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1、王彬杰 Ra gl a;l ;,主要内容,一、电机控制理论背景 1.异步电机模型及矢量控制框图 2.同步电机模型矢量控制框图 3.统一控制模型 4.VF框图,二、具体实现及一些细节问题的讨论 1.PMSM转子磁极的检测 2.PMSM启动算法以及每转校正环节 3.死区补偿算法 4.位置环的设计 5.电流采样改进，初始零点采样加冒泡算法 6.如何调试 7.PI,主要内容,一、电机数学模型,由于感应电机的基于静止坐标系的数学模型是非线性、强耦合的，难以进行动态分析，通过旋转变换，可以分别得到基于两相静止坐标系的数学模型和基于两相旋转坐标系的数学模型。变换示意图如下图所示。,1.异步电机模型及矢量控制
2、框图,转矩方程为： （1-1） 定子电压方程： （1-2） 其中， 。 转差的计算公式： ， 其中 ,因此可令 则得转差 （1-3）,两相旋转坐标系下的数学模型：,分析结论,由（2-1）可以看出，经过矢量变换后，电磁转矩 只与定子q轴电流 和转子d轴磁势 有关，当保持 恒定时，电磁转矩 只与定子q轴电流 成正比，即通过控制定子电流的q轴分量即可控制电磁转矩。但是在实际系统中对转子磁链 的观测是比较困难的，在工程应用中往往采用励磁电流 来给定转子磁链，考虑到转子时间常数及磁场建立缓慢的影响，可令给定 ，这样，在计算转差时就可以很方便的使用（2-3）式。 理论上，转差的计算是以反馈电流来计算的，但
3、是由于反馈电流的干扰毛刺较多，容易造成计算误差。实际操作中是以给定电流来计算的，虽然与实际计算值存在一定的差值，但是计算结果较为平滑，可以接受。,感应电机全速度范围内运行的转矩分析,为分析全速度范围内的电机运行状态，我们需要推到出电机在dq坐标下的稳态方程。,采用的是转子磁场定向，即d轴与转子磁场方向重合，则此时转子磁通的q轴分量为零（ 0），此时电机电压方程可表示为:,推导出电机稳态方程,电机运行时始终受到到两个外部条件的限制，一个是逆变器的母线电压 ，由于母线电压一般是将工业用电经整流得到，所以，其大小是相对固定的，而电机所能用到的电压是与PWM调制策略相关的，本文使用的是基于空间电压矢量
4、的PWM调制，因此可利用的电压最大为 。另一个限制条件是电机和逆变器的额定电流的限制 。由上所述，调速系统的限制条件可表示为：,当电机运行在高速区时，电机电压方程里的旋转反电动势远大于定子电阻压降，忽略定子电阻压降，并代入到限制方程，则限制方程可改写为：,根据上述限制条件可以画出电机的运行状态空间：,在各区间为了获得最大转矩，分别提出了不同的控制策略： (1).在基速以下区域，励磁电流保持不变，转矩电流限制在1.5倍的最大值，以使电机能满足1.5过载的要求。 (2).在基速以上第一区间，开始应用弱磁策略，使励磁电流按一定规律变小，为获得最大转矩可令: ,充分利用额定电流。,(3).在第二弱磁区
5、，只有c点才是最大转矩点，为保证电机能运行在c点，,在C点处：,必须满足:,感应电机的矢量控制框图：,同步永磁电机在旋转坐标系下的数学模型,旋转坐标系下，将d轴与转子磁场同向，则永磁同步电机的电压方程：,其中：,表示永久磁铁对应的转子磁链，下标dq表示各向量在dq轴上的分量。P是微分算子。,电机输出的电磁转矩方程为：,考虑到一般伺服电机的转子为圆筒表贴式结构，则电机气隙磁场分布均匀，那么电机的反电动势成正弦分布，即，,则电磁转矩方程可改写为：,转矩与 成正比，即矢量算法的目标。,是极对数,代入磁链方程,耦合项,耦合项,永磁同步电机矢量控制框图：,电流反馈解耦控制：,从电机的定子电压方程，可以看
