交流永磁同步伺服電機及其驅動技術2013課件

1、交流永磁同步伺服電機第四章 交流永磁同步電機及其驅動技術 1、交流永磁同步電機結構和工作原理交流永磁同步電機結構和工作原理2、交流永磁同步電機磁場定向控制技術、交流永磁同步電機磁場定向控制技術3、交流永磁同步電機、交流永磁同步電機PWM控制控制4、交流永磁同步電機驅動器、交流永磁同步電機驅動器交流永磁同步伺服電機直流伺服電機存在如下缺點： u它的電樞繞組在轉子上不利于散熱；u由于繞組在轉子上，轉子慣量較大，不利于高速響應；u電刷和換向器易磨損需要經(jīng)常維護、限制電機速度、換向時會產(chǎn)生電火花限制了它的應用環(huán)境。u如果能將電刷和換向器去掉，再把電樞繞組移到定子上，就可克服這些缺點。u交流電機就是這種

2、結構的電機。u交流電機有兩大類： 永磁同步電機 異步（感應）電機 交流永磁同步伺服電機4.1 交流永磁同步電機結構交流永磁同步電機結構 和工作原理和工作原理 正弦波永磁同步電動機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM) 梯形波永磁同步電動機(Brushless DC Motor, BLDC)交流永磁同步伺服電機 交流永磁同步電動機主要由定子、轉子及測量轉子位置的傳感器構成。 定子采用三相對稱繞組結構，它們的軸線在空間空間彼彼此相差此相差120度。度。 轉子上貼有磁性體，一般有兩對以上的磁極。 位置傳感器一般為光電編碼器或旋轉變壓器 。4.1 交流永磁

3、同步電機結構交流永磁同步電機結構 和工作原理和工作原理交流永磁同步伺服電機定子三相繞組采用正弦繞組;由三相逆變器提供定子繞組的三相對稱電流產(chǎn)生旋轉磁場,拖動永磁轉子同步旋轉;定子繞組的通電頻率以及由此產(chǎn)生的旋轉磁場轉速取決于轉子的實際位置和轉速;正弦波正弦波PMSM屬于自控式、無刷結構同步電動機屬于自控式、無刷結構同步電動機4.1 交流永磁同步電機結構交流永磁同步電機結構 和工作原理和工作原理交流永磁同步伺服電機4.1 交流永磁同步電機結構交流永磁同步電機結構 和工作原理和工作原理交流永磁同步伺服電機 當對稱三相繞組接通對稱三相電源后，流過繞組當對稱三相繞組接通對稱三相電源后，流過繞組的電流在

4、定轉子氣隙中建立起旋轉磁場，其轉速的電流在定轉子氣隙中建立起旋轉磁場，其轉速為為: 式中式中f 電源頻率；電源頻率； p定子極對數(shù)。定子極對數(shù)。 即磁場的轉速正比于電源頻率，反比于定子的極即磁場的轉速正比于電源頻率，反比于定子的極對數(shù)；對數(shù)； 磁場的旋轉方向取決于繞組電流的相序。磁場的旋轉方向取決于繞組電流的相序。60psfnrpm4.1 交流永磁同步電機結構交流永磁同步電機結構 和工作原理和工作原理交流永磁同步伺服電機 三相交流異步電動機工作原理簡介：三相交流異步電動機工作原理簡介： （1）當三相異步電機接入三相交流電源時，三相定子繞組）當三相異步電機接入三相交流電源時，三相定子繞組流過三相

5、對稱電流產(chǎn)生的三相磁動勢（定子旋轉磁動勢）并流過三相對稱電流產(chǎn)生的三相磁動勢（定子旋轉磁動勢）并產(chǎn)生旋轉磁場。產(chǎn)生旋轉磁場。 （2）該旋轉磁場與轉子導體有相對切割運動）該旋轉磁場與轉子導體有相對切割運動,根據(jù)電磁感應根據(jù)電磁感應原理原理,轉子導體產(chǎn)生感應電動勢并產(chǎn)生感應電流。轉子導體產(chǎn)生感應電動勢并產(chǎn)生感應電流。 （3）根據(jù)電磁力定律，載流的轉子導體在磁場中受到電磁）根據(jù)電磁力定律，載流的轉子導體在磁場中受到電磁力作用，形成電磁轉矩，驅動轉子旋轉，當電動機軸上帶機力作用，形成電磁轉矩，驅動轉子旋轉，當電動機軸上帶機械負載時，便向外輸出機械能。電機的轉速（轉子轉速）小械負載時，便向外輸出機械能。

