永磁同步電機(jī)控制策略

1、當(dāng)前永磁同步伺服系統(tǒng)的控制策略主要有：l磁場定向（矢量）控制l直接轉(zhuǎn)矩控制l自適應(yīng)控制l滑模變結(jié)構(gòu)控制l調(diào)壓調(diào)頻（VVVF）控制lPID控制l線性化控制l模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及多種控制策 略的復(fù)合控制l矢量控制也稱做磁場定向控制(FOC),其基本思路是:通過坐標(biāo) 變換實(shí)現(xiàn)模 擬直流電機(jī)的控制方法來對永磁同步電機(jī)進(jìn)行 控制,其實(shí)現(xiàn)步驟如下：l一、根據(jù)磁勢和功率不變的原則通過正交變換,將三相靜止坐標(biāo)變換成二相靜止坐標(biāo)，也就是 Clarke 變換，將三相的電流先轉(zhuǎn)變到靜止坐標(biāo)系，再通過旋轉(zhuǎn)變換將二相靜止坐標(biāo)變成二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，也就是 Park 變換，Park 變換中定子電流矢量被分解成按轉(zhuǎn)子磁場定

2、向的 2 個(gè)直流分量 id、iq(其中 id 為勵(lì)磁電流分量,iq 為轉(zhuǎn)矩電流分量)。l二、通過控制器對其速度電流環(huán)進(jìn)行控制,控制 id 就相當(dāng)于控制磁通,而控制 iq 就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。iq 調(diào)節(jié)參考量是由速度控制器給出，經(jīng)過電流環(huán)調(diào)節(jié)后得出其 d,q 軸上的電壓分量即 ud 和 uq。.l三、控制量 ud 和 uq 通過 Park 逆變換。l四、根據(jù)SVPWM 空間矢量合成方法實(shí)現(xiàn)矢量控制量輸出，達(dá)到矢量控制的目的矢量控制原理圖永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖坐標(biāo)變換圖abc三相定子電流，經(jīng)過claeke變換為坐標(biāo)系，在經(jīng)過park變換為dq坐標(biāo)Clarke變換與逆變換Park變換與逆變換

3、111222333022abciiiii 102133221322abciiiii cossinsincosdqiiii cossinsincosdqiiii SVPWM產(chǎn)生原理 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。因此被越來越多的變頻設(shè)備所采用。電壓空間矢量SVPWM技術(shù)的基本原理：電壓矢量與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系: 當(dāng)用三相平衡的正弦電壓向交流電機(jī)供電時(shí)，電動機(jī)的定子磁鏈空間矢量幅值恒定，并以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動軌跡形

4、成圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場(磁鏈圓)。因此如果有一種方法，使得逆變電路能向交流電動機(jī)提供可變頻、并能保證電動機(jī)形成定子磁鏈圓，就可以實(shí)現(xiàn)交流電動機(jī)的變頻調(diào)速。 電壓空間矢量是按照電壓所加在繞組上的空間位置來定的。電動機(jī)的三相定子繞組可以定義一個(gè)三相平面靜止坐標(biāo)系 這是一個(gè)特殊的坐標(biāo)系，它有三個(gè)軸,互相間隔120度，分別代表三個(gè)相。三相定子相電壓Ua, Ub, Uc,分別施加在三相繞組上，形成三個(gè)相電壓空間矢量Ua, Ub, Uc,它們的方向始終在各相的軸線上，大小則隨著時(shí)間按正弦規(guī)律變化。因此，三個(gè)相電壓空間矢量相加所形成的一個(gè)合成電壓空間矢量是一個(gè)以電源角頻率 速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量: uABCuuu

5、 同樣的，也可以定義電流和磁鏈的空間矢量I和 。因此有當(dāng)轉(zhuǎn)速不是很低的時(shí)候，定子電阻R的壓降相對較小= +du RIdtj tmdudtudte 該式說明，當(dāng)磁鏈幅值 一定時(shí)，u的大小與 成正比，或者說供電電壓與頻率f成正比。其方向是磁鏈軌跡方向的切線方向。當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動 弧度，其運(yùn)動軌跡與磁鏈圓重合。這樣，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的形狀問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量運(yùn)動軌跡的形狀問題來討論。()2()j tj j tj tmmmdeujeedtm2此圖是一個(gè)電壓型PWM逆變器。利用這種逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合，以及開關(guān)時(shí)間的調(diào)整，以保證電壓空

6、間矢量圓形運(yùn)行軌跡為目標(biāo)，就可以產(chǎn)生諧波較少的、且直流電源利用率較高的輸出。 SVPWM 是通過三相交流逆變橋的 6 個(gè)開關(guān)的不同導(dǎo)通模式產(chǎn)生不同的電壓基本矢量，通過矢量合成，來合成任意矢量（在實(shí)際允許范圍內(nèi)），通過導(dǎo)通時(shí)間的不同大小，來確定矢量的大小，這也就是 PWM 調(diào)制的原理。上圖是一個(gè)典型的電壓源型 PWM 逆變器模型。令 a=0,表示在第一組橋臂中：上橋臂截止，下橋臂導(dǎo)通，a=1,表示第一組橋臂中：上橋臂導(dǎo)通，下橋臂截止，同理定義 b,c 對應(yīng)于第二組橋臂和第三組橋臂中上下橋臂的導(dǎo)通關(guān)系，因?yàn)閷?shí)際的工作狀態(tài)不允許逆變的同一組橋臂同時(shí)導(dǎo)通，V(a,b,c)有 8 種導(dǎo)通狀態(tài)即 V (0

