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1、毕业设计永磁同步电机题 目: 矢量控制系统信号检测 院 (系): 电气信息工程学院 专业年级: 电气工程及其自动化专业2008级 姓 名: 学 号: 指导教师: 2012年4月10日原 创 性 声 明本人郑重声明：本人所呈交的毕业设计，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日 期： 关于毕业设计使用授权的声明本人在指导老师
2、指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属平顶山学院。本人完全了解平顶山学院有关保存、使用毕业设计的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权平顶山学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为平顶山学院。本人离校后使用毕业设计或与该设计直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为平顶山学院。论文作者签名： 日 期： 指导老师签名： 日 期： 永磁同步电机矢量
3、控制系统信号检测摘 要针对永磁同步电机矢量控制系统信号的检测，分析了无位置传感器检测法和位置传感器检测法的优缺点，提出在采用位置传感器的前提下，分别对定子电流、定子电压、转子位子及转速进行检测，以此来提高信号检测的准确性、降低控制系统的成本，提高系统性能，并对永磁同步电机矢量控制系统进行仿真研究。关键词: 永磁同步电机，矢量控制，位置传感器，转子位置10kW dc motor of the direct torque control system design AbstractA new brushless DC motor DTC scheme was studied to solve th
4、ose problems associated with direct torque control (DTC) of brushless DC motor, such as difficulty to control flux and complexity to estimate torque. The flux hysteresis controller was ignored in the constant torque region and an imp roved method was proposed to make the estimation of torque easier.
5、 The proper stator voltage space vector was selected based on the output of the torque hysteresis controller and the sector which the current rotor flux locates in. The structure of the control system was simplified and the cost was reduced. Simulation and experimental results are presented, and it
6、is shown that the feasibility and the validity of the scheme.Key Words: Brushless DC motor, DTC, Voltage space vector, Torque, Hysteresis control目 录1绪论11.1课题背景11.2课题的主要研究内容12 永磁同步电机数学模型22.1坐标系的设立22.2坐标变换及变换矩阵32.3电机的数学模型43矢量控制系统的工作原理、信号检测53.1矢量控制系统的工作原理53.2定子电流的检测63.3电压的检测73.4转子位置检测83.5转速检测104永磁同步电机矢
