永磁同步电动机调速系统.pdf

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2003-06-09永磁同步电动机调速系统王宏,史敬灼,徐殿国（哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001）Speed-adjustmentSystemofPermanentMagnetSynchronousGeneratorWANGHong,SHIJing-zhuo,XIDian-Guo（HarbinIndustryUniversity,Harbin150001,China）摘要:

永磁同步电动机传动系统容易控制,动态特性好,适用于中小功率的高性能伺服场合。

文章研究了改进的变参数PID的速度控制方法,实验证明该方法是一种经典实用、性能很好的控制策略。

关键词:

SVPWM,永磁同步电动机,交流调速系统,矢量控制中图分类号:

TM341文献标识码:

A文章编号:

1004-7018（2004）09-0009-03Abstract:

Thepermanentmagnetsynchrounousdrivesystemiseasytocontrolwithgooddynamiccharateristics.Itisusefulinmediaandsmallpowerandhighperformanceservolocation.TheimprovedspeedcontrolmethodofalterableparameterPIDisanalyzedhere.Testshowsitisapracticalandclassicalcontrolstrategywithperfo2mance.Keywords:

SVPWM;permanentmagnetsynchronousgenera2tor;ACspeed-adjustmentsystem;vectrocontrol直流电动机在控制性能上优于交流电动机,因此在调速领域占据了主要位置。

近二十年来,随着永磁材料、电力电子器件、微控制器和控制技术的发展,交流电动机控制存在的问题得以逐步解决。

其中永磁同步电动机（PMSM）具有良好的控制性能、简单的结构、高功率密度和高效率,在数控机床、机器人等高性能的伺服领域中获得了广泛的应用1。

1永磁同步电动机控制原理1.1矢量控制的基本原理1972年,德国Siemens公司的F.Blaschke提出了交流电动机的矢量控制原理。

该理论通过矢量旋转变换和转子磁场定向,将定子电流分解为与磁场方向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量,得到类似直流电机的解耦的数学模型。

使交流电动机的控制性能得以接近或达到他励直流电动机的性能。

永磁同步电动机定子三相绕组通入互差120的三相正弦电流,在气隙中产生旋转磁场;而转子磁极为稀土永磁体,在气隙中产生正弦磁场,并且固定于转子位置,因此矢量控制中的同步旋转轴系与转子旋转轴系重合,用dq坐标系表示。

定子磁势Fs沿旋转方向超前转子磁势Fr,旋转的定子磁势与转子磁势相互作用,吸引转子磁势旋转,即驱动转子与之同步旋转。

同步电动机的转矩角（定子电枢磁势和转子励磁磁势间的夹角）随负载变化,计算并保持=90就可以和无补偿绕组的直流电动机一样,基本实现解耦控制,即转子磁场定向的矢量控制。

根据检测的位置信号控制定子各相绕组电流,即可充分保持其定、转子磁势正交。

1.2矢量控制中的坐标变换同步旋转坐标系取转子永磁体基波励磁磁场轴线（磁极轴线）为d轴（直轴）,而q轴（交轴）顺着旋转方向超前d轴90电角度,dq轴系随同转子以电角速度（电角频率）r旋转。

由abc变换到dq并且满足功率不变约束的变换公式为:

idiq=23cosrcos（r-23）cos（r-43）-sinr-sin（r-23）-sin（r-43）iAiBiC

（1）要求精确控制的永磁同步电动机一般都配有位置传感器,因而可以方便又精确测得转子的位置r。

1.3永磁同步电动机数学模型永磁同步电动机转子采用高磁能积的稀土永磁体作磁极,省去了滑环和电刷。

转子磁极在气隙中产生正弦磁场,在定子绕组中感应出正弦电动势波形。

定子与绕线式同步电动机基本相同,输入三相正弦交流电流。

对于经过优化设计的隐极式永磁同步伺服电动机,经过Park变换后,其d、q坐标系下的数学模型可表示为下列方程式:

ud=Rid+Ldiddt-pLiq

（2）9永磁同步电动机调速系统微特电机2004年第9期设计分析Designandanalysis1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/uq=Riq+Ldiqdt+pLiq+pf（3）Te=32pfiq（4）Te=Jddt+B+Tl（5）其中:

ud、uq为d、q轴定子电压分量,id、iq为d、q轴定子电流分量;R、L分别为定子相电阻和相电感,p是转子极对数,是转速,f为转子磁链,Te为电磁转矩,Tl为负载转矩。

2永磁同步电动机调速系统总体结构伺服电机的性能直接决定了整个伺服系统的性能,高性能的伺服系统要求伺服电机具有转矩比高,动态响应快,易于控制等特点。

实验中使用永磁同步伺服电动机型号为8CB075型,定子绕组为三相星接,转子磁极采用新一代的钕铁硼（Nd2Fe14B1）永磁材料,表面贴四对磁极。

具体参数如表1所示。

伺服电机后接增量式光电编码器,分辨率为2000p/r,产生A、B、Z、U、V、W六路差分信号。

表18CB075型电机参数表额定电压额定功率额定转速额定转矩最大转矩200V750W3000r/min2.5Nm7.5Nm相绕组电阻同步电感电势系数转子惯量极对数1.25.2mH0.344V2.48gcms24伺服驱动器采用全数字化结构,通过高性能的硬件支持实现闭环控制的软件化。

