【文章內(nèi)容簡介】 流 di 和轉(zhuǎn)矩電流 qi 分別進(jìn)行控制，并且采用的是經(jīng)典的 PI 線性調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的線性特性，可以按照經(jīng)典的線性控制理論進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，逆變器的控制采用了較成熟的 SPWM、 SVPWM 等技術(shù)。磁場定向矢量控制技術(shù)較成熟，動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能較佳， PMSM 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 23 所示。 永磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)矩公式為 21])([eeedqdfqpe TTT iLLinT ??? ??? ? 從中可以看出電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)矩分為兩個(gè)部分：其一為永磁體產(chǎn)生的磁鏈與定子電流轉(zhuǎn)矩分量作用后產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩 1eT ；其二為轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)使得定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩 2eT 。 這兩部分轉(zhuǎn)矩都與定子電流轉(zhuǎn)矩分量 qi 成正比，也就是說，可以通過控制定子電流轉(zhuǎn)矩分量的大小來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，這一電流 與直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流對應(yīng)，因此永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制可以轉(zhuǎn)化為定子電流轉(zhuǎn)矩分量的控制。另一方面，定子電流的勵(lì)磁分量 di 會影響電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的大小，可以通過它產(chǎn)生弱磁升速的效果，這一點(diǎn)與直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流類似。所以永磁同步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)存在著很大的相似性。控制系統(tǒng)中兩個(gè)電流閉環(huán)分別控制 di 和 qi ，讓它們跟蹤給定的 qrefdref ii 和 ，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的磁場和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制，可以實(shí)現(xiàn)與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美的調(diào)速性能。 根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式可以看出，永磁同步電動(dòng)機(jī)輸出同一個(gè)轉(zhuǎn)矩時(shí)存在不同的轉(zhuǎn)矩電流與勵(lì)磁電流的組合，這樣就存在不同的電流控制策略。本課題采用的是 di =0 控制。 di =0 時(shí)，從電動(dòng)機(jī)端口看，永磁同步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一臺他勵(lì)的直流電機(jī)，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢空間矢量與永磁體圖 23 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖 磁動(dòng)勢空間分量正交，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其大小為fmpe inT ?? 。因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩僅僅依賴于交軸電流，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩表達(dá)式中的交、直軸電流解耦。這種控制方法最為簡單，但其缺點(diǎn)在于隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增大，漏感壓降增大，功率因數(shù)降低；由于未有弱磁電流，所以電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍有限。 在 di =0 的控制方式下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其磁鏈和轉(zhuǎn)矩都可以簡化為： fd ??? qqq Li?? qdpe inT ?? 在 di =0 的矢量控制方式下，則可得到狀態(tài)方程可寫為： ???????????????????????????????? ?????????????JTLuipJnpLRi qqqfnfnqs1023 ???? 式中 np 為電機(jī)極對數(shù)， f? 為轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈， J 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， sR 為定子電阻， qL 為 dq0 坐標(biāo)系下的自感， 1T 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 上式即為永磁同步電動(dòng)機(jī)的解耦方程，在輸入電壓為 qu 和輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 ? 的情況下，可以得到永磁同步電動(dòng)機(jī)的等效框圖。 空間矢量脈寬調(diào)制 (SVPWM) SVPWM 是空間電壓矢量 PWM 波產(chǎn)生，它具有電壓利用率高、低諧波成分、開關(guān)次數(shù)少和功率管功耗小等特點(diǎn)。同時(shí)， SVPWM 還能很好的結(jié)合矢量控制算法，為矢量控制得實(shí)現(xiàn)提供很好的途徑 ， 以最大限度的發(fā)揮設(shè)備的性能 。 