7、量控制系统及仿真114.1永磁同步电机矢量控制系统114.2仿真125结论17参考文献18致谢191绪 论1.1课题背景矢量控制是在上世纪70年代初由西德Blaschke等人提出的一种高性能控制策略，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。矢量控制技术的提出，使交流传动系统的动态性能得到了显著的改善，这无疑是交流传动控制理论上的一个质的飞跃。它使人们看到尽管交流电动机控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质，这使得矢量控制技术在交流调速控制系统中得到了广泛的应
8、用，因为永磁同步电机具有效率高、体积小、结构简单、动态响应快等优点，有着广阔的应用前景，矢量控制也逐渐应用于永磁同步电机。永磁同步电动机最主要的控制方式是基于转子磁场定向的矢量控制，它实际上是对电动机定子电压或电流矢量的相位和幅值同时进行控制。随着电力电子技术、微电子技术和传感器技术的发展，矢量控制技术已成为电气传动系统中的首选方案，矢量控制需要电动机的精确模型，对参数具有很强的依赖性，参数的变化会导致控制性能变差，这就要求我们必须进行实时检测并利用检测信号才能控制电机的正常运行，信号检测主要是对定子电压、定子电流、转子位置及转速进行检测。目前，矢量控制系统信号检测方式分无位置传感器检测法和位
9、置传感器检测法，无位置传感器检测法是当前研究的热点，这种方法实施简单，但它运算过程复杂，是一种估计算法并且对电机参数变化很敏感，鲁棒性差。而位置传感器检测法是最为常见的，但它有自己的不足之处，如高速高分辨率位置传感器价格昂贵、性能易受恶劣环境影响。1.2课题的主要研究内容针对以上问题，本文研究永磁同步电机数学模型，矢量控制系统的工作原理、信号检测，采用位置传感器检测法对定子电流，定子电压，转子位置及转速进行检测，来提高对信号检测的准确性，降低控制系统的成本，提高控制系统性能，介绍永磁同步电机矢量控制系统并进行仿真，实现对电机的更好控制。 2永磁同步电机数学模型2.1坐标系的设立永磁同步电机的控
10、制是通过研究其数学模型的特性来实现的，其研究对象为定子侧的物理量，它们都是交流量，且其空间矢量是以同步转速旋转的；以致在三相坐标系下建立的数学模型非常复杂，计算和分析都十分困难；而对其实施变换后，在两相平面坐标系下来进行分析研究，则会简单得多。因此，在永磁同步电机的研究中经常在参考坐标系之间进行变换，即坐标变换。目前，坐标变换时常用的坐标系有以下三种，它们之间的关系如图2-1所示。 A 0 C B d q 图21常用的坐标系 1三相定子坐标系(ABC坐标系)三相定子坐标系是以彼此相差的永磁同步电机的三相定子绕组轴线A、B、C为坐标轴构成的，又称A-B-C坐标系。如在三相交流电机的定子三相绕组中
11、通以时间上互差的三相平衡正弦电流、，则可以产生以同步角频率旋转的三相定子合成磁动势空间矢量。2两相静止坐标系(坐标系)假定有两相空间位置相差的固定绕组，其轴线分别为、，组成两相静止坐标系(轴逆时针超前轴)。若在此两相固定绕组中、，通以在时间上相差电角度的两相平衡交流电流、，同在定子三相绕组中通以时间上互差的三相平衡正弦电流一样、，也会产生同样的合成磁动势空间矢量。3两相旋转坐标系(d-q坐标系)前面的A-B-C坐标系和坐标系都是静止不动的，而d-q坐标系却是固定在电机转子上，同转子一起以同步角频率旋转，因此称为旋转坐标系；如图2-1所示，其两坐标轴分别为d、q，空间位置相差 (q轴逆时针超前d
12、轴)。如在该相互垂直的绕组d、q中通入直流电流、，同样也可以产生与上述三相定子合成磁动势空间矢量一样的合成磁动势空间矢量。2.2坐标变换及变换矩阵目前，对交流电机的控制主要是在三相交流电动机上模拟直流电动机的控制规律进行的分析和研究；从而将直流电动机的控制方法移植到交流电动机上，这其中最关键的问题就是交流量与直流量的转换，这就需要借助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。坐标变换必须遵循两个原则：(1)变换前后电流所产生的旋转磁动势完全一致；(2)变换前后电动机的功率相等。由以上原则推导出三种坐标系之间的变换关系如下 2-1 2-2 2-3 式中是d轴与轴之间的夹角；F为电压、电
