湖南大学
硕士学位论文
基于DSP的多相永磁同步电机矢量控制系统
姓名：周马山
申请学位级别：硕士
专业：控制理论与控制工程
指导教师：欧阳红林
20040108
摘要
矢量控制使交流调速系统的性能产生了质的飞跃，多相永磁同步电机矢量控制系统更是提高了系统性能，增强了系统可靠性。本文以双Ｙ移３０。六相永磁同步电机为例，在简要介绍三相永磁同步电机矢量控制的基础上，通过坐标变换建立了多相永磁同步电机矢量控制的数学模型。同时，利用多相电机的相冗余特点，对定子侧绕组开路或逆变器桥臂故障时不对称多相永磁同步电机的补偿控制进行了重点阐述，提出了两种补偿控制方法，即基于故障前后定子绕组产生的合成磁动势不变的补偿方法，和采用改进旋转坐标变换实现的新型矢量控制方法。多相永磁同步电机矢量控制系统的数字仿真结果表明，正常时多相永磁同步电机的性能远远优于普通三相永磁同步电机，更为重要的是，故障后形成的不对称多相永磁同步电机采用补偿控制策略时，其性能可与正常时的性能相媲美，从系统级上提高了交流调速系统的可靠性。
针对ＰＩ控制器的不足，本文在介绍模糊控制原理的基础上，还为多相永磁同步电机矢量控制系统设计了基于ＰＩ＋ＥＦＬＣ（增强型模糊逻辑控制器）的双模控制器，并取得了满意的仿真结果。
最后，本文以ＤＳＰ和ＣＰＬＤ为核心，构造了多相永磁同步电机矢量控制系统的硬件系统，并对其软件设计做了相应介绍。
关键词：矢量控制；多相永磁同步电机；补偿控制；模糊控制；仿真；ＤＳＰ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
ＴｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＡＣｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｉｍｐｒｏｖｅｄｇｒｅａｔｌｙｓｉｎｃｅｆｉｅｌｄ?ｏｒｉｅｎｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｉｓａｐｐｌｉｅｉ：ｌ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｍｕｌｔｉｐｂａｓｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｉｓｅｎｈａｎｃｅｄ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｆｉｅｌｄ．ｏｒｉｅｎｔｅｄｃｏｎｔｒ０１ｏｆｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅＰＭＳＭｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｉＳｉｎｔｒｏｄｕｅｅｄｉｎｂｒｉｅｆ，ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｍｕｌｔｉｐｈａｓｅＰＭＳＭ，ｔａｋｉｎｇａｓｉｘ－ｐｈａｓｅＰＭＳＭｗｉｔｈａｄｕａｌ—ｓｔａｒｗｉｎｄｉｎｇｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ，ｉｓｄｅｒｉｖｅｄｂｙｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｔａｋｉｎｇ
ＰＭＳＭｉｓｐｈａｓｅｒｅｄｕｎｄａｎｃｙｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔ，ｔｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ
ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙｗｈｅｎｏｎｅ（ｏｒｍｏｒｅｔｈａｎｏｎｅ）ｌｅｇｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｏｒｔｈｅ
ｉｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｉｎｖｅｒｔｅｒｉｓｌｏｓｔ，ａｎｄｔｗｏｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｏｎｅ
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ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｓｍｕｃｈｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｌａｔｅｒｏｎｅ．
Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ａｆｔｅｒｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｉｓｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ，ａｄｕａｌ－ｍｏｄｅｌｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄｏｎＰＩ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌ）＋ＥＦＬＣ（ＥｎｈａｎｃｅｄＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）
ｉｓａｌｓｏｂｒｏｕｇｈｔｆｏｒｗａｒｄ，ＳＯｔｈａｔｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｔｈｅＰＩｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｉｌｌｂｅａｖｏｉｄｅｄ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｃｈｅｍｅｉＳｄｅｓｉｒａｂｌｅ．
ＡｈａｒｄｗａｒｅｂａｓｅｄＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）ａｎｄＣＰＬＤ（ＣｏｍｐｌｅｘＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ）ｆｏｒｍｕｌｔｉｐｈａｓｅＰＭＳＭｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｉｓａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄ：ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ；ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅＰＭＳＭ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；
ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＤＳＰ
Ｉｌ
湖南大学
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作者签名：７习雪厶日期：弘口牛年；月；ｆ日
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本学位论文属于
ｌ、保密口，在年解密后适用本授权书。
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作者签名：导师签名：月豸占
蜘琳日期：ａ．。牟年３月ｏ，日
日期：。２卯驴年；月。矽日
颐上学位论义
第１章绪论
１．１一引言
电机广泛应用于工农业生产、交通运输、一常生活及幽防军事中，且有些应用场合要求电机具有良好的调速性能，而有些场合则要求电机有较低的能耗，因此必须对电机进行速度控制，即进行电机调速。
自电机问世以来，最开始占统治地位的是直流电机，因其励磁电路与电枢电路相互独立，转矩易于控制，有良好的动态性能。然而直流电机的机械接触式换向器结构复杂，制造成本高，易于损坏，且直流电机无法构造出高速大容量的调速系统，远远不能满足现代化大生产的需要。然而，交流电机结构简单，价格低廉日峰固耐用，以及三相交流电的成功输送，都促进了交流调速系统的飞速发展。
交流电机的传统调速方法有调压调速、转差率调速、串级调速及变极调速，但采用这些方法所得到的性能不佳，且有些方法不易实现。１９７１年ＥＢｌａｓｃｈｋｅ等提他的“感应电机磁场定向的控制原理”和户Ｃ．Ｃｕｓｔｍａｎ和Ａ．Ａ．Ｃｌａｒｋ申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”奠定了矢量控制的理论基础，使交流传动控制理论得到质的升华Ｉｌ】。同时电力电子器件和微处理器的飞速发展，给矢量控制的具体实现提供了物质基础，从而使得交流调速系统逐步占据主导地位。最近在某些国家应用的磁悬浮列车驱动技术更是迸一步确定了交流电机的霸权地位【２１。
交流电机分为异步电机和同步电机，而后者又可分为线绕式同步电机，永磁同步电机和开关磁阻电机，其中永磁同步电机因其自身固有的许多优点而具有很好的应用前景，且我国钕资源丰富及钕铁硼磁性材料制造水平处于世界领先水平，因此开发和研制钕铁硼永磁同步电机及其控制系统具有得天独厚的有利条件ｐＪ。
