【文章內(nèi)容簡介】 靜止與同步坐標系 定子靜止兩相 0?? 坐標系統(tǒng)到轉(zhuǎn)子 dq0 坐標系統(tǒng)的坐標變換為 00dq pa rkfff T fff???? ???? ????? ???? ?????? （ ） 其中 park 變換陣為 c os si n 0si n c os 00 0 1eepa rk e eT???????????? （ ） 由此 ， 可得三相永磁同步電機在轉(zhuǎn)子 dq0 坐標系統(tǒng)下的磁鏈方程和電壓方程為 0000 0 10 0 10 0 0dddq q q fsiLLiL i????? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ????? ? ? ? ??? ? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? （ ） 00 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 10 0 0 0 0 0d d d ddqq q q q e d q e fsu i i iLLu r i L p i L iLu i i i? ? ?? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ ） 11 式中 ， e? 一轉(zhuǎn)子機械角速度。 在本系統(tǒng)中 ， 三項永磁同步電機定子繞組采用星形連接 ， 三相定子電流在電樞繞組中性點滿足基爾霍夫電流定律 ， 即三相電流相加等于零 ， 因此定子電流的零序分量等于零 ， 可以計算得定子磁鏈和定子電壓的零序分量也等于零 [12]。 因此 ， 三相永磁同步電機在轉(zhuǎn)子 dq0 坐標下的磁鏈方程和電壓方程就可以簡化為 000dddfqqqiL L i? ??? ? ? ?? ? ? ?????? ? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? （ ） 0000 0d d d dd qrrqfq q q qdu i i iL Lrp Lu i i iL?? ??? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ??????? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ ） 即： d d d fq q qLiLi??????????? d d d r qq q q r du ri pu ri p? ? ?? ? ?? ? ????? ? ??? 由此可見 ， 三相永磁同步電機必須建立在轉(zhuǎn)子 dq0 坐標系統(tǒng)下才能實現(xiàn)角度解耦。 永磁同步電機的控制策略 永磁同步發(fā)電機 調(diào)速系統(tǒng) 常用的矢量控制策略有 [13]： （ 1） d 0I ? 控制； （ 2）最大轉(zhuǎn)矩電流比控制： （ 3）單位功率因數(shù)控制； （ 4） 最小損耗控制等。 每種控制策略都有其優(yōu)缺點 ， 但 是針對永磁同步電機不同控制目標下的矢量控制策略進行比較分析 ， 目前最常用到的控制策略主要是 d 0I ? 電流控制 。 d 0I ? 的 12 控制稱為磁場定向控制 ， 這種控制方法簡單 ， 計算量小 ， 沒有電樞反應中電機的去磁問題 ， 因此應用的比較廣泛 [14]。 d 0I ? 電流控制旨在將永磁同步電機 d 軸電流控制為零 ， 是永磁同步電機最常用的控制策略。將代入永磁同步電機 轉(zhuǎn)矩方程有： sT f sqpi?? （ ） 因為電機的所有電流都用來產(chǎn)生電磁力矩 ， 控制效率較高。其缺點是隨著輸出端轉(zhuǎn)矩的增加 ， 電機的端電壓增加較快 ， 功率因此下降 ， 于是對逆變器的容量要求有所提高 ， 無法充分利用電機的磁阻轉(zhuǎn)矩 ， 不能發(fā)揮其輸出轉(zhuǎn)矩的能力。 假定轉(zhuǎn)子磁場恒定 ， 則電磁轉(zhuǎn)矩 Te 與 q 軸電流 Isq成正比 ， 即電磁轉(zhuǎn)矩與定 子電流呈線性關系 ， 從而使電機的轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)得到簡化 ， 這 是 Isd=0 控制的優(yōu)點 ，在已知轉(zhuǎn)矩指令 Te* 時 ， 電機 dq 軸電流指令分別如下： ***023sdssqfiTiP?? ??? ??? () 于是得到永磁同步電機穩(wěn)態(tài)控制方程： sd s sd sq sqsq s sq fu R i L iu R i ???????? ???? （ ） 要使實際電流跟隨給定參考值 ， 上式中還加入反饋控制量。