就是電流分量從ABC坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到dq0坐標(biāo)的公式[5]。若把、看作未知數(shù)，、看作為已知數(shù)，且則通過(guò)公式（32）至式（35）可以解出、如下： （36） （37） （38）在dq0坐標(biāo)系統(tǒng)中，可以證明電磁轉(zhuǎn)矩為 （39）式中，——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，它與轉(zhuǎn)角取同樣的正方向；——電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。由上式可見(jiàn)，構(gòu)成電磁轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)分量是：（1）電樞直軸磁鏈與交軸電流分量相互的作用。（2）電樞交軸磁鏈與直軸電流分量相互的作用。 永磁直線電機(jī)的坐標(biāo)變換對(duì)于永磁直線電機(jī)來(lái)講，矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實(shí)施是落到對(duì)定子電流(交流量)的控制上。由于在定子側(cè)的各物理量都是交流量，其空間矢量以同步轉(zhuǎn)速在空間旋轉(zhuǎn)，對(duì)其調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算均不方便。因此，需借助于坐標(biāo)變換的方法，使各物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系觀察，電動(dòng)機(jī)的各空間矢量都變成了靜止矢量[10,18]。坐標(biāo)變換，就是將方程中原來(lái)的一組變量，換成一組新的變量。電機(jī)控制中的坐標(biāo)系有三種，即三相定子坐標(biāo)系(A,B,C坐標(biāo)系)、兩相定子坐標(biāo)系(αβ坐標(biāo)系)和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)。三種坐標(biāo)系的關(guān)系如圖32所示，圖中一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量從三相定子坐標(biāo)系(ABC軸系)變換到定子兩相坐標(biāo)系(αβ軸系)稱為3/2變換，也叫Clarke變換，變換公式如（310）所示，其反變換叫做2/3變換，也叫Clarke逆變換，變換公式如(311)所示。從定子兩相坐標(biāo)系(αβ軸系)變換到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)稱為Park變換，變換公式如(312)所示，其反變換叫做Park逆變換，變換公式如(313)所示[11,19]。圖32 各坐標(biāo)系的關(guān)系 (310) (311) (312) (313) PWM（脈寬調(diào)制）控制技術(shù) PWM技術(shù)概述PWM控制技術(shù)一直是交流調(diào)速技術(shù)的核心，由于PWM變換器具有功率因數(shù)高、可同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓及抑制諧波的特點(diǎn)，因此在交流傳動(dòng)變換系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，任何控制算法的最終實(shí)現(xiàn)幾乎都是以各種PWM控制方式完成的，尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)并使之?dāng)?shù)字化以后，控制方法不斷更新。PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷完善和不斷創(chuàng)新的過(guò)程[12,20]。脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用優(yōu)化了變頻裝置的性能，變頻調(diào)速系統(tǒng)采用PWM技術(shù)不僅能夠及時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制要求，而且更重要的意義是抑制逆變器輸出電壓或電流中的諧波分量，從而降低或消除了變頻調(diào)速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了電機(jī)的工作效率，擴(kuò)大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。PWM技術(shù)種類很多，并且正在不斷發(fā)展之中?；旧峡煞譃樗念?，即等寬PWM法、電壓正弦PWM法（SPWM）、磁鏈追蹤型PWM法(SVPWM)及電流跟蹤型PWM法。其中，空間矢量PWM技術(shù)以其電壓利用率高、控制算法簡(jiǎn)單、電流諧波小、易于數(shù)字化等特點(diǎn)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[21]。本次課程設(shè)計(jì)就采用空間電壓矢量PWM控制技術(shù)。 