１．２电力电子器件和微处理器的发展
矢量控制技术提高了交流调速系统的静、动态性能，但它包含功率转换和坐标变换等复杂汁算，采用传统模拟电路无法实现。电力电子器件和微处理器的飞速发展给矢量控制的实现提供了物质基础１４１１５］。
１．２．１电力电子器件的发展
在现代电机控制系统中，无论是直流调速还是交流调速，都需要可控电源。在２０世纪５０年代，可控电源都采用旋转变流机组，控制器件都是电磁器件，整
基于ＤＳＰ的多相永磁同步电机矢量控制系统
个控制设备庞大而笨重。５０年代末出现的静止电力电子变流装置，逐步精简＿ｒ设备，在体积、成本和效率方面有所突破，并消除了噪声，使电机控制系统获得了飞速发展，从此“电子”进入了强电领域，电力电子器件成为弱电控制强电的纽带，电力电子变流器成为电机控制系统的核心。
５０年代末，晶闸管（ＳＣＲ）在美国通用电气公司的实验室诞生，标志着现代电力电子技术的开端。近２０年来，电力电子器件的发展非常迅猛，从只能触发导通不能控制关断的半控型器件，到可控制通断的全摔型器件，从电流控制到电压控制（场控）；从低频开关到高频开关：从单片元件到模块化、集成化、智能化；从小功率到大功率，新一代的器件带来新一代的变流技术和变频器，又推动ｒ新一代电机控制系统的产生，成为现代电机控制技术发展的先锋。
（１）晶闸管是初期可控变流装置采用的主要器件，它只能触发导通不能控制关断，属于半控器件，用于可控整流很适合，若用于可控的逆变器，就需要强迫换流电路。
（２）７０年代以后Ｐ—ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、ＧＴＯ和ＩＧＢＴ等全控器件问世，其中ＢＪＴ和ＧＴＯ是电流控制型，而Ｐ—ＭＯＳＦＥＴ和ＩＧＢＴ是电压控制型，即场控器件。８０年代出现的ＩＧＢＴ融合了ＭＯＳＦＥＴ和ＢＪＴ的优点，其开关频率高、采用ＭＯＳ门驱动、无二次击穿问题、导通压降小、安全工作区域宽，噪音低，成为中小容量交流变频器的主要功率器件。
（３）随着超大规模集成电路制造技术的提高，电力电子技术领域的新趋势是发展功率集成电路（ＰＩＣ），将电力电子器件和驱动电路、保护电路、一部分检测电路、甚至和微机的接ｒＪ电路等集成在一个芯片内，体积小、功能多、成本低，使硬件电路设计和开发变得简单可靠。目前ＰＩＣ只能达到低压小功率的水平，如智能功率模块（１ＰＭ），作为ＰＩＣ的过渡产品，在交流变频调速器中己大量使用。
随着电力电子器件的不断更新换代，交流技术也在向前飞速发展。由晶闸管组成的相控型逆变器，在负载及输电线路上产生较大的低次谐波，并从输电线路吸收大量滞后的无功电流，常需配备庞大而昂贵的滤波器，使装置复杂化、体积庞大，性价比较低。电流／电压ＰＷＭ逆变器则能有效地消除谐波，并不产生无功功率。更值得一提的是，采用双ＰＷＭ的逆变器的功率因素能达到ｌ，并能使电机四象限运行，能量双向流动。电力电子器件和交流技术的广泛应用，将节省许多能量，大大减小ｌ世备尺寸，增大性价比，同时将导致水力、风力及火力发电机退出历史舞台，进而消除空气污染、酸雨、温室效应等…系列环境问题，以及缓和能源危机问题。
１．２．２微处理器的发展
在现代交流调速系统中，由模拟电子电路构成的模拟控制己不能适应复杂控
制策略和大量数据计算的需要，以微处理器为核一Ｉｉ，的数字控制器己经成为交流调速控制器的主流。采用微处理器控制，用软件实现矢量控制算法，使硬件电路姚范化，既降低了成本，义提高了可靠性，同时控制软件执行速度快，且易于移植和升级，能够实现各种新型的复杂控制策略，如无速度传感器欠量控制，自适成控制，模糊矢量控制及神经网络控制等智能控制算法。．
早期用于电机控制的微处理器是各种类型的单片机，如Ｉｎｔｅｌ公司的５ｌ系列＋和１９６系列单片机，都得到了广泛应用，特别是８０Ｃ１９６ＭＣ具有片内波形发生器（ＷＦＧ），可产生３对独立的ＰＷＭ信号，特别适合于交流电机控制，在一般的变频器中很多都采用这种单片机。它具有丰富的软、硬件资源，叮用于实时控制，但当数据计算鼙较大或需进行浮点运算，或对快速性要求较高时，它不能满足斋要。为了进一步提高运算速度，特别是针对矢量控制这种具有复杂控制方案和大量数据计算的场合，８０年代初推出了数字信号处理器（ＤＳＰ），目前最常用的是ＴＩ公司专门为数字电机控制设计的ＴＭＳ３２０Ｆ／ｃ２４Ｘ系列ＤＳＰ。２４Ｘ采用改进的哈佛结构，程序存储空间、数据存储空间和输入／输出端口并行分布设计，其指令执行采用４级流水线操作，运算速度快，最快可达到３３ｎｓ，适用于对快速性和实时性要求很高的控制场合。同时它内带的“事件管理器”中含有定时器、比较单元以及ＰＷＭ产生电路，可以根据需要产生６路互补并带死区控制的ＰＷＭ信号。２４Ｘ具有１６路１０位片内Ａ／Ｄ、串行通讯、中断控制、串行外设接口等功能，像２４０７还带有ＣＡＮ模块。所有这些功能都使得２４Ｘ特别适合于交流调速控制。本文实验部分就采用Ｆ２４０作为控制器来实现多相永磁同步电机的矢量控制。
