交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)剖析

3.2交流永磁同步电机及其驱动技术1、交流永磁同步电机结构和工作原理2、交流永磁同步电机磁场定向控制技术3、交流永磁同步电机PWM控制4、交流永磁同步电机驱动器直流伺服电机存在如下缺点：它的电枢绕组在转子上不利于散热；由于绕组在转子上，转子惯量较大，不利于高速响应；电刷和换向器易磨损需要经常维护、限制电机速度、换向时会产生电火花限制了它的应用环境。如果能将电刷和换向器去掉，再把电枢绕组移到定子上，就可克服这些缺点。交流伺服电机就是这种结构的电机。交流伺服电机有两类：同步电机和感应电机永磁同步电机（PMSM）（PermanentMagnetSynchronousMotor）1、结构和工作原理主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器。三相异步交流感应电机的工作原理感应电机当其对称三相绕组接通对称三相电源后，流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场，其转速为:式中f—电源频率；p—定子极对数。即磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极对数；磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。60psfnrpm由于电磁感应作用，闭合的转子导体内将产生感应电流。这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋转磁场相互作用产生电磁转矩，从而使转子“跟着”定子磁场旋转起来，其转速为n。n总是低于ns（异步），否则就不会通过切割磁力线的作用在转子中产生感应电流。永磁同步交流电机的工作原理定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。其不同点是转子为永磁体且n与ns相同（同步）。两个磁场相互作用产生转矩。定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。60rpmpsfnn要想实现四象限运行，关键是力矩的控制。在永磁直流电机中，T=KtI。I为直流，只要改变电流的大小就能改变力矩。而交流电机中Fs是由三相交流电产生的，绕组中的电压及电流是交流，是时变量，转矩的控制要复杂得多。能否找到一种方法使我们能够象控制直流电机那样控制交流电机？20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术。通过坐标变换，把交流电机中交流电流的控制，变换成类似于直流电机中直流电流的控制，实现了力矩的控制，可以获得和直流电机相似的高动态性能，从而使交流电机的控制技术取得了突破性的进展。sin()rssrTFF2、磁场定向控制永磁同步电机的定子中装有三相对称绕组a,b,c，它们在空间彼此相差120度，绕组中通以如下三相对称电流：即每个绕组中电流的幅值和相位都是随时间变化的，且彼此在相位（与时间有关）上相差120度。mmmIsinIsin(120)Isin(240)abcititit0abciii旋转磁场是三相电流共同作用的结果，引入电流空间矢量的概念来描述这个作用。在电机定子上与轴垂直的剖面上建立一静止坐标系（a,b,c)，其原点在轴心上，三相绕组的轴线分别在此坐标系的a，b，c三个坐标轴上。每一相相电流幅值和极性随时间按正弦规律变化。可用空间矢量描述，方向始终在a,b,c坐标系中各相的轴线上。定义合成定子电流矢量为：每一相相电流空间矢量幅值和极性的变化使得合成定子电流矢量形成旋转磁场。1202402jjsabcabciiieieiaiai1202402jjsabcabciiieieiaiai定义了合成定子电流矢量后，则定子绕组的总磁势矢量为N—定子绕组线圈总匝数要注意合成定子电流仅仅是为了描述方便引入的虚拟量。注意区分电流矢量和电工学中分析正弦电路时所用到的相量。前者反映的是各个量的空间、时间关系，而后者描述的仅是时间关系。2()ssabcFNiNiaiai力矩控制由电机统一理论，电机的力矩大小可表示为如果能保证Fr与Fs相互垂直，则因转子磁势Fr为常数，且则这与直流电机的力矩表达式是一样的。sin()rssrTFFssFNitsTKi问题可归结为：1.定子合成电流是一个时变量，如何把时变量转换为时不变量？2.如何保证定子磁势与转子磁势相互垂直？3.定子合成电流仅是一个虚拟的量，并不是真正的物理量，力矩的控制最后还是要落实到三相电流的控制上，如何实现这个转换？为了解决上面提到的这些问题，设想建立一个以电源角频率旋转的旋转坐标系（d、q）。从静止坐标系（a,b,c)上看，合成定子电流矢量在空间以电源角频率旋转从而形成旋转磁场，是时变的。从动坐标系（d、q）上看，则合成定子电流矢量是静止的，也即从时变量变成了时不变量，从交流量变成了直流量。磁场定向控制的基本思路通过坐标变换把合成定子电流矢量从静止坐标系变换到旋转坐标系上。在旋转坐标系中计算出实现力矩控制所需要的定子合成电流的数值；然后将这个电流值再反变换到静止坐标系中。将虚拟的合成电流转换成实际的绕组电流，从而实现电机力矩的控制。坐标变换是通过两次变换实现的Clarke变换（a,b,c)是复数平面上的三相静止坐标系。（α,β)是该平面上的两相静止坐标系。α轴与a轴重合，β轴与a轴垂直。定义在（a,b,c)坐标系中的空间电流矢量可通过如下运算变换到坐标系（α,β）中：bβcsia2sabciiaiai13cos120sin12022ajj213cos240sin24022ajj1133()2222sabcbciiiijii1112233022abciiiii用矩阵可表示为1133()2222sabcbciiiijiiPark变换定义一个以转速ω旋转的直角坐标系，其转角为θ=ωt在此坐标系中电流矢量是一个静止矢量，其分量id,iq也就成了非时变量（直流量）。