空間電壓矢量(SVPWM)控制技術(shù)空間電壓矢量技術(shù)(SVPWM，也稱磁通正弦PWM)，也稱磁鏈跟蹤控制技術(shù)，是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，把電動(dòng)機(jī)與PWM逆變器視為一體，著眼于如何使電動(dòng)機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，即正弦磁通，為目標(biāo)，他以三相對(duì)稱正弦電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)中的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的磁鏈有效矢量來(lái)逼近基準(zhǔn)圓，即用多邊形來(lái)近似逼近圓形，從而達(dá)到較高的控制性能。理論分析和實(shí)驗(yàn)都表明SVPWM調(diào)制具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪音低，直流電壓利用率高(比普通的SPWM調(diào)制約高15%)等優(yōu)點(diǎn)。目前己在通用變頻器產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。如圖33所示，三相電壓源型逆變器由六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件QQQQQQ6組成，對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)分別為Sa，Sa_，Sb，Sb_，Sc，Sc_。因?yàn)槟孀兤鞯纳蠘虮酆拖聵虮坶_(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)，故可以用三個(gè)上橋臂的功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)描述逆變器的工作狀態(tài)，記功率器件開(kāi)通狀態(tài)為“1”，關(guān)斷狀態(tài)為“0’，則上橋臂QQQ5的開(kāi)關(guān)狀態(tài)有八種組合，即有U(a，b，c)分別為U[000]，U[001]，U[010]，U[011]，U[100]，U[10l]，U[110]，U[111]。如圖34圖空間電壓矢量示意圖。圖33三相逆變器簡(jiǎn)圖用開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)表示相電壓輸出為： （314）用開(kāi)關(guān)狀態(tài)表示線電壓： （315）在圖33中，得到電壓矢量后，在利用坐標(biāo)變換，可以將abc坐標(biāo)三相逆變器的八種開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量轉(zhuǎn)換為dq坐標(biāo)的八種電壓矢量，分別記為U0，U60，U120。，U180，U240，U300，U000，U111，稱為基本空間電壓矢量，其中U000，U111為零矢量，如圖34所示。圖中，U0，U60，U120，U180，U240，U300，U000，U111這六個(gè)矢量均勻間隔60度，將dq平面分為6個(gè)區(qū)域，其中U000，U111兩個(gè)零矢量位于坐標(biāo)原點(diǎn)[21]。非零的基本電壓空間矢量只有六個(gè)，為了獲得盡可能多的多邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就需要更多的逆變器狀態(tài)，因此用六個(gè)非零的六個(gè)基本電壓空間矢量及兩個(gè)零向量的線性時(shí)間的組合來(lái)得到更多的開(kāi)關(guān)狀態(tài),SVPWM控制技術(shù)的目標(biāo)就是要通過(guò)控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合，將空間電壓矢量Uout控制為按設(shè)定的參數(shù)做圓形旋轉(zhuǎn)。圖34 空間電壓矢量示意圖實(shí)現(xiàn)SVPWM的方法很多，本課題采用一種最簡(jiǎn)單的方法，即兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量Uout。在不同區(qū)間內(nèi)，向量都可使用它鄰近的兩個(gè)基本向量來(lái)進(jìn)行合成，可以使用PWM的概念通過(guò)占空比來(lái)調(diào)節(jié)基本的大小，通過(guò)在采樣周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間來(lái)近似被調(diào)制向量在該方向上的大小。如圖34所示，可以看到在某個(gè)時(shí)刻Uout,旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，就由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)非零矢量Ux和Ux177。60分別作用T1，T2時(shí)間，先作用的Ux稱為主矢量，后作用的Ux177。60稱為輔矢量，時(shí)間分解如圖35所示。為補(bǔ)償U(kuò)out的旋轉(zhuǎn)頻率，插入零矢量，作用時(shí)間T0。