6、電機的轉速（轉子轉速）小于旋轉磁場的轉速，從而叫為異步電機。于旋轉磁場的轉速，從而叫為異步電機。s=(ns-n)/ns。s為為轉差率，轉差率，ns為磁場轉速，為磁場轉速，n為轉子轉速。為轉子轉速。三相異步電動機的轉速永遠低于旋轉磁場的同步轉速，使轉三相異步電動機的轉速永遠低于旋轉磁場的同步轉速，使轉子和旋轉磁場間有相對運動，從而保證轉子的閉合導體切割子和旋轉磁場間有相對運動，從而保證轉子的閉合導體切割磁力線，感生電流，產(chǎn)生轉矩。轉速的差異是異步電機運轉磁力線，感生電流，產(chǎn)生轉矩。轉速的差異是異步電機運轉的必要條件。在額定情況下，轉子轉速一般比同步轉速低的必要條件。在額定情況下，轉子轉速一般比同

7、步轉速低2-5%。4.1 交流永磁同步電機結構交流永磁同步電機結構 和工作原理和工作原理交流永磁同步伺服電機 永磁同步交流電機定子轉組產(chǎn)生旋轉磁場的機理定子轉組產(chǎn)生旋轉磁場的機理與異步感應電機是相同的。與異步感應電機是相同的。 其不同點是轉子為永磁體且其不同點是轉子為永磁體且n與與ns相同（同步）。相同（同步）。 兩個磁場相互作用產(chǎn)生轉矩。兩個磁場相互作用產(chǎn)生轉矩。 定子繞組產(chǎn)生的旋轉磁場可看作一對旋轉磁極吸定子繞組產(chǎn)生的旋轉磁場可看作一對旋轉磁極吸引轉子的磁極隨其一起旋轉。引轉子的磁極隨其一起旋轉。 60rpmpsfnn4.1 交流永磁同步電機結構交流永磁同步電機結構 和工作原理和工作原理交

8、流永磁同步伺服電機 要想實現(xiàn)四象限運行，關鍵是力矩的控制。要想實現(xiàn)四象限運行，關鍵是力矩的控制。 在永磁直流電機中，在永磁直流電機中，T=KtI。I為直流，只要改變電流的大為直流，只要改變電流的大小就能改變力矩。小就能改變力矩。 而交流電機中而交流電機中Fs是由三相交流電產(chǎn)生的，繞組中的電壓及是由三相交流電產(chǎn)生的，繞組中的電壓及電流是交流，是時變量，轉矩的控制要復雜得多。電流是交流，是時變量，轉矩的控制要復雜得多。 能否找到一種方法使我們能夠象控制直流電機那樣控制交能否找到一種方法使我們能夠象控制直流電機那樣控制交流電機？流電機？ 20世紀世紀70年代初發(fā)明了矢量控制技術，或稱磁場定向控制年代

9、初發(fā)明了矢量控制技術，或稱磁場定向控制技術。技術。 通過坐標變換，把交流電機中交流電流的控制，變換成類通過坐標變換，把交流電機中交流電流的控制，變換成類似于直流電機中直流電流的控制，實現(xiàn)了力矩的控制，可似于直流電機中直流電流的控制，實現(xiàn)了力矩的控制，可以獲得和直流電機相似的高動態(tài)性能，從而使交流電機的以獲得和直流電機相似的高動態(tài)性能，從而使交流電機的控制技術取得了突破性的進展?？刂萍夹g取得了突破性的進展。sin()rsrsTFF 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制 永磁同步電機的

10、定子中裝有三相對稱繞組a,b,c，它們在空間彼此相差空間彼此相差120度度，繞組中通以如下三相對稱電流： 即每個繞組中電流的幅值和相位都是隨時間變化的，且彼此在相位（與時間有關）上相差相位（與時間有關）上相差120度度。mmmI sinI sin(120 )I sin(240 )abcititit0abciii交流永磁同步伺服電機 旋轉磁場是三相電流共同作用的結果，引入電流空間矢量的概念來描述這個作用。 在電機定子上與軸垂直的剖面上建立一靜止坐標系（a,b,c)，其原點在軸心上，三相繞組的軸線分別在此坐標系的a，b，c三個坐標軸上。 每一相相電流幅值和極性隨時間按正弦規(guī)律變化?？捎每臻g矢量描述

11、，方向始終在a,b,c坐標系中各相的軸線上。 定義合成定子電流矢量合成定子電流矢量為： 每一相相電流空間矢量幅值和極性的變化使得合成定子電流矢量形成旋轉磁場。1 2 02 4 02jjsabcabci i ieiei a i ai 1 2 02 4 02jjs a bcabci i ie ie i a i ai 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機u定義了合成定子電流矢量后，則定子繞組的總磁勢矢量為定義了合成定子電流矢量后，則定子繞組的總磁勢矢量為 N定子繞組線圈總匝數(shù)定子繞組線圈總匝數(shù)u要注意要注意合成定子電流合成定子電流僅僅是為了描述方便引入