7、00), V (001), V (010), V (011), V (100), V(101), V (110), V(111)。 可以推導(dǎo)出，三相逆變器輸出的線電壓矢量 與開關(guān)狀態(tài)矢量 的關(guān)系為:三相逆變器輸出的相電壓矢量 與開關(guān)狀態(tài)矢量 的關(guān)系為TABBCCAUUUTabc110011101ABBCDCCAUaUUbUc TABCUUUTabc21111213112ABDCCUaUUbUc 三相電壓源逆變器的8個(gè)電壓空間矢量 SVPWM 通過這六個(gè)基本向量和零向量來合成我們所需的向量，可見這六個(gè)向量把向量空間分為六部分，在不同區(qū)間內(nèi)，向量都可使用它鄰近的兩個(gè)基本向量來進(jìn)行合成，可以使用 P

8、WM 的概念通過占空比來調(diào)節(jié)基本的大小，通過在采樣周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間的控制來近似被調(diào)制向量在該方向上的大小。如果向量如圖所示位置則：12012012(110)(100)(000)VVVVVTVTVTTTTT ：V(110)狀態(tài)的導(dǎo)通時(shí)間1T ：V(100)狀態(tài)的導(dǎo)通時(shí)間2T ：零向量的導(dǎo)通時(shí)間0T ：采樣周期T從一個(gè)空間電壓矢量旋轉(zhuǎn)到另一個(gè)矢量的過程中，應(yīng)當(dāng)遵循功率器件的開關(guān)狀態(tài)變化最小的原則，即應(yīng)只使一個(gè)功率器件的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，這樣可以盡量減少開關(guān)損耗。在零矢量的插入上，有兩種方法處理，下圖所示為在區(qū)域1中以兩相調(diào)制方法形成的SVPWM波形圖。上面的圖為區(qū)域I中以三相調(diào)制方法形成的SVPWM

9、波形圖。采用三相調(diào)制具有更低的諧波，在系統(tǒng)中，采用了這種調(diào)制方式。 總結(jié)：永磁同步電機(jī)的矢量控制原理本質(zhì)上就是圍繞著如何建立一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間磁場。電機(jī)轉(zhuǎn)動實(shí)質(zhì)上就是空間磁場的轉(zhuǎn)動。矢量控制永磁同步電機(jī)的死區(qū)效應(yīng) 采用SVPWM的電壓源逆變器中，同一橋臂的上F兩個(gè)開關(guān)器件施加互補(bǔ)的驅(qū)動信號，由于功率器件的開通時(shí)間往往小于關(guān)斷時(shí)間，容易發(fā)生同橋臂兩只開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的短路故障，為了防止這種短路故障的發(fā)生，逆變器控制必須引入一段封鎖時(shí)間，此時(shí)上下橋臂均將驅(qū)動信號封鎖以保證同橋臂上一只開關(guān)管可靠關(guān)斷后另一只開關(guān)管才能開通，這段時(shí)間被稱為開關(guān)時(shí)滯，亦稱為死區(qū)時(shí)間。受功率開關(guān)器件的這種固有存儲時(shí)間的影響，逆變

10、器呈現(xiàn)非理想化特性。 死區(qū)時(shí)間的存在使得實(shí)際輸出電壓和給定電壓之間存在著偏差，引起了負(fù)載相電流的畸變，主要是零電流的鉗位現(xiàn)象，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也將受影響而產(chǎn)生波動，甚至導(dǎo)致機(jī)電穩(wěn)定性問題。永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制法直接轉(zhuǎn)矩控制方法就是維持定子總磁鏈恒定，通過在定子坐標(biāo)系下實(shí)時(shí)計(jì)算和控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，利用磁連和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制相比較：（1）直接轉(zhuǎn)矩控制是在靜止兩相坐標(biāo)系下，計(jì)算并控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，打破傳統(tǒng)的矢量控制要模仿直流電機(jī)的解耦控制思想，不必為了將交流電機(jī)等效轉(zhuǎn)化為了將交流電機(jī)等效轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)而對電機(jī)模型進(jìn)行的簡化，避免了許多復(fù)雜計(jì)算。（2）直

11、接轉(zhuǎn)矩控制采用的是釘子磁鏈磁場定向，只要知道定子電阻就可利用反電動勢積分法將定子磁鏈觀測出來。不像矢量控制采用轉(zhuǎn)子磁鏈磁場定向，而觀測轉(zhuǎn)子磁鏈時(shí)，轉(zhuǎn)子的電阻和電感極易受到外界的影響，導(dǎo)致控制性能不穩(wěn)定。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間電壓矢量概念分析三相交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，特別是利用釘子電壓空間矢量計(jì)算和控制其他各個(gè)物理量，使問題得到簡化，他不考慮定子電流波形是否為正弦波，也不管電機(jī)內(nèi)部磁場運(yùn)動速度是否均勻，只關(guān)心轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)矩的控制效果。（4）對轉(zhuǎn)矩和磁鏈直接控制，它摒棄了解耦的思想，不需要任何電流調(diào)節(jié)器，PWM信號發(fā)生器，只是通過測定電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并通過兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測值與給定值進(jìn)行滯環(huán)比較，由滯環(huán)調(diào)節(jié)器來控制轉(zhuǎn)矩波動?？刂菩ЧQ于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際情況。永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)圖 在