加入VIP
  • 专属下载特权
  • 现金文档折扣购买
  • VIP免费专区
  • 千万文档免费下载

上传资料

关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 永磁同步电机矢量控制研究

永磁同步电机矢量控制研究.PDF

永磁同步电机矢量控制研究

晓东
2010-10-28 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《永磁同步电机矢量控制研究pdf》,可适用于工程科技领域

摘要摘要本文研究永磁同步电机矢量控制系统。在深入学习永磁同步电机数学模型和矢量控制原理的基础上用MATLABSIMULINK建立了永磁同步电机电流转速双闭环矢量控制仿真模型。在调整好参数并取得良好仿真结果基础上作了没有零矢量PWM发生方法的闭环仿真和速度环模糊控制仿真并取得了较好的仿真控制效果。工RMCS是新型采用矢量控制算法的电机驱动控制开发平台。本文阐述了该平台的控制结构和原理。在该平台上的电机运行试验验证了永磁同步电机矢量控制的优良it能。本文还讨论了一些永磁同步电机矢量控制相关的内容。包括位置伺服系统的仿真以及转子初始位置的检测。所有这些工作阐明了永磁同步电机矢量控制系统的原理、方法和性能对今后研究永磁同步电机矢量控制系统和提高系统的性能具有参考意义。关键词:永磁同步电机矢量控制SVPWM工RMCS广东工业大学硕士学位论文AbstractVectorcontrolofPMSMwasstudiedinthepaperBasedonstudyingthemathematicmodelofPMSMandtheprincipleofvectorcontrolAemulationmodelofvectorcontrolsystemofPMSMwerebuiltusingMATLABSIMULINKAfterparameterofthemodelwastunedandgoodemulationperformancewasobtainedPWMgenerationmethodwithoutzerovectorsandfuzzycontrolofspeedloopwasemulatedandbettercontroleffectwasobtainedIRMCSisthenewesttypeofservodevelopingplatform,whichadoptsvectorcontrolmethodtheexperimentofmotorontheplatformprovedgoodperformanceofvectorcontrolControlstructureandprinciplehasexpatiatedinthepaperThepaperalsodiscussedsomeitemscorrectivetoPMSMspeedcontrolsystem,includingpositionservoemulationandthemethodsofevaluatinginitialrotorpositionAlltheseworkclarifiedthe州nciple,methodsandperformanceofPMSMvectorcontrolsystemIthasreferencevalueforstudyingPMSMvectorcontrolsystemandimprovingitsperformanceinthefutureKevword:PMSM,vectorcontrolSVPWMIRMCSn第一章绪论第一章绪论电机调速技术的发展历史电机是生产和生活中最常见的设备之一在我国中小型电机就有多个系列个种类n占总用电量的z'。电动机通常分为直流电动机和交流电动机两大类。交流电动机的诞生己经有一百多年的历史。交流电动机又分为同步电动机和感应(异步)电动机两大类。直流电动机的转速容易控制和调节在额定转速以下保持励磁电流恒定通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速在额定转速以上保持电枢电压恒定可用改变励磁的方法实现恒功率调速。世纪年代以前在变速传动领域直流调速一直占据主导电位磁场定向控制也称矢量控制它是年代初由西德BlasschkeD和Hasse首先提出它的出现对交流电机控制技术的研究具有划时代的意义在理论上解决了交流电机的转矩控制问题。通过按转子磁场定向构成的矢量变换控制系统实现了定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕从而达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的这样就可将一台交流电机等效为直流电机来控制因而可使交流电机的动静态控制性能可与直流系统相媲美电机调速技术的现状及趋势国内外发展概况国外生产精密交流伺服电机控制系统的厂家有日本三菱、松下、富士和德国西门子等。