對(duì)于零矢量的插入，可以是兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量或兩個(gè)非零矢量和兩個(gè)零矢量，例如圖35(a)，(b)所示區(qū)域工中的對(duì)稱的SVPWM波形圖。從只有一種零矢量輸出到兩種零矢量按一定的先后順序輸出，可使諧波更小[2122]。圖35 SVPWM波形圖 永磁直線同步電機(jī)矢量控制策略分析永磁直線同步電機(jī)按照磁鏈定向控制的方法分類可以分為四種控制方案:轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，定子磁鏈定向控制，氣隙磁鏈定向控制，和阻尼磁鏈定向控制。按照控制目標(biāo)可以分為:控制、控制、總磁鏈恒定控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制、最大輸出功率控制、轉(zhuǎn)矩線性控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。它們各有各的特點(diǎn)：控制最為簡(jiǎn)單，控制可以降低與之匹配的變頻器容量，恒磁鏈控制可以增大電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩等[21,23]。本課題所控制的對(duì)象為小容量永磁直線同步電機(jī)，其主要用途為伺服系統(tǒng)，有一定的速度和較高的定位要求，由前面介紹的數(shù)學(xué)模型可知，永磁同步電機(jī)是一個(gè)非線性的控制對(duì)象，且d軸電流和q軸電流之間存在耦合作用。用只有交軸電樞反應(yīng)的同步機(jī)矢量控制方法進(jìn)行解耦，即通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，設(shè)法使定子電流空間矢量總是保持在q軸的軸線上，此時(shí)、代入式（39）可得： （316）式中——比例系數(shù)。由此可見(jiàn)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的大小將和電流空間向量的大小直接成正比，改變就可以改變電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的單變量控制。把、代入式（36）、（37）、（38）得： （317）這樣，只要我們?cè)诙ㄗ尤嗬@組中通入符合上式的三相電流，就可以保證定子電流空間矢量總是保持在q軸的軸線上，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的單變量控制。所以，本系統(tǒng)選擇轉(zhuǎn)子磁鏈定向，速度和電流雙閉環(huán)控制的矢量控制方案。對(duì)于永磁直線同步電機(jī)而言，矢量變換的實(shí)質(zhì)就是對(duì)電機(jī)定子電流空間矢量幅值和相位進(jìn)行控制，最終可歸結(jié)為對(duì)d軸和q軸的電流控制。永磁直線同步電機(jī)這種矢量控制方法的原理框圖如圖37所示。從圖中可以知道，本系統(tǒng)是位置、速度和電流的三閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)，位置壞采用比例控制，速度壞和電流壞采用PI控制，實(shí)現(xiàn)速度和電流的無(wú)差調(diào)節(jié)。這種控制方案中包含的速度和電流兩個(gè)閉環(huán)，其中速度控制作為外環(huán)，電流閉環(huán)作為內(nèi)環(huán)。給定轉(zhuǎn)速與反饋回來(lái)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，差值經(jīng)過(guò)速度PI調(diào)節(jié)輸出作為，同時(shí)給定，再對(duì)三相反饋電流進(jìn)行坐標(biāo)變換后獲得、的反饋信號(hào)，然后對(duì)、進(jìn)行電流雙閉環(huán)控制從而實(shí)現(xiàn)的控制。圖37 永磁直線同步電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖由圖37可知，本系統(tǒng)是由位置、速度與電流三閉環(huán)所組成，最外環(huán)“位置控制器”實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的行程控制；其位置反饋信號(hào)及速度環(huán)的速度反饋信號(hào)來(lái)自與電機(jī)動(dòng)子同步移動(dòng)的位置傳感器：內(nèi)環(huán)電流環(huán)是據(jù)派克變換原理以及一系列坐標(biāo)變換后對(duì)電流的兩個(gè)分量分別進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；最終采用SVPWM對(duì)逆變器進(jìn)行脈寬調(diào)制[15]。第4章 永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖41所示。系統(tǒng)硬件可分為主功率電路、控制回路兩大部分。主功率電路部分主要包括整流電路、濾波電路、智能功率模塊(IPM)和永磁直線同步電機(jī)?？刂苹芈凡糠种饕ㄒ訲MS320F2812芯片為核心的電路，并輔以檢測(cè)電路、鍵盤和顯示電路等。另外，系統(tǒng)還包含了一些保護(hù)電路[1