現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng) 課件 第7、8章 永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的特殊問題、交流永磁伺服系統(tǒng)的控制形式和控制器

第7章永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的特殊問題

內(nèi)容提要7.1

PMSM的d-q軸基本數(shù)學(xué)模型7.2磁阻轉(zhuǎn)矩的利用7.3永磁伺服電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制問題7.4交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)初始定向問題的討論永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的特殊問題1

為了分析與控制簡(jiǎn)單起見，采用了不計(jì)鐵損、渦流損失的d、q軸基本數(shù)學(xué)模型。主要出于對(duì)電流控制方法的考慮，而不計(jì)運(yùn)動(dòng)方程與負(fù)載特性的研究。

各狀態(tài)變量之間的關(guān)系的矢量圖如圖7-1

所示。7.1PMSM的d-q軸基本數(shù)學(xué)模型圖7-1

PMSM基本矢量圖2

7.1PMSM的d-q軸基本數(shù)學(xué)模型3

7.1PMSM的d-q軸基本數(shù)學(xué)模型4

7.1PMSM的d-q軸基本數(shù)學(xué)模型5

7.2磁阻轉(zhuǎn)矩的利用6

7.2磁阻轉(zhuǎn)矩的利用7

7.2磁阻轉(zhuǎn)矩的利用

87.3永磁伺服電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制問題

圖7-2

圓筒形外裝轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖97.3永磁伺服電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制問題

107.3永磁伺服電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制問題

117.3永磁伺服電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制問題

圖7-3

穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓矢量圖127.3永磁伺服電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制問題圖7-4

輸出最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的電動(dòng)機(jī)定子電流矢量軌跡圖7-5

交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制特性137.3永磁伺服電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制問題

147.3永磁伺服電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制問題

157.3永磁伺服電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制問題

167.3永磁伺服電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制問題

177.3永磁伺服電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制問題

187.3永磁伺服電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制問題

由上述電壓限制方程得出，電動(dòng)機(jī)的端電壓被限制在橢圓的內(nèi)側(cè)，并且這個(gè)橢圓隨著電動(dòng)機(jī)速度上升移向內(nèi)側(cè)，這就使得同時(shí)滿足電流限制和電壓限制的范圍越來越窄，如圖7-6所示。圖7-6

在電壓電流受限情況下的電流矢量197.4交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)初始定向問題的討論

初始定向：對(duì)于PMSM、BDCM而言，在初始啟動(dòng)時(shí)就希望以額定電流的合成磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁體磁場(chǎng)正交的矢量控制，以完成啟動(dòng)過程的一種定位方法。如能正確初始定向，PMSM、BDCM系統(tǒng)將會(huì)得到安全、快速起動(dòng)并進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。 初始定位的方法有多種，各有特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，下面討論其中的幾種。

(1)采用絕對(duì)式光電編碼器

(2)采用混合式光電編碼器 (3)永磁場(chǎng)與電樞反應(yīng)合成磁場(chǎng)正交207.4交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)初始定向問題的討論(1)采用絕對(duì)式光電編碼器圖7-7

絕對(duì)式光電編碼器構(gòu)造a)碼盤構(gòu)造b)編碼器結(jié)構(gòu)示意1-縫隙2-固定縫隙板3-旋轉(zhuǎn)圓盤217.4交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)初始定向問題的討論(1)采用絕對(duì)式光電編碼器

在旋轉(zhuǎn)碼盤上制成8-12個(gè)碼道，圖7-7a)中僅用4個(gè)碼道的情況來說明其原理；編碼器整體結(jié)構(gòu)示意如同圖7-7b）所示。

絕對(duì)式光電編碼器的特點(diǎn)是：輸出的二進(jìn)制數(shù)與軸角位置具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；在需要更多碼道時(shí)，雖然提高了位置的分辨率，但增加制造的復(fù)雜性，需要更多的光電元件。若用計(jì)算機(jī)采樣處理位置時(shí)，由于延遲時(shí)間的存在，限制了在高速控制的工作需要。假若實(shí)現(xiàn)位置信號(hào)的并行處理，雖然可以提高傳輸工作速度，但引線增多，給使用造成不便。而且編碼器的造價(jià)較高，因此在一般工業(yè)上采用較少。227.4交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)初始定向問題的討論

圖7-8a)

交流伺服電動(dòng)機(jī)光電編碼器的組成237.4交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)初始定向問題的討論(2)采用混合式光電編碼器(以二極電機(jī)為例)

混合式光電編碼器的的輸出信號(hào)波形如圖7-8b)所示。

這種混合式光電編碼器常用在方波型交流永磁電機(jī)中，也稱為BDCM，這種結(jié)構(gòu)把旋轉(zhuǎn)電機(jī)氣隙中的空間位置轉(zhuǎn)換成輸出電信號(hào)的時(shí)間相位，通過處理輸出信號(hào)就可以取得定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間相應(yīng)的位置范圍。圖7-8b)

交流伺服電動(dòng)機(jī)用光電編碼器的輸出信號(hào)波形247.4交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)初始定向問題的討論

257.4交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)初始定向問題的討論

26(1)寫出在d-q軸下的PMSM電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程。(2)闡述永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)弱磁控制的基本思想。(3)交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)初始定位的方法有什么？復(fù)習(xí)題及思考題27第8章交流永磁伺服系統(tǒng)的控制形式和控制器