12、的僅僅是為了描述方便引入的虛擬量虛擬量。u注意區(qū)分電流矢量和電工學中分析正弦電路時所用到的阻注意區(qū)分電流矢量和電工學中分析正弦電路時所用到的阻抗抗相量相量。前者反映的是各個量的空間、時間關系，而后者。前者反映的是各個量的空間、時間關系，而后者描述的僅是時間關系。描述的僅是時間關系。2()ssabcFNiN iaia i 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機 力矩控制 由電機統(tǒng)一理論，電機的力矩由電機統(tǒng)一理論，電機的力矩 大小可表示為大小可表示為 如果能保證如果能保證Fr與與Fs相互垂直，則因轉子磁勢相互垂直，則因轉子磁勢Fr為常為常數(shù)，且數(shù)，且

13、則則 這與直流電機的力矩表達式是一樣的。這與直流電機的力矩表達式是一樣的。sin()rsrsTFFssFNit sTK i 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機問題可歸結為問題可歸結為：定子合成電流是一個時變量，如何把時變量轉定子合成電流是一個時變量，如何把時變量轉換為時不變量？換為時不變量？如何保證定子磁勢與轉子磁勢相互垂直？如何保證定子磁勢與轉子磁勢相互垂直？定子合成電流僅是一個虛擬的量，并不是真正定子合成電流僅是一個虛擬的量，并不是真正的物理量，力矩的控制最后還是要落實到三相的物理量，力矩的控制最后還是要落實到三相電流的控制上，如何實現(xiàn)這個

14、轉換？電流的控制上，如何實現(xiàn)這個轉換？ 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機u為了解決上面提到的這些問題，設想為了解決上面提到的這些問題，設想建立一個以電源角頻率旋轉的建立一個以電源角頻率旋轉的旋轉坐旋轉坐標系標系（d、q）。）。u 從靜止坐標系（從靜止坐標系（a,b,c)上看，合成定上看，合成定子電流矢量在空間以電源角頻率旋轉子電流矢量在空間以電源角頻率旋轉從而形成旋轉磁場，是時變的。從而形成旋轉磁場，是時變的。u從動坐標系（從動坐標系（d、q）上看，則合成）上看，則合成定子電流矢量是靜止的，也即從時變定子電流矢量是靜止的，也即從時變量變成了時

15、不變量，從交流量變成了量變成了時不變量，從交流量變成了直流量。直流量。磁場定向控制的基本思路磁場定向控制的基本思路 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機u通過通過坐標變換坐標變換把合成定子電流矢量從把合成定子電流矢量從靜止坐標系靜止坐標系變換到變換到旋旋轉坐標系轉坐標系上。上。u在旋轉坐標系中計算出實現(xiàn)力矩控制所需要的定子合成電在旋轉坐標系中計算出實現(xiàn)力矩控制所需要的定子合成電流的數(shù)值；流的數(shù)值；u然后將這個電流值再反變換到靜止坐標系中。然后將這個電流值再反變換到靜止坐標系中。u將虛擬的合成電流轉換成實際的繞組電流，從而實現(xiàn)電機將虛擬的合成電流轉

16、換成實際的繞組電流，從而實現(xiàn)電機力矩的控制力矩的控制。u坐標變換是通過兩次變換實現(xiàn)的坐標變換是通過兩次變換實現(xiàn)的 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機Clarke變換 （a,b,c)是復數(shù)平面上的三相是復數(shù)平面上的三相靜止坐標系靜止坐標系。 （, ,) )是該平面上的兩相是該平面上的兩相靜止坐標系靜止坐標系。 軸與軸與a軸重合，軸重合， 軸與軸與a軸垂直。軸垂直。 定義在（定義在（a,b,c)坐標系中的空間電流矢量可通過如下運算坐標系中的空間電流矢量可通過如下運算變換到坐標系（變換到坐標系（, ,）中：中：2sabciiaia i13cos120

17、sin12022ajj 213cos240sin24022ajj 1133()2222sabcbciiiijii 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機1112233022abciiiii用矩陣可表示為1133()2222sabcbciiiijii 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機Park變換 定義一個以轉速旋轉的直角坐標系 ，其轉角為 =t 在此坐標系中電流矢量是一個靜止矢量，其分量id, iq也就成了非時變量（直流量）。 由幾何關系可得出空間矢量從（,)坐標系到 （d，q)坐標系的變換關系：c

