永磁同步電機的模型預測控制研究⑧論文作者簽名:垂丕望盛指導教師簽名:論文評閱人:評閱人:評閱人:評閱人:評閱人:答辯委員會主席:委員:委員:委員:委員:委員:答辯日期:??砬叢墜孚???一’:●●●一:::::浙江大學研究生學位論文獨創性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標注和致謝的地方外,論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得逝姿盤堂或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學位論文作者簽名:南融崦簽字日期:為/多年鄉月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解有權保留并向國家有關部門或機逝姿盤堂構送交本論文的復印件和磁盤,允許論文被查閱和借閱。本人授權逝姿盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索和傳播,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。保密的學位論文在解密后適用本授權書學位論文作者簽名:導師簽名:南孫崦簽字日期:歹私年弓月;『日簽字吼沙一月日浙江大學碩士學位論文致謝致謝值此論文完成之際,謹向我的導師趙光宙教授表示最衷心的感謝。感謝趙老師在我讀研期間為我付出的辛勤汗水。趙老師淵博的學識、深厚的學術素養、嚴謹的治學態度為我樹立了良好的榜樣。兩年里,趙老師如師、如父亦如友,給了我人生路上諸多有益的指點和幫助。感謝和藹的師母對我生活上的關心和幫助。感謝齊冬蓮教授,在學業和生活中給我的有益指點和幫助。感謝羅小平教授在讀研期間對我的幫助和督促。感謝曹毅教授為我開導思路,講明方法。感謝裘君副教授給予我學術上的悉心指導,為我課題的研究提供了思路和建議。感謝盧達師兄對我學術研究的指導和幫助。盧達師兄勤奮踏實的科研態度使我受益匪淺。感謝李楠師兄,他踏實的精神和樂觀向上的生活態度給了我很大的影響。感謝張虎虎師兄,和你們一起做了許多有意義的事情。感謝張建良師兄,在實驗室給我的幫助。感謝顧弘、王洪波、張俊、孫贊、王喬、李鑒星、張國月、朱漢未、何海明、鐘皖生、俞利民、閏云鳳、丁冬生等實驗室各位師兄、師弟、師妹,我們在實驗室親如一家,是他們一起營造了和諧的實驗室氛圍,讓我度過了終生難忘的快樂時光。感謝摯友李麗娜、田盈和我一起互勉勵、共成長。最后,深深感謝呵護我成長的父母、哥哥、姐姐,感謝家人對我年求學的一路支持與奉獻,祝愿他們生活幸福、身體健康。感謝男友給予我的鼓勵。再次向所有曾經關心和幫助的過我的師長、朋友、同學和親人表示最衷心的感謝。高麗媛年月浙江大學碩士學位論文摘要摘要隨著永磁同步電機的廣泛應用,高性能永磁同步電機的傳動系統對電機控制精度的要求越來越高。在很多場合,傳統的控制方法已難以滿足較高的控制需要。模型預測控制,考慮控制量對系統未來狀態的影響,可以得到高性能的控制效果,在過程控制領域已取得成功的應用。但是目前為止,國內外將模型預測算法應用于永磁同步電機的研究較少。深入研究基于模型預測算法的永磁同步電機控制,可以有效提高電機能源利用率,具有重要的實際意義。為此,本文對永磁同步電機的模型預測控制進行了研究,主要研究內容有:、以永磁同步電機的結構和原理為基礎,分析了的數學模型,矢量控制方法、電壓空間矢量調制原理及實現。在/仿真環境下對基于矢量控制的永磁同步電機調速系統進行仿真,為模型預測控制的研究奠定了基礎。、結合模型預測控制的基本原理和特點,給出了永磁同步電機模型預測控制器的設計方法。在/仿真環境下,建立永磁同步電機模型預測控制系統的仿真模型。、利用自動微分,理論建立永磁同步電機電流模型預測控制算法。依據原理,對坐標系下的數學模型進行泰勒級數展開,建立了更為精準的數學模型。采用方法,給出了永磁同步電機泰勒級數靈敏度的計算方法,再利用表示為預測值靈敏度形式的雅克比矩陣,計算價值函數,獲得控制量,提高了預測精度。針對電流環參數變化導致預測效果變差的問題,提出將所有參數變化以附加項表示,利用擴張狀態觀測器,觀測這個附加項并前饋補償。本文通過對模型預測控制的研究,利用算法提高了永磁同步電機的控制精度,理論分析和仿真結果驗證了提出算法在永磁同步電機中應用的有效性,并給出了下一步的研究方向。