1、本科毕业设计 (论文 )文献综述 电气工程及自动化 永磁同步电机矢量控制 摘要： 本文首先介绍了同步电机的概述 ,发展现状 ,工作原理和伺服系统的模型。然后介绍了矢量控制的基本思想和基本原理。本文重点分析了变结构滑模控制系统 ,包括滑模面的研究 ,以及趋近律的设计。最后简单提了下永磁同步电机的发展前景。 关键字： 同步电机 ;矢量控制 ;滑模控制 ;变结构 1 永磁同步电机简介 1.1 永磁同步伺服电机概述 同步电动机的转速是由定子电流交变频率和极对数决定的 1。在电励磁的同步电动机中 ,允许电动机在任何功率因数下工作。自控式调 频方法从根本上解决了振荡、失步问题。因此 ,同步电动机变频调速的
2、应用范围越来越广阔 ,在电气传动领域里占有相当大的比重。随着电机制造与控制技术的飞速发展 ,加之大规模集成电路、半导体功率器件和微处理器技术的进步 ,伺服技术作为自动化的基础技术 ,有了革命性的进步。再加上永磁铁的加入 ,使得电机的效率更高 ,体积更小 ,永磁同步电机的特点是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组 ,从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。因此永磁伺服电机得到了广泛的发展和应用。 20 世纪 80 年代以来 ,具有高磁能积 (Br 1T,Hc 80kA/m)、 价格低廉的钕铁硼 (NdFeB)永磁材料的出现 ,使永磁同步电动机得到了很大的发展 ,世界各国 ( 以德国和日本为首 )掀
3、起了一股研制和生产永磁同步电动机及其伺服控制器的热潮 ,尤其在数控机床 ,工业机器人等小功率的应用场合 ,永磁同步伺服电机是主要发展趋势。 1.2 永磁同步电机伺服系统的国内外发展现状 最早对永磁同步电机的研究主要集中在固定频率供电的永磁同步电机运行特性方面 ,尤其是对稳态特性和直接起动性能方面的研究。从 80年代开始 ,国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁 同步电机的结构基本相同 ,但在大多数情况下无阻尼绕组。无阻尼绕组可以防止永磁材料温度上升 ,使电机力矩惯量比上升 ,电机脉动力矩降低等优点。在逆变器供电情况下 ,永磁同步电机的原有特性将会
4、受到影响 ,其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点。 G I乙 Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求 ,提出了现代永磁同步电1 机的设计方法 ,设计出了高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电动机 ,使永磁同步电动机伺服驱动性能得到了提高。 D Nuanin等研制了一种永磁同步电动机矢量控制系统 ,采用 16位单片机 8097作为控制器 ,实现高精度、高动态响应的全数字控制。永磁同步电动机矢量控制系统转速控制器大多采用比例积分 (N)控制。 N控制器具有结构简单、性能良好 ,对被控制对象参数变化不敏感等优点。自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件
5、发生变化时控制系统的性能。 N Matsui,J H 1ang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电动机调速系统。仿真和实验结果表明 ,自适应控制技术能够使调速系统在电动机参数发生变化时保持良好的性能。通过对电动机参数变化进行在线辨识 ,并运用辨识的参数对调速系统进行控制 ,也能够 提高控制系统的鲁棒性。 B K Bose等人一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用 ,并取得了很好的研究成果。与此同时 ,国外一些著名的公司 ,如日本的 FANUC、安川、富士通、松下 ,美国的 AB公司、科尔摩根公司 ,德国的西门子公司 ,法国的 BBC公司、韩国三星公司等不断推出交流伺服驱动产品。随着 DSP
