无速度传感器永磁同步电机驱动系统单位功率因数控制

摘要

永磁同步电机(PMSM)及系统因具有功率密度大、效率高、可控性好和转矩响应速度快等优点而获得广泛的关注。永磁同步电机控制技术的发展已经较为成熟，但作为一种应用潜力巨大的技术，其在理论和实践两方面都还有很多值得研究的问题。
　　 永磁同步电机有矢量控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)两种基本的控制技术，从性能和效率等方面考量，又有id=0控制(ZDC)、单位功率因数控制(UPFC)、恒定子磁链控制(CSFL)、最大转矩/电流控制(MTPAC)、最大功率控制和最优效率控制等方法。一种控制方法的选择需要结合该控制方法的特点综合考虑系统指标、成本和可实施性等多方面的因素。本文首先对矢量控制和直接转矩控制进行了对比分析研究，并选择控制平稳、应用较多的矢量控制作为本文的研究对象之一。单位功率因数控制方法能使永磁同步电机工作在功率因数接近1的状态，可以减小控制器功率等级，降低成本，因此本文将研究基于矢量控制的永磁同步电机单位功率因数控制方法。永磁同步电机的运行控制需要实时的转子位置和速度，一般的解决办法是在电机转轴上安装一个位置/速度传感器，将位置/速度反馈至控制系统。为了降低驱动系统的成本、提高可靠性，无速度传感器控制技术成为永磁同步电机控制研究的热点。滑模观测器具有结构简单、对参数和扰动不敏感等优点。本文也将研究基于滑模观测器的无速度传感器的永磁同步电机控制。单位功率因数控制通过调节d轴定子电流分量控制驱动系统的功率因数，而滑模观测器采用饱和函数代替传统的符号函数，能够简单可靠地获取转子位置/速度信息，本文研究的技术可以有效降低了系统的成本，提高系统可靠性和效率。文章通过仿真和实验验证了这些技术方法的正确性和有效性。本文的主要研究内容和创新成果如下:
　　 首先，对永磁同步电机在三相静止、两相静止和两相旋转坐标下的数学模型进行了详细论述。建立了矢量控制和直接转矩控制方法的仿真模型，对两种方法的操作原则和控制方案进行了详细的对比说明，并给出了在各种条件下的仿真结果。仿真结果表明，和直接转矩控制相比矢量控制有较小的电流和转矩波动，控制平稳，噪声小。其缺点是控制比较复杂，转矩动态响应不够直接转矩控制快。
　　 其次，本文建立了计及开关损耗的两电平三相电压源逆变器的仿真模型，并将其与理想的两电平三相电压源逆变器模型进行了对比研究。具有理想开关特性的逆变器模型通常称为理想逆变器模型，由于其模型简单且能代表逆变器的主要特性因而在仿真研究中被广泛地采用。然而，在实践中电压源逆变器的电力电子器件(功率二极管和IGBT)具有非线性的前向电压和电流特性，导致电压源逆变器输出电压失真。由此，本文对电力电子器件的非线性问题进行了建模分析，结果表明计及开关损耗的两电平三相电压源逆变器模型与实际模型接近。此外，论文还研究了电流源逆变器的模型，对其空间矢量PWM技术进行介绍和研究，对电压源逆变器和电流源逆变器的进行了比较研究。
　　 然后，本文详细讨论和分析了永磁同步电机驱动系统的单位功率因数控制方法，对比分析和研究了永磁同步电动机驱动系统单位功率因数控制、恒定子磁链控制和id=0控制的优劣，构建了他们的仿真模型。单位功率因数控制以永磁同步电机电压和电流相位相等为约束条件，经过变换得到电流id和iq;恒定子磁链控制以气隙磁链恒定为约束目标;id=0控制则使定子电流时刻与iq轴同轴。仿真结果表明，单位功率因数控制方法具有良好的控制效果，可以实现功率因数为1，恒定子磁链控制可以实现近似的单位功率因数，id=0控制的功率因数最低。相对于基于模型参考自适应(MRAS)、扩展卡尔曼滤波器、模糊逻辑和神经网络等无位置/速度传感器控制方法，滑模观测器(SMO)具有模型简单、对参数变化和扰动不灵敏等优点，因此本文将滑膜观测器作为无位置/速度传感器控制方法，研究其与单位功率因数控制结合下的永磁同步电机系统的性能，建立的仿真模型，并对仿真结果进行了分析。
　　 最后，本文设计并构建了基于以上控制方法的永磁同步电动机驱动系统的实验平台，并对硬件电路、流程图和算法进行了设计。实验平台基于德州仪器的数字信号处理器TMS320F2808，在CCS软件平台开发了控制软件，对永磁同步电机及控制系统在各种工况下进行了实验研究，实验结果基本验证了以上章节的理论和仿真分析的正确性
　　 永磁同步电机驱动系统由于其高效率和高功率密度等优点，在工业界有着广泛的应用前景。随着现代科学技术特别是控制理论的发展，永磁同步电机的控制方法也是日新月异、纷繁复杂。如何在众多控制方法中选择一种既能满足系统要求，又能实现系统简单、成本低等是一个难点。本文基于以上现状，对永磁同步电机的控制进行了有益的研究和探索，从仿真验证了矢量控制和直接转矩控制的性能对比情况;得出了单位功率因数控制方法具有良好的控制效果，可以实现功率因数为1，恒定子磁链控制可以实现近似的单位功率因数，id=0控制的功率因数最低等结论;提出了基于滑模观测器的永磁同步电机单位功率因数控制方法，并进行了仿真和实验验证。本文的研究工作为降低永磁同步电机系统的成本、提高系统的可靠性方面提供了较好的解决方案和参考依据，为永磁同步电机的应用研究贡献了微薄之力。

