1、Finally, the hardware design of PMSM vector control system is designed, and the control experiment platform is built to prepare for the next control experiment. It also summarizes the work of the paper, and determines the next direction.Key words: permanent magnet synchronous motor; vector control;
2、MOSFET第1章 绪论本章首先分析选题背景及选题意义，然后介绍了永磁电机和交流电机调速系统的发展概况。在此基础上，确定了本文的主要研究内容。11课题的背景与意义111课题背景现代机车交流传动系统的驱动系统几乎都是通过齿轮传动装置将牵引电机产生的动力传递给轮轴来驱动机车。机车传动装置主要由牵引电动机、齿轮箱、齿轮箱固定装置、齿轮弯曲轴万向接头、车轮、轮轴等组成。重量增加，结构复杂，驱动体积相对较大，是齿轮箱传动机车的主要缺点。传动系统的存在使得系统成本变高，传动效率低，运行噪声大。为了满足机车车辆技术领域对方便维修、降低噪声、节约能源等要求，人们将驱动电机与车轴直接联系在一起，构成无齿轮箱的直
3、接驱动系统，这样电机产生的转矩不经齿轮就直接传递到车辆轮对上。交流电机的控制性能在磁场定向矢量控制技术提出后才有了质的飞跃。磁场定向矢量控制技术采用的是励磁电流和转矩电流的解耦控制，兼顾磁场和转矩的控制，克服了交流电机自身耦合的缺点。永磁同步电机与普通电流励磁电机相比，具有电机转子磁极的位置易于检测，其坐标变换算法相对简单的优点，因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电机的控制领域也得到了广泛应用。近年来，随着高性能永磁材料的广泛应用，电机控制技术与电力电子技术的快速发展，直接驱动的牵引电机永磁同步牵引电机成为研究领域的热点。和异步电机与直流电机相比，永磁同步牵引电机具有转矩密度高，极对数多的一
4、些特点，同功率的永磁同步牵引电机质量和体积都大幅减tJ-d11。112课题意义与传统的交流同步电机、直流电机、交流异步电机三种电机形式相比较，永磁式同步电机有体积小、重量轻、控制简单等优点，因此在各种功率等级的场合得到越来 越多的应用。永磁同步电机的控制是永磁同步电机应用的关键技术，矢量控制又是应用最普遍的、性能优良的一种控制方式。因此，对永磁同步电机的矢量控制分析，具 有很重要的理论研究意义和实用价值。在这种背景下，本文致力于研究永磁同步电机矢量控制技术。通过对永磁同步电机结构、数学模型以及矢量控制实现方式的研究来深入理解永磁同步电机矢量控制思想。为下一步建立一套完整的实验平台，开发设计一套
5、能够实现矢量控制的完整的软硬件系统打下坚实基础。12永磁电机发展概况在上世纪30年代，人工铝镍钴合金永磁材料在美国贝尔公司问世，铁氧体永磁材料于50年代产生，高性能稀土永磁材料于60年代产生，NdFeB（钕铁硼）永磁材料也相 继于80年问世。然后很快被用在永磁同步电机中，新型钕铁硼曲柄电动机，外壳轻薄，电动机的体积和重量都只有以前的一半。钕铁硼无齿电动机，与一般的稀士钐钴电动机相比较，新型钕铁硼无刷直流电动机的性价比更高。日本、美国相继是对钕铁硼永磁电机试验和运用最早的国家之一，在医院、军事、 汽车等方面都有所运用。中国是世界上稀土资源最丰富的国家，于1965年开始，先后研制出各种类型的永磁式
6、电机口J。目前，永磁电机的输出功率大至1000kw左右，小至毫瓦级，覆盖了各个功率范围。已能满足用永磁同步牵引电机，做成的动力分散式动车的牵引电机（一般为300500kw）功率要求。如何发展和优化现在的各类永磁电机，尤其是研制出高性能、低价格的永磁同步电机是各国发展的方向。13交流电机调速系统发展概况电动机按照工作时通入的是交流电还是直流电，分为交流电动机和直流电动机两大类。交流电动机又分为异步（感应）电动机和同步电动机两大类。交流异步电动机的调速方法根据转差功率的不同分为转差功率消耗型、转差功率回馈型和转差功率不变型。第一种在早期采用，这种方法调节输出功率是通过调节转差功率来实现，效率较低，