關鍵詞:永磁同步電機,模型預測控制,自動微分原理,擴張狀態觀測器浙江大學碩士學位論文缸,,..,..,.,,:.,,,,./,?...。....,?..浙江大學碩士學位論文:,,目錄浙江大學碩士學位論文目錄致謝.....??...?.摘要??....??......?...??..??..??.?..目錄...?.........?第章緒論...課題背景??.......??....交流調速系統的控制策略??...模型預測控制及其發展..國內外研究現狀??...基于線性模型預測算法的研究現狀?....基于非線性模型預測算法的研究現狀?.本文的研究意義和主要研究內容..第章永磁同步電機仿真建模?.永磁同步電機的數學模型............永磁同步電機的結構??...永磁同步電機的基本方程?.永磁同步電機的矢量控制??...坐標變換??....永磁同步電機軸數學模型...........永磁同步電機矢量控制方法?...電壓空間矢量脈寬調制技術.....?....永磁同步電機矢量控制系統?...?..本章小結.?.?...??.?第章永磁同步電機模型預測控制?......??...模型預測控制??..浙江大學碩士學位論文目錄..預測模型??....滾動優化?.?....?........反饋校正.....?....永磁同步電機模型預測控制原理..仿真分析..........??.??.?....本章小結?第章應用自動微分的永磁同步電機模型預測控制?.自動微分原理??...利用自動微分技術求泰勒級數.??.??..永磁同步電機自動微分模型預測算法設計?....永磁同步電機預測模型的泰勒級數展開..滾動優化??.............應用自動微分的靈敏度推導...擴張狀態觀測器誤差校正.......?...仿真分析........優化時域、控制時域及泰勒級數展開級數的選取...仿真模型及仿真結果??..本章小結?第章總結與展望?.....?...主要結論........?..后續研究工作展望?.....?..參考文獻?.攻讀碩士學位期間發表的論文?...?..?..?...浙江大學碩士學位論文第章緒論第章緒論.課題背景能源一直是人類賴以生存的物質基礎。環顧當今世界,能源短缺引起的一系列經濟、環境、政治問題已成為整個人類社會面臨的重大挑戰。在現代社會中,電能是最為廣泛應用的一種能源,而在電能的生產和使用中,電機起到機電能量轉換的關鍵作用。《電動機調速技術產業化途徑與對策的研究報告》顯示,我國發電總量的%消耗在電動機上,各類電機運行效率比國外先進水平低~個百分點。因此,對電機控制技術的研究直接關系到電能開發、利用和節約。電機的種類繁多,大致可分為直流電機和交流電機,交流電機按照其結構和工作原理又可分為交流同步電機、交流異步電機。世紀~年代,直流電機在各個領域應用廣泛。但直流電機存在很多固有的缺點,如換向結構復雜、不易維護、產生換向火花使得直流電機不能在易燃易爆場合應用等。到世紀年代以后,控制理論、芯片制造、電力電子等技術迅猛發展,交流電機逐漸被重視起來。特別隨著矢量控制和直接轉矩控制的提出,交流電機的研究和應用廣泛起來。交流電機沒有復雜的換向機構,制造方便、價格便宜、運行可靠,因而在現代工業中得到了廣泛的應用。但交流異步電機驅動復雜、效率低、轉子散熱困難等固有的缺點限制了其發展。相對于異步電機,交流同步電機因其高功率因數、高效率的優勢,在調速領域其得到了一定的應用。隨著永磁體勵磁的的出現,使傳統的同步電機省去了轉子勵磁線圈、滑環、電刷部件等組成的勵磁系統,電機結構和控制系統都大為簡化。永磁同步電機因具有結構簡單、轉矩紋波系數小、動態響應快、高功率密度、低損耗等優點,正取代傳統的直流電機和交流異步電機,逐步應用于工農業生產、交通運輸及日常生活當中。永磁電機在世紀、年代由于永磁體的價格昂貴,它主要用于航空航天等高端領域。到世紀年代,永磁電機開始轉入到工業和民用領域。進入世紀年代,由于永磁材料的熱穩定性和耐腐蝕性不斷改善,價格不斷下降,永磁電機逐漸應用在國防、工農業生產、日常生活的各種領域,永磁電機的發展浙江大學碩士學位論文第章緒論進入了一個全新的階段。因此,研究和發展高性能永磁同步電機控制系統來滿足現代工業迅速發展的要求具有重要的實用價值,本文正是在這一背景下展開的工作。.交流調速系統的控制策略電機的調速控制系統結構如圖.所示,它由控制器、功率驅動及檢測裝置三部分構成。其中電機控制器包括速度控制、電流控制雙層結構。圖.電機調速控制系統結構奠定交流電機高性能控制基礎的兩大理論:矢量控制和直接轉矩控制。