截至年底国产交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器基本自主开发成功。华中数控HSV系列全数字交流伺服电机驱动单元具有良好的性能。广州数控设备有限公司DAA系列交流伺服系统调速比为::国内厂家北京和利时电机生产全的ESC数字交流伺服驱动器通过键盘设置电子齿轮可以设置为比例范围介于之间。但是作为交流伺服系统的上游厂商国内主要数控系统生产厂家其中包括华中数控、航天数控系广东工业大学硕士学位论文一一一统有限公司、高档数控国家工程研究中心、上海开通数控有限公司等其高端产品往往要采用国外的交流伺服系统虽然国货比进口的要便宜得多。从整体来看我国无论从电机制造的材料工艺还是电机的控制、运行特性等方面与国外都还存在差距。国内伺服电机的全数字驱动器技术还比较落后主要局限于欠缺实用的电机数字控制算法和高可靠的功率模块这样大大限制了国产伺服电机的推广。随着国内交流伺服用电机等硬件技术逐步成熟以软件形式存在于控制芯片中的伺服控制技术又制约了我国高性能交流伺服技术及产品发展。目前矢量控制技术以其易实现、性能优越成为行业先导。VF或者EF控制因为技术门槛低实现简单成本低对于中、低档产品有一定的优势。但是从长远看随着CPU制造技术提高、成本降低采用矢量控制技术的变频器成本与VF或者EF控制成本相差无几采用矢量控制技术的变频器将成为业界主流。近几年的发展趋势。()电机调速技术的发展趋势是永磁同步电机将会取代原有直流有刷伺服电机和步进电机及感应电机。因为永磁同步电机相对其他形式的电机有着显著的优势I:A)永磁同步电机在基速以下不需要励磁电流在稳定运行时没有转子电阻损耗可以显著提高功率因数(可达到甚至容性)B)永磁同步电动机不设电刷和滑环因此结构简单使用方便可靠性高C)永磁同步电动机转子结构多样结构灵活而且不同的转子结构往往带来自身性能上的特点因而永磁同步电动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。而且在相同功率下永磁同步电动机在比其他形式电动机具有更小的体积。我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富年月我国成为世界上第三个能研制和生产第三代稀土钦铁硼永磁材料的国家稀土资占全世界的以上〔发展永磁电机具有广阔的前景。()高性能控制策略广泛应用于交流伺服系统。基于常规控制理论设计的电机控制系统存在缺陷和不足:传统控制器的设计通常需要被控对象有非常精确的数学模型而永磁电机是一个非线性多变量系统难以精确的确定其数学模型按照近似模型得到的最优控制在实际上往往不能保证最优受建模动态非线性及其他一些不可预见参数变化的影响有时甚至会引起控制品质严重下降鲁棒第一章绪论性得不到保证。所以有必要采用高性能的控制策略例如采用变结构控制、模糊控制、神经网络控制使系统具有很好自适应能力和抗干扰能力能够在参数时变及干扰等恶劣的工况下保证系统良好的动态和稳态性能。()绿色化发展。由于全球电能的以上通过电力变换装置来消耗作为广泛使用的电力变换装置的变频器将朝着节约能源降低对电网的污染和对环境的辐射干扰延长电机使用寿命的绿色化方向发展。论文研究的主要内容中国为发展中的制造业大国交流调速系统除应用数控机床行业外其他行业对各种规格交流调速系统需求量逐年增长有着巨大的国内市场。就矢量控制的交流驱动本身而言无论是对感应电机还是对永磁同步电机的控制性能都有了显著的提高基于交流调速的发展趋势本课题研究永磁同步电机矢量控制。主要包括以下几项工作:()永磁同步电机矢量控制原理研究基于MATLABSIMULINK的永磁同步电机矢量控制系统仿真系统电流环、速度环参数的调整没有零矢量的PM发生方法闭环仿真以及速度环模糊控制仿真。()采用矢量控制方法的新型伺服控制系统开发平台IItMCS的参数设置、控制结构以及电机运行试验。()位置控制器的结构、原理双闭环矢量控制仿真基础上的位置伺服系统仿真位置控制器参数对控制性能的影响。()初始转子位置的检测。广东工业大学硕士学位沦文永磁同步电机dq轴数学模型永磁同步电机是由电磁式同步电动机发展而来它用永磁体代替了电励磁从而省去了励磁线圈、滑环和电刷而定子与电磁式同步电机基本相同【的仍要求输入三相对称正弦电流。图是永磁同步电机模型图中标出了定子每相绕组中电流的正方向。将正向电流流经一相绕组时产生的正弦磁动势波轴线定义为该相绕组的轴线如图中的A轴为asas’绕组轴线并将它作为空间坐标的参考轴线。