7、现在大部分场合都不采用了。采用第二种方法的调速系统主要是串级调速，通过将部分转差功率反馈回送到电网来提高系统效率。第三种方法主要是变极调速（有级）和变频调速（无级），这种方法中转差功率基本不变，系统从电网吸收的有功功率随着输出功率变化，能够保持较高的运行效率，调速性能最好。交流同步电机稳态运行时没有转差，调速只能通过改变主磁场运行速度，其方法包括改变电动机磁极数目（有级）和改变定子频率（无级变频调速）。本论文要研究 的就是一种优良变频调速控制方式。在较大磁场基础上，相同的电流流过导体可以产生更大的作用力。所以，电动机运行时希望其磁路工作点处于轻度饱和状态，以便充分利用导磁材料。这可以通过使 定
8、子电压（U）和定频率（厂）之比保持恒定来实现。如图11所示。第2章 永磁同步电机的结构特点及数学模型对于一般的电磁场式同步电动机，在定子基本不变的情况下，改用永磁体去代替电励磁，不仅可以省去滑环和电刷，还可去掉励磁绕组。这种结构的差异使得永磁同步电机有自己的特点，其数学模型以及分析方法也有不同。21永磁同步电机的结构特点211永磁同步电机的结构同步电机的定子绕组做成三相正弦分布绕组，当用永磁体替代转子，在定子绕组中通入三相对称交流电时，就能产生恒定电磁转矩，同时在定子绕组中感应出正弦反电势波。我们把这类同步电机称之为永磁同步电机【loJ（Permanent Magnet Synchronous
9、Motor，简称PMSM）。如果将采用集中绕组的电励磁直流电动机的转子改变成定子， 通入三相方波对称电流时，也能产生恒定电磁力矩此时定子绕组感应的反电势波形是 梯形，我们称之为无刷直流电动机【91（The Brushless DC Motor，简称BLDC）。 根据转子铁心与永久磁铁的位置关系，永磁同步电机可以分为两种，一种是表面贴装式永磁同步电机（Surface Permanent Magnet，简称PSM），另一种是内埋式永磁同步 电机（Interior Permanent Magnet，简称IPM）两种型式。埋式永磁同步电机磁路不对称，等效于电励磁同步电机中的凸极同步电机。在这种永磁同步
10、电机中LdL。表面贴装式永磁同步电机，永磁体磁导率与空气相近， 所以电动机的d、q轴磁路是对称的（Ld=L。），相当于电励磁同步电机中的隐极同步 电机。PSM具有无磁阻转矩，线性的转矩特性优点，但高速时磁铁容易甩出，必须安装保护环。内埋式同步电机（IPM）由于永磁体埋入于转子内部，内埋式同步电机与表面贴附式永磁同步电机相比，永磁体因离心力而飞出这方面的问题要少得多。永磁同步电动机的转子磁路根据转子上永磁体的位置不同，主要分为内置式和表面式两种。1、内置式的转子磁路结构，适用于弱磁控制的高速运行场合。因为它具有不对称性特点，所产生的磁阻转矩，有利于提高电机的功率密度和过载能力。这种结构永磁体在转
11、子铁心内部，它所提供的磁通的方向与转子的具体结构有关，磁路气隙相对较小些，机械强度高。由于此种电机与普通电动机相比，为达到永磁同步电动机伺服制的目的，还必须装有检测转子磁极位置的转子位置传感器，并以此来对电枢电流进行控制2、表面式的转子磁路结构，要求永久磁体产生径向的磁通方向，在转子铁心外表面贴装瓦片形的永久磁体。常常通过用无纬玻璃丝带包扎在永磁磁极表面，或套以非磁性圆筒作为保护。表面式转子磁路结构又可分为插入式和凸出式两类，因为稀土永磁材料的相对回复磁导率很接近1。所以对于采用稀土作永磁的电机来说，从电磁性能来看，表面插入式转子相当于电励磁同步电机的凸极转子，而表面凸出相当于隐极转子结构电机
