永磁同步电动机调速控制系统仿真研究(5)

is为定子电流的幅值，?角是旋转d轴与静止的A轴之间的夹角，可由转子位置检测器直接测出，经过查表读取相应的正弦函数值后，与is信号相乘，既得电流给定信号iA 、

iB、iC，经变换又可得id、iq。又由空间矢量定义知，三相定子合成电流矢量为：

qis?iq?iA?fd

图2-6 id?0控制时的矢量图 Fig.2-6 Vectograph in control of id?0

is?iA??iB??2iC??3Isej???90??2 (2-18)

?即电流矢量的幅值为定子电流幅值的1.5倍，方向超前d轴90电角度，因此可得PMSM电磁转矩:

Td?3p?fis?Kmis2 (2-19)

式中Km为比例系数。转矩严格的和电流幅值成正比，控制转矩的大小实质上就落实到控制定子电流幅值的大小。系统正常运行时，电动机以角速度?旋转，定子电流也以角频率?作正弦变化，始终保持定子电流矢量超前d轴90?。

2.3 控制系统构成

图2-7为系统原理框图，图2-8为调速系统工作原理图，速度调节器输出转矩给定信号

T*，它就是定子电流幅值给定信号is，因此可以得到给定的id*和iq*，id*?0。定子相电流

ia、ib、ic通过相电流检测电路被提取出来，然后用Clarke变换将它们转换到定子两相坐标系中，使用Park变换再将它们转换到d?q旋转坐标系中得id、iq 。将给定的电流信号id*和

iq*分别与id、iq 相比较，将得到差值传送给ACR，然后将电流调节器ACR的结果进行坐标变换，进而控制PWM逆变器相应的功率开关器件，若实际电流大于给定值，则通过逆变

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速度给定速度调节器电流调节器电压型PWM变频器电流磁极位置速度PMSM转子传感器

图2-7 系统原理框图

Fig.2-7 Functional block diagram of system

器开关器件的动作使之减小；反之，则使之增加。也就是用差值通过电流控制器ACR控制PWM逆变器相应的功率开关器件。这样，实际输出电流将基本按照给定的正弦波电流变化。与此同时，变频器输出的电压仍为PWM波形。当开关器件具有足够高的开关频率时，可以使电动机的电流得到高品质的动态响应。

?*ASRT*id*?f1(T*)iq*?f2(T*)id*idud?坐标变换VDC?iq*ACRuq三相逆变器iq坐标反变换iaibic?d?/dt图2-8 调速系统工作原理

Fig.2-8 Adjust the systematic operation principle block diagram of the speed

位置检测PMSM 2.3.1 id?0控制系统的构成

PMSM的控制系统主要由主回路和控制回路组成。主回路由PWM变频器、PMSM、转子位置检测器、电流传感器和速度传感器组成；控制回路由速度调节器、电流调节器、矢量变换电路、PWM生成器及驱动电路组成。如图2-9所示。在永磁同步电动机控制系统中，需要准确检测转子磁极位置，控制定子电流，所以转子位置检测器和变频器是非常重要的

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两个器件。本节只要研究变频器和转子位置检测器，其它器件与普通交流控制系统所用器件基本相同。

电流传感器~速度调节器PMSMω*ω乘法器驱动驱动PWM生成器驱动转子位置检测器速度传感器电流调节器速度变换信号发生器 图2-9 PMSM控制系统的构成

Fig.2-9 Composition of PMSM control system

2.3.2 控制系统模型

控制系统需要采集的系统误差状态参数有电机三相绕组相电流ia、ib、ic,电机的转子位置信号。控制系统采用数字控制方案，即主要的电流调节器和速度调节器均采用数字PID控制器。这就要求系统的采样周期比较短，以满足数字PID控制器以求和代替积分、向后差分代替微分时的精度。数字PID控制器进行了如下的近似

?e?t?dt??T?e?i?1i?0tkde?t?e?k??e?k?1??dtT式中:T为采样周期；K为采样序号。

控制系统具体采用数字PID位置型控制算法，其具体算式如下

?Tu?k??Kp?e?k??Ti??e?i??Tdi?0ke?k??e?k?1???

T?式中：Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。 为充分发挥数字控制的优点，将对数字PID控制器进行改进：

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1)积分分离

当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有较大的惯性和滞后，所以在积分的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动，为此可采用积分分离措施，积分分离PID算法即是当偏差大于限制时,为加快动态响应,不加入积分环节 ,只采用PD控制;当偏差进入限制时,加入积分环节,以消除稳态误差。即偏差e?k?较大时，取消积分作用；当偏差e?k?较小时，才将积分投入。亦即

当e?k???时，采用PD控制； 当e?k???时，采用PID控制。

积分分离阀值?就根据具体对象和控制要求确定。 2)积分饱和

当长时间出现偏差或偏差较大时，计算出的控制量可能会超出被控对象的调节范围，势必会使超调量增加，控制品质变坏，所以，当由于积分的作用使得控制量出现饱和，就对积分输出进行单独限幅。

3)死区控制

为避免控制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡，所以以采用带有死区的PID控制系统，死区?的具体参数可根据实际控制对象的特性,通过学习实验确定[5]。

主要采用自行编写的S函数，辅以MATLAB提供的现有的模块组合而成。具体的数字PID位置型控制如图2-10所示。

图2-10 数字PID控制器的结构图 Fig.2-10 Structural diagram of digital PID controller

2.3.3 PWM变频器

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变频器是（frequency changer / frequency converter）利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器通常包含3个组成部分：整流器（rectifier）和逆变器（inverter），还有直流部分(DC )。其中，整流器将输入的交流电转换为直流电，逆变器将直流电再转换成所需频率的交流电[6]。

变频器的整流部分采用三相全波二极管整流桥，逆变部分采用交－直－交电压型PWM逆变器，逆变器所用的电子开关采用电力晶体管(GTR), GTR是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管。由于永磁同步电动机的矢量控制是对定子电流的控制，因此必须对电压型逆变器进行改造，变成以电流为控制目标的电流型逆变器。将变频器配上电流控制环，就能输出可控的正弦波电流。调速系统必须有快速的电流控制环以保证定子电流对给定指令的快速准确的跟踪，这样才能达到控制的目的。因而电流控制环的动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现[7]。

电流跟踪控制的脉宽调制变频器由通常的PWM电压源型变频器和电流控制环组成，使变频器输出可控的正弦波电流，如图2-11所示。其基本控制方法是，给定电流信号与由电流传感器实测的电流信号相比较，以其差值通过电流控制器ACR控制PWM逆变器相应的功率开关器件。若实际电流大于给定值，则通过逆变器开关器件的动作使之减小；反之，则使之增加。这样，实际输出电流将基本按照给定的正弦波电流变化。与此同时，变频器输出的电压仍为PWM波形。当开关器件具有足够高的开关频率时，可以使电动机的电流得到高品质的动态响应[8]。

图2-11 电流跟踪控制的脉宽调制变频器

Fig.2-11 The electric current follows the pulse width controlled and

modulates the frequency converter

电流跟踪控制的PWM变频器有多种型式，其中最常用的是电流滞环跟踪控制[9]，其单

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