6、出，d轴和q轴存在耦合现象，如果不进行处理，则d轴和q轴电流环无法进行线性控制。由于转子是永磁体，定子侧无需再进行励磁，则可令 恒等于零，即可得到线性化解耦的效果。,如何控制 ？,计算出定子侧d轴方向的定子电流。,d轴放在转子磁极方向上,找到转子磁极的位置。,倒推,Park变换计算得出反馈电流,闭环控制,假设我们已经知道转子的磁极位置（磁极位置判断在后面章节）： 设A相绕组电枢电流相位 和A相绕组轴线与d轴夹角 之间的关系：,为当A相绕组轴线与d方向一致时，A相绕组电流的初始相位。 假设理想的三相平衡电流接入到永磁同步电机的输入端，数学方程如下：,3/2变换,由转换结果可以得出，若想d轴电流为
7、零，即令 为180或0，也就是说在得知转子的具体位置时，进行PARK变换时变换角度 叠加 .这样即可在控制侧达到近似解耦的效果。,统一控制框图,VF控制算法框图,二、具体实现及一些细节问题的讨论,1.永磁同步电机的磁极位置检测 位置传感器主要是光电编码器，主要分为增量型和绝对性编码器。 国内用于位置控制的码盘主要是采用混合型编码器，具体参数如下：,Z与U相信号的关系及UVW与转子磁极的关系,（1）.由原动机拖动该测试电机，测量在某一转向下线反电动势的相序关系，并推导出相反电动势之间的相序关系。 使电机顺时针方向旋转，用示波器测量两线反电动势，右图是示波器显示的两相线反电动势关系图。其中黄色为E
8、uv，蓝色为Ewv，从图中可以看到Euv超前Ewv 60电角度。,转子位置测量方法（以登奇GK6063电机为例）及电机运行过程中转子位置的检测方 法：,电机厂家在安装码盘时会按照一定的规则，使转子磁极对应码盘上的一个固定的位置，但是不同的电机厂家的安装方式不同，也就导致了不同电机的转子磁极位置是不一样的，当我们来驱动一台新电机时首先是要确定转子磁极在码盘上所对应的位置。,相量关系由图2所示，Evw在Ewv相反方向，所以Evw超前Euv 120，则相反电动势的相序为Eu滞后Ev 120，Ev滞后Ew 120,为负序。,图 2线反电势相序,（2）.顺时针旋转，确定Z信号与UV线反电动势的相位关系：
9、,Z信号在UV线反电动势的-30方向上,（3）.分析转子的磁极位置：,由于UVW是负序，即Euv滞后Eu 30，则Z信号出现在Eu 0位置上，由于相反电动势滞后磁通90电角度，如图所示，所以Z信号所在的位置即磁极D轴所在的位置，D轴与U相夹角为0度。,即，若使永磁电机的模型得到线性解耦，在检测到转子位置时，使电流相位的偏移角度 为0即可。,2.同步电机启动算法以及每转校正环节,在转子磁极与码盘的关系确定后，我们就可以在电机运行中通过码盘反馈得到转子的位置信号，用于PARK变换。 目前有两种常用的方法用于转子位置的判断： a.启动阶段转子位置的检测,对于增量是编码器，控制器在上电运行时是无法获得
10、转子的位置信息的。转子的初始位置检测是通过码盘上的UVW信号来实现的，一个周期的UVW信号与转子的一对极相对应，即一圈UVW信号是与转子磁极对数一致。这种定位方法会有不超过正负30的误差，粗定位。,b.运行阶段转子位置的校正： 一种方法是，由于已经确定了转子磁极与Z信号的关系，在电机根据初始定位启动起来之后，在一圈之内总能捕获到Z信号，然后会进行精确定位。 另一种方法是根据根据UVW三相位置信号与磁极的相对位置来进行精确定位，该方法可在60电角度内找到磁极的具体位置并进行定位。 该方法的缺点？ 最好的办法。,举例说明，取相邻两扇区的WVU信号为，101/001,3.死区补偿,死区的成因及作用,