18、ossinsincosdqiiiiii cossinsincosdqiiii 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機1112233022abciiiii 現(xiàn)在得到了從ia，ib，ic到id，iq的變換。求逆即是反變換。 式中，可由傳感器測量得到。 cossinsincosdqiiii 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機 在（在（d,q)坐標系中，合成定子電流是一個標量，坐標系中，合成定子電流是一個標量，可表示為：可表示為： 如果使如果使is在在q軸上（即讓軸上（即讓id=0)，使轉子磁極在，使轉子磁

19、極在d軸軸上，定子磁場磁極在上，定子磁場磁極在q軸上，則，軸上，則， 即定子磁場與轉子磁場相互垂直，此時電機的力即定子磁場與轉子磁場相互垂直，此時電機的力矩為矩為 在（在（d,q)坐標系中，我們可象直流電機那樣，通坐標系中，我們可象直流電機那樣，通過控制電流來改變電機的轉矩。過控制電流來改變電機的轉矩。22sdqiii2sr sin()rssrtqTFFKi 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機uid, iq并不是真實的物理量，電機力矩的控制最終還是定并不是真實的物理量，電機力矩的控制最終還是定子繞組電流子繞組電流ia,ib,ic或定子繞組電壓或

20、定子繞組電壓ua,ub,uc實現(xiàn)，實現(xiàn)，u因此，必須將虛擬量變換回這些真實的物理量，這可通因此，必須將虛擬量變換回這些真實的物理量，這可通過如上過如上clarke、Park變換的逆變換實現(xiàn)。變換的逆變換實現(xiàn)。 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機 磁場定向控制的實現(xiàn)n力矩的控制由力矩回路實現(xiàn)。力矩的控制由力矩回路實現(xiàn)。n圖中電流傳感器測量出定子繞組電流圖中電流傳感器測量出定子繞組電流ia,ibia,ib作為作為clarkeclarke變換的輸入，變換的輸入，icic可由三可由三相電流對稱關系相電流對稱關系ia+ib+ic=0ia+ib+ic=0求

21、出。求出。nclarkeclarke變換的輸出變換的輸出i i, ,i i ，與由編碼器測出的轉角，與由編碼器測出的轉角作為作為parkpark變換的輸入，變換的輸入，其輸出其輸出i id d與與i iq q作為電流反饋量與指令電流作為電流反饋量與指令電流i idrefdref及及i iqrefqref比較，產(chǎn)生的誤差在力矩比較，產(chǎn)生的誤差在力矩回路中經(jīng)回路中經(jīng)PIPI運算后輸出電壓值運算后輸出電壓值ud,uqud,uq。n再經(jīng)逆再經(jīng)逆ParkPark變換將這變換將這u ud d,u,uq q變換成坐標系中的電壓變換成坐標系中的電壓u u,u,u。nSVPWMSVPWM算法將算法將u u,u,

22、u轉換成逆變器中六個功放管的開關控制信號以產(chǎn)生三相定轉換成逆變器中六個功放管的開關控制信號以產(chǎn)生三相定子繞組電流。子繞組電流。n速度指令（一般是位置回路的輸出）與由光電編碼器測量出的電機實際速度速度指令（一般是位置回路的輸出）與由光電編碼器測量出的電機實際速度相比較，誤差在速度回路中經(jīng)相比較，誤差在速度回路中經(jīng)PIPI運算后作為力矩回路的指令值。運算后作為力矩回路的指令值。 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機實現(xiàn)磁場定向控制的程序流圖 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機（d,q)坐標系的初始建立

23、 如何使轉子磁場在如何使轉子磁場在d軸上，使定子磁場在軸上，使定子磁場在q軸上軸上? 1）首先使iqref=0，idref為一常量，在電流回路作用下，定子繞組電流建立的磁場將吸引轉子磁極與之對準； 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機2）在Park變換和逆變換中將增加90 ，即合成定子電流矢量瞬間旋轉90 ，而轉子磁極在此瞬間仍停留在原來的位置，這相當于(d,q)坐標系旋轉了90 ；3) 現(xiàn)在電流矢量被移動到q軸上，轉子磁極仍然在d軸上，即兩個磁極處于正交狀態(tài)；4）轉子趨于與定子磁勢對準，一旦轉子開始旋轉，DSP根據(jù)編碼器測量出的新的轉子位置，通

