交流永磁同步伺服电机及其驱动原理

3.23.2交流永磁同步电机及其驱交流永磁同步电机及其驱动技术动技术11、、交流永磁同步电机结构和工作原理交流永磁同步电机结构和工作原理22、、交流永磁同步电机交流永磁同步电机磁场定向控制技术磁场定向控制技术33、交流永磁同步电机、交流永磁同步电机PWMPWM控制控制44、交流永磁同步电机驱动器、交流永磁同步电机驱动器直流伺服电机存在如下缺点：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；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，不利于高速响由于绕组在转子上，转子惯量较大，不利于高速响应；应；电刷和换向器易磨损需要经常维护、限制电机速度、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。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。上，就可克服这些缺点。交流伺服电机就是这种结构的电机。交流伺服电机就是这种结构的电机。交流伺服电机有两类：交流伺服电机有两类：同步电机同步电机和和感应电机感应电机永磁同步电机（永磁同步电机（PMSMPMSM））（（PermanentMagnetSynchronousMotorPermanentMagnetSynchronousMotor））11、结构和工作原理、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。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，采用三相定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称对称绕绕组结构，它们的轴线在组结构，它们的轴线在空间空间彼此相差彼此相差120120度。度。转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。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感应电机当其对称三相绕组接通对称三相电源对称三相电源后，后，流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场，流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场，其转速为其转速为::式中式中ff——电源频率；电源频率；pp——定子极对数。定子极对数。即磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极即磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极对数；对数；磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。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由于电磁感应作用，闭合的转子导体内将产生感应电流。产生感应电流。这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋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，从而使转转磁场相互作用产生电磁转矩，从而使转子子““跟着跟着””定子磁场旋转起来，其转速为定子磁场旋转起来，其转速为nn。。nn总是低于总是低于nsns（异步），否则就不会通过切（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。割磁力线的作用在转子中产生感应电流。永磁同步交流电机永磁同步交流电机的工作原理的工作原理定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。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其不同点是转子为永磁体且nn与与nsns相同相同（同步）。（同步）。两个磁场相互作用产生转矩。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。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。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，在永磁直流电机中，T=T=KtIKtI。。II为直流，只要改变电流的大为直流，只要改变电流的大小就能改变力矩。小就能改变力矩。而交流电机中而交流电机中FsFs是由三相交流电产生的，绕组中的电压及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。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？流电机？2020世纪世纪7070年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术。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。控制技术取得了突破性的进展。sin()rssrTFF22、磁场定向控制、磁场定向控制永磁同步电机的定子中装有三相对称绕组永磁同步电机的定子中装有三相对称绕组a,b,ca,b,c，它，它们在们在空间彼此相差空间彼此相差120120度度，绕组中通以如下三相对，绕组中通以如下三相对称电流：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，即每个绕组中电流的幅值和相位都是随时间变化的，且彼此在且彼此在相位（与时间有关）上相差相位（与时间有关）上相差120120度度。。