永磁同步电机在dq坐标系的数学模型描述如下:图永磁同步电机模型FigPMSMmodel定子电压方程:dVud=一分告一W,Va人fda了()dytoq=dt'T}dFly,()磁链方程:汽=VII=Ld=d十VfLQiq()()电磁转矩方程:孺=Pn(Vd心一Y'gfd)=PhVfiq(Ld一Lq)认()机械运动方程:Adt=二一TL一’Q“()其中第二章永磁同步电机矢量控制原理电压:电流:磁链:dq坐标系上的等效电枢电感:定子绕组的电阻:dq坐标系旋转角频率q:下标分别表示定子的d,q轴分量娇:永磁体产生的磁链可由桥=eolco求取e。为空载反电动势其值为每相绕组反电动势有效值的石倍即。。E转动惯量转子机械角速度孺:几:阻力系数输出电磁转矩:负载转矩磁极对数把上式的有关量表示为空间矢量形式则:V,=Vd钱l,=Zd几孺=P然xis‘q()()()I,(g,)八’il份、A轴、、图PMSM空间矢量图FigPMSMspacevectordiagram如图,刀为电流矢量i,与d轴的夹角定子电流空间矢量心与定子磁动势空Ifd矢量K同轴P角实际上是定子合成旋转磁场轴线与永磁体磁场轴线的空广东工业大学硕士学位论文间电角度刀角也称为转矩角【ia。有图可知:二凡COs刀=issin()将式(一)代入()则有:二一。二、sin,I(、一、)isinJ()=TT,由电机的转矩方程()可以看出其中包含了两个分量第一项是永磁转矩几第二项是磁阻转矩Tr。对于插入式和内装式转子结构由于d轴磁路上有永磁体所以Ld<LQ。由式()磁阻转矩与两电感差成正比当小于时磁阻转矩为负值具有制动性质当夕大于:时磁阻转矩为正值具有驱动性质。在插入式或内装式永磁同步电机组成的驱动系统中可以灵活有效地利用这个磁阻转矩。例如在恒转矩区控制角使它发生在:<<二范围内就可以提高转矩值。在恒功率区通过调整和控制旦角可以通过输出转矩和扩大速度范围。当>二时电机作发电机运行可以利用这个运行区对电机进行制动。矢量控制的基本概念年德国学者Blaschke和Hasse提出了交流电动机的矢量理论采用矢量控制技术可以使交流调速获得直流调速同样优良的控制性能。其基本思想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在磁场定向坐标上将电流矢量分解成为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得两个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。因此矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置(频率和相位)的控制。矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能最终实施仍然是落实到对定子电流(交流量)的控制上。由于在定子侧的各个物理量包括电压、电流、电动势、磁动势等等都是交流量其空间矢量在空间以同步转速旋转调节、控制和计算都不是很方便。因此需要借助于坐标变换使得各个物理量从静止坐标系转换到转子同步旋转坐标系然后站在同步旋转坐标系上进行观察电动机的各个空间矢量都变成了静止矢量电一一一轰矗孟哩霎尝鉴鬓燮鬓沁~~~一流电压都成了直流量可以根据转矩公式找到转矩和被控矢量的各个分量之间的关系实时的计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值即直流给定量·按照这些给定量进行实时控制就可以达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的是虚构的因此还必须再经过坐标的逆变换过程从旋转坐标系回到静止坐标系把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量在三相定子坐标系上对交流量进行控制使其实际值等于给定值。图为PMSM矢量控制系统框图【可见永磁同步电机位置交流伺服系统矢量控制由下面几部分组成:转子磁极位置检测和速度计算模块速度环电流环控制器坐标变换模块SVPVPM模块整流和逆变模块。Park逆变换图PMS”矢量控制系统框图FigPMSMvectorcontrolblockdiagram控制过程为:速度指令信号与检测到的转子速度信号相比较经速度控制器的调节输出i指令信号作q轴电流控制器给定信号d轴电流控制器的给定信号为。电流采样得到的三相定子电流Io,Ib,I,通过Clark变换化为a坐标系两相电流is,今通过Park变换后化为dq旋转坐标系的电流值ZdI'分别是d轴和q轴电流调节器的反馈输入。