永磁同步伺服電機(jī)（PMSM）驅(qū)動器原理

時間：2020-08-10作者：上海騰希電氣技術(shù)有限公司瀏覽：157

永磁同步伺服電機(jī)（PMSM）驅(qū)動器原理

 

隨著現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、永磁材料技術(shù)、交流可調(diào)速技術(shù)及控制技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，使得永磁交流伺服技術(shù)有著長足的發(fā)展。永磁交流伺服系統(tǒng)的性能日漸提高，價格趨于合理，使得永磁交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)尤其是在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動領(lǐng)域成了現(xiàn)代電伺服驅(qū)動系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。永磁交流伺服系統(tǒng)具有以下等優(yōu)點(diǎn)：
電動機(jī)無電刷和換向器，工作可靠，維護(hù)和保養(yǎng)簡單；
定子繞組散熱快；
慣量小，易提高系統(tǒng)的快速性；
適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)；
相同功率下，體積和重量較小，廣泛的應(yīng)用于機(jī)床、機(jī)械設(shè)備、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、印刷設(shè)備、裝配機(jī)器人、加工機(jī)械、高速卷繞機(jī)、紡織機(jī)械等場合，滿足了傳動領(lǐng)域的發(fā)展需求。
永磁交流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器經(jīng)歷了模擬式、模式混合式的發(fā)展后，目前已經(jīng)進(jìn)入了全數(shù)字的時代。全數(shù)字伺服驅(qū)動器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等確定，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢和控制方法的靈活，使伺服驅(qū)動器不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且性能較加的可靠。現(xiàn)在，高性能的伺服系統(tǒng)，大多數(shù)采用永磁交流伺服系統(tǒng)其中包括永磁同步交流伺服電動機(jī)和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動器兩部分。伺服驅(qū)動器有兩部分組成：驅(qū)動器硬件和控制算法。控制算法是決定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國外交流伺服技術(shù)封鎖的主要部分，也是在技術(shù)壟斷的**。
交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
交流永磁同步伺服驅(qū)動器主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、通訊接口單元、伺服電動機(jī)及相應(yīng)的反饋檢測器件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。我們的交流永磁同步驅(qū)動器其集**的控制技術(shù)和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動領(lǐng)域，還體現(xiàn)了強(qiáng)大的智能化、柔性化是傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)所不可比擬的。

 
目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（dsp）作為控制**，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項(xiàng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（ipm）為**設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路，ipm內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。
伺服驅(qū)動器大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的功率板和控制板兩個模塊。如圖2所示功率板（驅(qū)動板）是強(qiáng)電部，分其中包括兩個單元，一是功率驅(qū)動單元ipm用于電機(jī)的驅(qū)動，二是開關(guān)電源單元為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源。

 
控制板是弱電部分，是電機(jī)的控制**也是伺服驅(qū)動器技術(shù)**控制算法的運(yùn)行載體?？刂瓢逋ㄟ^相應(yīng)的算法輸出pwm信號，作為驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，來改逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制三相永磁式同步交流伺服電機(jī)的目的。

功率驅(qū)動單元
功率驅(qū)動單**先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦pwm電壓型變頻器來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是ac-dc-ac的過程。整流單元（ac-dc）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?br> 逆變部分（dc-ac）采用采用的功率器件集驅(qū)動電路，保護(hù)電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊（ipm），主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是采用了三相逆變電路原理圖見圖3，利用了脈寬調(diào)制技術(shù)即pwm（pulse width modulation）通過改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率，改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時間比，也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓副值的大小以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。

 
圖3中vt1～vt6是六個功率開關(guān)管，s1、s2、s3分別代表3個橋臂。對各橋臂的開關(guān)狀態(tài)做以下規(guī)定：當(dāng)上橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時（此時下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài)），開關(guān)狀態(tài)為1；當(dāng)下橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時（此時下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài)），開關(guān)狀態(tài)為0。三個橋臂只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，因此s1、s2、s3形成000、001、010、011、100、101、111共八種開關(guān)管模式，其中000和111開關(guān)模式使逆變輸出電壓為零，所以稱這種開關(guān)模式為零狀態(tài)。輸出的線電壓為uab、ubc、uca，相電壓為ua、ub、uc，其中udc為直流電源電壓，根據(jù)以上可得到附表分析。

 
控制單元
控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的**，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。所采用的數(shù)字信號處理器（dsp）除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機(jī)控制的**集成電路，如a/d轉(zhuǎn)換器、pwm發(fā)生器、定時計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、can總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)ram和大容量的程序存儲器等。伺服驅(qū)動器通過采用磁場定向的控制原理（foc） 和坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)矢量控制（vc），同時結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制（spwm）控制模式對電機(jī)進(jìn)行控制。永磁同步電動機(jī)的矢量控制一般通過檢測或估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機(jī)的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同，這樣通過檢測轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置就可以得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制比起異步電機(jī)的矢量控制有所簡化。

 
伺服驅(qū)動器控制交流永磁伺服電機(jī)（PMSM）伺服驅(qū)動器在控制交流永磁伺服電機(jī)時，可分別工作在電流（轉(zhuǎn)矩）、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示由于交流永磁伺服電機(jī)（PMSM）采用的是*磁鐵勵磁，其磁場可以視為是恒定；同時交流永磁伺服電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速，即其轉(zhuǎn)差為零。這些條件使得交流伺服驅(qū)動器在驅(qū)動交流永磁伺服電機(jī)時的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得以大大的降低。從圖4可以看出，系統(tǒng)是基于測量電機(jī)的兩相電流反饋（ia、ib）和電機(jī)位置。將測得的相電流（ia、ib）結(jié)合位置信息，經(jīng)坐標(biāo)變化（從a，b，c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子d，q坐標(biāo)系），得到id、iq分量，分別進(jìn)入各自得電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過反向坐標(biāo)變化（從d，q坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a，b，c坐標(biāo)系），得到三相電壓指令?？刂菩酒ㄟ^這三相電壓指令，經(jīng)過反向、延時后，得到6路pwm波輸出到功率器件，控制電機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)在不同指令輸入方式下，指令和反饋通過相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)器，得到下一級的參考指令。在電流環(huán)中，d，q軸的轉(zhuǎn)矩電流分量（iq）是速度控制調(diào)節(jié)器的輸出或外部給定。而一般情況下，磁通分量為零（id=0），但是當(dāng)速度大于限定值時，可以通過弱磁（id《0），得到較高的速度值。
從a，b，c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到d，q坐標(biāo)系有克拉克（clarke）和帕克（park）變換來是實(shí)現(xiàn)；從d，q坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a，b，c坐標(biāo)系是有克拉克和帕克的逆變換來是實(shí)現(xiàn)的。

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