13、流与磁链等矢量，其中式(2-1)就是通常所谓的Clark变换，式(2-2)则是通常所谓的Park变换。这些变换都是可逆的。注意：当各物理量由三相变换到两相时，为了满足功率不变的原则，两相定子线圈的有效匝数应为原来三相绕组每相有效匝数的/倍，两相定子线圈内个物理量的正方向和原定子三相绕组的规定相同。2.3电机的数学模型电机的数学模型是我们研究系统动、静态性能和对系统进行控制设计的依据；因此，数学模型的好坏对控制系统的性能有着非常重要的影响。由于永磁同步电机的各物理量之间复杂的电磁耦合合关系，以及饱和等非线性的影响，使得PMSM的建模非常困难。为了简化分析，结合本课题所使用的PMSM的特点，对电机
14、作如下一些假设：(1)假设磁路线性，不计涡流、磁滞以及铁心饱和的影响。(2)假定永磁材料的电导率等于零，不计电机绕组漏感。(3)假定定子绕组是三相对称分布，转子上无阻尼绕组。(4)不计磁场的高次谐波，定转子绕组产生的气隙磁场看成正弦分布的。在三相定子坐标系中，由于电机参数与转子的位置有关，使得电机的数学模型非常复杂。在此基础上进行控制系统的研究十分困难；而在d-q旋转坐标系中，由于坐标轴和磁链都以同步转速旋转，使得电机数学模型中的参数变成常数，有利于我们进行控制系统的设计；因此，通常采用d-q旋转坐标系下的数学模型来分析和设计永磁同步电动机伺服控制系统。在d-q旋转坐标系下永磁同步电机的数学模
15、型如下电压方程 2-4 2-5定子磁链方程 2-6 2-7电磁转矩方程 2-8机械运动方程 2-9式中，、是么d，q轴定子电流分量，、是d，q轴定子电压分量，R是定子电枢绕组电阻，、是气隙磁链，是转子磁钢在定子绕组中产生的耦合磁链，是电机d，q轴的主电感，是电机转子的磁极对数，是转子与负载的转动惯量、B是摩擦系数，是电机负载的转矩，是角速度、是电角速度，且，是转子的机械位置与起始点的夹角。从式(2-8)可以看出，电机的电磁转矩由两部分组成，第一部分是与q轴电流如成正比的永磁转矩；第二部分是与d、q轴电流的乘积成正比的磁阻转矩，它是由于d、q轴同步电感的不同而引起的。在插入式和内装式的PMSM中
16、，由于转子磁路一般不对称，所以在大多数情况下都有；而在面装式的PMSM 中，由于转子磁路对称导致，所以其磁阻转矩为零，从而其电磁转矩方程只包括第一项永磁转矩，因此式(2-8)可化为 2-103矢量控制系统的工作原理、信号检测3.1矢量控制系统的工作原理图示3-1出采用转子磁场定向的矢量控制系统原理框图。若使两相d，q坐标系与转子磁链同步旋转，并进一步将d轴取在转子磁链方向上，则转子磁链与转矩分别由定子电流的励磁分量和转矩分量独立控制，当转子磁链幅值保持恒定时，系统可实现对转矩与转子磁链的解耦控制。图3-1表明，这是一个电流内环、转速外环的双闭环控制系统。首先，根据检测到的电机转速和输入的参考转
17、速。利用转速与转矩的关系，通过速度PI控制器计算得到定子电流,的参考输入和。通过相电流检测电路提取，再使用Clark变换将它们转换到定子两相坐标系中，然后使用Park变换。将它们转换到d，q旋转坐标系中，再将d，q坐标系中的电流信号与它们的和相比较，其中=0，通过PI控制器获得理想的控制量。控制信号再通过Park逆变换送到三相逆变器，从而得到控制定子三相对称绕组的实际电流。外环速度环产生了定子电流的参考值，内环电流环得到实际控制信号，从而构成一个完整的速度矢量双闭环控制系统。PI PI d,q ,SVPWM 三相逆变器d,q , a,b,cPMSM电机PI 位置与速度 传感器 传感器信息 _
18、_ _ n Park变换 Clark变换 Park逆变器图示3-1矢量控制系统结构图3.2钉子电流的检测永磁同步电动机矢量控制系统至少需要实时检测电机定子任意两相的相电流，电流信号首先要转换成电压信号才能对其进行检测和处理。本系统中由主回路通过电流传感器检测电机A、B两相电流，分别经线性广耦隔离器HCPL7800进行隔离，用采样电阻将电流信号变为电压信号，再经运放进行放大，通过选取合适的参数和增益使得CA3140的输出电压控制在1V之内，最后再加上+2V的直流偏置电压，使输出为13V间变化的模拟电压信号，并在输出端加上+3V稳压二极管，以确保DSP输入不超过+3V。此信号与集成在TMS320F