综上所述，电力电子器件和微处理器是现代交流调速系统发展必备的两项物质基础，它们的迅速发展推动交流调速系统不断更新，促进了矢量控制理论的不断发展和具体应用。
１．３交流电机调速系统的发展与现状
工业领域中，一种简单经济的交流感应电机控制方法就是开环Ｖ／Ｈｚ控制，但控制性能不佳，尤其当负载或电源波动时性能更差。矢量控制用解耦的方法实现了对交流电机的控制，它促使交流调速逐步取代直流调速。矢量控制又分为Ｂｌａｓｃｈｋｅ提出的直接矢量控制方法和Ｈａｓｓｅ提出的间接矢量控制方法。前者易产牛谐波噪声，且低速时因定子压降相对较大而导致控制性能不佳，而后者则不存在｜二述问题，但它过分依赖于电机参数，因而电机参数辨识也一度成为研究热点。一种比较理想的控制方法就是将两者相结合，即低速时采用问接矢量方法，高速时切换到直接矢量方法。采用矢量控制时交流电机和直流电机的数学模型相似，许多直流电机的控制算法能真接用于交流电机。同时，高性能ＤＳＰ、精简指令集微处理器及专用集成电路的问世，也促进了交流电机自适应控制及最优控制的发
基于ＤＳＰ的多相永磁蚓步电机矢量控制系统
展。为ｒ进一步提高交流调速系统的性能，交流电动机的自学习、自组织等智能控制方法（如专家系统控制、模糊逻辑控制及神经网络控制等）也相继提出。这些智能控制力法特别适用于调速系统的在线／离线故障诊断以及系统数学模型不准确或系统模型参数不稳定的场合…７】【８】［９Ｊ［１ｏ儿¨］０２１１１３儿１４】［Ｉ５】【ｌ６１。
综ｌ二所述，ｉ丰｜１交流变频调速系统经过多年的发展，各种高性能的调速方法已近成熟，但存提高系统可靠性方面做的工作不多。多相电机的提出，从系统级提高．ｒ凋速系统的可靠性，相对普通三相交流电机而占，它具有许多独特的优点，且制造Ｉ：岂和成本‘ｊｉ相电机相当。这些都促进了多相电机调速系统的飞速发展。
晶闸管的问世以及功率器件的发展，解决了功率变换的器件问题。各种交换电路的出现以及功率变换技术的发展，使由多相变频器和多相电机组成的多相电机调速系统的实现和应用成为可能，引起了人们对多相电机调速系统开发的广泛＿天注。
调速系统的设计目标是获得变频器和电机相结合的最佳接体性能。输出电压／电流为方波时，变频器性能最佳；用正弦电压／电流供电时，交流电机的气隙磁场按正弦分布，其性能最佳。因此设计调速系统时，有必要在电机和变频器的性能需求上寻求某种折衷的方案。多相电机调速系统的研究大体上也是沿着这条主线发展的。ＥＥＷａｒｄ、Ｇ彬ＭｃＬｅａｎ、ＲＨＮｅｌｓｏｎ、ＰＣＫｒａｕｓｅ等在这方面做了许多研究，发现多相感应电机的转矩脉动频率增大且脉动幅值减小，定子电流谐波幅值却增大，定子损耗也增加‘１７儿１８］【１９１。通过坐标变换，ＨａｍｉｄＡ．Ｔｏｌｉｙａｔ等建立了如坐标系下，ｉ相感应电机的数学模型，并利用滞环ＰＷＭ电流型逆变器实现了矢量控制‘２０】【２”。ＹｉｆａｎＺｈａｏ从空间矢量解耦的角度出发，通过空间分解得到由能量转换平面和２个只产生谐波的零序子空间，提出多相电机空间电压矢量的选择方法，并采用扩展的矢量控制方法对双Ｙ移３０。六相电机系统进行控制，不但可获得高性能的控制效果．而且可使定子谐波电流最小１２２１。
随着交流调速系统的兴起，人１１＂］越来越关注调速系统的可靠性，在２０世纪７０年代末，多相电机调速系统成为新一轮的研究热点。ＢｅｌｔｒａｏｄｅＲｏｓｓｉｔｅｒＣｏｒｒｅａＭａｕｒｉｃｉｏ、Ｒｉｔ；ｈａｒｄＺｈａｎｇ等通过给三相交流调速系统的中线加一桥功率器件，增强了三相电机．的冗错工作能力１２３１１２４１，ＺＭ．Ｊａｈｎｓ提出了相冗余的概念，通过增加调速系统的相数来增强系统可靠性１２５１，ＨａｍｉｄＡ．Ｔｏｌｉｙａｔ、Ｐａｖｉｔｈｒａｎ丘Ⅳ等分别对｝ｉ相开关磁阻同步电机及感应电机的矢量控制做了深入研究，并进行了数字仿真和实验０２６１１２７１。ＹｉｆａｎＺｈａｏ利用空间矢量解耦的方法，也对因定子绕组开路而造成的小对称多船感应电动机调速系统进行了数学建模、数字仿真和实验‘２８１‘２９１。上述研究结果都表明，多相电机的性能明显优于普通三相电机，尤其是当多相电机一相（几相）定子开路或短路时，调速系统性能仍然比较理想，多相调速系统的确具有较高可靠性。
颂士学位论文
