交流永磁同步伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)課件

3.2交流永磁同步電機及其驅(qū)動技術(shù)

1、交流永磁同步電機結(jié)構(gòu)和工作原理2、交流永磁同步電機磁場定向控制技術(shù)3、交流永磁同步電機PWM控制4、交流永磁同步電機驅(qū)動器

直流伺服電機存在如下缺點：

它的電樞繞組在轉(zhuǎn)子上不利于散熱；由于繞組在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子慣量較大，不利于高速響應(yīng)；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(yīng)用環(huán)境。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。交流伺服電機就是這種結(jié)構(gòu)的電機。交流伺服電機有兩類：同步電機和感應(yīng)電機永磁同步電機（PermanentMagnetSynchronousMotor簡稱PMSM）1、結(jié)構(gòu)和工作原理三相異步交流感應(yīng)電機的工作原理感應(yīng)電機當(dāng)其對稱三相繞組接通對稱三相電源后，流過繞組的電流在定轉(zhuǎn)子氣隙中建立起旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速為:式中f—電源頻率；p—定子極對數(shù)。即磁場的轉(zhuǎn)速正比于電源頻率，反比于定子的極對數(shù)；磁場的旋轉(zhuǎn)方向取決于繞組電流的相序。由于電磁感應(yīng)作用，閉合的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。這個電流產(chǎn)生的磁場和定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子“跟著”定子磁場旋轉(zhuǎn)起來，其轉(zhuǎn)速為n。n總是低于ns（異步），否則就不會通過切割磁力線的作用在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流。永磁同步交流電機的工作原理

定子轉(zhuǎn)組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的機理與感應(yīng)電機是相同的。其不同點是轉(zhuǎn)子為永磁體且n與ns相同（同步）。兩個磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場可看作一對旋轉(zhuǎn)磁極吸引轉(zhuǎn)子的磁極隨其一起旋轉(zhuǎn)。

2、磁場定向控制

永磁同步電機的定子中裝有三相對稱繞組a,b,c，它們在空間彼此相差120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(guān)）上相差120度。旋轉(zhuǎn)磁場是三相電流共同作用的結(jié)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(biāo)系（a,b,c)，其原點在軸心上，三相繞組的軸線分別在此坐標(biāo)系的a，b，c三個坐標(biāo)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，方向始終在a,b,c坐標(biāo)系中各相的軸線上。定義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(zhuǎn)磁場。

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)要注意合成定子電流僅僅是為了描述方便引入的虛擬量。注意區(qū)分電流矢量和電工學(xué)中分析正弦電路時所用到的相量。前者反映的是各個量的空間、時間關(guān)系，而后者描述的僅是時間關(guān)系。問題可歸結(jié)為：定子合成電流是一個時變量，如何把時變量轉(zhuǎn)換為時不變量？如何保證定子磁勢與轉(zhuǎn)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)這個轉(zhuǎn)換？

為了解決上面提到的這些問題，設(shè)想建立一個以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d、q）。從靜止坐標(biāo)系（a,b,c)上看，合成定子電流矢量在空間以電源角頻率旋轉(zhuǎn)從而形成旋轉(zhuǎn)磁場，是時變的。從動坐標(biāo)系（d、q）上看，則合成定子電流矢量是靜止的，也即從時變量變成了時不變量，從交流量變成了直流量。磁場定向控制的基本思路通過坐標(biāo)變換把合成定子電流矢量從靜止坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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；然后將這個電流值再反變換到靜止坐標(biāo)系中。將虛擬的合成電流轉(zhuǎn)換成實際的繞組電流，從而實現(xiàn)電機力矩的控制。坐標(biāo)變換是通過兩次變換實現(xiàn)的用矩陣可表示為Park變換定義一個以轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系，其轉(zhuǎn)角為θ=ωt在此坐標(biāo)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(guān)系可得出空間矢量從（α,β)坐標(biāo)系到（d,q)坐標(biāo)系的變換關(guān)系：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，θ可由傳感器測量得到。Id,iq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ia,ib,ic或定子繞組電壓ua,ub,uc實現(xiàn)，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clarck、Park變換的逆變換實現(xiàn)。磁場定向控制的實現(xiàn)力矩的控制由力矩回路實現(xiàn)。圖中電流傳感器測量出定子繞組電流ia,ib作為clarke變換的輸入，ic可由三相電流對稱關(guān)系ia+ib+ic=0求出。clarke變換的輸出iα,iβ，與由編碼器測出的轉(zhuǎn)角Θ作為park變換的輸入，其輸出id與iq作為電流反饋量與指令電流idref及iqref比較，產(chǎn)生的誤差在力矩回路中經(jīng)PI運算后輸出電壓值ud,uq。再經(jīng)逆park變換將這ud,uq變換成坐標(biāo)系中的電壓uα,uβ。SVPWM算法將uα,uβ轉(zhuǎn)換成逆變器中六個功放管的開關(guān)控制信號以產(chǎn)生三相定子繞組電流。速度的控制由速度回路實現(xiàn)。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)PI運算后作為力矩回路的指令值。（d,q)坐標(biāo)系的初始建立