下面以比例積分PI 調(diào)節(jié)為例 ， 于是得系統(tǒng)最終控制方程式： ****( ) ( )( ) ( )s d s s d s q s q p s d s d i s d s ds q s s q f p s q s q i s q s qu R i L i k i i k i i dtu R i k i i k i i dt???? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ????? () 采用控制方法是基于轉(zhuǎn)子磁通定向的矢量控制方法 ， 這種控制方法比較簡單 ，其突出的優(yōu)點是沒有電機直軸電樞反應 ， 不會引起電機永磁體的去磁現(xiàn)象 ， 并且可以實現(xiàn)電機最大轉(zhuǎn)矩電流比控制 [15]。不足之處是沒有考慮電機效率和功率因數(shù)等問題。 本章小節(jié) 本章從永磁同步電機結(jié)構(gòu) 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā) ， 建立了永磁同步電機在三種坐 13 標系下的磁鏈和電壓方程 ， 分別是 ABC 坐標 系 ， 0?? 坐標 系 ， dq0 坐標系 ， 以及三種坐標系下的坐標變換 ， 并初步簡單的介紹了下關于永磁同步電機的控制策略主要常用的是 d 0I ? 電流控制。 14 第三章 永磁同步電機 矢量控制及 空間矢量脈寬調(diào)制 引言 矢量控制是交流電機的一種高性能控制技術 ， 其基本思想是根據(jù)坐標變換理論將交流電機兩個在時間相位上正交的交流分量轉(zhuǎn)換為空間上正交的兩個直流分量 ， 從而把交流電機定子電流分解成勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量兩個 獨立的直流控制量[16]， 分別實現(xiàn)對電機磁通和轉(zhuǎn)矩的控制 ， 然后再通過坐標變換將兩個獨立的直流控制量還原為交流時變量來控制交流電機 ， 大大提高了調(diào)速的動態(tài)性能。 根據(jù)第 二 章推導的永磁同步電機運動學方程式可以知道 ， 對傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速進行控制是通過對電機轉(zhuǎn)矩控制與調(diào)節(jié)實現(xiàn)的 ， 電機轉(zhuǎn)矩控制是交流電氣傳動系統(tǒng)的控制核心。在矢量控制系統(tǒng)中 ， 通過對永磁同步電機的直 軸 電流和交流電流控制就能控制電機的轉(zhuǎn)矩 ， 而電機的交直軸電流可以有不同的組合方式 ， 這就有了永磁同步電機的不同 的 矢量控制。本章對用于永磁同步電機矢量控制 和空間矢量的調(diào)制 （ SVPWM） 技術深入研究并 建立 了 SVPWM 模塊 [17]。 永磁同步電動機的矢量控制 矢量控制思想是 1971 年由德國 Blaschke 等人提出的 ， 首先是應用在感應電機中。從那時起人們運用矢量控制理論為改善 IM 的伺服驅(qū)動性能做了大量研究。矢量控制的原理和方法同樣可以應用于三相永磁同步電動機 PMSM?？梢哉f ， 正是因為運用了矢量控制理論 ， 才使 PMSM 的伺服驅(qū)動性能達到直流電動機的水平 ，甚至超過了直流電動機 。 眾所周知 ， 在他勵直流電動 機中，勵磁磁場與電樞磁動勢間的空間角度由電刷和機械換向器所固定， 通常情況下 ，兩 者正交。因此，當勵磁不變時，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩間存在線性關系， 通過單獨調(diào)節(jié)電樞電流可以直接控制轉(zhuǎn)矩。為使電動機在高速區(qū)能以恒功率方式運行 ， 還可以單獨調(diào)節(jié)勵磁 ，進行弱磁控制。正是因為在很寬的運行范圍內(nèi)都能提供可控轉(zhuǎn)矩 ， 直流電動機才在電氣傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用 [18]。 在同步電動機中 ， 勵磁磁場與電樞磁動勢間的空間角度不是固定的 ， 它隨負載而變化 ， 特別在動態(tài)情況下 ， 這將會引起磁場間十分復雜的作用關系 ， 因此也就不能簡單地通過調(diào)節(jié)定子電流來控制轉(zhuǎn)矩。倘若能夠利用電動機外部的控制系統(tǒng) ， 即通過外部條件能對定子磁 動勢相對勵磁磁動勢的空間角度實施定向控制 ，就可以直接控制兩者間的空間角度。我們將此稱為“角度控制”。若對定子電流幅 15 值也能獨立地直接控制 ， 就將永磁同步電動機模擬為他勵直流電動機。