第3章永磁同步电机伺服控制系统

24828c第3章永磁同步电机伺服控制系统3.1永磁同步电机伺服控制系统的构成3.2永磁同步电机的结构与工作原理3.3永磁同步电机的数学模型3.3.1永磁同步电机的基本方程3.3.2永磁同步电机的d、q轴数学模型3.4正弦波永磁同步电机的矢量控制方法3.4.1id=0控制3.4.2最大转矩控制3.4.3弱磁控制3.4.4cosϕ=1控制3.4.5最大效率控制3.4.6永磁同步电机的参数与输出范围3.5交流伺服电机的矢量控制系统24828c第3章永磁同步电机伺服控制系统3.5.1状态方程与控制框图3.5.2解耦控制与坐标变换的实现3.5.3电流控制器的分析与设计3.5.4速度控制器的设计3.5.5位置控制器的设计3.5.6d-q坐标系下永磁同步伺服电机矢量控制系统的构成3.6永磁同步伺服电机的设计要点3.6.1电机主要尺寸的确定3.6.2电动势的正弦化设计3.6.3定位转矩的抑制技术24828c3.1永磁同步电机伺服控制系统的构成图3-1永磁同步电机伺服控制系统的组成24828c3.2永磁同步电机的结构与工作原理1)永磁体位于转子内部，转子的结构简单、机械强度高、制造成本低。2)转子表面为硅钢片，因此，表面损耗小。3)等效气隙小，但气隙磁密高，适于弱磁控制。4)永磁体形状及配置的自由度高，转子的转动惯量小。5)可有效地利用磁阻转矩，提高电机的转矩密度和效率。6)可利用转子的凸极效应实现无位置传感器起动与运行。24828c3.2永磁同步电机的结构与工作原理图3-2永磁同步电机的结构示意图24828c3.2永磁同步电机的结构与工作原理图3-3永磁同步电机的绕组形式a)整数槽绕组b)分数槽绕组24828c3.2永磁同步电机的结构与工作原理图3-4具有分数槽绕组的电机定子24828c3.2永磁同步电机的结构与工作原理图3-5无槽结构永磁同步电机24828c3.2永磁同步电机的结构与工作原理图3-6永磁同步电机常用的转子结构永磁体磁性体非磁性体或空气24828c3.2永磁同步电机的结构与工作原理图3-7图3-6所示结构电机的交、直轴电枢反应磁通路径a)直轴电枢反应磁通路径b)交轴电枢反应磁通路径24828c3.3永磁同步电机的数学模型24828c3.3.1永磁同步电机的基本方程1)忽略铁心饱和效应。2)气隙磁场呈正弦分布。3)不计涡流和磁滞损耗。4)转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用。24828c图3-8三相永磁同步电机的解析模型24828c图3-9三相永磁同步电机的d-q变换模型24828c图3-10基本向量图24828c3.3.2永磁同步电机的d、q轴数学模型1.永磁同步电机的d、q轴基本数学模型2.计及铁损时永磁同步电机的d、q轴数学模型24828c图3-11计及铁耗时永磁同步电机的d、q轴等效电路a)d轴等效电路b)q轴等效电路24828c3.4正弦波永磁同步电机的矢量控制方法随着永磁同步电机调速系统应用的日益广泛，对系统性能的要求也越来越高。对PMSM控制系统的基本要求可归纳为转矩控制的响应快、精度高、波动小；电机的效率高、功率因数高；系统的控制简单、调速范围宽、可靠性高等。控制交流调速系统的关键是实现电机瞬时转矩的高性能控制。从永磁同步电机的数学模型可看出，对电机输出转矩的控制最终归结为对交轴、直轴电流的控制。PMSM矢量控制的电流控制方法主要有：id=0控制、最大转矩控制、弱磁控制、cosϕ=1控制、最大效率控制等。下面对这几种方法进行分析。24828c3.4.1控制id=0•id=0时，电机电磁转矩和交轴电流成线性关系，转矩中只有永磁转矩分量。此时在产生所要求转矩的情况下，只需最小的定子电流，从而使铜损下降，效率有所提高；对控制系统来说，只要检测出转子位置(d轴)，使三相定子电流的合成电流矢量位于q轴上就可以了。24828c3.4.2最大转矩控制1.最大转矩电流比控制2.