矢量控制是年由德國學者提出。矢量控制‘,借鑒直流電機電樞電流和勵磁電流相互垂直、沒有耦合、可以獨立控制的思路,以坐標變換理論為基礎,通過對電機定子電流在旋轉坐標系中大小和方向的控制,達到對直軸和交軸分量的解耦,從而實現磁場和轉矩的解耦控制,使交流電機具有類似直流電機的控制性能。矢量控制的出現對電機控制的研究重大的意義,使得電機控制技術邁進了一個新的發展時代。直接轉矩控制由德國教授于年提出【】。矢量控制具有轉矩響應較慢,易受電機參數變化影響等缺點。相較于矢量控制算法,直接轉矩控制采用定子磁場定向,不進行復雜的坐標變換、直接在靜止坐標系中對電機的磁鏈和轉矩進行控制,簡化了算法、提高了轉矩響應速度。同時,采用滯環電流控制器,使電機控制效果對電機參數變化不敏感。因此,它具有結構簡單,對電機參數依賴小、系統轉矩響應快等特點,特別適合于需要快速響應的電機控制系統。傳統矢量控制系統的電流控制、轉速控制以及直接轉矩控制系統的轉速控制均采用控制器。控制具有結構簡單、容易實現的優點,但其參數調整依賴浙江大學碩士學位論文第章緒論于操作者的經驗,性能受系統參數變化影響較大,實際中的控制效果一直不盡如人意。近年來,國內外學者將不少先進的控制策略相繼引入了電機控制系統以進一步提高和改善的控制控制效果性能。這些控制策略大多以矢量控制或直接轉矩控制為基礎,如自適應控制、無傳感器控制【】、反推控制【】、滑模變結構控制‘、模型預測控制、模糊控制、神經網絡控制等。滑模變結構控制滑模變結構控制是世紀年代初,前蘇聯學者依特克斯.等人提出的一種控制策略。滑模變結構控制具有開關控制的非線性特征。依據被調量的偏差及導數,以開關的形式調整控制量,使系統結構以階躍方式有目的地變化,使系統軌跡沿著設計的開關面滑動。滑模變結構控制以其無需在線參數辨識、易實現、強魯棒性等優點,在實際工程中得到了一定的應用。但滑模變結構控制存在固有抖振,主要原因是:在實際控制中,控制力是有限的,從而使系統的加速度有限;系統慣性等導致切換開關時間滯后,特別是對于計算機采樣系統,總存在一個采樣周期的開關時間滯后,由此會造成系統結構變化不及時。在實際系統中抖振問題的無法消除,使得滑模變結構的應用受到了限制。自適應控制自適應控制能夠依據系統內部和外部干擾造成的輸出誤差不斷調節控制器參數,使控制器逐漸完善、滿足實際控制的需要。自適應控制對控制對象參數的依賴性小,不需要太多的關于模型和擾動先驗知識,具有較強的實用性。在交流調速控制系統中常用的自適應控制方法有模型參考自適應控制、參數辨識自校正控制‘以及非線性自適應控制。在自適應控制存在的主要缺點是:第一、自適應控制算法通常較為繁瑣,難以在快速的時變系統中應用。第二、在初始階段自適應控制的效果較差,難以滿足需要,有時甚至會破壞系統的穩定性。反推控制反推控制思想出現較早,但到世紀年代才被等人首先提出。其基本思想是將復雜的非線性系統分解為若干個相對簡單的子系統,并為其設計系統函數和中間虛擬信號,這樣,整個系統的控制信號由虛擬信號遞歸得到。它每一步只處理一個相對簡單的系統且保證虛擬誤差收斂到零,因此反推控制能使浙江大學碩士學位論文第章緒論整個系統漸近穩定。智能控制】智能控制理論的基本思想是模擬人腦思維等自然界存在的行為,它一改傳統的控制觀念,在控制中引入邏輯、推理等因素,擺脫了對控制對象數學模型的依賴,對處理難以建模、或復雜非線性難于控制的問題具有明顯優勢。智能控制常用的控制方法有模糊控制、神經網絡控制、專家系統等。在交流伺服系統中模糊控制、神經網絡應用較多,其研究已經取得了一些成果。但是智能控制在電機控制系統中的應用發展尚不成熟,還有許多問題需要解決。其中最顯著的缺點是,大多數智能控制策略的控制器設計方法還沒有形成完整的理論,主要通過經驗來設計,控制結果難以保證。這些條件限制了智能控制的發展。無傳感器控制在傳統調速控制中,無論是矢量控制還是其他控制策略系統的轉速信息都需要通過光電編碼器等位置或速度傳感器來獲得,以實現閉環控制。但是傳感器增加了電機的體積和轉動慣量,使系統的可靠性降低,而且傳感器的靈敏度和分辨率易受應用環境中溫度、電磁噪音的干擾,這使得電機控制精度降低。加之,傳感器使電機成本增加,限制了電機的低成本發展,因此無傳感器的控制也成為了一個研究的熱點。無傳感器運行控制系統是通過直接計算、狀態估計等方法,從電機繞組電壓、電流等電信號中提取轉子的位置和速度信號,并將其應用到閉環控制系統中,從而取代傳感器。