永磁无刷直流电机矢量控制—答辩演示教学课件.ppt

1、1江苏大学电气信息工程学院2014年6月江苏大学硕士学位论文答辩23425cos()sin()()sin()()32666625sin()sin()()sin()()323636dddrmrmrmqqqrmrmrmdiuRiLdtBBBdiuRiLdtBBB5cos()sin()()sin()()266665 sin()sin()()sin()()23636emdmqTpBBBipBBBi (a)转子位置 (b)磁通分布()=pmadedt22()()()pmpmNNBxSdx 0 000.0 0aasMMaabbMsMbbccMMsccuRiL LLieduRiLL LiedtuRiLLLi

2、e 51112223303220111222abciiiii cossinsincosdqiiii 621111213112AaBdbCcUSUUSUS1112223303220111222ABCUUUUU2/34/32()3jjoutABCUUU eU e7*/2*/2*2/2Re1Re(3)21Re(3)2jaas refjbas refs refjcas refs refvueUvuaeUUvuaeUU 直接根据求得的两相静止坐标系上分量、经Clarke逆变换可得Ua、Ub、Uc，但无法由这些量准确判断任意合成电压矢量所处扇区。现将原绕组轴线方向逆时针旋转90电角度，用单位向量、表示旋转

3、后所得到的法矢量。三个法矢量构成了一个新的对称三相轴线，va、vb和vc，如图所示。然后根据电压空间矢量在法矢量上投影的正负可以判断该电压空间矢量所处扇区号。注：方程式其实就是Clarke逆变换，只不过将、轴分量调换了位置。其中为原绕组A相轴线上的单位向量，a为旋转因子。设新构建的轴线坐标系上扇区号P=A+2B+4C，其中逻辑变量A、B、C（取值1或0）的值由上面的式子值的符号决定。逻辑变量真值判别具体如下：若va0时，A=1，反之为0；若vb0时，B=1，反之为0；若vc0，C=1，反之为0。根据这三个标量的正负可以判定给定电压矢量的扇区编号P值，此处得到的P值并不是真正的扇区号，真正的对应

4、关系如表所示。846064464466tan(60)cos(30)srefs refs refs refTTTTTTUUUTTUTUUTTUUT46(33)23s refs refds refdTTUUUTTUU3(33)2(33)2s refds refs refds refs refdTXUUTYUUUTZUUU对于其他扇区，相邻电压矢量的作用时间也可以利用上述公式得到，结合各个扇区算得的时间同时兼顾本文软件部分的设计，设作用时间的中间变量X、Y和Z：9Current PIcontrollerMTPAisq_refTn0.2Tn0.6Tn0.4Tn电流极限圆MTPA轨迹idiqisq_re

5、f*isd_ref*22sdquuuipkksus*ud and uq+-ifw*isq_ref*isd_ref*limiter+Speed PI controllerFWCisd_ref=0isq_refCurrent PIcontroller22ssdsqiii(1)qeqd qdLTii iL105 sin()sin()()sin()()23636emqTpBBBi 11+-UdcVT1VT3VT5VT4VT6VT2ibABCNVD1VD3VD5VD4VD6VD2SaScSbSa_Sb_Sc_iciaRidc+-UdcVT1VT3VT5VT4VT6VT2ibABCNVD1VD3VD5VD

6、4VD6VD2SaScSbSa_Sb_Sc_iciaRidc矢 量idcia-icib-iaic-ib00U0U000U300U240U180U120U60U111第1扇区SVPWM波形示意图 ia+ib+ic=0 12U60110U0100U180011U240001U120010U300101123456U60110U0100U180011U240001U120010U300101123456非可测区域 (a)低调制区域矢量空间图 (b)非可测区域矢量空间图(c)低调制区域SVPWM波作用示意图 Tmin=td+ts+tr T1/2和T2都可能小于Tmin 本文电流采样并非一定要求在非可测

7、区域中，因电机感性绕组，电流不会发生突变，完全可以在除边界区外的中、高调制区进行电流采样，此时中、高调制区相邻非零电压矢量作用时间完全满足采样窗口所需时间。13思路：以移相前后合成的参考电压矢量不变为前提条件，把占空 比最大PWM波进行前后平移，延长扇区相邻基本电压矢量的作用时间以分别采样两相电流的时间。Trem=Tmin-(T1/2)当Trem0且T2Tmin时 第1扇区内低调制区域对应SVPWM移相后波形图 当Trem0或T2Tmin时 合成参考电压矢量既处于低调制区又处于非可测边界区，仅有一个电压矢量作用时可供A/D采样？T1-Tmin0 电压矢量处于低调制区且幅值小，任何时刻均不适合电

8、流采样重构？非可测区域！实际临界负载！14121220a o nb o na o nco nTttttttt实际扇区捕获/比较寄存器123456TIM1_CCR1taontbontcontcontbontaonTIM1_CCR2tbontaontaontbontcontconTIM1_CCR3tcontcontbontaontaontbon第1扇区PWM输出波形图 第1扇区低调制区PWM移相波形比较标志位CMS，计数器向上计数时被置1，向下则被清0。在PWM波移相需作赋值调整时，根据比较标志位在向上和向下计数时对TIM1_CCRx赋不同的值。1516STM32FEBKC6T6 IAR Embe

9、dded Workbench for ARM version 6.50 ST-Link 17开始主程序入口时钟、通用I/O口、PWM模块、A/D模块、各参量等初始化结束电流校准、中断使能循环等待中断响应程序定时器嘀嗒中断，用于速度环PI调节；DMA传输完成中断，进入电流重构、坐标变换、直（交）轴电流PI调节、SVPWM调制和更新PWM占空比等子程序处理；保护中断，用以实现电机异常运行情况下的自保护，即关闭 PWM输出模块，保护逆变电路和电机；A/D中断，进入欠压处理；Hall变化捕获中断，进入电机实时转速计算程序。18实际转子位置角为-180到180，对应-32768到32767。前述所建立的