6、技术的飞速发展 ,永磁同步伺服系统的数字化正在快速地进行着。天津大学、华中科技大学、沈阳工业大学等研究了单片机或 DSP构成的全数字交流伺服系统 ,采用预测控制和空间矢量控制技术 ,改善电流控制性能和系统响应精度 ,并开发了数字伺服系统。数字控制技术的应用 ,不仅使系统获得高精度、高可靠性 ,还为新型控制理论和方法的应用提供了基础。 1.3 永磁同步电机工作原理 当永磁同步电机通入由三相逆变器经脉宽调制获得的正弦交流电源后 ,电机的定子绕组会产生一个旋转磁场 ,它与转子永磁体磁钢所产生的磁场互相作用 ,产生一个与定子绕组旋转磁场方向一致的转矩。当电磁转矩克服了转子本身的惯量和由永磁体磁钢所产生
7、的阻尼转矩时 ,电机就开始转动起来 ,并且不断加速 ,直至定子旋转磁场带动转子永磁体磁钢一起同步运行。为了获得最大转矩 ,输入到三相绕组的正弦波电压必 ,须使 得定子磁通和转子磁通的夹角接近 90。为此 ,必须通过合适的电子控制来使得电机能够正常运行 ,而其中最重要的是获得转子的位置 ,转子的位置可以通过位置传感器来获得 ,也可以通过无传感器控制算法计算来获得。 1.4 永磁同步电机伺服控制系统 永磁同步电动机伺服系统的基本结构如图 1 所示。 2 图 1 永磁同步伺服系统 其基本工作原理是通过转子位置传感器获得电机转子的位置信号和定子电流传感器获得的三相电流值后 ,送人到主控单元 ,控制器通
8、过某种控制算法 ,并与系统给定信号进行比较 ,从而得到逆变器的六路 PWM 信号 ,实现了电机的自 同步运行。 通过对伺服系统第分析 ,可以用 matlab 进行仿真 2-3,并进行测试。根据仿真第结果 ,可以方便得修改系统参数 ,或者认为第加入不同扰动因素来考察不同实验条件下电机系统的动 ,静态性能 ,或者模拟相同的实验条件 ,比较不同控制策略的优劣 ,为分析和设计交流异步电机控制系统提供了有效地手段和工具 ,也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。 2 永磁同步电机矢量控制 矢量控制的基本思想 4-5是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律。按磁场定向坐标 ,将电
9、流矢量分解成产生磁通的 励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量 ,并使两分量互相垂直 ,彼此独立 ,然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制。从原理和特性上就和直流电动机相似了。 矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能而最终仍然是对定子电流的控制。由于在定子侧的各物理量 ,如电压、电流、电动势、磁动势都是交流量 ,其空间矢量在空间以同步转速旋转 ,调节和控制都不容易。因此需要借助于坐标变换 ,使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系 ,这时各空间矢量就都变成了直流量。电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流分量 iq, 如图 2 所示 ,这样转矩和被控量定子电流之间的关系就
10、一目了然。 3 图 2 转矩和被控量定子电流之间的关系 永磁同步电机的矢量控制系统由四部分组成： 1位置、速度检测模块； 2速度环 ,电流环 PI 控制器； 3坐标变换模块； 4 SVPWM 模块和逆变模块。控制过程为：速度给定信号指令与检测到的转子速度相比较 ,经速度控制器的调节 ,输出 I 指令信号 (电流控制器得给定信号 )。同时 ,经过坐标变换后 ,定子反馈的三相电流变为 id ,iq ,通过电流控制器使：id=0,iq 与给定的 i q相比较 后 ,经过电流调节器的输出为 d,q轴的电压 ,经 Park逆变换后为、电压。通过 SVPWM 模块输出六路 PWM 驱动 IGBT产生可变频
11、率和幅值的三相正弦电流输入电机定子。 3 变结构滑模控制系统 3.1变结构控制系统概述 在控制系统的设计中 ,鲁棒性是人们日益重视的一个指标。所谓鲁棒性 , 是指控制对象的数学模型中所包含的不确定性的允许程度。对大多数实际系统来说 , 由于非线性的影响 , 数学模型的简化程度和模型的某些物理性质的不确定性 , 使得人们不可能获得所希望的十分精确的模型 , 因此 , 鲁棒性就成了系统设计目标的一 个重要条件。 基于变结构系统理论的滑模控制 , 有实现鲁棒控制的方法和条件。因为变结构系统是一个参数切换型的反馈控制系统 , 它与传统的控制系统的最大区别就在于系统是在所选定的状态空间的超平面的两侧 ,