對于永磁同步電機無傳感器控制策略可分為三大類‘:適用于中、高速的控制方法;適用于低速的無傳感器控制方法;適合于轉子初始位置檢測的方法。但是,到目前為止,還沒有能夠在電機低速和高速運行范圍內都能滿足控制精度要求的方法。雖然在一些實際產品中出現了無傳感器控制的功能,但總體而言無傳感器控制技術還未達到可實用水平。.模型預測控制及其發展模型預測控制是于世紀年代產生的一種計算機控制算法。最初由美國和法國的幾家公司提出,它不是理論上的衍化,而是在工程應用中發展起來的,具有很強的工業應用背景和廣泛的實用性。自世界年代起,模型預測控制在石油、化工、航天和能源等多個過程控制領域都被成功應用。模型第章緒論浙江大學碩士學位論文預測控制與其他控制方法的區別主要在于它考慮了控制量對未來狀態的影響。它的實現方法是,在采樣時刻依據預測模型和假設的控制輸入序列預測未來一段時域內的狀態,再在給定時域內在線求解一個優化問題來獲得控制輸入序列,但只將得到的控制序列的第一項應用到控制系統中,在采樣時刻,重復相同的過程,向前滾動優化。模型預測控制憑借其自有的優點從產生之初就不斷發展、應用到各個領域。從模型預測控制的發展歷程來看,其經歷了以下三個發展階段。第一個階段是在上世紀年代,以等人于年最早提出的模型預測啟發控制,;等人【提出,;等人【提出的模型算的動態矩陣控制,為典型。這些算法是以控制對象的階躍法控制響應或脈沖響應為模型,在模型選擇和控制思路方面很適合復雜的工業過程應用的要求。這類基于非參數模型的預測算法在化工、石油、汽車等領域得到了廣泛的應用。但階躍或脈沖響應模型包含項數較多,需要求解很多參數,模型結構往往過于龐大。第二個階段是世紀年代初期,等人于年提出的廣義預測控制,為典型,將自適應控制與預測控制相結合,使系統的動態性能得到了改善。這類基于參數模型的模型預測控制算法在航天、機器人等精密領域中的廣泛應用,極大地促進了的進一步發展。但如何在中包含狀態量和控制量的約束條件仍是一個懸而未解的難題。第三個階段是世紀年代隨著預測控制理論的初步形成,多種新型的算法、設計方法以及設計思路不斷提出,在此基礎上發展成為了預測控制定性綜合理論‘。在這個時期,學者們開始轉向了基于最優控制的預測控制研究。這一階段的研究取得了豐碩的研究成果。.國內外研究現狀自世界年代起,模型預測控制在化工、石油、航天和能源等多個過程控制領域都被成功應用,然而其較大的計算量阻礙了其在運動控制中的應用。進浙江大學碩士學位論文第章緒論入世紀,隨著材料學和芯片制造業的迅猛發展,芯片集成度不斷提高,計算能力迅速提高,這使得模型預測控制在運動控制中的研究和應用逐漸成為可能。,年前后,國際權威雜志等發表了多篇模型預測控制應用于永磁同步電機、異步電機以及其它逆變器控制等快時變系統的論文,標志著相關研究工作取得一定進展。其中國內外學者對模型預測控制在永磁同步電機控制中應用的研究提出了很多很好的思路,但總體而言,研究仍遠未成熟。..基于線性模型預測算法的研究現狀由于永磁同步電機的非線性模型復雜,較難在永磁同步電機電流環的采樣周期內完成。研究者大多偏向于采用線性模型預測算法控制永磁同步電機。基于線性模型預測的這種思路可以分以下幾種方法。基于直接轉矩控制基于直接轉矩的控制方法是對每一組可能的逆變器開關計算其作用下狀態量的值,將其價值函數最優的一組逆變器開關作為實際的輸出量。年,等提出了一種基于內模控制器,將模型預測與數學差值相結合的多步預測算法】。年,等提出了利用模型預測電流控制方法來解決多電平逆變器電壓選擇中計算量大的問題,給出了基于離散時間模型的單步預測算法。這種方法的基本控制結構如圖.所示峨骶高轉矩磁鏈估計卜.?圖.永磁同步電機模型預測直接轉矩控制基本結構圖基于矢量控制文獻中,等提出了基于擴展卡爾曼濾波器的多變量模型預測控制算法。文獻】中,等提出了通過兩個線性模型預測控制器級聯的永磁同步電機模型預測算法。這些方法均基于矢量控制,在電流環中使用模型預測控制算法,即用線性的模型預測控制器取代永磁同步電機電流環中的控制浙江大學碩士學位論文第章緒論器,在線優化得到使性能指標函數最小值的輸入信號,再給到模塊生成逆變器驅動。這類方法的基本控制結構如圖.所示:幣∑二爭。■圖.基于旋轉坐標的永磁同步電機線性模型預測控制基本結構圖模型預測直接電流控制將旋轉坐標控制與固定坐標控制融合,先利用坐標變換得到定子電流直流量后,再分別對每一組可能的逆變器開關計算其作用下狀態量的值,將其價值函數最優的一組逆變器開關作為逆變器的驅動。