10、数据表只存放了对应0到90角度范围内离散的256个正弦函数值（实际值是正弦值乘以32766）。首先需要确定实际位置角所处直角坐标系所属象限，从而确定是正向还是逆向从数据表找对应数值。查表部分程序流程图如左图所示。先对位置角作减32768（0到360 间位置角减180）的运算，将减后所得数左移16位，再右移22位，然后依据第9、第8位确定所属象限，再依据低8位确定查表索引值。流程图中H=0、1、2、3分别对应第3、4、1、2象限。19a上b下c下100b上c下010ickiaka上iakick20对于中、高调制区中央区域电流采样时刻并非一定要选在非可测边界区，完全可以在当前扇区中央区域（比如第一

11、扇区位置角为30附近区域）进行电流采样，此时PWM波无需作移相调整，PWM输出采用中央对齐模式。需要解决的是为了能够实现低调制可移相区域相邻电压矢量作用时间能够满足A/D采样窗口所需时间，需要对PWM波形作移相处理，则SVPWM调制软件实现的最后一步对捕获/比较寄存器赋值操作就要相应进行调整。21整个SVPWM程序和三角函数运算、坐标变换、内环两个电流PI调节及电流控制模块均放在DMA1控制器通道1（母线电流采样通道）采样数据传送完成中断中。由软件总框图易知，上述子程序均安排在相电流重构之后，且SVPWM程序处于最后一部分。电流控制模块提供了3种电流控制方式，按设计者要求分别执行。22转速计算

12、和初始位置确定电机速度计算程序是在捕获到的Hall信号变化中断里执行，定时器的计数功能能够测得两次Hall变化间的时间：/33PWMPWMfwTCOUNTCOUNT26PWMfwppCOUNT 1060PWMfnpCOUNT 0tewdtARM芯片采样Hall状态值，可以划定转子所处正弦曲线的位置区间。由Hall状态值虽不能确定所处区间具体位置角，但可以认为转子处于该区间的中心角度上，以这一中心角度作为转子的初始位置角；同时，定子电流(A相)也从这一位置角开始运行，即确定了此时的电流值，同理也可确定B、C相电流值。如此，启动所需电气量确定，永磁无刷直流电机的零启动得以实现。23嘀嗒定时器中断子

13、程序本系统利用嘀嗒定时器SysTick(校准固定值为9000，频率设为18MHZ)每500us产生一个时基中断，外环速度控制间隔为2ms，故需要产生四个时基中断才进入外环速度PI调节程序。如果程序中需要改变速度环控制间隔时间，可以设置频率和Delay_num配合进行调整。频率越大，可调间隔精度越高；频率一定，调整Delay_num大小确定延时中断时间。本系统所设嘀嗒定时器一个时基为500us，速度环控制间隔时间为2ms，则Delay_num=3。24本系统实验平台驱动控制对象是电动车用轮毂式永磁无刷直流电机，相关参数如下：额定电压48V，额定功率600W，额定转速500r/min，额定转矩65

14、N.m。搭建的实验平台主要包括：轮毂式永磁无刷直流电机、开发的驱动控制器、ST-LINK型仿真器、计算机、示波器、电机带载测试系统等。控制器所设定的堵转电流和限流值均设为30A。2526低调制可移相区 中、高调制区 27id=0控制方式 最大转矩电流比控制方式 弱磁调速控制方式 28本文将基于转子磁场定向的矢量控制技术应用于永磁无刷直流电机的驱动控制当中，以解决其因多变量、非线性、强耦合等特性难于控制的问题。控制系统实现了永磁无刷直流电机在不同负载下低转矩纹波、运动平滑、噪音小、效率高的运行效果。本文取得的主要研究成果：1、本文详细推导了永磁无刷直流电机在两相旋转坐标系上的数学模型，并将矢量控

15、制技术应用于永磁无刷直流电机驱动控制系统中，实现了电机零起动快速平稳、稳态运行平滑和可闻噪音极低等技术目标。2、根据对电机转矩、转速的不同要求，分功能实施电流直轴分量id=0、最大转矩电流比(MTPA)和弱磁(FW)提速三种控制方式，实际加大转矩和拓宽调速范围的效果明显。3、本文利用母线回路康铜电阻采样母线电流，根据主逆变电路不同开关状态下母线电流与三相相电流的关系，进行相电流的重构。同时，通过PWM移相技术解决了低调制可移相区的采样重构误差难题。上述方案避免了硬件系统使用电流互感器，降低了电流采样电路的设计成本。4、本文提出的基于原驱动电路的改进方案，改善了开、关振荡的非均流运行和米勒平台过

16、长现象。同时，功率管在不同工况下运行正常且不易坏。由于时间和条件的限制，仍有很多关键技术需要深入研究，主要包括：1、本文所提的PWM移相方案仅对低调制可移相区有效，不适用于负载极小的情况。这是因为负载极小时，合成参考电压矢量位于低调制区，而且相邻矢量作用时间均不满足电流采样窗口所需时间。2、主逆变电路并联功率管数目超过4个时，仅利用本文所提出电路参数修改方案效果不是很好，开通过程存在一定的自激振荡，米勒平台维持时间也较长。3、电动车用永磁无刷直流电机出厂参数不是很标准，尤其是等效的直、交轴电感差异性可能比较大。同一个控制系统在一台电机上运行效果很好，在另一台参数差异较大的电机上运行效果就会变差。此时，需要设计电机参数自检测系统，实现驱动控制中速度、电流调节参数的相适应调整，才能使原本系统适应所有电机。