最大转矩磁链比控制(最大转矩电动势比控制)24828c3.4.3弱磁控制对于永磁体励磁的PMSM，不能像电励磁同步电机那样直接控制励磁磁通，但是根据前面的分析可知，如果在绕组中有负向的d轴电流流过，则可以利用d轴电枢反应的去磁效应，使d轴方向的磁通减少，能够实现等效的弱磁控制。为区别于直接控制励磁磁通的弱磁控制，把这种控制称做弱磁控制。24828c3.4.4cosϕ=1控制•根据式(3-20)可知，为了实现功率因数cosϕ=1=1，只要满足δ=β即可。采用功率因数等于1的控制方式时，逆变器的容量可以得到充分利用。24828c3.4.5最大效率控制在任意的负载状态(任意的转速、转矩)下，驱动电流一定存在最佳的大小和相位，使电机的铜损和铁损接近相等，此时电机的效率达到最大。24828c3.4.6永磁同步电机的参数与输出范围图3-12转矩一定时的相位控制特性24828c3.4.6永磁同步电机的参数与输出范围图3-13普通永磁同步电机特性24828c3.4.6永磁同步电机的参数与输出范围图3-1424828c3.5交流伺服电机的矢量控制系统在交流伺服系统中，一般要求伺服电机的过载能力强、动态响应快、转矩线性度高；控制方法简单、可靠；通常不需要恒功率运行。24828c3.5.1状态方程与控制框图图3-15d-q坐标系下永磁同步电动机的控制框图24828c3.5.2解耦控制与坐标变换的实现图3-1624828c3.5.2解耦控制与坐标变换的实现图3-1724828c3.5.2解耦控制与坐标变换的实现图3-18解耦控制的永磁同步电机框图24828c3.5.3电流控制器的分析与设计图3-19具有电流控制器的解耦控制永磁同步电动机的框图24828c3.5.3电流控制器的分析与设计图3-20电流控制系统(P控制)的开环频率特性24828c3.5.3电流控制器的分析与设计图3-21电流控制系统(P控制)的闭环频率特性24828c3.5.3电流控制器的分析与设计图3-22电流控制系统(PI控制)的开环频率特性24828c3.5.3电流控制器的分析与设计图3-23电流控制系统(PI控制)的闭环频率特性24828c3.5.4速度控制器的设计图3-24速度控制系统的控制框图24828c3.5.4速度控制器的设计图3-25把电流控制系统简略化的速度控制系统框图24828c3.5.4速度控制器的设计图3-26PI速度控制系统的开环频率特性24828c3.5.4速度控制器的设计图3-27PI速度控制系统的阶跃响应24828c3.5.5位置控制器的设计1.伺服刚度2.位置控制系统的响应3.速度控制范围24828c3.5.5位置控制器的设计图3-28位置控制系统构成框图24828c图3-29位置控制系统的阶跃响应24828c3.5.6d-q坐标系下永磁同步伺服电机矢量控制系统的构成1.基于电流解耦控制的永磁同步电机伺服系统2.基于三相交流控制的永磁同步电机伺服系统24828c1.基于电流解耦控制的永磁同步电机伺服系统1)位置环、速度环、电流环控制单元、解耦控制单元。2)电机转子位置、转速检测及信号处理计算单元。3)坐标变换单元。4)三相逆变单元。24828c2.基于三相交流控制的永磁同步电机伺服系统图3-30基于电流解耦控制的永磁同步电机伺服系统的构成24828c2.基于三相交流控制的永磁同步电机伺服系统图3-31基于三相交流控制的永磁同步电机伺服系统构成24828c3.6永磁同步伺服电机的设计要点伺服系统对永磁同步伺服电机的主要要求是动态响应快、转矩波动小、调速范围宽、效率和转矩密度高等，因此，在设计过程中要充分考虑这些要求。24828c3.6.1电机主要尺寸的确定永磁同步伺服电机的主要尺寸可以由所需的最大转矩和动态性能指标确定。24828c3.6.2电动势的正弦化设计(1)气隙磁场波形的正弦化设计(2)电枢绕组的谐波电动势抑制24828c3.6.3定位转矩的抑制技术1)方向交变，具有周期性，波动频率与转子极数和定子铁心槽数直接相关。2)转矩波动幅值大小与永磁体性能、磁极和齿槽形状、铁心材料特性有关。3)定位转矩的存在与电机绕组是否通电无关，但其幅值大小与电流大小有所关联。