多相电机调速系统比三相系统具有更高的可靠性，但故障后需修正控制算法。为Ｊ，真ｌＥ实现多相系统的可靠运行，人们竞相研究多相电机故障后的运行情况，搏采取锌种控制策略以实现多相电机的无扰运转。在三相电机调速系统中，当变频器某棚丌路或三相电机缺千月时，需连接中线以便实现剩余两相的独立控制。多相电机调速系统则充分利用相冗余的优势，当某相（或几相）逆变器桥臂（或电机定子绕组）丌路时，无需连接中线并能继续运行，在不平衡供电情况下，通过采Ｊ｝ｊ电流滞环控制和电流预测控制等抗扰策略对剩余各相电流的幅值和相位进行调整，以维持电机的圆形旋转磁动势不变，从而保证系统性能基本不变，系统故障时可降额运行而不必停机ｐｏ】【３”。尽管如此，人们对多相永磁同步电动机的无扰控制研究古｛ｊ少。
数字信号处理器（ＤＳＰ）和大规模可编程逻辑器件（ＣＰＬＤ等）的迅速发展，使得它们被广泛应用于实现高性能的电机调速。侯立军等使用浮点型ＤＳＰ和ＣＰＬＤ实现１５相感应电机的矢量控制方法，并取得了很好的实验效果【３…。
然而，我国目前对多相电机调速系统的研究刚刚开始起步，在许多相关领域还是一片空白，有待于我们进一步研究。
ｔ．４本文研究的目的和内容
虽然国外学者对多相电机的调速系统做了诸多研究，但他们都局限于研究多相感应电机，而且目前我国对多相电机调速系统的研究刚开始起步，许多相关领域还是空白。同时永磁同步电机（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ，以下简称ＰＭＳＭ）具有许多圈有的优点，且我国钕资源丰富及钕铁硼磁性材料制造水平处于世界领先水平，因此对多相永磁同步电机调速系统控制方法及性能的研究很有必要，具有广泛的应用前景。
本课题研究的目标就是研究多相ＰＭＳＭ的矢量控制及其ＤＳＰ实现，具体包括如下内容：
矢量控制的原理：‘
多相ＰＭＳＭ结构对称及不对称时的矢量控制方法及仿真分析；
模糊控制的原理及电机模糊控制系统仿真分析；
多相ＰＭＳＭ矢量控制系统基于ＤＳＰ的具体软／硬件实现。
基于ＤＳＰ的多相永磁同步电机矢量控制系统
第２章矢量控制原理和永磁同步电机数学模型
２．１矢量控制的发展和基本原理
类似丁电力系统中有交流供电与直流供电方案之争一样，在现代电机调速中，长期以来就存在交流调速和直流调速方案之争，最后因多相交流电的发明，电力系统的交流化获得胜利，从而使交流调速在电力拖动系统中拥有一席之地。在交流调速控制中，也有标量控制和矢量控制。标量控制基于交流电动机的静态数学模型，只对电机的电压、电流大小进行控制，因而不能获得理想的动态控制性能，要想获得理想的动态性能指标必须寻找新的控制策略。
众所周知，直流电机的励磁电路与电枢电路相互独立，其励磁电流和电枢电流可单独调节，从而使其励磁磁通、电磁力矩和转速也可分别调节，冈此直流电机具有良好的控制性能。然而交流电机中励磁电路与电枢电路不再独立，这导致交流调速系统的静态性能和动态性能没有直流调速系统理想，因此探求一种与直流电机尽可能相同的交流电机控制方案，是从事电力拖动的工作者多年向往的奋斗目标，也是交流电力拖动系统控制的关键技术问题之一。１９７１年西德ＦｅｌｉｘＢｌａｓｃｈｋｅ等人首先提出矢量变换控制（ＴｒａｎｓｖｅｃｔｏｒＣｏｎｔｒ０１）理论，成功解决了这一难题，由此开创了交流电机等效直流电机控制的先河。其基本思路是以产生同样的旋转磁场为准则，通过坐标变换，建立三相交流绕组电流、两相交流绕组电流和在旋转坐标系中正交绕组直流电流之间的等效关系，把定子电流分解为两个正交分量一一转矩分量和励磁分量，实现交流电机磁链和电磁力矩的解耦控制，从而可按照直流电机的控制规律来控制交流电机，获得与直流电机一样良好的动态调速性能。
随着现代控制理论的发展，交流电机控制技术的发展方兴未艾，无转速传感器矢量控制、直接转矩控制、自适应控制、模糊逻辑控制及神经网络控制等各种新型控制策略不断涌现。由于矢量控制中包含大量坐标变换、矢量运算以及非线性的复杂运算，必须对交流瞬时值进行高速运算和实时控制，所以它对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高［３３１。它的应用曾一度因处理器性能低而受到制约，但１６位单片机８０１９６ＭＣ，尤其是ＤＳＰ的出现促进了它的飞速发展和广泛应用。
２．２坐标变换
硕士学位论文
真流电机的数学模型比较简单，而交流电机在三相静止坐标系中的数学模型很复杂，它是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，难于采用传统的控制方法进行交流调速，冈此有必要采用矢量控制，即通过坐标变换将其数学模型做尽ｒＵ能的简化，使其数学模型类似于直流电
机的数学模型。
一ｉ栩系统的矢量控制中常用以下三种。慢标变换：三硝／二相变换（３ｓ／２ｓ变换）、二
相／：相旋转变换（２ｓ／２ｒ变换１和三相／：相旋转变换（３ｓ／２ｒ变换），且后者是前两者的合成。在磁动势和功率均不变的原则下，
【ｌｊ圈２．１ｕｆ得３ｓ／２ｒ变换对应的变换矩阵为
【州Ｉ．
ｃｏｓ（声一１２００）
一ｓｉｎ（庐一１２００）
ｌ
４２
图２．１