12、 在瞬变过程中以跳跃的方式有目的地改变控制的结构 , 从而产生滑模动作 , 到达原点。由于滑模运动被约束在超平面内 , 因此系统运动对模型参数的变化、非线性和外扰噪声是不敏感的 , 可以有很强的鲁棒性 , 同时还带来了系统的响应快、物理上实现简单的优点。因此 ,滑模变结构获得了广泛的应用 ,比如导弹控制 6,电动舵机控制 7,机器人控制 810,无人机 11等。 变结构滑模控制的设计 , 可以归纳为三个基本问题 ： (1)正确选择滑模超平面 ； (2)寻求滑模运动的存在条件和达到条件； (3)分析滑模运动系统的稳定性。 对于连续时间系统 12-13, 变结构控制已取得了很大的进展。而随着计算机
13、控制技术的发展与应用 , 21 世纪的控制系统大多数已经使用离散系统了。因此 , 对离散系统的滑模变结构控制研究已经成为滑模变结构控制的一个重要方向 ,并具有重要的现实意义。对于离散系统 ,其滑模变结构控制不能像连续系统那样产生理想的滑动模态 , 而只能产生准滑模控制4 14。因此连续滑模控制的滑模到达条件无法适用于离散系统。 3.2 滑模面研究 滑模变结构控制通常要求具有理想的滑动模态、良好的动态品质和较高的鲁棒性 , 这些性能可以通过选择适当的滑模面来实现。 (1)线性滑模面 15 线性滑模面的滑模控制将系统的滑模运动分成趋近和滑模两个阶段。系统从任意初始状态趋向切换面 , 直至到达切换面
14、叫作趋近阶段。而系统在滑模面上的运行过程称为滑模阶段。系统到达滑模阶段后 , 跟踪误差渐进地收敛到零。线性滑模面适用于速度和精度要求不是非常高的非线性系统 , 例如 一些简单的电机伺服控制性系统。 (2)非线性滑模面 为了使控制系统获得更好的性能 , 出现了各种非线性滑模面。 终 端滑模控制 由于终端滑模控制器可以加速平衡点附近的收敛速度 16,所以在控制精度要求高的场合非常有用 ,比如机器人 17的控制。 积分滑模控制 积分滑模控制 18就是在线性滑模面中增加状态变量的积分项 , 由于滑模面中含状态变量的积分 , 因此可消弱抖振、减小稳态误差。 时变滑模控制 时变滑模面 19可随系统的状态或
15、时间改变而改变 , 使系统始终运行在滑模状态 , 从而消除趋近阶段 、提高系统的鲁棒性。 连续二阶滑模 连续二阶滑模能够很好地消除变结构控制系统中的抖振现象 ,有充分的系统稳定性分析 ,因此在消除抖振研究中具有很好的前景以及实际应用价值 20。 3.3 滑模趋近律 在滑模存在的前提下 ,趋近律可以反应出状态是如何到达滑模面的 ,这种趋近律的一般形式为： )()(ss sfsign 随着 f ( s) 的不同 , 可以有各种形式的趋近律 ,常用的有等速趋近律、指数趋近 律 21、幂次趋近律 22等 ,和一系列的改进方案 2329。滑模趋近律把求解滑模变结构控制从求解不等式问5 题化为求解代数方程
16、问题 , 使问题得到简化。通过选择不同的趋近律可以得到不同的动态品质特性 , 并且可以消弱甚至消除抖振 ,这对于复杂系统的滑模变结构设计具有重要意义。 4 永磁同步电动机的发展前景 30 伺服系统在经历了步进电机伺服和直流电机伺服发展阶段之后。现在已进入了交流伺服迅猛发展的时代。而对于伺服系统对应的功率范围 ,稀土永磁电机的转矩质量比为其它电力磁电机的两倍左右 ,并且低速控制性能优异。因 此 ,永磁同步电动机伺服系统的研究愈益受到人们的重视。 同其它伺服系统相比 ,永磁同步电动机伺服系统在性能和结构设计上有其独特之处。随着电力电子技术、微电子技术和控制技术的发展 ,已将电力电子器件、控制、驱动
17、及保护等集为一体 ,为机电一体化开辟了广阔的前景。随着功能强大的数字处理芯片 (DSP)的出现 ,使运算速度呈几何级数上升 ,达到了伺服环路高速实时控制的要求。电力电子技术和现代交流电机控制理论的发展 ,永磁电机性价比的不断提高 ,将包括电流环在内的所有核心控制环节全部数字化的永磁同步电机控制系统已成为伺服最有前景的发展 方向。 此外 ,各种现代控制技术 ,如自适应控制、最优控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制等已深入到传统的自动控制系统中 ,这都为伺服系统带来巨大的发展。可以毫不夸张地说 ,永磁同步电动机己在从小到大 ,从一般控制驱动到高精度的伺服驱动 ,从人们日常生活到各种高精尖的科技领
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