11、理想情况下PWM上下桥臂波形如下图所示：,加上死区处理的PWM上下桥臂波形：,补偿原理： 单独分析一对桥臂，约定流向电机电流iu，该电流方向为正，从电机流出的电流的方向为负电流。1表示上桥通，下桥关，2表示上桥关，下桥通。,针对导通波形分析前后作用矢量的时间关系：,死区,死区,分析三相桥臂的死区补偿：,并以SVPWM的一个区间为例进行分析说明：,桥臂顺序为ABC,总结：桥臂顺序为CBA,4.位置环设计,作用？,偏差计数器实现方式,实现比例环节的电子齿轮功能，对由数字滤波器造成的误差进行补偿，实现偏差计数器清零功能。,5.电流采样的处理,由于电流采样环节是系统闭环运行中的重要一环，其采样精度对系
12、统的控制精度起着决定性的作用。如何提高采样进度，一方面硬件电路需要有完善的设计，另一方面软件上也要有一些处理措施。 (1)在系统初始化阶段，为了避免硬件电流漂移引起的误差，使AD连续多次进行电流采样，然后取平均值，作为电流采样的零点。 (2)在系统运行之后，电流在开关管的导通关闭时刻会引起尖峰，不仅会影响到系统的性能还会引起系统的误报警，为了解决这个问题，一种方法是避开开关时刻进行采样，但算法较为复杂。现在我们在一个开关周期内不同时刻采样四次，分别抛弃最大和最小的两个采样值，剩下的做平均处理，能获得较好的效果。,6.调试心得,从内环到外环分步调试：,(1)前向通道测试：前向通道调试，主要包括逆
13、CLARK变换、SVPWM模块和SIN表，辅助模块为旋转角度发生模块。通过给定旋转角速度和电压VD、VQ，采用软件仿真环境可以得到马鞍型电压波形，则表示所测试的模块是正确的。,2.带电机开环测试：带电机开环测试，使用调压器，母线上通入较小的电压，电机能够以给定的旋转角度进行运转。测试模块为AD采样模块、PARK变换和CLARK模块，框图如图所示：其中park变换和逆park变换的角度是给定的，所以park变换的dq电流是由给定的角度所决定的。结果如图所示，可以看到id与iq均为直流，均不为零,why?,Id,iq均不为零，因为不是以转子磁场定向，而是以定子电压方向定向进行变换，这样可以计算出电
14、压与电流的夹角和功率因数,3.电流闭环测试：电流闭环测试，主要测试初始相位判断模块、码盘反馈角度计算模块、电流PI调节器模块。旋转角度产生模块可以去掉。调试结构框图如图所示。目的：调试电流环，并达到我们的要求。,测试结果如图2-8所示：图中电流给定为id=100h（约9.4 A），iq=10h，为使速度与电流表现在同一个图中，采用标幺值，电流采用100H作为基准值，速度用2000转/分作为基准值。Iq给定一个较小的值目的是为了使电机旋转，电流环特性主要看id，图1中可以看到id保持在给定值附近，iq在速度上升到最大转速（即电压饱和）后，降为更小值，作用是克服摩擦等阻力使电机保持旋转。id是励磁
15、电流不产生扭矩，所以保持恒定。图2是id响应图，电流响应时间为8个电流周期，为0.8ms，保持在给定为256（100h）附近。,图1,图2,4.速度环闭环测试：测试模块方法为：码盘接受QEP模块、速度计算模块、速度PI调节模块如图2-10。图2-11为速度阶跃响应的测试结果，速度给定为额定值2000转/分（标幺值为1）。图中可以看到速度响应较慢（约为570ms），其主要原因是速度PI采用增量式PI，PI输出也是增量输出，没有饱和输出，所以iq电流给定很小，速度上升慢（原因？）。,PI调节器,一般表达式：,离散表达式：,其中：,实现方式：,增量式： LT KPV MPY ERR_SUB PAC LT KIV MPY ERR APAC SACH ID_REF,7,THANK YOU!,