三相系统坐标变换示意图
ｃｏｓ（庐＋１２００１
一ｓｉｎ（≯＋１２００１
ｌ
√２
ｒ
Ｇ。，：：蚓互－１。ｓ彳ｉｎ０目。ｓ。ｉｎ。（ｃＯ目－严１２０。”）ｓ。ｉｎ。（ｃＯ口＋Ｐ１２０。。），
ｌ压
压压
（２．１）
（２．２）
（２．３）
对应的逆变换矩阵为：
Ｃ：。，＝：ｑ。，。
（２．４）
记Ｘ３ｓ＝ｂ，，ｚ。ｘ。】７，Ｘ２ｒ＝Ｉｘ。Ｘｑ‰】『（其中上标ｒ表示矩阵转置，ｘ可取
电压“、电流ｉ或磁链∥），则存在如下变换关系。
ｘ２，＝ＣⅢ２，?ｘ“
（２．５）
％，＝Ｃ２ｍ；?ｘ２，
（２．６）
２．３
永磁同步电机概述
永磁同步电机分为采用正弦波电流驱动的永磁同步电机（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ
Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ
Ｍｏｔｏｒ，简称ＰＭＳＭ）和采用方波电流驱动的无刷直流电机（Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ
ＤＣ
Ｍｏｔｏｒ，简称ＢＤＣＭ）。和线绕式同步电机一样，永磁同步电机也是由定子和
转予两大部分组成，而定子又由定予铁心（由冲有槽孔的硅钢片叠压而成）、定子
妒印
；．
？彳五一２—３
；；
２
ｉ
）
（
基于ＤＳＰ的多相永磁同步电机矢量控制系统
绕组（在铁心槽中嵌放电枢绕组）组成。其基本结构如图２．２所示。
从转子结构上分类，永磁同步电机主要有：
（１）凸极式永磁同步电机ＳＰＭ（ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ）（２）隐极式永磁同步电机ＩＰＭ（ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ）根据转子极对数不同，永磁同步电机又可分为单极电机和多极电机。一对极永磁同步电机的结构示意图如２．２。
凸极式永磁同步电机由于结构不对
称，气隙磁场分布不均匀，其绕组间的互
感刁ｉ仅仅是角位移的函数。与之相反，隐
极式永磁同步电机结构对称，气隙磁场分
布均匀，绕组间的互感仅与角位移有关。
为简单起见，本文主要以正弦波电流驱动
的隐极式永磁同步电机作为研究对象。图２．２永磁同步电机结构示意图由于本身的特点，永磁同步电机具有以下特点：
（１）电机转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电机的转速。
（２）永磁同步电机具有较硬的机械特性，对负载扰动有较强的鲁棒性。
（３）永磁电机采用永磁体代替电励磁，无励磁电路，故定子侧不需提供励磁电流，而只需提供力矩电流，同时转子无励磁损耗和铁损，故相对异步电机而言，其效率和功率因素都较高，能在极低转速下保持同步运行，且调速范围宽；相对直流电机而言，由于省去了电刷和端环，从而降低了故障发生率，减少了维护时间。
（４）转子结构大大简化，提高了电机运行的稳定性，并使其尺寸大大减少，重量减轻，成为高能量密度，高效率的电机。
（５）转矩惯性比高。
２．４永磁同步电机的数学模型
为了分析方便，我们认为三相ＰＭＳＭ为理想电机，即它满足下述假设‘３５ｌ【３６】：（１）忽略饱和、涡流、磁滞及趋肤效应的影响；
（２）感应电动势及气隙磁场均按正弦分布，且不计磁场的各次谐波；
（３）永磁体磁动势恒定，即等效的励磁电流恒定不变；
（４）三相定子绕组在空问呈对称星形分布，定子各绕组的电枢电阻相等；定子各相绕组的电感相等；
（５）转子上无阻尼绕组：
（６）不考虑频率和温度对电机参数的影响。
一：：：：：：：：：：：：：：耋型釜兰塑垒兰：：：：：：：：：：：：：，：：：：：：一
并按如下惯例选取坐标系的正方向：
（１）电压、电流的正方向符合电动机惯例：
（２）Ｉ卜电流产生正磁链：
（３）转子的旋转正方向为逆时针方向。
在卜述前提下，三相静止坐标系中永磁同步电机定子侧的磁链方程和电压方程分别为：
∥３，＝Ｌ。。’‘。＋Ｐ，’‘，（６｝）（２．７）
“ｋ＝Ｒｉ，‘ｉ３，＋ｐ∥３，（２．８）
式中：
心，＝㈧一ｋ渤篡鬻器Ｈ㈧
又Ｃ３，／２，．；ｆ，ｈ＝Ｃ３，／２，Ｌ。Ｃ３ｓｌ２ｒ－ＩＣ…２，ｉ３，＋妒ｒＣⅢ２，Ｅ。（口）（２．９）引
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（２．１０）
（２．１１）
（２．】２）
由（２．３）一｛２．６）呵得：
ｘ一＝１／！；（Ｘｄ
ｓｉｎＯ＋Ｘｑ
ＣＯＳＯ＋击‰）ｃ
ｘ取“、ｔ和∥，
ｃｚ．㈣
将（２．１３）代入（２．１２）并整理得：
由于（２．１４）对任意０值都成立，因此以下三式都必须成立：
Ｉ“Ｊ＝Ｒｉｄ＋ｐｇｔｄ一∞ｓｙ口
｛“ｑ＝月‘＋ＰＣ＂Ｐ＋０９，∥ｄ