d轴和q轴电流的给定和反馈之间的偏差分别输入到d广东工业大学硕士学位论文轴和q轴的电流控制器经过控制器的调节后输出电压ud"e再经过Park逆变换分别化为“一p坐标系轴电压“。调制SVPWM模块输出六路PWM,驱动工GBT产生频率和幅值可变的三相正弦电流输入电机。按转子磁链定向电机矢量控制系统需要提供电机转子的位置信号。或速度信号。W。目前的系统一般使用光电编码器来得到转子磁极位置信息和速度信息。对于永磁同步电机由式()Ji的大小和相位就取决于id和几。也即矢量控制是通过对两个电流分量的分别控制实现的。根据电机方程所确定的电磁关系一定的转矩和转速对应于一定的id和ill>通过对这两个电流的控制使实际的id和跟踪相应的给定值便实现了对电机转矩和转速的控制。这种电流矢量控制方法对电动机稳态运行和瞬态运行的控制都是适用的L们。而且由于位于d,q轴的电流分量相互正交使对转矩的控制和对磁场的控制实现了解祸因此便于实现各种先进的控制策略。对于永磁同步电机转子磁通位置与转子机械位置相同这样通过检测转子实际位置就可以得知电机转子磁链位置从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制大大简化。当id=o时从电机端口看永磁同步电机相当于一台他励直流电机。定子电流中只有q轴分量且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交在一定的定子电流幅值下能够输出最大的转矩Gzl电机控制中用到的PWM技术在离散系统中冲量(窄脉冲的等效面积)相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其作用效果基本相同这就是PWM控制技术的理沦基础‘PWM(PulseWidthModulation)控制技术是利用半导体功率器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压(VV)目的或者通过控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频(VVVF)目的的一种控制技术iialPWM技术有许多种从控制思想上分可以把它分成四类:等宽PWM法正弦PWM法((SPWM法)磁链追踪和电流跟踪PWM法。等宽PWM是最简单的它每一脉冲的宽度都相等改变脉冲序列的周期可以调频改变脉冲的占空比可以调压其第二章永磁同步电机矢量控制原理输出电压含有较大谐波成分。年ASchonung和HStemmler将通讯系统的调制技术借鉴到交流传动中产生了正弦脉宽调制(SPWM)变频变压思想‘`s'oSPWM是以正弦波作为基准波(称为调制波)用一列等幅的三角波(称为载波)与基准波相交由它们的交点确定逆变器的开关模式(:当基准波正弦波高于三角波时使相应的开关器件导通当基准波低于三角波时使开关器件截止。其特点是中间的脉冲宽两边的脉冲窄各脉冲的面积与该区间正弦波下的面积相等。这样输出电压中的低次谐波大大减少。叼匕布素)较川且丫丫}V料」【图SPWM控制原理FigPrincipleofSPWNcontrol磁链追踪形PWM法是从控制电动机磁链的角度出发的着眼于如何是电动机获得圆形磁链轨迹。它是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的实际磁链轨迹来追踪理想磁链圆由追踪的结果决定出逆变器的开通或关闭形成PWM波。当然这样形成的PWM也是三相对称正弦波。电流追踪形PWM法虽然也采用电压形逆变器的主电路结构却是控制输出电流的电流型逆变器。其基本思想是将电动机定子电流的检测信号与正弦电流给定信号用比较器比较如果实际电流大于给定值则通过逆变器的开关使之减小反之则使实际电流增大。永磁同步电机的电流滞环比较PWM控制方法就是实时的检测定子的三相电流并与三相电流的给定值比较由此确定相开关量的开关状态tit。这种方法的控制精度与滞环宽度有关。在功率器件的允许开关频率范围内滞环宽度决定了开关频率的大小开关频率是不固定的。SVP}YM法则是从电机的角度出发的着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场即正弦磁通。具体地说它以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子的理想磁链圆为基准、由三相逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链一一~一一一尘裂当溉尝竺盖一矢量去逼近基准磁链圆并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态形成PWM波形。