19、2407内的A/D转换器外引脚相连接，进入DSP中进行运算处理。由于TMS320F2407的最大允许输入电压为3.3V，因此我们一方面要确保采样信号电压不能超过3.3V，又由于经过多次实验调试，发现DSP自带A/D转换器对于01V之间的电压信号不敏感，精确度较底，因此采用将+10mA的电流信号通过采样电阻转换为lv的电压信号。ADCINl：A相电流采样；ADCINlO：B相电流采样。这两个采集量采用双路同时转换，以增加转换次数，并且将同一时刻多次转换结果存于寄存器求其平均值，以达到提高转换精确度的要求。如图3-2，3-3分别为A相电流检测电路和二阶滤波及直流偏置电路 图3-2 A相电流检测电路
20、 图3-3 二阶滤波及直流偏置电路3.3电压的检测常用的电压检测方法有光电耦合直接检测法和电压传感器检测法。电压传感器检测法的检测性能优良，然而成本太贵；考虑实际情况，本系统采用第一种方法。电压检测电路原理如图图3-4所示。图3-4 电压检测电路原理把电阻接成Y 型网络来模拟交流感应电机的三相绕组，通过测量Y 型电阻上的电压来获得交流感应电机的三相电压。由于经电阻分压获得的电压具有高频谐波分量，瞬间峰值电压有可能会超过A/D 转换器输入的范围，况且电压还是有极性的，因此需要将此信号通过低通滤波器滤除谐波分量，然后经偏置电路将正负极性电压信号转换为0+3V 单极性电压信号。滤波后的电压为-1.2
21、+1.2V，经过2.5V 的参考电压源LM185 偏置后再进行放大即可得到0+3V 电压。放大后的电压必须经过光耦隔离后才能送入DSP 的A/D转换器进行转换。本系统选用的是型号为HCNR200 线性光耦。3.4转子位置检测转子初始位置信息是电动机正常起动运行的前提，也是控制算法正确实施的必要条件，不但是有位置传感器调速系统中一个必不可少的环节，也是无位置传感器调速系统中要解决的关键问题。若转子初始位置检测失误，会严重影响到以后对转子位置的计算，以致无法正确完成关于电机控制的其他一系列算法，将造成电机运转的紊乱并使之无法进入正常的运转状态。在这里采用基于位置传感器完成系统的转子位置检测，也就是
22、用信号发生器、旋变数字转换装置配合旋转变压器测量转子位置。旋转变压器简称旋变，包括激磁绕组与输出绕组两个部分。外部高频率信号施加在激磁绕组上，输出绕组输出的电压是经过转子转角调制后的高频模拟信号。输出绕组电压幅值与转子转角一般为正余弦函数关系，或保持某一比例关系，因此可以用于坐标变换、三角运算和角度数据传输。对电机位置进行检测的旋变通常为无刷结构正余弦型的旋变，其结构如图3-5所示。工作时对、绕组施加高频交流电压，在旋变内部产生高频脉振磁场；当转子随转轴转动时，脉振磁场也会随之旋转，从而在定子部分绕组两端感应出脉振电势；由于二相定子绕组位置垂直，使得二相定子绕组感应电势相差。图3-5 旋转变压
23、器接线图外部提供的激磁电压经过滑环提供给转子绕组，定子二相绕组互差，它们同转子绕组之间的夹角随着电机转子旋转而变化，使得定子绕组感应出的端电压随之变化。 3-1 3-2式中，k为变压器的变比。定子绕组输出的端电压是经过转子位置调制后的高频电压信号，因此需要对其进行解调以获取转子的绝对位置角。旋变的特点之一是：定子绕组输出的端电压含有转子位置的绝对位置信息，因此经过高频信号的解调后即可获得转子绝对位置。旋变与旋变数字转换装置（旋变解码芯片）接线示意图如图3-6：图3-6 旋变与解码芯片接线示意图如图3-6所示，解码芯片输出一个高频正弦信号，经过滤波与功率放大后(-)对旋变进行激磁，同时该信号经过
24、相位校正电路以后重新输入到解码芯片，为其精确解码提供参考；旋变输出两路经过高频调制后的包含转子位置信息的正弦信号(-、-)，两路信号经过信号调理(滤波、放大)送至解码芯片；解码芯片经过高速数字运算，再经过数字接口与微控制器通信，同时输出模拟监控信号供电路调试使用,最终确定转子位置。3.4转速检测永磁同步电动机矢量控制系统，为了提高控制系统的精度转速检测器可采用增量式光电编码，从光电编码器中输出的A、B信号是2个互差的脉冲序列，从这2个信号能计算出电动机速度和转动方向。光电编码器还给出一个定位信号Z，为防止记数时编码器的输出脉冲丢失，需利用此定位信号作为位置计数的复位信号，根据这个信号就能确定P