12、。212永磁同步电机的特点由于结构的差异使得永磁同步电机具有以下优点：1、效率高，功率因数高，节约能源，损耗低，温升低。与异步电机相比，由于永磁同步电机在稳态运行时也没有转子铜损耗，没有无功励磁电流，使定子电流和定子铜损耗大大降低，具有更高的功率因数，可以不用装冷却风扇。与同规格的异步电机相比，其效率要高2一8。 2、过载能力强，转速平稳，转矩纹波系数小，动态响应快而准。当转矩发生扰动时，同步电动机比感应电机有较快的反应和更强的过载能力。在三相异步电机的转速发生相应的变化时，电机响应的快速性被系统转动部分的惯性阻碍。所以感应电机负载转矩发生变化，它的转差率也要跟着发生变化。而针对同步电动机的负
13、载转矩发生干扰时，转速始终维持在原来的同步速度，只需要适当变化电机的功角，电机对转矩的快速响应不会被转动部分的惯性影响。实践证明，永磁同步电动机在负载转矩大幅变化时，额定转矩可以只有最大转矩的三分之一，非常有利稳定运行。3、体积小，结构简单，重量轻。高性能永磁材料的应用，使得永磁同步电机功率密度提高，与同容量的异步电机和直流电机相比，其质量和体积都有较大减少。4、控制简单，可靠性高，使用寿命长。与异步电机和电励磁同步电机相比，其控制更为简单。与直流电机相比，没有电刷，结构简单，系统的可靠性提高。5、适应性强，应用范围广。特别是与电子控制器件的匹配性好，以致电机组成系 统总价便宜。22永磁同步电
14、机在静止坐标系下的数学模型电动机的数学模型包括以下四组方程：转矩方程，电压方程，运动方程和磁链方程。为了简化分析，首先对交流永磁电动机作如下假设：1、定子绕组为Y型联结，三相绕组对称分布，各绕组轴线在空间互差120。；转子上的永磁体产生主磁场，转子没有阻尼绕组。2、不计转子铁心与定子铁心的涡流损耗和磁滞损耗。3、忽略电动机参数（绕组电阻和绕组电感）变化。三相两极交流永磁电动机的物理模型如图22所示：第3章 空间电压矢量调制（SVPWM）技术空间电压矢量调制（SVPWM）是近年发展的一种比较新颖的控制方法。空问电压矢量PWM与传统的SPWM的区别在于，它是从三相输出电压的总体效果着手，目的在于使
15、电机获得理想的圆形磁链1”。SVPWM技术与SPWM相比较，基波成分比重很大，绕组电流波形的谐波成分所占比重较小，不仅使得电机转矩脉动系数降低，使旋转磁场更加接近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大的提高，更易于实现数字化。接下来讨论两电平牵引逆变器的SVPWM控制。31空间电压矢量的定义与电机原理中三相脉动磁势叠加产生旋转磁动势原理相似，我们可以按照电压所在绕组的空间相对位置来对空间电压矢量下定义。如：空间电压矢旦-单-_U护甜。、“州是指 将分别加在轴线，在空间上互差120。的三相对称绕组上的三相定子相电压，它的大随时间按正弦规律变化，其方向总在各相的轴线，相位上有120。的时间差。那
16、么，空间矢量扰。是一个以斑=2xf。角速度旋转的空间矢量，当定子电压是对称的正弦电压时，b是一个空间矢量，它端点的运动轨迹是圆， 大小是相电压峰值的15倍，运动速度是相电压的电角频率。由于电压的积分是磁链，只有幅值不变相角连续变化的电压空间矢量才能产生理想的圆形定子磁链。32两电平牵引逆变器SVPWM算法实现两电平的牵引逆变器主电路如图31，我们可以把每一个有效工作状态的相电压都看作是相位不同、大小相等的一个合成空间矢量。在图31所示的逆变器主电路中定义3个理想开关函数。33空间电压矢量调制的特点SVPWM的基本思想：是根据在对三相定子对称电动机输入三相对称正弦电压时的理想磁链圆为基准，三相逆
17、变器采用不同开关的模式使得到实际磁链矢量跟踪基准磁链圆。在此过程中，适当切换逆变器的开关模式，形成PWM波。 采用空间电压矢量算法的逆变器输出线电压幅值最大可达到，比常规SPWM提高了约1547。SVPWM有多种调制方式，选取适当的调制方式可以减少逆变器功率器件开关次数，降低功率器件的开关损耗，提高控制性能。随着交流变频调速技术的不断发展，SVPWM将因谐波电流成分含量少、正弦波形好、脉动转矩小而逐渐取代SPWM模式20-221。34本章小结本章在对空间电压矢量定义的基础上，深入分析了两电平牵引逆变器SVPWM控制的基本原理和算法的实现方式。通过分析，确定了SVPWM控制方式运用在交流调速系统