SVPWM 主要是使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場，當(dāng)電機(jī)通以三相對稱圖 24 永磁同步電動(dòng)機(jī)等效框圖 的正弦電壓時(shí)，交流電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生圓形磁場并以此磁場為基準(zhǔn)，通過逆變器功率器件 的不同開關(guān)模式產(chǎn)生有效矢量來逼近基準(zhǔn)園，并產(chǎn)生三相互差 120?電角度的接近正弦波的電流來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 本文主要用的是三相空間電壓矢量控制：基于固定開關(guān)頻率的電流控制，即使同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 0dq 軸系中的電流調(diào)節(jié)器輸出空間電壓矢量指令，再用 SVPWM 策略使電壓型整流器跟蹤電壓矢量指令，從而達(dá)到控制電流的目的。 第三章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán) PI 調(diào)速系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計(jì) 在閉 環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)中，當(dāng)以調(diào)節(jié)器為核心的閉環(huán)多于一個(gè)時(shí)，我們稱其為多環(huán)系統(tǒng)。常見的多環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、帶電流變化率內(nèi)環(huán)和帶電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。尤其以轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)最為典型。本課題采用的是轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級聯(lián)接。這就是說，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這 樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 PI 調(diào)節(jié)器 PI 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的，其原理圖如圖 31。 PI 控制器傳遞函數(shù)常見的表達(dá)式有以下兩種： (1) ? ? skksG ip ??， 為積分增益為比例增益， ip kk ； (2) ? ?STksG ip 1??， pk 為比例增益， iT 為積分時(shí)間常數(shù)。 這兩種表達(dá)式并無本質(zhì)區(qū)別，在不同的仿真軟件和硬件電路中也都被廣泛采用。 比例（ P， Proportion）控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，能及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏 圖 31 PI 控制系統(tǒng)原理圖 差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 在積分（ I， Integral）控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。積分作 用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti， Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì) 永磁同步電機(jī)電流、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種多環(huán)系統(tǒng) ,設(shè)計(jì)多環(huán)系統(tǒng)的一般方法是 :從內(nèi)環(huán)開始逐步向外擴(kuò)大 ,一環(huán)一環(huán)地進(jìn)行設(shè)計(jì)。先從電流環(huán)入手 ,設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器 ,然后把電流環(huán)看作是速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié) ,再設(shè)計(jì)速度環(huán) ,因此首先考慮進(jìn)行電流環(huán)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。電流環(huán)的作用是 :提高系統(tǒng)的快速性 ,抑制電流環(huán)內(nèi)部干擾 ,限制最大電流以保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。速度環(huán)的作用是 :增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力 ,抑制速度波動(dòng)。下面分別論述電流環(huán)和 速度環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。 電流環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì) 相對速度環(huán)而言 ,電流內(nèi)環(huán)一般只與 PWM 逆變器和電機(jī)參數(shù)有關(guān) ,不受外部負(fù)載變化的影響 ,所以電流環(huán)有固定的結(jié)構(gòu) ,如圖 32 所示 ,電流環(huán)的參數(shù)可以按一定方法計(jì)算。 上圖中， )(sGi 是電流 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) , pK 是電流 PI 調(diào)節(jié)器比例系數(shù) , c? 是調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù) ,通常 )(sGi 在數(shù)字實(shí)現(xiàn)中寫成比例和積分分開的形式： 圖 32 電流環(huán)的傳遞函數(shù) skksG ipi ??)( 式中， pk 為積分系數(shù)，cpi kk ?? 。 在圖 32中 ,電流環(huán)的控制對象為 :PWM逆變器和電機(jī)的電樞回路。 PWM逆變器一般可以看成具有時(shí)間常數(shù) sT ( sT =1/ sf , sf 為逆變器開關(guān)管的工作頻率 )的一階慣性環(huán)節(jié)。電機(jī)的電樞回路有電阻 R、電感 L,也可以看成一階慣性環(huán)節(jié)。 LT 是電感時(shí)間常數(shù) (等于 L/R,此處 L,R 為電機(jī)的電感和電阻 ,對永磁同步電機(jī)來說是電機(jī)定子電感和電阻 ,對異步電機(jī)來說是定子漏感和定子電阻 ), RK =1/R,反映了穩(wěn)態(tài)時(shí) dq 坐標(biāo)下電機(jī)電壓和電流的比例關(guān)系。 