永磁同步电机控制策略

当前永磁同步伺服系统的控制策略主要有：磁场定向（矢量）控制直接转矩控制自适应控制滑模变结构控制调压调频（VVVF）控制PID控制线性化控制模糊控制和神经网络控制以及多种控制策略的复合控制矢量控制也称做磁场定向控制(FOC),其基本思路是:通过坐标变换实现模拟直流电机的控制方法来对永磁同步电机进行控制,其实现步骤如下：一、根据磁势和功率不变的原则通过正交变换,将三相静止坐标变换成二相静止坐标，也就是Clarke变换，将三相的电流先转变到静止坐标系，再通过旋转变换将二相静止坐标变成二相旋转坐标，也就是Park变换，Park变换中定子电流矢量被分解成按转子磁场定向的2个直流分量id、iq(其中id为励磁电流分量,iq为转矩电流分量)。二、通过控制器对其速度电流环进行控制,控制id就相当于控制磁通,而控制iq就相当于控制转矩。iq调节参考量是由速度控制器给出，经过电流环调节后得出其d,q轴上的电压分量即ud和uq。.三、控制量ud和uq通过Park逆变换。四、根据SVPWM空间矢量合成方法实现矢量控制量输出，达到矢量控制的目的矢量控制原理图永磁同步电机矢量控制系统结构框图坐标变换图abc三相定子电流，经过claeke变换为坐标系，在经过park变换为dq坐标Clarke变换与逆变换Park变换与逆变换111222333022abciiiii102133221322abciiiiicossinsincosdqiiiicossinsincosdqiiiiSVPWM产生原理SVPWM是空间电压矢量PWM波产生，它具有电压利用率高、低谐波成分、开关次数少和功率管功耗小等特点。同时，SVPWM还能很好的结合矢量控制算法，为矢量控制得实现提供很好的途径，以最大限度的发挥设备的性能。因此被越来越多的变频设备所采用。电压空间矢量SVPWM技术的基本原理：电压矢量与磁链矢量的关系:当用三相平衡的正弦电压向交流电机供电时，电动机的定子磁链空间矢量幅值恒定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场(磁链圆)。因此如果有一种方法，使得逆变电路能向交流电动机提供可变频、并能保证电动机形成定子磁链圆，就可以实现交流电动机的变频调速。电压空间矢量是按照电压所加在绕组上的空间位置来定的。电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系这是一个特殊的坐标系，它有三个轴,互相间隔120度，分别代表三个相。三相定子相电压Ua,Ub,Uc,分别施加在三相绕组上，形成三个相电压空间矢量Ua,Ub,Uc,它们的方向始终在各相的轴线上，大小则随着时间按正弦规律变化。因此，三个相电压空间矢量相加所形成的一个合成电压空间矢量是一个以电源角频率速度旋转的空间矢量:uABCuuu同样的，也可以定义电流和磁链的空间矢量I和。因此有当转速不是很低的时候，定子电阻R的压降相对较小=+duRIdtjtmdudtudte该式说明，当磁链幅值一定时，u的大小与成正比，或者说供电电压与频率f成正比。其方向是磁链轨迹方向的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动弧度，其运动轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题来讨论。()2()jtjjtjtmmmdeujeedtm2此图是一个电压型PWM逆变器。利用这种逆变器功率开关管的开关状态和顺序组合，以及开关时间的调整，以保证电压空间矢量圆形运行轨迹为目标，就可以产生谐波较少的、且直流电源利用率较高的输出。SVPWM是通过三相交流逆变桥的6个开关的不同导通模式产生不同的电压基本矢量，通过矢量合成，来合成任意矢量（在实际允许范围内），通过导通时间的不同大小，来确定矢量的大小，这也就是PWM调制的原理。上图是一个典型的电压源型PWM逆变器模型。令a=0,表示在第一组桥臂中：上桥臂截止，下桥臂导通，a=1,表示第一组桥臂中：上桥臂导通，下桥臂截止，同理定义b,c对应于第二组桥臂和第三组桥臂中上下桥臂的导通关系，因为实际的工作状态不允许逆变的同一组桥臂同时导通，V(a,b,c)有8种导通状态即V(000),V(001),V(010),V(011),V(100),V(101),V(110),V(111)。