內(nèi)容提要8.1轉(zhuǎn)矩控制/電流控制、電流控制器8.2速度控制與速度控制器8.3位置控制與位置控制器永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的特殊問題29

8.1轉(zhuǎn)矩控制/電流控制、電流控制器電扭矩扳手起重機(jī)30

速度控制器的目標(biāo)是要使伺服電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載按著所要求的恒值或任何速度變化規(guī)律運(yùn)動(dòng)。它是在全運(yùn)動(dòng)過程中體現(xiàn)的品質(zhì)要求，一般來說，速度控制通常采用PI型控制器，構(gòu)成一個(gè)速度無誤差控制器，不但可使系統(tǒng)穩(wěn)定，而且能有足夠的穩(wěn)定裕度。

下圖為一些常見的速度控制系統(tǒng)。8.2速度控制與速度控制器飛機(jī)螺旋槳涵道風(fēng)扇31

由于電流響應(yīng)很快，其響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子速度響應(yīng)，因此為了簡(jiǎn)化速度環(huán)的設(shè)計(jì)，可以把電流閉環(huán)視為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，或當(dāng)作一個(gè)比例因子來看。

通常按伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)分母中含有積分環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)區(qū)分為不同型別的伺服系統(tǒng)。其中，0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度低，Ⅲ型及以上的系統(tǒng)又很難穩(wěn)定。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和較高的穩(wěn)態(tài)精度，根據(jù)伺服系統(tǒng)的輸入信號(hào)，通?？梢圆捎芒裥突颌蛐拖到y(tǒng)。典型Ⅰ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中，T

為電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；K為系統(tǒng)的開環(huán)增益。8.2速度控制與速度控制器32

圖8-1典型I型系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性a)結(jié)構(gòu)圖b)對(duì)數(shù)頻率特性8.2速度控制與速度控制器33

對(duì)于典型的Ⅰ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，包含開環(huán)增益K和系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)T兩個(gè)參數(shù)。其中，時(shí)間常數(shù)T在實(shí)際系統(tǒng)中視為被控對(duì)象和電機(jī)本身所固有的，所以K

是唯一待定參數(shù)。下面就介紹開環(huán)增益K

值與系統(tǒng)主要性能之間的關(guān)系。

(1)穩(wěn)態(tài)跟隨性能與系統(tǒng)的開環(huán)增益的關(guān)系 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)，可用不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差大小來表示。Ⅰ型系統(tǒng)在幾種典型輸入信號(hào)的作用下，產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差情況如下表8-1所示。同時(shí)可以得出結(jié)論：不能將加速度信號(hào)輸入Ⅰ型伺服系統(tǒng)中。表8-1

I型系統(tǒng)在不同的典型輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差8.2速度控制與速度控制器34

8.2速度控制與速度控制器35(3)典型Ⅰ型伺服系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系

8.2速度控制與速度控制器36

圖8-3a)

典型

I型系統(tǒng)在擾動(dòng)點(diǎn)作用下的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.2速度控制與速度控制器37

圖8-3b)典型I型系統(tǒng)在一種擾動(dòng)作用下的等效框圖8.2速度控制與速度控制器38

8.2速度控制與速度控制器39

對(duì)于Ⅱ型伺服系統(tǒng)，也可以通過分析研究得出相應(yīng)結(jié)論：Ⅰ型和Ⅱ型系統(tǒng)除了穩(wěn)態(tài)誤差有區(qū)別外，就一般情況來說，在動(dòng)態(tài)性能上，Ⅰ型系統(tǒng)在跟隨性能上能做到超調(diào)小，跟蹤性能好，但抗擾能力差；而Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)較大，而抗擾性能較好。

所以，在選擇伺服系統(tǒng)的型別上是很重要的，在選好型別的基礎(chǔ)上，再匹配好參數(shù)，才能達(dá)到最佳的控制效果。8.2速度控制與速度控制器408.3位置控制與位置控制器

位置控制的根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)位置指令全程的精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)與跟蹤。位置控制的主要指標(biāo)是高度的跟隨性。借助于電流內(nèi)環(huán)控制，提供充足的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)以適當(dāng)?shù)乃俣?，?shí)現(xiàn)位置控制目標(biāo)。

下圖為位置控制系統(tǒng)的示例。RMS1云臺(tái)部分多軸機(jī)械臂418.3位置控制與位置控制器如圖8-4為位置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。

對(duì)于三環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是由電流環(huán)和速度環(huán)組成的，由于電流環(huán)和速度環(huán)相對(duì)于最外環(huán)來說，截止頻率遠(yuǎn)高于外環(huán)，在只考慮位置環(huán)的輸出特性時(shí)，可以視兩個(gè)內(nèi)環(huán)為一個(gè)常數(shù)，此時(shí)簡(jiǎn)化的位置伺服系統(tǒng)框圖如圖8-5所示。圖8-4位置伺服系統(tǒng)的組成框圖圖8-5位置伺服系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖42簡(jiǎn)化模型為典型的Ⅰ型伺服系統(tǒng)，開環(huán)傳遞函數(shù)為：閉環(huán)傳遞函數(shù)為：位置輸入函數(shù)為斜坡型，如圖8-6所示。斜坡輸入函數(shù)Ft的拉氏變換為：圖