该控制方法具有开关损耗小、电机转矩脉动低、电流波形畸变小、直流电压利用率提高的优点m第三章永磁同步电机矢量控制仿真及实验第三章永磁同步电机矢量控制仿真及实验在现有的各种控制系统仿真软件中Matlab是非常优秀并得到广泛应用的一个。在其中的SIMULINK软件包中己经有一个专门用于电力系统仿真的工具包PowerSystemBlocksetLibrary其中提供了仿真所需的各种电力系统部件的仿真模块和很多系统仿真模型样例。本文的仿真工作就基于这个软件环境进行。永磁同步电机矢量控制仿真永磁同步电机仿真模型的建立为建立永磁同步电机矢量控制的系统仿真模型首先需要一个比较准确反映电机特性的电机模型。在Simulink中己经提供了一个永磁同步电机的仿真模块它封装了电机的主要电压方程和机械方程。在本仿真系统里使用的是MatlabSimulink提供的永磁同步电动机模型。空间矢量PWM(SVPWM)发生模块的建立在建立了电机的仿真模型之后我们还需要一些相关的运算模块来建立仿真系统。这其中非常重要的是空间矢量PWM发生模块它根据电流环输出的u。和与以及当前的转子位置角度值输出路PWM波控制主桥臂路IGBT的通断。与其它的PWM调制方法不同的是它不需要三相各自的调制器。空间矢量PWM(SVPWM)发生原理典型的三相电压源型逆变器的结构如图所示SVPWM控制的主电路是由VT到VT六个功率晶体管工GBT组成的三相逆变器。VTVT六个功率晶体管分别由PWMpwm信号控制。当同一桥臂的上一IGBT处于导通时下一工GBT处于关闭状态。一~一~一一~一‘泛裂乏迥兰玺Vdc}VToVTVdc图三相逆变器主电路FigThreephaseinvertermaincircuit根据三组桥臂(Sasns})的通断则共有个可能的开关状态产生六个有效向量Ul()U()U(),U(),U(),U()(也称个基本空间矢量)和两个零矢量UO(),U()。逆变器每个开关状态产生一个电压开关矢量如图所示。t)U()U()aU()U()个零矢最FU(),()图个电压空间矢量及扇区分布Figvoltagespacevectorandsectordistribution合成向量是由相邻的两个基本空间矢量各自所占的时间来确定如图,U的大小和角度由U和U这两个先后出现的矢量及零矢量各自所占的时间来确定〔UDOT=丑U玉UTT()其中T是PWM周期不是向量U持续时间兀是向量U持续时间不和T,的时间由下式计算:第三章永磁同步电机矢量控制仿真及实验=孕JUsinz’兀性一了’()U叫Ucos'在一个PB'M周期T里矢量U和U维持的时间相加为不十兀设置合适的T使T兀<T剩下的时间T不一兀是零矢量持续时间。U()认度U()UP图电压合成矢量在第III扇区的分解图FigDecomposingofcomposedvectorinsectorIII设V,V,V是逆变器的输出。开关变量矢量abc」与线电压输出矢量V,VVl相电压矢量IVVV之间的关系为:()=V,卜I‘“}()其中Vdc为直流母线电压。所以同时考虑三个桥臂时共有种导通状态和逆变器相应输出如表所示种导通状态即个电压矢量在空间的分布如图所示。表开关导通状态和三相逆变器的相应输出TabStatesofswitchesandcorrespondingoutputofinverterCbaVwVblV,KbVbcVa广东工业大学硕士学位论文V,,一VOC一VOCvDC一vDC一VOCVDc一VOc一vDCvDCVDc凡C一VDcVOc一VDC一VOc一VOcVDc一vDCvDCVDc一VD,VDTvDC一vDC一叽CV,,,VDC一VDCVDCI确定合成电压矢量所在扇区如图所示六个有效向量和两个零矢量UO(),U()))把空P分成个区。首先应该确定采样时刻电压合成矢量位于哪个扇区。假设确定扇区变量为Sector,中间变量蠕聪r畴。按照公式()计算Vd,聪聪。:Vf二VowVef一告(,V、一、、)Vref二告(刊之、一、、)()如果Vf'>则A=否则A=O如果踢>则B=否则B=O如果V,f>则C=否则C=O则扇区的计算公式为Sector=A十B十C例如当Sector=时在III扇区。()计算基本空间矢量导通时间根据上面的算法确定了电压合成向量所在的扇区之后应该计算合成电压矢量分解到其所在扇区内的两相邻电压矢量的导通时间。算法如下令:第三章永磁同步电机矢量控制仿真及实验X=U·TVdcY=生(U,()一创Ube,afUa}f}青}U}f}*TVdc则各扇区导通时间计算公式如下:第III扇区:cmpl=Xcmp二一Y第I扇区:cmpl=Zcmp=X第V扇区:cmp二一Ycmp二一Z()第IV扇区:cmpll=Zcmp=X第VI扇区:cmpl二一Xcmp=Y第II扇区:cmpl=Ycmp=Z其中:公式()中T为PWM脉宽调制载波的周期cmpl,cmp为图中两相邻电压矢量的导通时间。