pwmK 表示逆變器的放大倍數(shù) ,而 sT 是開關(guān)周期 ,代表逆變器的延時(shí)。 ifT 是電流反饋通道的濾波時(shí)間常數(shù) , ifK 為電流反饋的放大倍數(shù)。 圖 32 中的開環(huán)傳遞函數(shù)寫成傳遞函數(shù)形式為： ? ? ? ?? ?? ?? ?111 1??? ?? sTsTsT sKKKKsG ifscc cifRpw mp? ? 式中 ,一般而言 ,電感時(shí)間常數(shù) LT 遠(yuǎn)大于濾波時(shí)間常數(shù) ifT 和開關(guān)周期 sT 。逆變器的放大倍數(shù) pwmK 定義為實(shí)際輸出電壓和與給定電壓的比值 ,在數(shù)字控制中 ,采用 SVPWM 控制時(shí) ,逆變器輸出電壓與給定電壓相等 ,因此 pwmK =1。電流反饋值采用數(shù)字 AD 采樣值 ,反饋值代表了電流的實(shí)際值 ,因此放大倍數(shù)ifK =1。 按照調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 ,選擇電流調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對消被控對象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn) ,即 : RLTLc ??? 所以上式 ??sG 可以寫為： ? ? ? ?? ?11 ??? sTsTsR KsG ifsc p? 由于 sT 和 ifT 都是小時(shí)間常數(shù) ,可用一個(gè)時(shí)間常數(shù)為 sfT 的一階環(huán)節(jié)代替這兩個(gè)慣性環(huán)節(jié) , sfT 等于 sT 和 ifT 之和 ,于是電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)可簡化為一個(gè)典型Ⅰ型系統(tǒng)： ? ? ? ?1?? sTs KsG sf 式中， ifssf TTT ?? ，cpRKK ?? 。 這時(shí) ,對應(yīng)的電流閉環(huán)傳遞函數(shù) ??s? 為一個(gè)典型二階系統(tǒng)： ? ?2222 2/nnnififsfssTKTssTKs??????????? 式中，sfKT121?? 。 按照二階系統(tǒng)最優(yōu)的指標(biāo) ,令 ? =,則可算出相應(yīng)的環(huán)路增益K=1/(2 sfT ),再根據(jù)各環(huán)節(jié)的放大倍數(shù) ,即可確定增益 pK 。又因?yàn)?c? 等于 LT ,所以電流控制器的參數(shù)就確定了 ,即： RLc?? sfp TLK 2? sfi TRK 2? 速度環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)中交軸電流 qi 控制環(huán)是速度環(huán)的內(nèi)環(huán) ,因此設(shè)計(jì)速度環(huán)首先要得到 qi 控制環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù) ,然后將其作為轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)再進(jìn)行速度環(huán)的設(shè)計(jì)。由于轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率一般較低 ,因此電流環(huán)傳遞函數(shù)可去掉高次項(xiàng)降階近似為 ? ?12 1??? sTs sf 11?sT?是轉(zhuǎn)速反饋濾波環(huán)節(jié) ,在轉(zhuǎn)速給定路徑上也加上這樣一個(gè)環(huán)節(jié) ,移到環(huán)內(nèi)得到速度環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 ,如圖 33 所示。 速度環(huán)一般校正成典型Ⅱ系統(tǒng) ,其開環(huán)傳遞函數(shù)為以下形式 : 圖 33 速度環(huán)結(jié)構(gòu)圖 ? ? ? ?? ?112 ??? Tss sKsW ? 速度環(huán)的前向通道已經(jīng)有兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié) ,因此速度調(diào)節(jié)器也采用 PI 調(diào)節(jié)器 ,即 : ssKG nnns ?? 1?? 式中 : nK 為速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù) 。 n? 為調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)。 考慮到 wT 和 2 dT 都很小 ,因此可將兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合成一個(gè)慣性環(huán)節(jié) ,即? ?? ?112 1 ?? sTsT wd 用 11?sTsf 替代 ,其時(shí) 間常數(shù)為 dwsf TTT 2?? 將轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng) ,系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ? ? ? ?? ?12 12 ??? sTJs sKKsW sfn ntn? ? 按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì) ,根據(jù)典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)公式 : sfn hT2?? tsfn KTJhhK 22 1?? 式中 ,h 為中頻帶寬 ,它的選擇和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有關(guān) ,h 越大 ,超調(diào)量越小 ,但調(diào)節(jié)時(shí)間并不是單調(diào)的 ,由于當(dāng) h =5 時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間最短 ,動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快 ,因此選擇 h =5 為好。 tK 為轉(zhuǎn)矩常數(shù) ,定義為額定轉(zhuǎn)矩與額定電流的比值 ,即nnt ITK? 。帶入數(shù)據(jù)可以求得 nK 和 n? 數(shù)值。 至此 ,通過典型系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法 ,系統(tǒng)的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)器都設(shè)計(jì)出來了。按照上述方法對控制