年等提出的方法是這類思路的代表。這類方法的基本控制結構如圖.所示:?∑◆????■卜圖.永磁同步電機模型預測直接電流控制基本結構圖模型預測混合控制這種控制方法通過設置一個同時包含電流和轉速控制的模型預測控制器來取代電機控制的雙閉環結構,達到控制轉速和電流的目的。年,等基于這種思路提出了離線計算控制量參數、在線查表獲得控制量的方法。此方法的基本控制結構如圖.所示:圖.永磁同步電機模型預測混合控制基本結構圖近幾年,國內學者也開始了對基于線性模型的永磁同步電機預測控制的研究,如年王宏佳等提出了基于矢量控制技術的無差拍永磁同步電機電流預浙江大學碩士學位論文第章緒論測控制算法,可以看做一類特殊的模型預測控制方法。目前國內學者的研究主要集中于轉速環,以電流環為控制目標的研究成果較少,但還有一些針對相同時間尺度、其它控制對象的研究結果。年的研究成果表明,基于線性預測模型采用單步預測時,對的控制效果和傳統采用空間矢量調制的算法相當,但采用多步預測時,其控制效果要比空間矢量調制算法好的多【。但多步線性模型預測需要更長的計算時間,產生的預測時滯問題導致了實際逆變器驅動的滯后,難以達到理想的控制效果。年,總結了模型預測時滯問題,提出了提前一步的補償方法,可以減少預測時滯對永磁同步電機預測控制系統的影響‘。..基于非線性模型預測算法的研究現狀線性模型預測算法雖然相對簡單、易于實現,但忽略了模型非線性部分,不能完全反映控制對象的動態性能,難以實現高性能控制。而非線性模型預測算法在這方面有顯著優勢。近年來,隨著和技術的不斷成熟,在線完成永磁同步電機的非線性模型預測控制逐漸成為可能,出現了少量基于非線性模型的永磁同步電機預測控制的研究成果。等在年提出了基于永磁同步電機的非線性連續模型,求出使二次型價值函數在一段固定時間后達到最小的系統輸入作為實際輸入,再經電壓調制成為逆變器驅動的方法。它包含兩個非線性模型預測控制器,分別控制永磁同步電機的電流環和轉速環,并采用了具有抑制超調功能的誤差觀測器以增強系統魯棒性四。雖然基于模型預測算法的永磁同步電機控制研究已有如上所述的初步成果,各國專家學者提出了一些值得借鑒的思路,但是總體而言,將模型預測算法應用于永磁同步電機的研究仍處于初級階段,距離實用化還有相當距離,對其研究也具有較大的意義。隨著永磁同步電機的迅速發展,尤其芯片技術的迅猛發展,對于永磁同步電機模型預測算法的研究是一個有價值、值得嘗試的研究方向。.本文的研究意義和主要研究內容如上所述,在現在工業應用中,永磁同步電機以其結構簡單、體積小、動態浙江大學碩士學位論文第章緒論響應快、損耗小、功率高等優點被廣泛采用。加之,我國是稀土大國,稀土資源豐富,稀土永磁產量居世界首位,進入世紀,“全球永磁體產業中心”已轉移到我國,這為永磁同步電機的發展提供了堅實的基礎。目前為止,永磁同步電機被廣泛應用的高性能要求的控制場合,應用中對控制精度的要求也越來越高。深入研究基于模型預測算法的永磁同步電機控制,不僅可以促進數學、控制、計算機等相關領域的研究,而且可以有效提高電機能源利用率。因此,對永磁同步電機模型預測控制的研究有很大的實際意義。本文以永磁同步電機為研究對象,首先在分析了傳統控制方法不足的基礎上,以模型預測為控制算法,對永磁同步電機控制進行了研究。其次,針對傳統模型預測中差分方法精度不夠的缺點,本文采用了自動微分的方法,進行了基于自動微分的永磁同步電機研究。最后,通過/仿真,說明采用模型預測算法以后,控制系統具有更好的性能和效果。全文共分為五章:第一章給出課題研究背景,簡單介紹了交流調速系統的控制策略、模型預測控制的發展歷程,并對永磁同步電機模型預測控制的國內外研究現狀進行了綜述,最后闡明了課題的意義和本文主要研究的內容。第二章介紹了永磁同步電機的結構和分類,推導給出了永磁同步電機靜止三相坐標系軸系、軸系下的數學模型,給出了變換和變換兩種坐標變換,分析了的基本原理。介紹了永磁同步電機電流矢量控制方法,分析各種方法的特點,并建立利用控制的系統/仿真模型。第三章詳述了模型預測控制的原理、算法。采用/環境對永磁同步電機模型預測控制系統進行了仿真。仿真結果表明,模型預測控制的方法可以應用在傳統運動控制中,達到理想的控制效果。第四章詳述了采用自動微分算法的模型預測控制系統。傳統模型預測控制算法采用差分方法或側預測值,造成一定的預測誤差,影響控制精度。本文提出將高階項包含到預測模型中,并利用自動微分的方法簡化了泰勒級數的展開過程,從而彌補了傳統差分方法的不足,提高了模型精度。