可以推导出，三相逆变器输出的线电压矢量与开关状态矢量的关系为:三相逆变器输出的相电压矢量与开关状态矢量的关系为TABBCCAUUUTabc110011101ABBCDCCAUaUUbUcTABCUUUTabc21111213112ABDCCUaUUbUc三相电压源逆变器的8个电压空间矢量SVPWM通过这六个基本向量和零向量来合成我们所需的向量，可见这六个向量把向量空间分为六部分，在不同区间内，向量都可使用它邻近的两个基本向量来进行合成，可以使用PWM的概念通过占空比来调节基本的大小，通过在采样周期内导通时间的控制来近似被调制向量在该方向上的大小。如果向量如图所示位置则：12012012(110)(100)(000)VVVVVTVTVTTTTT：V(110)状态的导通时间1T：V(100)状态的导通时间2T：零向量的导通时间0T：采样周期T从一个空间电压矢量旋转到另一个矢量的过程中，应当遵循功率器件的开关状态变化最小的原则，即应只使一个功率器件的开关状态发生变化，这样可以尽量减少开关损耗。在零矢量的插入上，有两种方法处理，下图所示为在区域1中以两相调制方法形成的SVPWM波形图。上面的图为区域I中以三相调制方法形成的SVPWM波形图。采用三相调制具有更低的谐波，在系统中，采用了这种调制方式。总结：永磁同步电机的矢量控制原理本质上就是围绕着如何建立一个旋转的空间磁场。电机转动实质上就是空间磁场的转动。矢量控制永磁同步电机的死区效应采用SVPWM的电压源逆变器中，同一桥臂的上F两个开关器件施加互补的驱动信号，由于功率器件的开通时间往往小于关断时间，容易发生同桥臂两只开关管同时导通的短路故障，为了防止这种短路故障的发生，逆变器控制必须引入一段封锁时间，此时上下桥臂均将驱动信号封锁以保证同桥臂上一只开关管可靠关断后另一只开关管才能开通，这段时间被称为开关时滞，亦称为死区时间。受功率开关器件的这种固有存储时间的影响，逆变器呈现非理想化特性。死区时间的存在使得实际输出电压和给定电压之间存在着偏差，引起了负载相电流的畸变，主要是零电流的钳位现象，电机的转矩也将受影响而产生波动，甚至导致机电稳定性问题。永磁同步电机直接转矩控制法直接转矩控制方法就是维持定子总磁链恒定，通过在定子坐标系下实时计算和控制定子磁链和转矩，利用磁连和转矩的直接跟踪，来实现系统的高动态性能。直接转矩控制与矢量控制相比较：（1）直接转矩控制是在静止两相坐标系下，计算并控制交流电机的转矩，打破传统的矢量控制要模仿直流电机的解耦控制思想，不必为了将交流电机等效转化为了将交流电机等效转化为直流电机而对电机模型进行的简化，避免了许多复杂计算。（2）直接转矩控制采用的是钉子磁链磁场定向，只要知道定子电阻就可利用反电动势积分法将定子磁链观测出来。不像矢量控制采用转子磁链磁场定向，而观测转子磁链时，转子的电阻和电感极易受到外界的影响，导致控制性能不稳定。（3）直接转矩控制采用空间电压矢量概念分析三相交流电机的数学模型，特别是利用钉子电压空间矢量计算和控制其他各个物理量，使问题得到简化，他不考虑定子电流波形是否为正弦波，也不管电机内部磁场运动速度是否均匀，只关心转矩的响应速度和转矩的控制效果。（4）对转矩和磁链直接控制，它摒弃了解耦的思想，不需要任何电流调节器，PWM信号发生器，只是通过测定电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并通过两点式调节器把转矩检测值与给定值进行滞环比较，由滞环调节器来控制转矩波动。控制效果取决于转矩的实际情况。永磁同步电机直接转矩控制结构图在上图的结构框图中，工作的原理是，转速参考值与施测电机转速的差值通过PI调解器得到电磁转矩参考值，转子永磁体产生的磁链作为磁链参考值，讲磁链和转矩的观测值与参考值分别在磁链，转矩滞环比较器中比较，得到磁链和转矩的控制信号。由磁链和转巨额的控制信号以及当前磁链的位置确定当前逆变器的开关状态，并选择合适的空间电压矢量，经过PWM输出后驱动逆变器工作。