例如第三扇区中cmpl表示V的导通时间cmp表示V的导通时间。应当设置适当的T使得cmpl十cmp<T,如果cmpl十cmp>To则令:CMPI=cmpl不Tcmplcmpcmp诬丽Tcmplcmp(一)cmp=采用这种开关方案具有以下特性:)对于每一个扇区在每一个P{YM通道内有固定的开关顺序)每个PWM开始结束于UO()或U())见式()因为各个扇区工GBT的导通时间里都有直流母线电压咋。作分母当直流母线电压下降相应导通时间增加可以起到补偿电压下降的作用。广东丁业大学硕士学位论文Ewe。第三章永磁同步电机矢量控制仿真及实验建立SVPWM仿真发生模块根据七面的分析设计用十仿真的SVPWM发生模块结构如图所示。在SVPWM模块里用重复三角波序列模拟硬件定时器的增减计数模式输出。输入量为电压调制命令Ua,A,认。。PWM载波周期Ts以及直流电压Udc输出为路PWM。根据输入调制命令电压确定合成电压矢量的扇区和该扇区内两个基本矢量各自的作用时间后通过PWM发生模块产生需要的PWM波形。第工II扇区PWM波形的发生模块见图一共由个类似的模块根据电压矢量在哪个扇区选择相应的PWM发生模块。图PWM发生模块内部结构图FigInternalstructureofPWMgenerationmodulePWM波形发生模块的作用是产生路PWM波形控制个工GBT的开关。其输入有四个:PWM载波周期的一半Ts:重复等腰直角三角型载波三角型的底边长度为Ts高为Ts以及根据不同的扇区里的两个相邻矢量各自所占的时间cmpl,cmp,输出为六路PWM其中,,路输出分别是,,路输出的反相所以只要确定,,路的波形整个波形就确定了。PWM波形的发生原理见图图中矢量所占的时间为*cmp矢量所占的时间为*cmpl,tl=cmpl,t=tlcmp广东工业大学硕十学位论文图PWM波形发生原理FigPrincipleofPWM永磁同步电机双闭环控制仿真生产工艺对电机调速系统转速控制的要求有三个方面:调速稳速加减速。闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多得稳态特性从而保证在一定静差率的要求下能够提高调速范围为此需要付出的代价是须要增设检测和反馈装置。调速范围是指电动机的最高转速与最低转速之比静差率是指负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落静差率越小电动机的机械特性越硬p采样频率的确定在设计离散系统时香农采样定理是必须严格遵守的一条准则因为它指明了从采样信号中不失真的复现原连续信号所必需的理论上的最小采样周期。香农采用定理指出:如果采样器的输入信号e(t)具有有限带宽并且有直到Coh(rads)的频率分量则只要采样周期满足下列条件:T<三tc(s)COh()信号e(t)可以完整地从采样周期信号。(t)恢复过来so应当指出香农定理只是给出了一个选择采样周期T或采样频率fs的指导原则它给出的是由采样脉冲序列无失真地再现原连续信号所允许的最大采样周期或最低采样频率。在控制工程实践中一般总是取a),>COh。一一~~~份一一二赶翌摆劣沈鉴坐标其结果“。和“包含了交流激励频率成分。这些电压通过SVPWM模块转换为六个IGBT门信号。LZ闭环速度控制在永磁同步电机里速度给定与速度反馈之差通过PI调节器后作为Q轴的电流给定值。如果在速度控制写寄存器组里“SpdLpRate”设置为N闭环速度控制每N个PWM载波频率周期更新执行一次。N能从到(写零关闭速度控制)。顺序控制IRMCK有三个内部状态:StandBy或STOP状态RUN状态和FAULT状态。每种状态的转换能由IO引脚或主寄存器或内部驱动条件(例如过流欠压等)引起。也可以离散IO引脚或主机寄存器界面引导而STOP是由主机界面寄存器和外部STOP输入引脚两者引导。电路保护IRMCK具有内在的驱动错误和保护特色。表概括了驱动器错误类型。任何驱动器错误发生都会关闭PWM输出。表驱动器错误指示TabDriver'serrorindication错误IRMCSLED指示主机寄存器界面的状态指示描述过流过温红灯=亮绿灯二闪烁错误状态读寄存器域GATEKILLI过流和过温发生。IGBT门驱动器(IRX)关闭门驱动输出立即锁存一个错误条件且通知IRMCK。这激活了IRMCK里的错误锁存器过压红灯=亮绿灯=闪烁错误状态读寄存器域OVERVOLT=直流母线过压发生激活IRMCK里的错误锁存器。过速红灯二亮绿灯=闪烁错误状态读寄存器域OVERSPEED=马达速度超过了最大速度。激活IRMCK里的错误锁存器。载波频率过大红灯二亮绿幻一=闪烁错误状态读寄存器域PTE正FAULTL=算法的计算超过了被选的PWM载波频率周期。