mmmIsinIsin(120)Isin(240)abcititit0abciii旋转磁场是三相电流共同作用的旋转磁场是三相电流共同作用的结果，引入结果，引入电流空间矢量电流空间矢量的概念的概念来描述这个作用。来描述这个作用。在电机定子上与轴垂直的剖面上在电机定子上与轴垂直的剖面上建立一静止坐标系（建立一静止坐标系（a,b,ca,b,c))，其原，其原点在轴心上，三相绕组的轴线分点在轴心上，三相绕组的轴线分别在此坐标系的别在此坐标系的aa，，bb，，cc三个坐标三个坐标轴上。轴上。每一相相电流幅值和极性随时间每一相相电流幅值和极性随时间按正弦规律变化。可用空间矢量按正弦规律变化。可用空间矢量描述，方向始终在描述，方向始终在a,b,ca,b,c坐标系中各坐标系中各相的轴线上。相的轴线上。定义定义合成定子电流矢量合成定子电流矢量为：为：每一相相电流空间矢量幅值和极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性的变化使得合成定子电流矢量形成旋转磁场。形成旋转磁场。1202402jjsabcabciiieieiaiai1202402jjsabcabciiieieiaiai定义了合成定子电流矢量后，则定子绕组的定义了合成定子电流矢量后，则定子绕组的总磁势矢量为总磁势矢量为NN——定子绕组线圈总匝数定子绕组线圈总匝数要注意要注意合成定子电流合成定子电流仅仅是为了描述方便引仅仅是为了描述方便引入的入的虚拟量虚拟量。。注意区分电流注意区分电流矢量矢量和电工学中分析正弦电路和电工学中分析正弦电路时所用到的时所用到的相量相量。前者反映的是各个量的空。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。间、时间关系，而后者描述的仅是时间关系。2()ssabcFNiNiaiai力矩控制力矩控制由电机统一理论，电机的力矩由电机统一理论，电机的力矩大小可表示为大小可表示为如果能保证如果能保证FrFr与与FsFs相互垂直，则因转子磁势相互垂直，则因转子磁势FrFr为常数，为常数，且且则则这与直流电机的力矩表达式是一样的。这与直流电机的力矩表达式是一样的。sin()rssrTFFssFNitsTKi问题可归结为问题可归结为：：1.1.定子合成电流是一个时变量，如何把时变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？量转换为时不变量？2.2.如何保证定子磁势与转子磁势相互垂直？如何保证定子磁势与转子磁势相互垂直？3.3.定子合成电流仅是一个虚拟的量，并不是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，如何实现这个转实到三相电流的控制上，如何实现这个转换？换？为了解决上面提到的这些问题，设想建立一个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以电源角频率旋转的旋转坐标系旋转坐标系（（dd、、qq）。）。从静止坐标系（从静止坐标系（a,b,ca,b,c))上看，合成定子电流矢上看，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，量在空间以电源角频率旋转从而形成旋转磁场，是时变的。是时变的。从动坐标系（从动坐标系（dd、、qq）上看，则合成定子电流矢）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，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。从交流量变成了直流量。磁场定向控制的基本思路磁场定向控制的基本思路通过通过坐标变换坐标变换把合成定子电流矢量从把合成定子电流矢量从静止坐静止坐标系标系变换到变换到旋转坐标系旋转坐标系上。上。在旋转坐标系中计算出实现力矩控制所需要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；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。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，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坐标变换是通过两次变换实现的ClarkeClarke变换变换（（a,b,ca,b,c))是复数平面上的三相是复数平面上的三相静止坐标系静止坐标系。。（（αα,,ββ))是该平面上的两相是该平面上的两相静止坐标系静止坐标系。。αα轴与轴与aa轴重合，轴重合，ββ轴与轴与aa轴垂直。轴垂直。定义在（定义在（a,b,ca,b,c))坐标系中的空间电流矢量可通过如下运算变坐标系中的空间电流矢量可通过如下运算变换到坐标系（换到坐标系（αα,,ββ））中：中：2sabciiaiai13cos120sin12022ajj213cos240sin24022ajj1133()2222sabcbciiiijii1112233022abciiiii用矩阵可表示为1133()2222sabcbciiiijiiParkPark变换变换定义一个以转速定义一个以转速ωω旋转的直角坐标系旋转的直角坐标系，其转角为，其转角为θθ==ωωtt在此坐标系中电流矢量是一个静止矢量，其分量在此坐标系中电流矢量是一个静止矢量，其分量id,id,iqiq也就成也就成了非时变量（直流量）。了非时变量（直流量）。由几何关系可得出空间矢量从由几何关系可得出空间矢量从（（αα,,ββ))坐标系到坐标系到（（d,qd,q))坐标坐标系的变换关系：系的变换关系：cossinsincosdqiiiiiicossinsincosdqiiii1112233022abciiiii现在得到了从现在得到了从ia,ib,icia,ib,ic到到id,iqid,iq的变换。求逆即是反变的变换。求逆即是反变换。换。式中，式中，θθ可由传感器测量得到。可由传感器测量得到。cossinsincosdqiiii在（在（d,qd,