由几何关系可得出空间矢量从（α,β)坐标系到（d,q)坐标系的变换关系：cossinsincosdqiiiiiicossinsincosdqiiiiqβdiqiβθsidii1112233022abciiiii现在得到了从ia,ib,ic到id,iq的变换。求逆即是反变换。式中，θ可由传感器测量得到。cossinsincosdqiiii在（d,q)坐标系中，合成定子电流是一个标量，可表示为：如果使is在q轴上（即让id=0)，使转子磁极在d轴上，则，即定子磁场与转子磁场相互垂直，此时电机的力矩为在（d,q)坐标系中，我们可象直流电机那样，通过控制电流来改变电机的转矩。22sdqiii2srsin()rssrtqTFFKiId,iq并不是真实的物理量，电机力矩的控制最终还是定子绕组电流ia,ib,ic或定子绕组电压ua,ub,uc实现，因此，必须将虚拟量变换回这些真实的物理量，这可通过如上clarck、Park变换的逆变换实现。磁场定向控制的实现PI速度、位置检测3相逆变器pmsmusPIPark逆变换UqPIUdSVPWMPark逆变换Clark变换nrefnfiqrefidref=0θiqidiaibUαUβiαiβ力矩的控制由力矩回路实现。图中电流传感器测量出定子绕组电流ia,ib作为clarke变换的输入，ic可由三相电流对称关系ia+ib+ic=0求出。clarke变换的输出iα,iβ，与由编码器测出的转角Θ作为park变换的输入，其输出id与iq作为电流反馈量与指令电流idref及iqref比较，产生的误差在力矩回路中经PI运算后输出电压值ud,uq。再经逆park变换将这ud,uq变换成坐标系中的电压uα,uβ。SVPWM算法将uα,uβ转换成逆变器中六个功放管的开关控制信号以产生三相定子绕组电流。速度的控制由速度回路实现。速度指令（一般是位置回路的输出）与由光电编码器测量出的电机实际速度相比较，误差在速度回路中经PI运算后作为力矩回路的指令值。实现磁场定向控制的程序流图中断服务程序入口电流ia,ib采样转子位置采样计算电机实际速度速度回路PI运算clarck变换电流回路PI运算Park变换Park逆变换SVPWM算法输出到逆变器中断返回b)中断服务程序开始设定中断时间DSP初始化中断时间到中断服务程序a)主程序NY（d,q)坐标系的初始建立qβdθrFsi如何使转子磁场在d轴上，使定子磁场在q轴上?1）首先使idref=0，iqref为一常量，在电流回路作用下，定子绕组电流建立的磁场将吸引转子磁极与之对准；PI速度、位置检测3相逆变器pmsmusPIPark逆变换UqPIUdSVPWMPark逆变换Clark变换nrefnfiqrefidref=0θiqidiaibUαUβiαiβ2）在Park变换和逆变换中将θ增加90°，即合成定子电流矢量瞬间旋转90°，而转子磁极在此瞬间仍停留在原来的位置，这相当于(d,q)坐标系旋转了90°；3)现在电流矢量被移动到q轴上，转子磁极仍然在d轴上，即两个磁极处于正交状态；4）转子趋于与定子磁势对准，一旦转子开始旋转，DSP根据编码器测量出的新的转子位置，通过矢量变换算法不断更新电流矢量，以维持两个磁场始终处于正交状态。qβdrFsi23交流永磁同步电机的PWM控制PMSM驱动器的主回路一般采用交—直—交的结构。SLRLL1L2L3C1C2uSuapwM/uapwMubpwM/ubpwMucpwM/ucpwMT1T2T3T4T5T6ZZZoabcnPMSMIGBT（Insulated-gateBipolarTransistor）由MOSFET和GTR复合而成，结合二者的优点。功率晶体管的特点——电流驱动，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。但集电极和发射极间的电压基本不随电压升高而变化。MOSFET的优点——电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单，但耐压越高源极和漏极间的电阻越大。交流电机系统也普遍采用PWM的控制技术产生绕组电压和电流。据统计，已见著文献的交流电机PWM控制方法有数十种之多，研究主要集中在如何实现高效率、低谐波、易实现等方面。常用的方法有三种：正弦波脉宽调制（SPWM）空间矢量脉宽调制（SVPWM）电流跟踪控制。SPWM技术（SinusodalPulseWidthModulation）用直流电压信号去调制三角波信号，得到一个脉冲序列。占空比由直流电压幅值决定。PWMutucu三角波发生器用正弦波信号去调制三角波信号，会得到一个占空比按正弦规律变化的脉冲序列。脉冲的频率由三角波频率决定，脉冲的占空比由电压幅值决定。脉冲序列可能包含各次谐波的频谱成份，但其基波由调制波决定,reftuuPWMu00refututta)b)+-uaref+-+-ubrefucrefutaPWMubPWMucPWMuarefubrefucrefuttttaPWMubPWMucPWMutu0002sU2sU2sU2sU2sU2sUa)b)c)d)aPWMuarefubrefucrefutttttubPWMuaPWMucPWMuSLRLL1L2L3C1C2uSuapwM/uapwMubpwM/ubpwMucpwM/ucpwMT1T2T3T4T5T6ZZZoabcnPMSMSVPWM（SpaceVectorPWM）技术交流电动机输入三相正弦电流在电动机空间形成圆形旋转磁场。SVPWM（SpaceVectorPWM）技术的基本思路就是把电机和逆变器看做一体，