24、過矢量變換算法不斷更新電流矢量，以維持兩個磁場始終處于正交狀態(tài)。 4.2 交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步電機磁場定向控制交流永磁同步伺服電機 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 PMSM驅動器的主回路一般采用交直交的結構。交流永磁同步伺服電機IGBT （Insulated-gate Bipolar Transistor ）絕緣柵雙極型晶體管）絕緣柵雙極型晶體管 由由MOSFET (絕緣柵型場效應管)和和BJT (雙極型三極管)復合而成，結合二者復合而成，結合二者的優(yōu)點。的優(yōu)點。BJT的特點的特點電流驅動，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。電流驅動，開

25、關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。但集電極和發(fā)射極間導通壓降低。但集電極和發(fā)射極間導通壓降低。 MOSFET的優(yōu)點的優(yōu)點電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單，但耐壓越高源極和漏極間的電阻越大。需驅動功率小而且驅動電路簡單，但耐壓越高源極和漏極間的電阻越大。 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機交流電機系統(tǒng)也普遍采用交流電機系統(tǒng)也普遍采用PWM的控制技術產(chǎn)生繞組電的控制技術產(chǎn)生繞組電壓和電流。壓和電流。據(jù)統(tǒng)計，已見著文獻的交流電機據(jù)統(tǒng)計，已見著文獻的交流電機

26、PWM控制方法有數(shù)十控制方法有數(shù)十種之多，種之多，研究主要集中在如何實現(xiàn)高效率、低諧波、易實現(xiàn)等方研究主要集中在如何實現(xiàn)高效率、低諧波、易實現(xiàn)等方面。面。常用的方法有三種：常用的方法有三種： 正弦波脈寬調制（正弦波脈寬調制（SPWM） 空間矢量脈寬調制（空間矢量脈寬調制（SVPWM） 電流跟蹤控制。電流跟蹤控制。 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機SPWM技術（Sinusodal Pulse Width Modulation）n用直流電壓信號去調制三角波信號，得到一個脈沖序列。用直流電壓信號去調制三角波信號，得到一個脈沖序列。n占空比由直流電壓幅值

27、決定。占空比由直流電壓幅值決定。 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機 用正弦波信號去調制三角用正弦波信號去調制三角波信號，會得到一個占空波信號，會得到一個占空比按正弦規(guī)律變化的脈沖比按正弦規(guī)律變化的脈沖序列。序列。 脈沖的頻率由三角波頻率脈沖的頻率由三角波頻率決定，脈沖的占空比由電決定，脈沖的占空比由電壓幅值決定。壓幅值決定。 脈沖序列可能包含各次諧脈沖序列可能包含各次諧波的頻譜成份，但其基波波的頻譜成份，但其基波由調制波決定由調制波決定 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機 4.3 交流永磁同步電機的交

28、流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機aPWMucPWMu 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機SVPWM（Space Vector PWM）技術SPWM主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波，并未顧及輸出電流的變化。弦波，并未顧及輸出電流的變化。交流電動機輸入三相正弦交流電動機輸入三相正弦電流電流在電動機空間形成圓形旋在電動機空間形成圓形旋轉磁場。轉磁場。SVPWM（Space Vector PWM）技術

29、的基本思路就是）技術的基本思路就是把電機和逆變器看做一體，通過把電機和逆變器看做一體，通過控制逆變器功率器件的控制逆變器功率器件的開關模式及導通時間開關模式及導通時間，產(chǎn)生，產(chǎn)生有效電壓矢量有效電壓矢量來逼近來逼近圓形磁圓形磁場軌跡場軌跡的一種方法。的一種方法。這種方法利用電壓空間矢量直接生成三相這種方法利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，特波，特別適用于別適用于DSP直接計算，且方法簡便。直接計算，且方法簡便。SVPWM比一般的比一般的SPWM直流電壓利用率提高直流電壓利用率提高15%。 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機合成電壓空間矢量 在電

30、機定子上與軸垂直的剖面上在電機定子上與軸垂直的剖面上建立一靜止坐標系建立一靜止坐標系OABC,其原其原點在軸心上，三相繞組的軸線分點在軸心上，三相繞組的軸線分別在此坐標系的別在此坐標系的A,B,C三個坐標三個坐標軸上。軸上。 每一相相電壓幅值和極性隨時間每一相相電壓幅值和極性隨時間按正弦規(guī)律變化?？捎每臻g矢量按正弦規(guī)律變化?？捎每臻g矢量描述，方向始終在描述，方向始終在ABC坐標系坐標系中各相的軸線上。中各相的軸線上。 定義定義合成定子電壓矢量合成定子電壓矢量為：為： 電壓矢量是一個以電源角頻率速電壓矢量是一個以電源角頻率速度旋轉的空間矢量。度旋轉的空間矢量。C0B0A0suuuu 4.3 交流