激活IRMCK里的错误锁存器。欠压红灯七亮绿灯二闪烁错误状态读寄存器域LOWVOLT=直流母线电压下降到V以卜。激活IRMCK里的错误锁存器。第三章永磁同步电机矢量控制仿真及实验电源掉电红灯二灭绿灯=灭直流母线电源断电A)过流保护IRMCS设计平台有一个先进的智能电源模块IRAMXUPA(VA)。这个IGBT模块带热传感器这个模块还集成了高压门驱动芯片IR。当过流条件发生IRMCK立即锁存在IR这个时间大约为毫秒之后自动清除错误。B)过温保护IGBT模块也包括一个过温保护电路当过温时也关闭所有的IGBT和执行自动清除错误门坎水平设置在大约摄氏度。清除IRMCK里的错误锁存器后不会自动重新启动PWM输出需要用户置位PwmEnbW位才会激活PWM输出。通讯界面IRMCK包括一套丰富的外部可寻址寄存器有三个物理界面可访问IRMCK的内部寄存器RSSPI和并行口IRMCK可以通过SPI口并行口和外部的微处理器进行通讯。遵循特定的读写时序和规定的数据格式通过外部主机对IRMCK系统里的个寄存器进行读写。永磁同步电机矢量控制试验对珠海运控公司生产的BL()B(ST)电机作了试验在系统附带的EXCEL电子表格软件里输入电机参数自动生成好工RMCS系统参数的文本文件然后在伺服设计器里把文本文件里的参数下载到参考平台后运行电机。观察到电机运行十分平稳在rpm低速下噪声极低动态响应好特别是无论在什么速度下电机速度改变在瞬间完成肉眼根本观察不到电机加速减速的阶段证明了该套系统卓越的动静态性能。电机参数如下:额定功率:W极对数:极对额定转矩:NM额定电压:伏额定电流:A广东工业大学硕士学位论文RPMOPPR额定转速:编码器线数转子同步旋转坐标系里dq轴电流控制器的参数是一样的在实验中控制器参数如下:PWM载波频率:IOKHz电流环更新率:IOKHz速度环更新率:OKHz电流控制器比例系数:电流控制器积分系数:速度PI控制器比例系数:速度PI控制器比例系数:关于控制器参数对控制性能的影响实验表明总体上来说控制器参数越大机械特性越硬。当控制器的PI系数过大时电机发出较大的尖锐噪声甚至振动表明系统不稳定当PI参数过小时响应变得缓慢输出转矩小当速度控制器积分系数为时转矩极小比例系数为时电机振荡表明不太稳定当电流控制器PI参数中其中一个为时电机运行性能变差。在设置如上的合适参数情况下空载实验波形见图。图(a)PWM,的波形。可见PWM周期为us即PWM载波频率为IOKHzo,t,。「:I江二二:i,、I退i二改扭亩r匆一奄件趁妞P正戈晚胜as上妞诬飞仑…P柑,"的波形waveformCHIPWM,、绷】第三章永磁同步电机矢量控制仿真及实验b)转速rpm线电压波形b)fumevoltagewaveatrpm图实验波形FigExperimentalwaveform用户只需把电机参数和控制参数下载到IRMCS参考平台就完成了电机驱动器开发的各个步骤并且电机参数和控制参数还可以由附送的EXCEL软件自动生成。这大大节约了电机控制系统开发的时间。实验表明以IRMCK为核心组建的全数字伺服控制系统具有运动控制性能优越速度响应快控制编程简单与外部主机通信方便等优点是新一代数字伺服控制系统的理想研究开发平台和解决方案。m广东工业大学硕士学位论文第四章位置伺服系统仿真研究以快速精确跟踪为主要目标的位置伺服系统是现代工业领域中不可缺少的应用十分广泛的一种控制系统。在前面讨论永磁同步电机双闭环矢量控制系统的基础上本章讨论位置伺服环典型结构、工作原理、位置伺服仿真实验及参数对控制性能的影响。位置环的典型结构和工作原理数字式闭环位置伺服控制技术的发展可以说都源于图所示的硬件位置环。位置伺服系统可以被看作是在电流转速双闭环结构的外面再套上一个位置环构成。。丁匕七日几丁L位指令图硬件位置环的结构FigStructureofhardwarepositionloop硬件位置环的构成如图所示。指令装置发来位置指令脉冲序列和方向信号时经方向判别和倍频后进入偏差计数器。这时随着电机开始转动与电动机同轴连接的光电编码器立即产生出与电动机转角成比例的反馈脉冲信号信号同样也经方向判断和倍频处理后被送至偏差计数器。这样偏差计数器一面不断接收指令脉冲进行累加计数同时又不断接收反馈脉冲使计数器减少。当电动机尚未加速至指令速度之前反馈脉冲信号的频率比指令脉冲信号频率低使偏差计数器值渐渐增加电机加速运转电动机速度达到指令速度时反馈与指令信号的脉冲频率相等计数值处于动态平衡状态电动机匀速运转当指令点到达指定位置时指令脉冲停止仍在旋转中的电动机带动编码器发回的反馈脉冲使计数器中的偏差计数量渐渐减少其输出的速度指令值随之下降电动机减速直到反馈脉冲使计数器减为零速度指令值也等于零电动机停止转动这时电动机转过的空间角度将正好符合全部指令脉冲个数所对应的角位移量。