（２。１５）
【“ｏ＝Ｒｉｏ＋ｐｙｏ
由机电能量转换及电机统一理论１３７】１３８１可知，电机的电磁力矩为：ｔ＝一，’Ｉｍ（∥～ｉ＋）
ｆ２．ｚ６）
式中Ｉｍ表示取虚部，?表示取共轭复数。
｝ｈ
ｒ零序分量ｆ。不涉及机电能量转换，故只需考虑咖坐标系下的直轴分量和
交轴分带，即：
ｍｄ★ｊ、ｐ
ｄ
｛ｄ七ｊｌｄ
（ｊ为虚数单位）
由（２．１６）及（２．１７）可得：
Ｚ＝一Ｐｌｍ（｛ｕ—ｉ＋）
＝一ＪｐＩｍ“∥。＋，妒。）（‘一ｊｉ。））
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阻。，＝Ｒｉ。，＋，ｄｐ。，一功，沙，．
１“，＝Ｒｉ，＋ｐ＿；ｆ，。＋出，妒：‘２?２０）
燃”／ａ＝Ｌ％ａ３ｉ‘ａ＋厩（２２１）
ｔ＝ＪＩ）ｌ√１．５Ｉｆ，，ｉｑ＋（三。３一厶，）‘‘Ｊ
其中：妒。、缈。为以ｑ轴定子磁链分量；
ｉｄ、ｉ。为以口轴定子电流分量；
Ｌ，、三。，为以ｇ轴电感分量；
“。、Ｕ。为以口轴定子电压分量；
Ｒ、Ｐ分别为定子电阻和极对数：
珊，、妒，、户分别为同步电角速度、由力学知识可知，电机的机械方程：巾∞＝７：一正一Ｂ∞９
ｆ２．２２）
转子永磁体磁链和微分算子引击。
ｆ２．２３）
其中：珊为转子机械角速度，且∞＝∞。／Ｐ
Ｊ、瓦和Ｂ分别为转动惯量、外加负载力矩和阻尼系数。
选ｉ一、ｉａ、口和脚为状态变量，则电机的状态方程和输出方程为（见一电角度）：
ｆｑ
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基于ＤＳＰ的多相永磁同步电机矢量控制系统
２．５三相永磁同步电机的仿真
本节将简Ｉ争介绍奉论文所用到的计算机仿真环境一一ＭＡＴＬＡＢ／ｓＩＭｕＬＩＮＫ，并根据前面推导的数学模型建立仿真模型，利用它对三相永磁同步电机矢量控制系统进行数字仿真，以便和后续章节的多柏永磁同步电机做性能比较。２．５．１ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ简介
ＭＡＴＬＡＢ是Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ公司开发的用于数学计算的一套软件，它具有强大的数值运算功能．丰富的工具箱、简便的绘图功能、可视化的仿真环境Ｓ１ＭＵＬＩＮＫ。ＳＩＭＵＬＩＮＫ可以对非线性控制、电力系统、模糊控制等进行深入的建模、仿真和研究。ＳＩＭＵＬ／ＮＫ由模块库、模型构造及分析指令、演示程序三部分组成。大多数情况卜，用户很少需要编写程序，只需用鼠标拖拉、连接其自带的图形化功能模块，就可以直观地建立起被研究系统的数学模型，并进行仿真和分析研究。更重要的是，ＳＩＭＵＬＩＮＫ能够用ＭＡＴＬＡＢ自身的Ｍ语言或Ｃ、ＦＯＲＴＲＡＮ语言，按照Ｓ函数的模版，编制用户自定义的功能模块。
ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真工具箱中包括了用于仿真模糊控制系统的模糊工具箱（ＦｕｚｚｙＴｏｏｌｂｏｘ），以及专门用于电力电子、电气传动系统仿真的电气系统模块库（ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＢｌｏｃｋｓｅｔ）。模糊工具箱主要包括模糊逻辑控制器，而电气系统模块库包括以Ｆ八个子模块：
（１）电源模块：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等。
（２）元件模块库：包括串／并联ＲＣＬ负载／支路、变压器、互感器、断路器、分布参数线路和电涌放电器等。
（３）电力电子模块库：包括理想开关、ＭＯＳＦＥＴ、５７．极管、晶闸管和ＧＴＯ等。
（４）测量模块库：包括电流测量、电压测量模块。
（５）连接模块库：包括地和中性点及各种连接器等。
（６）电机模块库：包括异步电机、同步电机和永磁同步电机等。
（７）附加电气系统模块库：包括功率测算、傅立叶分析、可编程定时器、同步脉冲发生器以及三相库等。
２．５．２三相永磁同步电机的仿真
基于转子磁场定向的三相ＰＭＳＭ矢量控制系统仿真框图如图２．３所示。图中ＰＩ模块为带饱和限幅输出的速度环ＰＩ控制器，具体实现如图２．４，它根据电机实际速度及给定速度来确定电流转矩分量；ＰＷＭ模块采用电流滞环控制（如图２．５），使电机实际电流跟随给定电流变化，具体实现如图２．６：模块ｄｑ２ａｂｃ实现２ｒ／３ｓ变换，具体实现如图２．７．其中函数模块Ｆｃｎ、Ｆｃｎｌ和Ｆｃｎ２一起实现２ｒ／３ｓ变换
硕ｔ学位论文
公式（２．６）：ＭＭＤ模块为电机测量模块，它实时测量电机的速度、电流、转子位置等信号：ＰＭＳＭ模块为ＭＡＴＬＡＢ提供的满足（２．２４）、（２．２５）的永磁同步电机模型，它的具体实现如图２。８—２．１２。仿真参数如表２１，当ＰＭＳＭ外加图２．１３所示负载时，系统仿真结果如图２．１４—２．１７。