如何使轉(zhuǎn)子磁場在d軸上，使定子磁場在q軸上?1）首先使idref=0，iqref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(zhuǎn)子磁極與之對準(zhǔn)；2）在Park變換和逆變換中將θ增加90°，即合成定子電流矢量瞬間旋轉(zhuǎn)90°，而轉(zhuǎn)子磁極在此瞬間仍停留在原來的位置，這相當(dāng)于(d,q)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)了90°；3)現(xiàn)在電流矢量被移動到q軸上，轉(zhuǎn)子磁極仍然在d軸上，即兩個磁極處于正交狀態(tài)；4）轉(zhuǎn)子趨于與定子磁勢對準(zhǔn)，一旦轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，DSP根據(jù)編碼器測量出的新的轉(zhuǎn)子位置，通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)。

3交流永磁同步電機的PWM控制

PMSM驅(qū)動器的主回路一般采用交—直—交的結(jié)構(gòu)。交流電機系統(tǒng)也普遍采用PWM的控制技術(shù)產(chǎn)生繞組電壓和電流。據(jù)統(tǒng)計，已見著文獻的交流電機PWM控制方法有數(shù)十種之多，研究主要集中在如何實現(xiàn)高效率、低諧波、易實現(xiàn)等方面。常用的方法有三種：

正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）

電流跟蹤控制。SPWM技術(shù)

（SinusodalPulseWidthModulation）用直流電壓信號去調(diào)制三角波信號，得到一個脈沖序列。占空比由直流電壓幅值決定。用正弦波信號去調(diào)制三角波信號，會得到一個占空比按正弦規(guī)律變化的脈沖序列。脈沖的頻率由三角波頻率決定，脈沖的占空比由電壓幅值決定。脈沖序列可能包含各次諧波的頻譜成份，但其基波由調(diào)制波決定SVPWM（SpaceVectorPWM）技術(shù) 交流電動機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動機空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場。SVPWM（SpaceVectorPWM）技術(shù)的基本思路就是通過控制逆變器功率器件的開關(guān)模式及導(dǎo)通時間，產(chǎn)生有效電壓矢量來逼近圓形磁場軌跡的一種方法。這種方法利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，特別適用于DSP直接計算，且方法簡便?？梢宰C明：SVPWM比一般的SPWM直流電壓利用率提高15%。電壓和磁鏈的關(guān)系

uA0、uB0、uC0的方向始終處于各相繞組的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律脈動。和電流空間矢量一樣，可定義合成電壓空間矢量為：電壓矢量是一個以電源角頻率速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量。Ψ由定子電流和轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁鏈。同樣可以定義合成磁鏈空間矢量：磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\動軌跡為磁鏈圓。Ψ由定子電流和轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁鏈。電壓矢量和磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系為：當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速不是很低時，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(guān)系為上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時，Us的大小與Ψs的變化率成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈圓的切線方向。當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運動2弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。這樣，電動機旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運動軌跡問題。SVPWM是通過計算出的Vα、Vβ控制逆變器功率器件的不同開關(guān)模式及導(dǎo)通時間，產(chǎn)生有效電壓矢量來逼近圓形磁場軌跡的一種方法。逆變器中的電壓關(guān)系逆變器上、下橋臂的開關(guān)器件在任一時刻導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)正好相反，所以只用上橋臂的三個功率開關(guān)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(guān)器件的導(dǎo)通狀態(tài)用“1”表示，關(guān)斷用“0”表示，上橋臂三個功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)共有八種組合。由Clarke變換可得到在（α,β)坐標(biāo)系中Vα、Vβ的值