考慮到預測模型易受內部和外部干擾的影響,在系統中加入擴張狀態觀測器以提高系統的魯棒性。在浙江大學碩士學位論文第章緒論/仿真環境下對提出的算法進行了仿真研究。仿真結果表明,本文提出的基于自動微分方法的模型預測控制,可以有效提高控制精度,并對控制對象參數變化具有較好的魯棒性。第五章是總結了本文的主要研究內容和創新點,并指出今后研究工作的主要方向。浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模第章永磁同步電機仿真建模.永磁同步電機的數學模型..永磁同步電機的結構永磁同步電機從電勵磁三相同步電動機發展而來。它與電勵磁三相同步電動機的區別就是的勵磁系統用的是永磁體,省去了集電環、電刷和勵磁繞組部分,而定子和電勵磁的三相同步電動機基本相同。常見的永磁同步電機可以分為正弦波驅動永磁同步電機和方波驅動永磁同步電機。本論文以三相正弦波驅動交流永磁同步電機為研究對象。永磁同步電動機和普通同步電動機一樣由定子和轉子兩大部分組成。永磁同步電機按照永磁體在轉子上的位置不同分類,有面裝式、插入式和內裝式種【,如圖.所示。面裝式插入式內裝式圖.水磁同步電機的轉子結構面裝式結構相當于隱極同步電機,插入式和內裝式相當于凸極同步電機。面裝式結構可以使電機轉子直徑變得較小,導致電機慣量變小,適合于調速系統。根據轉子極對數的不同,永磁同步電機分為單極和多極。與電勵磁機相比,永磁電機具有以下優點】:永磁體代替了勵磁系統,減少消耗,提高了效率。勵磁繞組和勵磁電源的取消使永磁電機結構簡單、運行可靠。浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模七,,訃七渤式中,臼為定子繞組與轉子永磁體夾角,一,%,為三相繞組的全磁鏈,。圖.二極面裝式結構簡圖在圖.中,三相繞組的電壓方程表示為“彳‘百..“占足‘百鏟七等式中,“口,“為三相繞組相電壓,,為三相繞組相電流,尺。為每相繞組拍,囂薹蘭篆睡囊式中,上朋,,分別為定子各相自感,三舳氣一們
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口為兩相繞組互感,%,歸,分別為勵磁磁場在各項繞組產生的互感磁鏈。因假定氣隙均勻、各項對稱,因此繞組的互感以及自感與轉子的位置都沒有關系,均為常值。令為繞組自感,則有匕。。.式中,。,厶。分別為相繞組的漏電感和勵磁電感。令為繞組互感,因相繞組彼此在空間間隔電角度,且因定子繞組產.肌匕咆厶咆等扛另外,永磁磁通對定子側產生的磁鏈為歸吩一.弦/,孚浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模電機型接法,三相電流滿足如。關系式.‘‘將式.、.、.代.,得』?少口/,.口?‘一??其中三?要,。代入式.,得到如下方程%足‘
瓦?廠哆.足‘哮一,縱臼一詈萬¨警;州叩爭.永磁同步電機的矢量控制由永磁同步電機在坐標系中的數學模型可以看出它是一個多變量、非線性、時變、強耦合系統,要分析和求解它的微分方程組十分困難,要想像直流電機那樣方便地控制其轉矩進而調速就更困難。交流電機的矢量控制思想的出現,在理論上解決了這一問題。矢量控制的理論基礎是空間矢量理論【,空間矢量、矢量變換和矢量方程是構成矢量控制的重要基礎。矢量控制的基本原理】就是將電流矢量分解為產生磁通的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量,兩個分量相互垂直,然后分別對其進行控制,其控制框圖】如圖.所示。給圖.矢量控制原理框圖由圖可知,以軸表示的矢量方程是分析矢量控制的基礎方程,但這些浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模方程不能直接被用來實現控制。為此,需要通過坐標變換或矢量變換來滿足控制的需要。..坐標變換為了不影響機電能量轉換和電磁轉矩的生成,坐標轉換后要保證電動機內的磁場分布不變。因此,磁動勢等效是坐標變換的基礎和原則。變換/圖.給出了、、和口、‖兩個坐標系,設定軸與軸重合。圖./坐標變換的軸系和軸系設三相系統的每相繞組匝數為Ⅳ,兩相系統的有效匝數為Ⅳ,磁動勢的大小為有效匝數與線圈內瞬時電流的乘口、盧積。滿足坐標變換的原則,三相定子繞組和兩相定子繞組可以相互等效,那么,二者各自的合成磁動勢相等均為。則有.、式中,口/。