31、永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機合成磁鏈空間矢量合成磁鏈空間矢量 同樣可以定義定子合成磁鏈空間矢量：同樣可以定義定子合成磁鏈空間矢量： 用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為 :三相定子繞組的合成磁鏈，其由轉子磁場及定子電感電流磁場三相定子繞組的合成磁鏈，其由轉子磁場及定子電感電流磁場疊加形成。疊加形成。定子電阻壓降在式中所占的成分很小，可忽略不計，則定子合成電定子電阻壓降在式中所占的成分很小，可忽略不計，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關系為壓與合成磁鏈空間矢量的近似關系為 sA0B0C0tRddssssIut dd

32、ssu s 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機電壓矢量和電壓矢量和磁鏈矢量的關系磁鏈矢量的關系 當電動機由三相平衡正弦電壓供電時，定子磁鏈幅值恒定，當電動機由三相平衡正弦電壓供電時，定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉，磁鏈矢量頂端的運動軌跡為磁鏈其空間矢量以恒速旋轉，磁鏈矢量頂端的運動軌跡為磁鏈圓。圓。 則：則： 上式表明，當磁鏈幅值一定時，上式表明，當磁鏈幅值一定時，Us的大小與的大小與ss的變化率的變化率成正比，其方向則與磁鏈矢量正交，即磁鏈圓的切線方向。成正比，其方向則與磁鏈矢量正交，即磁鏈圓的切線方向。sm ejt)2(m1m1ss11

33、ddtwjtjwewejwtu 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機 當磁鏈矢量在空間旋轉一周時，電壓矢量也連續(xù)當磁鏈矢量在空間旋轉一周時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運動地按磁鏈圓的切線方向運動2 弧度，其軌跡與磁弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。鏈圓重合。 這樣，電動機旋轉磁場的軌跡問題就可這樣，電動機旋轉磁場的軌跡問題就可轉化為電轉化為電壓空間矢量的運動軌跡問題壓空間矢量的運動軌跡問題。 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機 SVPWM是通過V、V計算出逆變器功率器件的導通時間，從而產(chǎn)生有效電壓矢量來逼

34、近圓形磁場軌跡的一種方法。 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機逆變器中的電壓關系 逆變器上、下橋臂的開關器件在任一時刻導通關斷狀態(tài)正好相反，所以只用上橋臂的三個功率開關器件來描述逆變器的工作狀態(tài)就足夠了。 如果把上橋臂功率開關器件的導通狀態(tài)用“1”表示，關斷用“0”表示，上橋臂三個功率開關器件的開關狀態(tài)共有八種組合。 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機開關狀態(tài)下開關狀態(tài)下的電壓源的電壓源 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機123ONOAONOBONOCVVZ

35、iVVZiVVZi3ONOAOBOCVVVV1230iii相電壓和電壓源相電壓和電壓源的關系的關系 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機8種開關狀態(tài)下的相電壓 將開關狀態(tài)下的電壓源表中的值帶入相電壓表達式可將開關狀態(tài)下的電壓源表中的值帶入相電壓表達式可得到開關狀態(tài)下的相電壓值得到開關狀態(tài)下的相電壓值 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機開關狀態(tài)下V、V的值 由由Clarke變換可得到在變換可得到在（,)坐標系中坐標系中V、V的值的值。 由由8個開關狀態(tài)得到個開關狀態(tài)得到（,)坐標系中的坐標系中的8個個基本電

36、壓空間矢量?；倦妷嚎臻g矢量。 其中兩個是空矢量，六其中兩個是空矢量，六個有效矢量。個有效矢量。 每個有效矢量的幅值都每個有效矢量的幅值都是是2/3Vdc 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機 通過上述六個基本有效矢量把整個空間劃分成了六個扇區(qū)。 這樣的供電方式只能形成正六邊形的旋轉磁場，如果想獲得逼近圓形的旋轉磁場，就必須有更多的空間電壓矢量。 設想將每個扇區(qū)在分成若干小區(qū)間，在每個小區(qū)間都用相鄰的基本有效電壓矢量以及零矢量的線性時間組合來合成新的電壓矢量 通過改變基本矢量的作用時間，保證所合成的電壓空間矢量的幅值。 當小區(qū)間足夠小時，電壓空間矢量

37、的軌跡就是一個近似圓形的正多邊形 。交流永磁同步伺服電機 用線性組合生成新的電壓空間矢量用線性組合生成新的電壓空間矢量 T: 電壓空間矢量Vs的作用時間T4：基本電壓空間矢量V4的作用時間T6: 基本電壓空間矢量V6的作用時間T0: 零矢量V(111)或V(000)作用時間以第一扇區(qū)為例 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機知道了知道了V,V,V的值，就求出了生成新的電壓矢量所需的基本電壓矢的值，就求出了生成新的電壓矢量所需的基本電壓矢量的作用時間。量的作用時間。T對應于對應于PWM周期。即周期。即每一個每一個 T發(fā)出發(fā)出PWM電壓波形中的一個脈沖波