25、MSM转子相对于定子的位置。TMS320F2407具有其特殊功能模块一正交解码(QEP)电路和捕获单元，它们可以直接与光电编码器相连，用于转速检测。其中QEP电路内部设有转向判别和倍频功能，因此不再需要其它辅助电路，接口电路设计变得非常简单。而且F2407具有功能强大的通用定时器完成对脉冲信号的计数。其硬件接线如图3-7所示。图3-7 QEP的硬件连接在本系统中，利用F2407的QEP单元检测两列正交解码输入脉冲的两个边沿实现码盘输出信号的四倍频，并且利用通用定时器T2作为QEP电路的时间基准对脉冲进行计数，通过T2的计数就可以知道转子磁极的相对位置。Z信号用于确定转子磁极的绝对位置，Z信号与
26、捕获输入引脚CAP3相连，当捕获单元使能后，能捕获z的上升沿变化，触发一个相应的捕获中断，在中断服务程序中，T2的计数值被存储在相应的2级深度FIFO堆栈中，作为计算转角的基准值。转子每旋转一周，基准值就被重新定义一次，这样可以避免因A、B两相信号的丢失或外界的干扰而引起的位置磁极位置的误差，保证了转角计算的准确性。当电机正转时，QEP电路的方向检测逻辑测定出连接到光码盘A相的QEP1输入引脚上脉冲序列的相位领先于QEP2上的脉冲信号，然后产生一个方向信号(此信号可以在特殊寄存器内读取，以此判别转向)作为T2定时器的计数方向，则计数器T2CNT递增计数；反之，若电机反转，则递减计数。定时器T2
27、在计数器下溢或E溢时发生翻转，并重新开始计数。4永磁同步电机矢量控制系统及仿真4.1永磁同步电机的矢量控制系统典型的转速、电流闭环PMSM矢量控制系统如图4-1所示。由于矢量控制的思想是控制转子坐标系上的定子电流分量(、)，所以需要转子位置信号以供坐标变换所需，同时也可据此计算出电机的转速，因此转子位置信号检测电路是系统的一个关键部分。转速闭环调节器发出电机转矩指令，接着由图l中的函数发生器(FG)根据电机运行特性(MTPA等)输出、指令，然后分别经过两路独立的电流闭环通道(电流调节器，ACR)输出d、q轴的控制电压，再经过图中。变换后得到静止坐标系的电压控制量(、)，最后采用空间矢量脉宽调制
28、技术(SVPWM)输出PWM信号去控制电压源逆变器(VSI)向永磁电机供电。图4-1中虚线框内部单元由TI公司DSP实现。图4-1 永磁同步电机矢量控制系统4.2仿真根据永磁同步电机数学模型用Simulink建立了永磁同步电机的模块如图4-2所示：图4-2 永磁同步电机模块三相永磁同步电机矢量控制仿真框图如图4-3所示：图4-3 三相永磁同步电机矢量控制仿真框图图4-4电流滞环控制模块图4-5 PWM模块实现框图图4-6 dq2abc模块实现框图仿真中用到的电机参数如下：定子电阻为2875 ，,定子直轴电感和交轴电感都为8.5e-3H，永磁磁极与定子绕组交链的磁链为0.175 Wb , 转动惯
29、量0.8e-3kgm2, 极对数6，给定转速为=500rads，在t=0.03s时，负载转矩由O Nm 突变为6Nm，见图(4-7)图4-7 外加负载曲线由上述仿真结果可知， 普通三相永磁同步电机采用基于转子磁场定向的矢量控制方案， 且速度外环采用PI控制时，速度响应过程中有一定超调见图(4-8) 。当突加负载时，速度立即下降，然后逐渐恢复稳定见图(4-9) ,若在速度外环采用PID控制,即在速度外环加一个小的微分环节D并适当降低比例放大系数P,可有效降低超调量并且缩短电机启和突加负载时电机到达稳态的时间。交轴实际电流始终跟踪交轴给定电流见图(4-11),且启动过程中和突加负载时, 两者变化幅
30、度较大，而稳定时两者都基本恒定，稳态时电磁力矩恒定见图(4-10)，以便平衡外加负载，速度稳定时三相定子电流为规整的正弦流，且相位依次相差约 。 图4-8 定子电流曲线图4-9 速度响应曲线图4-10 电磁力矩曲线图4-11 交轴电流曲线 5结论本文研究了采用位置传感器法对永磁同步电机矢量控制系统信号检测，实现提高信号检测的准确性，对于如何降低控制系统的成本，提高系统性能有着很好的借鉴作用。理论分析、仿真和试验对比研究永磁同步电机矢量控制系统，表明实时检测并利用检测信号，才能保证电机的更好运行。 参考文献1何飚，齐智平，冯之钺无速度传感器矢量控制系统的电机参数测算. 农业机械学报, 2008,
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