其硬件结构如图1所示。

图1硬件电路结构图控制器采用TI公司的高性能数字信号处理器（DSP）TMS320F240。

该芯片为16位定点处理器,采用哈佛结构,运行速度快（20MHz）,外设接口多,资源丰富。

有两个AD模块,并且有一个外围事件管理器,集成了PWM产生、编码器位置信号检测等多种功能,为电机驱动提供了单片解决方案,极大简化了驱动系统的设计。

主电路采用三相全桥不控整流,三相正弦PWM逆变器变频的AC-DC-AC结构。

逆变部分使用智能功率模块IPM,三菱公司PM20CSJ060,该IPM将六只IGBT封装在一起,组成三相全桥逆变电路,体积小,重量轻,并且内部集成有驱动和保护电路,具有过压、过流等完备的保护功能。

额定参数为600V、20A,开关频率可达20kHz。

其外围电路主要包括六路PWM驱动信号加快速光耦隔离,驱动简单可靠。

驱动电路供电电压为+15V,由开关电源提供四路隔离的+15V电源。

电流采样使用串在电机绕组电路中的精密电阻作传感元件,用快速线性光耦隔离以保证控制电源的独立性,信号经差分驱动/放大,由DSP内置的10位的ADC进行采样。

主电路为避免上电时出现过大的瞬时电流和电机制动时产生过高的泵升电压,设有软起动电路以及能耗制动时的能量泄放回路。

驱动器的外部接口包括键盘/显示、控制接口、串行通信等。

3永磁同步电动机的控制策略在高性能闭环伺服驱动系统中,对伺服电动机一般都要求电磁转矩与输入转矩指令信号（输入电流）间应成线性关系,即电动机应有线性的数学模型。

线性化的电机模型可通过空间磁场定向的转矩矢量控制实现。

伺服电机的控制系统采用速度环、电流环的串联结构。

电流环调节周期是100s,速度环调节周期是1ms。

图2SVPWM原理示意图逆变器的脉宽调制采用适合于数字控制的SVPWM技术,原理如图2所示。

它以三相正弦波电压供电时交流电机的理想磁通轨迹为基准,用逆变器的八种开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆,使电机获得幅值恒定的圆形磁场即正弦磁通,从而达到较高的控制性能。

和SPWM方式相比,SVPWM可以获得更小的电流谐波含量与更大的电源电压利用率。

我们利用TMS320LF240的硬件功能实现SVPWM,节省了计算时间。

合成的电压矢量计算公式:

Vref=TxTVx+TyTVy+T0TV0（6）式中:

Vref为参考电压矢量,Vx、Vy为相邻的分矢量,T是PWM周期,Tx、Ty为分矢量的作用时间。

永磁同步电动机驱动系统经矢量变换后,系统在与转子同步旋转的d、q轴系下可实现电流的解01永磁同步电动机调速系统设计分析Designandanalysis微特电机2004年第9期1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/耦。

由于表贴磁极的电机交直轴电感相等,采用id=0,控制iq的转子磁场定向方法可简单的实现最大转矩控制。

图3为驱动系统在旋转坐标系下的数学模型。

图3永磁同步电动机驱动系统d、q轴模型电流控制环必须保证定子电流对矢量控制指令的准确跟踪,这样才能将电机模型中定子电压方程省略,或仅用小惯性环节代替,实现矢量控制。

简化的驱动系统闭环传函为:

G（s）=KTJS+Be-j（7）简化的系统模型如图4所示。

在旋转坐标系下设置快速响应的两个电流调节器,对直流量id、iq进行调节,将输出值通过坐标变换变换成静止坐标下的实际值。

电流调节器采用PI调节器,以使系统快速响应,消除稳态误差2。

图4驱动系统d、q轴简化模型转速控制器的设计目标为:

在系统稳定的条件下,尽量拓宽速度环节的带宽。

扩展调速范围,加快动态响应,消除稳态误差,保证速度控制的快速准确。

同时还要抑制参数变化和负载变化引起的扰动。

速度控制器采用改进的增量式PID控制。

增量式PID算法计算公式如下:

u=kp（ek-ek-1）+kIek+kD（ek-2ek-1+ek-2）=kPek+kIek+kDek（8）u=u+u（9）只采用经典的PID控制算法效果并不理想。

尤其积分的加入使得系统速度阶越响应的超调较大。

我们采用了两种改进的PID算法:

积分分离PID和遇限削弱积分PID。

积分分离PID算法即是当速度偏差大于限制时,为加快动态响应,不加入积分环节,只采用PD控制;当速度偏差进入限制时,加入积分环节,以消除稳态误差。

即|ek|时,Ki=0。

遇限削弱积分PID算法是当输出超过正限幅时,积分器只累加负偏差,当输出低于负限幅时,积分器只累加正偏差,这样可以使输出的控制量尽快退出饱和。

PID控制作为经典的控制方法,对数学模型明确并且参数固定的控制对象,通过调节控制器的参数,可以实现很好的控制效果。

但是,由于伺服系统调速范围宽（设计指标D=5000）,为实现精确定位要求低速性能好,并且伺服系统的负载变化范围大且变化频繁,如果速度控制器采用一组固定的调节参数,当输入给定变化或是系统参数变化时,传统的PID控制方法就很难得到令人满意的动态响应特性了。

因此,系统中采用了变参数的PID控制。

建立PID参数的数据库,通过检测环节和观测器对速度和负载变化进行实时观测,根据速度给定和负载选择不同的PID调节参数,以提高伺服系统的速度控制性能3。

图57为给定1000r/min速度阶跃响应实验曲线。

两种PID算法调节参数相同,由实验波形可以看出,改进的PID算法超调量和响应时间要远小于普通的PID算法,显著改善了伺服系统性能。

图5普通PID的速度响应图6积分分离PID的速度响应图7遇限削弱积分PID的速度响应参考文献1VasP,DruryW.Electricalmachinesanddrives:

presentandfutureC.MELECON,1996,1:

67742TanH,ChangJ,ChaffeeMA.PracticalmotioncontrolmodelingandPIdesignJ.AmericanControlConference,2000,1（6）:

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