38、。電壓波形中的一個脈沖波。在每個在每個PWM周期，都周期，都按照上述方法按照上述方法用相鄰的基本有效電壓矢量，以用相鄰的基本有效電壓矢量，以及零矢量的線性組合來合成新的電壓矢量。及零矢量的線性組合來合成新的電壓矢量。通過改變基本矢量的作用時間，保證所合成的電壓空間矢量的幅值都通過改變基本矢量的作用時間，保證所合成的電壓空間矢量的幅值都相等。相等。當當PWM周期足夠小時，電壓空間矢量的軌跡就是一個近似圓形的正周期足夠小時，電壓空間矢量的軌跡就是一個近似圓形的正多邊形。多邊形。 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機 T 與與 T4+ T 6 未必相等，其

39、間隙時間可用零矢量未必相等，其間隙時間可用零矢量V 7 或或V 0 來來填補。為了減少功率器件的開關次數(shù)，一般使填補。為了減少功率器件的開關次數(shù)，一般使 V 7和和 V 0 各占一半時間，因此各占一半時間，因此 以此類推，可計算出其它扇區(qū)電壓矢量所對應的以此類推，可計算出其它扇區(qū)電壓矢量所對應的基本電壓基本電壓矢量的作用時間。矢量的作用時間。70461()2TTTtt 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機七段式 SVPWM波形生成方案 對每一個SVPWM波的零矢量分割方法以及對相鄰非零矢量選擇不同，會產(chǎn)生多種SVPWM波形。 根據(jù)從一個矢量轉換到另一

40、個矢量的過程中只有一個功率元件狀態(tài)發(fā)生變化的原則，確定如下七段式生成方案 ： 電壓空間矢量的作用序列由3段零矢量和4段相鄰的兩個非零矢量組成； 3段零矢量分別位于PWM波的開始、中間和結尾； 開關順序為： 作用時間分別為 ： 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機 上例中，Vsref 由V4(100),V6(110),V0(000),V7(111)組合而成。即4種開關狀態(tài)。相應的作用時間為T4,T6,T0,T7。 按照七段式生成方案 ，可選擇： V0(000),V4(100),V6(110),V7(111) ,V6(110), V4(100), V0(

41、000)。 作用時間為 T0/4, T4/2, T6/2, T7/2, T6/2, T4/2, T0/4。 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機 根據(jù)七段式 SVPWM波形生成方案確定的各扇區(qū)的電壓空間矢量的作用序列如上表所示 正轉時，扇區(qū)的順序為； 反轉時，扇區(qū)的順序為。 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機 a) 第扇區(qū) b) 第扇區(qū) 一個采樣周期內的SVPWM波形 將PWM1、PWM3和PWM5進行非運算就可以生成PWM

42、2、PWM4和PWM6。不 控整 流 橋三 相逆 變電 路PM SM光耦隔離HALL電流 檢 測光 電編 碼 器控 制 電 源上 位 機RS232外 部存 儲 器Q EP220VADC鍵 盤 控 制DACSCIPW M產(chǎn) 生模 塊ADCIN0ADCIN1Q EPAQ EPBINDEX驅動電路SPILED顯 示驅 動 器功 率 因 數(shù)校 正 電 路故 障 檢 測電 路EM IFJTAGPW M 6PW M 5PW M 4PW M 3PW M 2PW M 1CPU存 儲 器 TM S320LF2407A_PDPINT數(shù) 據(jù) 觀 測PLLW D/RTII/O仿 真 器輸 入濾 波 器 4.3 交流永

43、磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機DSP實現(xiàn)： 矢量變換 控制算法 PWM產(chǎn)生 編碼器信號處理 故障診斷 4.3 交流永磁同步電機的交流永磁同步電機的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機逆變器主回路 選用智能功率模塊選用智能功率模塊IPM（Intelligent Power Moder）, 其不僅其不僅把功率開關器件和把功率開關器件和驅動電路驅動電路集成在一起。而且還內藏有過電集成在一起。而且還內藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到DSP 。 DSP輸出六路輸出六路PWM信號經(jīng)光耦隔離后驅動