,、局為、坐標軸系各自產生的磁動勢,、、疋為坐標軸系各自方向上產生的磁動勢令等式兩邊虛部、實部相等可得:浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模Ⅳ屯‘.。Ⅳ‘。等。竺?一三‘.Ⅳ縐。Ⅳ‘等Ⅳ了孚Ⅳ‘一如由控制框圖可知控制過程中需用到坐標逆變換。為了方便求解逆變換,需要將變換陣表示為可逆方陣。為此,在以上兩相系統上添加一項零軸磁動勢:。,并定義:Ⅳ乇哦‘,對于永磁同步電機,一般有乇。將以上三式合在一起,寫成矩陣形式,得一一二‘,魚一笪.‘凇阱廠廠√√、一式中,是三相坐標系到二相坐標系的變換陣。/一?』.由于正交變換它不改變矢量的長度,因此當滿足功率不變條件時,中間變量應具有這一性質,變換陣滿足壓一、.:/?:/?百』壓由%:,日礦嗽Ⅳ信,且擊即~浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模一三一。忑斤,/,一嚴魚一魚/一、『/、/壓壓壓壓變換變換是美國人派克最早提出的三相變二相的變換。圖.給出了靜止叩軸系和旋轉軸系兩個坐標系。旋轉坐標系的兩個直流電流、。和靜止坐標系的兩相交流電流。、‘產生同樣的以轉速國旋轉的合成磁動勢。圖./坐標變換的【軸系和旋轉軸系由圖中關系可得口口一。盧為了湊成方測:。。則有.拌瓣三通過式.和.,可得從靜止的三相坐標系到旋轉的二相坐浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模標系的變換式。脅為剛日吲弘.剛?一/一.口坩.口”./一、.爭堡刪臼等.一.一壓上壓壓其反變換式為臼壓廳./吲脅√量臼一等刪臼一等壓臼等,刪口爭壓..水磁同步電機軸數學模型分析永磁同步電機最常用的是軸數學模型。在坐標系下描述的的數學模型使永磁同步電機的物理意義更加明確‘:以旋轉的轉子為參照物,軸是相互呈度夾角、軸中流過的電流為直流且兩軸保持靜止,即軸系是隨著轉子同步旋轉的坐標系。假設軸旋轉到主磁鏈軸線的位置,此時永磁同步電機的分析相當于直流電機,軸為勵磁繞組,軸繞組為相對靜止的電樞繞組。這樣就使得的問題分析變得簡單了。從式.、.可以得到‘√;‘臼√三乇,.?,“一√詈“。。臼一“。臼√圭“。,一√詈。。?。口√三。,將式.代入式.中“』‘垡絲等式中,得到浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模“?屯一皇考筍。一“口一足二/。一足如一警,:。.?,?一尼%.咄%乙一肛州%,%.盟以盟出其中少,厶‘,三三,,‘氣.厶乞,,吾。屯.廠∞永磁同步電機的輸出轉矩方程為。..’”。‘“。吼鵠。:孚/‘厶一厶‘‘二孚‖/‘厶一厶‘‘對于隱極,‘,因此其輸出轉矩不包括由凸極結構引起的磁阻轉矩;而凸極的轉子結構厶≠‘。由.、.、.得到永磁同步電機的軸下數學模型為厶魯一厶一。.∞厶‘國,心厶魯一,知厶一知礦肛吒式中,,‘,,“。分別是坐標下的電流、電壓,厶,‘為?坐標下的定子電感,國為角速度,‰為極對數,磁鏈。了/浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模..永磁同步電機矢量控制方法交流調速系統控制的關鍵是實現高性能控制電機的瞬時力矩。對來講,其瞬時力矩控制的要求為響應快、脈動小、功率因數高、精度高等。從給出軸數學模型來看,對永磁同步電機輸出轉矩的控制可以轉換為對軸電流的控制。永磁同步電動矢量控制的方法有:控制法,最大轉矩/電流比控制,恒磁鏈控制,控制法等。現在常用的控制方法為最大轉矩/電流比控制法和控制法。,控制方法是充分利用逆變的容量使電機的功率因數恒為,這一控制方法最大輸出力矩小、控制相對復雜,一般適用于大功率交流同步電機調速系統;恒磁鏈控制方法,可以得到比較高的功率因數,從而提高電機的最大輸出力矩,在輸出轉矩相同時,所需要的逆變器容量相對比較小,但是去磁分量大,當電機拖動系統輸出力矩滿足電機要求時,力矩電流比最大控制的優點是定子電流幅值達到最小,提高穩態運行效率。‘的控制方法最簡單。‘時,從電機角度看,永磁電機相當于一臺他勵的直流電機,其定子電流沒有直軸分量,且永磁體空間矢量和磁動勢空間矢量正交,電磁力矩和電樞電流成線性關系,無去磁效應。在隱極式中,屯控制算法等價于力矩電流比最大的方法,即可以保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉矩。由于‘的控制方法轉矩波動小、控制系統簡單,可以獲得較寬的調速范圍,所以這種轉子磁場定向方式對于小容量交流調速系統特別是永磁同步電機調速系統非常適合。在‘時,永磁同步電機的軸模型式.變為%.磅一刪一,,。三胛,,‘一∞一上當屯時,電機電磁轉矩與交軸電流成線性關系。時的永磁同步電動機空間矢量圖如圖.所示浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模。。\∞‘厶“\\乒分‖掣圖.時的電機相量圖..電壓空間矢量脈寬調制技術【在交流電機的驅動中,電動機電流正弦化的目的是電動機的磁鏈成為圓形的旋轉磁場,從而使電動機產生恒定的電磁轉矩。按照磁鏈軌跡為圓的目的形成控制信號,因為電壓空間矢量可以得到磁鏈的軌跡,所以稱為電壓空間矢量控制。如.所示的是典型的三相電壓源逆變器。圖中、和屹是逆變器的輸出電壓,六個由,’,,’,和’控制開關通斷。逆變器為了滿足電機正常工作,需要、、三相供電,也就是在任一時刻都有.’、.’和.’每個橋臂上有一個器件導通,即有三個器件同時導通,而另三個器件關斷。規定當晶閘管、、處于開通時用狀態“”表示,晶閘管、、處于關斷狀態時用狀態“”表示。圖.三相電壓型逆變電路因此三個橋臂?’,一’,?’產生種狀態組合,由逆變器輸出電壓直接的浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模關系以及開關狀態可以得到六個有效電壓矢量,,,,,和兩個零電壓矢量和。其中六個有效電壓矢量相鄰向量相差、電壓幅值為必圪。開關狀態和電壓關系如圖.所示。技術就是通過這個電壓的不用組合來產生旋轉電壓,常用的就是相鄰的兩個非零矢量和一個零矢量合成所需電壓耐。任意的時間周期內,保證逆變器輸出均值與叱,均值相等。.?‘?’%屹圖.電壓空間矢量關系圖以圖.中第扇區為例分析以第一個扇區舉例,用其兩個相鄰有效矢量,、:和零矢量來合成參考矢量%,可以得到一圖.第一扇區電壓空間矢量關系圖’‘%’,%?,‘浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模由圖.中關系可知:%巧?爭%圪/;?等%‖因此,一√圪圪一√..圪%??、,口、軸分量圪一Ⅳ%%一Ⅳ%可得到,一圪一一丁一,巧三圪.\?。,一。一??一圪同理,可得到參考電壓矢量在其他扇區時的作用時間值。令竿卜芻也一九瓦盧礦‰可得到每個扇區作用時間,如表.所示。表.相鄰非零矢量作用時間要實現算法,還需要做如下工作:扇區判斷定義變量如下浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模?口一?則與空間電壓矢量所處的扇區關系如表.所示。表.值與扇區對應關系開關切換時間的計算定義
;三丟三丟麓在不同的扇區中,根據表.對乏。,、乙:、乙,進行賦值。..永磁同步電機矢量控制系統通過坐標變換、空間矢量調制算法,在中可根據圖.中永磁同步電機的矢量控制系統框圖進行仿真模塊的搭建。控制采用包括速度環和電流環的雙閉環控制,由控制器模塊、/、/坐標變換模塊、空間矢量脈寬調制模塊等組成如圖.所示。浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機仿真建模.永磁同步電機矢量控制系統框圖圖.永磁同步電機矢量控制/仿真圖.本章小結本章介紹了永磁同步電機的結構、分類以及其數學模型,并介紹了坐標變換過程中的變換和變換。推導給出了永磁同步電機靜止三相坐標系、軸系下的數學模型,分析了的基本原理,為后面章節提供理論基礎。給出了的矢量控制方法,分析了采用轉子旋轉坐標系中的控制,可大大簡化交流電機的控制方法,提高電機的控制性能。最后給出了/仿真環境下基于矢量控制的永磁同步電機調速系統的仿真圖。浙江大學碩士學位論文第章永磁同步電機基本模型預測控制第章永磁同步電機模型預測控制.模型預測控制模型預測控制,是世紀年代產生于工業過程控制領域的一類計算機控制算法【,。是以預測模型為基礎的一種利用預測變化的趨勢進行調節的控制算法。實用過程中,的形式多種多樣,但無論采用何種形式,各類幾乎都能歸納為預測模型、滾動優化、誤差校正三個基本特征【。針對這三個基本特征,本章給出永磁同步電機的基本模型預測控制方法。..預測模型模型預測控制是基于預測模型一種控制算法。這一預測模型側重模型的功能,它可以是微分方程、狀態方程等參數模型也可以是模糊模型、智能模型等非參數模型。預測模型作用是對未來一段時間的輸出進行預測,具體來說就是利用對