18、中的优势。本章的分析为下一章搭建SVPWM仿真模型以及永磁同步电机矢量控制仿真实现奠定了基础。第4章 永磁同步电机矢量控制原理在20世纪70年代德国西门子公司的Blasche率先提出了对交流电机中的异步电机矢量控制。现在，主要形成了Hasse提出的“前馈（间接）型矢量变换控制”和目前交 Blasche已提出的“反馈（直接）型矢量变换控制两种方式。41矢量控制概述矢量控制包括间接（前馈）型矢量变换控制和直接（反馈）型矢量变换控制，现已被广泛用于对各种交流电机的控制。它是根据直流电机的转矩公式，电磁转矩与电枢电流和励磁电流成正比例关系，在磁路不饱和时，励磁电流与气隙磁通成正比，所以可以认为电磁转矩
19、与转子电流与励磁电流有一种正比例关系。无论是哪种矢量控制都是采用坐标变换技术，都是把三相电流变换成等效的励磁电流分量和转矩电流分量，来有效控制瞬态转矩。他们都能取得优良的调速性能，但两者之间差异甚大。简接型控制不需要磁通反馈，直接型控制需要磁通回馈。直接型控制中，磁链空间矢量的大小和空间相位角是直接测得或从磁通模型中计算出来的；间接型控制中磁链空间矢量和空间相位角是用测得的定予电流和转速求得，转差角计算值和电机参数变化关系密切，常采用在线参数自适应电路来测算。目前，间接型控制己成为交流电机矢量控制系统发展的主流。如果根据磁链定向控制的方法，同步电动机可以有“定子磁链、转子磁链、阻尼磁 链和气隙
20、磁链”定向控制四种控制方案。与电励磁同步电动机、异步电动机一样，永磁式同步电动机的矢量控制，也是一种基于磁场定向的控制策略。永磁同步电机也是同步电机的一种，只不过转子磁场由永久磁体产生，大小基本恒定固定。永磁同步电机按照控制目标又可以分为：励磁电流屯=0控制、功率因数COSlp=1控制、最大转矩电流（MTPA）控制、弱磁控制等2,23】。42永磁同步电机矢量控制策略由于转子磁链恒定不变，永磁同步电机转子几乎都采用转子磁链定向方式来进行控制。由转子磁场定向由旋转坐标系下的电磁转矩方程不难发现，如果我们对g轴和d 轴的电流控制就可以实现对电磁转矩的控制（系统参数固定时）。同一输出电磁转矩有多个砌轴
21、电流的控制组合，不同的组合下，系统效率、转矩输出能力、功率因素不同。1、励磁电流t=0控制与他励直流电机一样，永磁同步电机定子电流中只存在交轴分量，电磁转矩中只存在永磁转矩分量，而不含有磁阻转矩分量，其大小为疋=15n。t竹与g轴电流为线性 关系，而且定子磁动势矢量和永磁体磁场矢量正交。采用这种方法最为简单，电枢反应中没有直轴去磁分量，不会产生去磁效应，所以不会出现因为退磁，而使电机的性能变坏的现象，因此能保证电机电磁转矩与电枢电流成正比。实际系统中，一般是按转子磁链定向来设计调速系统，使转子永磁体磁通与定子电流磁通互相解耦，因此控制系统比较简单、转矩特性较好。其缺点是，随着输出转矩的增大，漏
22、感压降增大，功率因数降低；同时由于没有弱磁电流，电机调速范围有限。2、功率因数COS够=1控制为了使逆变器的容量得到更充分的利用，让电压矢量和电流矢量在同一方向上，则电机的功率因数恒等于l。但在负载变化时，由于永磁同步电机转子励磁不能调节，转矩绕组的总磁链将不保持恒定，电枢电流和转矩之间不再保持线性关系。3、磁场削弱控制与直流电机一样，在电机电压达到逆器所能输出电压的极限值以后，还需提高速度，就应该通过调节白和Ig实现。具体应该减小q轴电流分量和增加d轴去磁电流分量， 维持电压平衡，达到磁场削弱的目的。永磁电机电压与电流关系有 Us=州心）2+屯+匕）2，由于电机相电流有一定的极限，在增加d轴去磁电流分量 L、而保持相电流值，就应减小t。，因此通常采用增加去磁电流的方法来实现弱磁增速。4、最大转矩电流（MTPA）控制在凸极永磁同步电机中，通过控制屯来获得最大转矩，所以最大转矩电流控制也 称为单位电流输出最大转矩的控制，这是用得比较多的一种电流控制方案。由于逆变器需要的输出电流小，适合选用较小的逆变器，能在电机输出转矩满足要求的条件下，使定