這實際是對定子電流空間矢量相位和幅值的控制 ， 所以稱之為“矢量控制” [19]。 永磁同步電動機的矢量控制與異步電動機、電勵磁同步電動機一樣 ， 都是一種基于磁場定向的控制策略 ， 只是前者轉(zhuǎn)子永磁體所提供的磁場恒定 ， 加之其結(jié)構(gòu)和參數(shù)各異 ， 故控制方法和其 它 電機也有所不同。同步電動機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。根據(jù) ? 角 (定子電流 si 相對 r? 的空間角度 )的控制范圍 ， 矢量控制有三種形式。 (l) 90?? 方式。 在這種方式下 0di ? ， qsii? ， 轉(zhuǎn)矩表達式變?yōu)?： em qT Ki? 。電磁轉(zhuǎn)矩僅僅依靠交軸電流與 qi ， 從而實現(xiàn)了力矩表達式中的交、直軸電流解 耦 ， 達到了矢量控制的目的。永磁同步電動機的電流磁勢與勵磁磁勢正交 ， 當磁路為線性時 ， 定子電樞電流對轉(zhuǎn)子勵磁磁場既無助磁作用也無去磁作用 ， 永磁同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流交軸分量成正比 ， 且電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)最大。 (2) 90 180??? 方式。 在這種方式下 sin 0dsii ???， cos 0qsii ???， 定子電樞繞組電流存在直流分量 ， 且該直流分量對永磁體的勵磁磁場有去磁作用 ， 永磁同步電動機伺服系統(tǒng)工作在基速以上時 ， 可以在該方式控制下實現(xiàn)弱磁升速控制。 (3) 0 90??? 方式。 在這種方式下 ， sin 0dsii ???， cos 0qsii ???電樞繞組電流存在直軸分量 ，且該直軸分量對轉(zhuǎn)子勵磁磁場有助磁作用 永磁同步電動機工作在該方式下可在一定程度上提高其輸出 轉(zhuǎn)矩 [20]。 凸極永磁同步電機組成的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中 ， 可以靈活地利用磁阻轉(zhuǎn)矩。例如 ，在基速以下恒轉(zhuǎn)矩運行區(qū)中 ， 控制 ? 角 ， 使其在 90 180??? 范圍內(nèi) ， 就可以提高轉(zhuǎn)矩值。在恒功率運行區(qū) ， 通過調(diào)整和控制 ? 角可以提高輸出轉(zhuǎn)矩和擴大速度范圍。 空間矢量脈寬調(diào)制概念 從原理上講 ， SVPWM 以三相對稱正弦波電壓供電時交流電機產(chǎn)生的理想圓形磁鏈軌跡為基準 ， 用逆變器不同的開 關 模式產(chǎn)生的實際 電 機產(chǎn)生的理想圓形磁鏈 16 軌跡為基準 ， 用逆變器不同的開關模式產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準磁鏈圓 ， 從而達到較高的控制性能 [21]。由于逆變器產(chǎn)生的矢量數(shù)目有限 ， 不能產(chǎn)生角度連續(xù)變化的空間矢量 ， SVPWM 方法通過 8 個基本空間矢量中兩個相鄰的有效矢量及零矢量 ， 并根據(jù)各自作用時間不同來等效電機所需的空間電壓矢量 outU ， 其原理圖如圖31 所示。 ?6U (110)outIIIIII4(100)U?5(101)U1U 001（ ）3U 011（ ）2U 010（ ）IVVIV 圖 31 SVPWM 向量和扇區(qū) 對于任意空間矢量 outU 時 ， 假設位于第 I 扇區(qū) ， 把它沿 4U 、 6U 的方向分解。設 PWM 的周期為 T， 在 T 內(nèi) 4U 導通時間為 4T ， 6U 導通時間為 6T ， 0U 或 7U ， 導通時間為 0T ， 可得： 4 4 6 6 00*outU T U T U T T? ? ? 同時將 outU 分解為 ??? 平面上的兩個空間矢量 U? 和 U? ， 并考慮到功率不變條件下坐標變換雖然有變換前后兩個系統(tǒng)功率不變的優(yōu)點 ， 但 由于三相系統(tǒng)與二相系統(tǒng)的繞組匝數(shù)不等 ， 應用空間矢量計算時應把它在各相坐標軸上的投影再乘于 23。從圖 31 我們可以得到： 4 4 6 6662 c os 6032 si n 603U T U U U TU T U T??? ?????? ??? 由 上 式就可以求得： 17 4632( ) /222/dcdcT U U T UT U T U???? ??????? SVPWM 調(diào)制模式采用連續(xù)開關調(diào)制模