44、信號經(jīng)光耦隔離后驅動IPM工作工作4.4 PMSM的驅動技術的驅動技術 交流永磁同步伺服電機IPM-內部功能4.4 PMSM的驅動技術的驅動技術 交流永磁同步伺服電機。IPM模塊內部集成了六個模塊內部集成了六個IGBT作為功率開關元作為功率開關元件，同時集成了驅動電路，并設計有過電壓、件，同時集成了驅動電路，并設計有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路。過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路。IPM芯片共有芯片共有23個引腳，包括：六路個引腳，包括：六路PWM信號信號輸入；四組供電電源，為六個功率管提供驅動輸入；四組供電電源，為六個功率管提供驅動電壓；四個故障信號輸出；直流母線電壓輸

45、入；電壓；四個故障信號輸出；直流母線電壓輸入；三相電壓輸出。三相電壓輸出。 DSP輸出的輸出的PWM信號在進入信號在進入IPM之前需用高速之前需用高速光耦進行隔離。光耦進行隔離。故障輸出端接低速光耦。這些故障信號經(jīng)邏輯故障輸出端接低速光耦。這些故障信號經(jīng)邏輯電路處理后可直接封鎖開關脈沖，同時把電路處理后可直接封鎖開關脈沖，同時把DSP的引腳拉為低電平，觸發(fā)功率驅動保護中斷。的引腳拉為低電平，觸發(fā)功率驅動保護中斷。IPM需要四路隔離的需要四路隔離的+15V供電，上三個橋臂各供電，上三個橋臂各用一組，下三個橋臂共用一組。用一組，下三個橋臂共用一組。4.4 PMSM的驅動技術的驅動技術 交流永磁同步

46、伺服電機IPM-保護功能 4.4 PMSM的驅動技術的驅動技術 交流永磁同步伺服電機IPM-外形4.4 PMSM的驅動技術的驅動技術 交流永磁同步伺服電機電流測量及采樣電流測量及采樣 矢量變換要求知道電機定子三相電流，實際檢測時只要矢量變換要求知道電機定子三相電流，實際檢測時只要檢測其中兩相即可，另外一相可以由計算得出。檢測其中兩相即可，另外一相可以由計算得出。 電流檢測可采用霍耳傳感器實現(xiàn)。電流檢測可采用霍耳傳感器實現(xiàn)。 霍耳傳感器檢測的電流經(jīng)放大電路處理后，送到霍耳傳感器檢測的電流經(jīng)放大電路處理后，送到DSP內內部的部的A/D轉換器變換為數(shù)字量。轉換器變換為數(shù)字量。 4.4 PMSM的驅動

47、技術的驅動技術 交流永磁同步伺服電機霍爾效應 金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。4.4 PMSM的驅動技術的驅動技術 交流永磁同步伺服電機霍爾電流傳感器 電流Ip流過導體時產(chǎn)生磁場，該磁場通過聚磁環(huán)聚集感應到霍爾器件上，使之有一電壓信號輸出。 控制電流Ic由信號處理電路提供。差動放大器的輸出比例于電流Ip. 輸出與輸入是隔離的。NoImage4.4 PMSM的驅動技術的驅動技術 交流永磁同步伺服電機驅動器的三種工作模式 交流伺服電機驅動器中一般都包含有位置回路，速度回路和力矩回路，但使用時可將驅動器、電機和運動控制器結

48、合起來組合成不同的工作模式，以滿足不同的應用要求。 常見的工作模式有如下三類：位置方式，速度方式，力矩方式4.4 PMSM的驅動技術的驅動技術 交流永磁同步伺服電機位置方式位置方式這種模式下，位置回路、速度回路和力矩回路都在驅動器這種模式下，位置回路、速度回路和力矩回路都在驅動器中執(zhí)行。中執(zhí)行。驅動器接受運動控制器送來的位置指令信號。驅動器接受運動控制器送來的位置指令信號。以脈沖及方向指令信號形式為例：以脈沖及方向指令信號形式為例：脈沖個數(shù)決定了電機的運動位置；脈沖個數(shù)決定了電機的運動位置；脈沖的頻率決定了電機的運動速度；脈沖的頻率決定了電機的運動速度；而方向信號電平的高低決定了電機的運動方向而方向信號電平的高低決定了電機的運動方向這與步進電機的控制有相似之外，但脈沖的頻率要高一些，這與步進電機的控制有相似之外，但脈沖的頻率要高一些，以適應伺服電機的高轉速。以適應伺服電機的高轉速。4.4 PMSM的驅動技術的驅動技術 交流永磁同步伺服電機速度方式 驅動器內僅執(zhí)行速度回路和力矩回路，由外部的運動控制器驅動器內僅執(zhí)行速度回路和力矩回路，由外部的運動控制器執(zhí)行位置回路的所有功能。執(zhí)