目录

声明

摘要

Abstract

Contents

List of Figures

List of Tables

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1．1 Introduction

1．2 Overview of Electrical Drive Systems

1．2．1 Electrical Machines

1．2．2 Load

1．2．3 Power Supply

1．2．4 Power Converters

1．2．5 Sensors

1．2．6 Controller

1．2．7 Communication Links

1．3 Challenges and Requirements for Industrial Electrical Drives

1．3．1 Grid-Side Requirements

1．3．2 Motor-Side Challenges

1．3．3 Switching Device Constraints

1．3．4 Drive System Requirements

1．3．5 Electromagnetic Compatibility

1．4 Literature Review of Unity Power Factor Control for PMSM Drive Systems

1．5 Literature Review of Sensorless Control of PMSM Drive Systems

1．6 Motivations of this Thesis

1．7 Objectives and Scope

1．8 Structure of the Thesis

1．9 Summary

CHAPTER 2 CLASSIFICATION，MODELING，AND CONTROL METHODS OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MACHINES

2．1 Classification

2．2 Review of Reference Frame Theory

2．2．1 Clark Transformation

2．2．2 Inverse Clark Transformation

2．2．3 Park Transformation

2．2．4 Inverse Park Transformation

2．3 Mathematical Model

2．3．1 Voltage，Current，and Fux Linkage Equations in abc Stationary Reference Frame

2．3．2 Voltage，Current，and Flux Linkage Equations in αβ0 Stationary Reference Frame

2．3．3 Voltage，Current，and Flux Linkage Equations in dq0 Synchronous Reference Frame

2．3．4 Electromagnetic Torque Equation

2．3．5 Motion Equation

2．4 Control Methods

2．4．1 Introduction

2．4．2 Vector Control

2．4．3 Direct Torque Control

2．5 Simulation Study

2．5．1 Simulation Model

2．5．2 Simulation Results and Analysis

2．6 Comparison between VC and DTC Methods

2．7 Summary

CHAPTER 3 SPACE VECTOR PWM TECHNIQUES FOR VOLTAGE SOURCE AND CURRENT SOURCE CONVERTERS

3．1 Introduction

3．2 Space Vector PWM Technique for VSCs

3．2．1 VSC Topologies

3．2．2 Model of VSCs

3．2．3 Principle of Space Vector PWM Technique for VSCs

3．2．4 Simulation results of VSC

3．3 Space Vector PWM Technique for CSCs

3．3．1 CSC topologies

3．3．2 Model of CSCs

3．3．3 Principle of Space Vector PWM for CSCs

3．3．4 Simulation Results of the CSC

3．4 Advanced PWM Techniques

3．5 Comparative Study

3．6 Summary

CHAPTER 4 UNITY POWER FACTOR CONTROL IN SENSORLESS PMSM DRIVE SYSTEMS

4．1 d-axis Stator Current Control Methods

4．1．1 Unity Power Factor Control

4．1．2 Constant Stator Flux-Linkage Control

4．1．3 Zero d-Axis Current Control

4．2 Sliding Mode Control

4．3 Unity Power Factor Control in Sensorless PMSM Drive Systems

4．3．1 Simulation Model

4．3．2 Simulation Results and Analysis

4．4 Summary

CHAPTER 5 IMPLEMENTATION AND EXPERIMENTAL VERIFICATION

5．1 Hardware

5．1．1 DSP Control Ciruit Board

5．1．2 Power Circuit Board

5．2 Software Description

5．2．1 Flowchart

5．2．2 Software Implementation

5．3 Experimental Evaluation

5．3．1 Experimental Setup

5．3．2 Experimental Results

5．4 Summary

Conclusions and Future Work

References

Acknowledgments

Appendix A Research papers

Appendix B DSP-code

Appendix C：详细中文摘要