第四章位置伺服系统仿真研究对于数字型的伺服系统偏差计数器的计算结果以数据形式被送往速度控制器对于模拟型伺服系统偏差计数器的结果补偿后通过DA转换成模拟速度指令电压送往速度伺服单元使电动机转动。力口速匀速减速、七图一硬件位置伺服系统动作图FigActionofhardwarepositionservosystem位置伺服控制过程可用图来进行描述。偏差计数器中的计数量实际上是当前指令与反馈脉冲个数的累计差值即当前的位置跟踪误差。只要偏差不等于零就会有速度指令电压输出使电动机向着给定位置运动。位置伺服系统仿真位置伺服仿真系统的构成在上一章的永磁同步电机矢量控制仿真模型的基础上加上位置环就构成了闭环位置伺服系统。仿真系统结构如图所示。图仿真位置伺服系统结构FigStructureofemulationservosystem位置环中一个重要的组成部分是倍频鉴向模块。倍频鉴向电路作用是完成光广东工业大学硕士学位论文电编码器输出信号的处理即完成对脉冲信号的辨向倍频。倍频鉴向电路的仿真模块见图通过这个模块的仿真可以得知它的工作原理。在图中PA,PB是光电编码器发出的正交脉冲两路脉冲的频率相同相位上相差nCP是同步脉冲它的频率是光电编码器正交脉冲频率的倍。把四个DQ触发器的输出信号看成一组并行的二进制数。把QO看成,Q看成',Q看成',Q看成则在正转时依次出现的代码是:,,,OF,OE,OC,反转时依次出现的代码:OD,OF,OB,,,,,OC。从这两组代码可以看出下面的基本特征:,OF,OC是正反转共有的“特征代码”OD,OB,,是反转的“特征代码”。根据上面的分析通过逻辑电路可以实现倍频和鉴向的功能。逻辑表达式如下:C尸C尸F乌QQIQo么QqQoQQQIQQQIQ么Q,QQQQQQQQQQQQIQQQ图倍频鉴向电路的仿真模块结构FigAStructureofmultiplefrequencyandidentifydirectionmodule由图仿真结果可见:当PA超前PB时表示电机正转CPZ输出PA脉冲四倍频的脉冲信号CPF=O当PB超前PA时表示电机反转CPF输出PA四倍频的脉冲信号CPZoCrIJLFLFLflJ工几几阳刚泪力几几几n上JLCUP‘~一宁一几一一二一」一一寸一鄂:’“一勺‘广一一一州一CPEJ只J飞于了址厂飞‘厂匕厂七J万曰份匕厂Cr一一一十一一一一州一一一一十一一一一一呀~一一一一图一倍频鉴向模块仿真实验波形FigAEmulationexperimentwaveofmultiplefrequencyandident衡directionmodule硬件位置环的仿真模块见图。一路脉冲和方向信号作为给定位置信号第四章位置伺服系统仿真研究采用两个计数器对给定脉冲计数。当给定方向信号为高时表示电机正转为低时电机反转当方向为正时只有GiveneeCPZ计数当方向为负时只有GivenesCPF计数给定方向由正转为负时GivenCPZ计数值会应保持不变。转子位置信号通过转换模块转换两路正交的方波脉冲正转时PA超前PB,反转时PB超前PA。两路正交脉冲经过鉴向倍频电路后也由两个计数器器计数。其脉冲当量与位置给定信号的脉冲当量相同所谓脉冲当量就是单位脉冲表示转子转过的角度在仿真模型里编码器精度为线转再经过四倍频脉冲当量为x一弧度脉冲。给定位置信号与反馈位置信号的四路脉冲信号都是通过计数器记录脉冲的数目而得到的计数器的输出值给定正转取正号给定反转取负号反馈与之相反。然后把四个计数器的值相加偏差作为速度指令送往速度控制器。见图图硬件位置环仿真模块FigHardwarepositionloopemulationmodule若表示给定位置的给定脉冲数目与表示实际位置的反馈脉冲数目不相等则有偏差输出驱动电机朝给定位置前进。只有当给定脉冲数目与反馈脉冲数日相等时偏差为零电机才会停止转动。参数整定及仿真实验仿真模型里的位置控制器参数根据ZieglerNichols法整定见表。其中电流环和速度环控制器的参数在前面章节就已经整定好了保持不变速度环的采样频率为KHza表仿真参数TabEmulationparameters骊丽薪一lOIJAAR一

用户评价(0)

关闭

新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

抱歉,积分不足下载失败,请稍后再试!

提示

试读已结束,如需要继续阅读或者下载,敬请购买!

文档小程序码

使用微信“扫一扫”扫码寻找文档

1

打开微信

2

扫描小程序码

3

发布寻找信息

4

等待寻找结果

我知道了
评分:

/14

永磁同步电机矢量控制研究

仅供在线阅读

VIP

在线
客服

免费
邮箱

爱问共享资料服务号

扫描关注领取更多福利