由8個開關(guān)狀態(tài)得到（α,β)坐標(biāo)系中的8個基本電壓空間矢量。其中兩個是空矢量，六個有效矢量。每個有效矢量的幅值都是2/3Vdc顯然，按照這樣的供電方式只能形成正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場，而不是我們希望的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。如果想獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，每一個周期內(nèi)就必須有更多的空間電壓矢量。正六邊形有6個扇區(qū)。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PWM周期受到采樣周期及功率管開關(guān)頻率的限制知道了Vα,Vβ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。T對應(yīng)于PWM周期。即每一個T發(fā)出PWM電壓波形中的一個脈沖波。在每個PWM周期，都按照上述方法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。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。當(dāng)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多邊形。上例中，Vsref由V4(100),V6(110),V0(000),V7(111)組合而成。即4種開關(guān)狀態(tài)。相應(yīng)的作用時間為T4,T6,T0。為了使電壓波形對稱，把每種狀態(tài)的作用時間都一分為二，例如形成電壓空間矢量的作用序列為：V4(100),V6(110),V0(000),V7(000)，V6(110),V4(100)。V4(100),V6(110),V0(000),V7(000)，V6(110),V4(100)。選擇電壓空間矢量的作用序列的原則是：從一個矢量轉(zhuǎn)換到另一個矢量的過程中只有一個功率元件狀態(tài)發(fā)生變化，即每個周期內(nèi)開關(guān)次數(shù)最少。以減少開關(guān)損失。上述電壓空間矢量的作用序列顯然不符合這個要求?？蛇x擇：V0(000),V4(100),V6(110),V7(111),V6(110),V4(100),V0(000)。作用時間為

T0/4,T4/2,T6/2,T7/2,T6/2,T4/2,T0/4。V0(000),V4(100),V6(110),V7(111),V6(110),V4(100),V0(000)。T0/4,T4/2,T6/2,T7/2,T6/2,T4/2,T0/4。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(zhuǎn)換到另一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(jié)尾；開關(guān)順序為：

作用時間分別為：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(zhuǎn)時，扇區(qū)的順序為Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ→Ⅰ；反轉(zhuǎn)時，扇區(qū)的順序為Ⅵ→Ⅴ→Ⅳ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅰ→Ⅵ。

a)第Ⅰ扇區(qū)b)第Ⅱ扇區(qū)

一個采樣周期內(nèi)的SVPWM波形將PWM1、PWM3和PWM5進行非運算就可以生成PWM2、PWM4和PWM6。4、PMSM驅(qū)動器的硬件結(jié)構(gòu)

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逆變器主回路選用智能功率模塊IPM（IntelligentPowerModer）DSP輸出六路PWM信號經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動IPM工作IPM---內(nèi)部功能模塊集成：六個IGBT驅(qū)動電路保護電路

IPM---保護功能

設(shè)計有過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路。IPM---外形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)?；舳鷤鞲衅鳈z測的電流經(jīng)放大電路處理后，送到DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字量?；魻栃?yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)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(yīng)。霍爾電流傳感器電流Ip流過導(dǎo)體時產(chǎn)生磁場，該磁場通過聚磁環(huán)聚集感應(yīng)到霍爾器件上，使之有一電壓信號輸出?？刂齐娏鱅c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。電平轉(zhuǎn)換電路電流-10A010A電壓2.5V0-2.5VA/D輸入0V2.5V5V正余弦角度的產(chǎn)生

５．一般商用PMSM驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)三種工作模式：位置方式，速度方式，力矩方式驅(qū)動器的三種工作模式交流伺服電機驅(qū)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(qū)動器、電機和運動控制器結(jié)合起來組合成不同的工作模式，以滿足不同的應(yīng)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(qū)動器中執(zhí)行。驅(qū)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：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；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，以適應(yīng)伺服電機的高轉(zhuǎn)速。速度方式驅(qū)動器內(nèi)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。這時運動控制器輸出±１０Ｖ范圍內(nèi)的直流電壓作為速度回路的指令信號。正電壓使電機正向旋轉(zhuǎn)，負電壓使電機反向旋轉(zhuǎn)，零伏對應(yīng)零轉(zhuǎn)速。這個信號在驅(qū)動器