图２．３三相永磁同步电机矢量控制仿真框图
图２．４ＰＩ模块具体实现ｉｊｔ
图２，５电流滞环控制具体实现
Ｈ互）
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ｌＦｃｎｌ
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Ｆｏｎ２
图２．６ＰＷＭ模块具体实现图２．７ｄｑ２ａｂｃ模块具体实现
图２．８ＰＭＳＭ模块具体实现
一———』墼些望墼堂塑些丝型型塑二———：——一
图２．９
ｍｅｃ模块具体实现
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图２
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ｉｑ模块具体实现
图２．１２
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图２．Ｉ３
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图２．１４速度响应曲线
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硕士学也论文
表２．１三相隐极ＰＭＳＭ的仿真参数
Ｌ，ｏ‘００８５Ｈ牛ｉＯ．１７５Ｗｂ
厶，０．００８５Ｈ且２．８７５Ｑ
Ｊ０．０００８Ｋｇｍ２Ｐ４
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图２．１７定子电流曲线
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，速度响应过程中有较大超调，并要经过几个振荡周期；ｒ能稳定；速度稳定后对系统外界干扰的鲁棒性不强，当突加负载时，速度立即下降，然后才逐渐恢复稳定；交轴实际电流始终跟踪交轴给定电流，且启动过程中和突加负载时，两者变化幅度较大．而稳定时两者都基本恒定。这导致稳态时电磁力矩基本恒定，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电流，且相位依次相差约１２０。。
２．６本章小结
本章简单介绍了矢量控制的原理及永磁同步电动机的结构、特点，在坐标变换的基础上推导了同步旋转坐标系下三相永磁同步电机的电机方程，并用ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭｕＬＩＮＫ进行了数字仿真。仿真结果表明，采用矢量控制时ＰＭＳＭ可采用与直流电机相似的控制算法，且控制效果较好。
本章对三相永磁同步电机矢量控制系统及其仿真做的阐述，为后续章节对多相永磁同步电机进行同类分析做好了充分准备。
第３章多相永磁同步电机的矢量控制
３．１多相永磁同步电机概述
多村Ｉ永磁同步电机拥有许多本身固有的优点，具有很好的应用前景，尤其适应于军舰及潜艇推进、宇航推进、电动／燃料混合汽车驱动、电力机车牵引等高、精、尖应用领域【３”，这促使对多相永磁同步电机调速系统的研究逐渐成为交流调速领域的研究热点。下面对多相永磁同步电机的结构及特点做简单介绍。３．１．１多相永磁同步电机的分类和结构
多相永磁同步电机与普通三相永磁同步电机一样，从驱动电流角度可分为永磁同步电机ｆＰＭＳＭ）和无刷直流电机（ＢＤＣＭ），从转予结构角度可分为凸极式永磁同步电机ＳＰＭ和隐极式永磁同步电机ＩＰＭ。
多相永磁同步电机的纺构与普通三相永磁同步电机基本相同，同样可分为定子铁心、定子绕组和装有永磁体的转子，
只是定子绕组不只是三相罢了。下面以双
Ｙ移３０。六相ＰＭＳＭ为例来说明多相
ＰＭＳＭ的结构。如图３．１所示，六相ＰＭＳＭ
定子与普通感应电机定子结构基本相同，
六相定子绕组在定子铁心圆周上呈双Ｙ移
３００分布，转子上装有永磁体，永磁体的励
磁磁场与定二产绕组中的电流产生电磁耦合作用，带动转子旋转。
３．１．２多相永磁同步电机的特点图３．１双Ｙ移３０。六相ＰＭＳＭ结构示意图
多相永磁同步电机除了具有第二章提及的普通三相永磁同步电机的优点外，它还有多相电机所特有的下述优点【ｒ７ｌ【１８ｌ【１９ｌ【２０】【２１１，具有极好的应用前景。
（１）电磁力矩的脉动幅值减小，脉动频率增大，系统动、静态特性明显改善；
（２）采用相冗余的概念，增强了系统可靠性。采用冗余结构的多相ＰＭＳＭ调速系统，当一相（或几相）逆变器桥臂或定子绕组开路时，不会影响电机的起动和运行，只需降载运行而不必停机；
（３）用低压功率器件实现大功率系统，避免了功率器件串联引起的动／静态均压问题；