发布时间 : 星期三 文章永磁同步电机伺服系统的仿真研究更新完毕开始阅读44740044f01dc281e53af0c6
国外生产永磁交流伺服系统产品的厂家很多，如日本安川电机公司、Fanuc公司、三菱公司、松下公司，德国西门子公司，美国Gettys公司、Kollmorgen公司等。其中美国Kollmorgen公司I.D.（Industrial Drives）工业驱动部分的Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术的最高水平。而国内在这方面起步较晚，但生产和应用规模也在快速增长，目前我国的华中科技大学、化京机床研究所、中科院沈阳自动化研究所等厂家单位打破了外国公司完全垄断的格局，并且我国永磁同步电机伺服产品在自动化、加点、电子信息产业等领域迅速得到应用[3]。
现有国内外永磁交流伺服性能主要体现在以下几个方面： 1. 采用IPM功率模块和基于DSP的全数字控制成为主流。
2. 能实现位置、速度、电流三环控制，电机运动的速度轨迹可以有直线型、梯形以及S形。
3. 高速、高精度和高响应速度，速度响应频率最高可达1KHZ。 4. 系统低速运行平稳，转速更加平滑。
5. 配备抑振算法，对低刚性机械的振动有抑制作用。
6. 具有自动调整算法，能自动检测机械负载及惯量的变化从而通过改变伺服增益保持系统性能不变。
7. 采用LED显示工作状态和通过键盘进行参数设定。
1.3 永磁交流伺服系统的技术进展
永磁同步电机伺服系统的发展与微处理器技术、电力电子技术、传感器技术、PWM控制技术、控制理论等密切相关，以下从上述几个方面把握一下永磁同步电机伺服系统的发展脉络[5]。 1.3.1微处理器
随着微电子技术的发展，数字信号处理（DSP）以其快速的运算能力、高可靠性和丰富灵活的指令系统成为伺服控制领域的主流控制芯片。作为伺服系统控制核心的DSP除了有中央处理单元，还有片内程序存储器、数据存储器以及片内外设。
电机专用DSP芯片具备[3]：
（1）用于定时中断的通用定时器；
（2）位置检测用正交编码脉冲电路和计数器；
（3）用于过流保护、智能功率模块（IPM）保护、Z脉冲等的外部用户中断，以及事件管理器中断和系统中断；
（4）电压、电流检测用ADC模块；
（5）内嵌的PWM产生电路和死区设置电路； （6）正反转、启停等用数字I\\O端口；
（7）用于变量显示和参数修改的通讯接口；
（8）防止程序“跑飞”或“死机”的看门狗电路； （9）系统保护用复位电路。 1.3.2电力电子器件
在电机控制中，电力电子器件及其装置时实现弱电控制的关键所在，随着新型可关断器件的实用化，使得高频化PWM技术成为可能。
3
目前，主要采用的功率器件是IGBT和IPM，IGBT的应用使控制系统的性能有了很大提高[4]：
（1）IGBT具有高输入阻抗和低通道压降的优点，驱动电路功率减少，开关器件发热减少；
（2）高载波控制，在脉宽调制中利于逆变器输出调制波波形；
（3）安全工作区宽、开关时间短,开关频率高，电机控制中可以达到20kHz，使之超过人耳的听觉范围，实现了电机运行的静音； （4）驱动电路简单，保护容易。
IPM（智能功率模块）是一种先进的功率开关器件，兼有GTR（大功率晶体管）和MOSFET（场效应晶体管）优点。而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减少了系统的体积，缩短了开发时间，也增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向，IPM在功率电子领域得到了越来越广泛的应用。 1.3.3传感器
永磁电机伺服系统为了进行闭环控制，需要有位置、速度和电流传感器等。
通常位置传感器要完成系统的转子位置控制检测，而且同时实现电机速度测量，常用的位置传感器有光电编码器和旋转变压器等。
光电编码器的优点是数据处理简单、信号噪声容限大、容易实现高分辨率，缺点是不耐冲击及振动、容易受温度变化影响、适应环境能力较差。按脉冲与对应位置关系，分为增光式光电编码器和绝对式光电编码器，前者输出两路正交的方波信号，脉冲对应角位移增量，角位移的基准点由每转输出一个的Z脉冲确定，后者在旋转码盘上制成8-12个码道，用不同的数码指示转子磁极位置。
1.3.4 PWM控制技术
电压源型PWM技术利用功率开关器件的开通和关断把直流电压变成一系列宽度不等的矩形电压脉冲序列，通过改变脉冲宽度和输出周期实现变压和变频。
PWM控制技术大体上课分为三大类：正弦波形PWM、优化PWM和随机PWM。 正弦波形PWM按照追求正弦波形的物理量不同，分为电压正弦（即通常的SPWM）、电流正弦PWM（即通常的电流值环控制）和 磁通正弦PWM（即通常的SVPWM）。
SPWM分为单极性调试和双极性调制。所谓单极性调制是指在输出的半个周波内同一相的两个导电臂仅一个反复通断，而另一个始终截止。 所谓双极性调制是指在输出的半个周波内同一相的两个导电臂互补交替通断。
电流正弦PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变[6]。
SVPWM即空间矢量PWM，它从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。由于该控制方法把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得模型简单、便于微处理器实时控制，并具有转矩脉动小、噪声低，直流电压利用率高的优点，因此，成为近年来最受欢迎的调制方法[7]。
4
1.4 本文的主要研究内容
永磁同步电机具有结构简单、体积小、转矩电流比高、易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高，在中小功率、高精度、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、机器人等场合获得广泛的应用。
所以，本文针对永磁同步电机基于转子磁链定向矢量控制数学模型，分析矢量控制原理，确立基于id=0的转子磁场定向的矢量控制方案。矢量控制是基于转子坐标系的，经过一系列的坐标变换，将电机的转子磁链和转矩解耦，分别对定子电流的励磁分量和转矩分量进行控制，并经过PI调节、电压空间矢量PWM控制实现双闭环控制系统。针对永磁同步电机伺服系统，给出电流、速度、位置等调节器的设计方法，对伺服控制需解决的一些主要问题，给出相应的解决办法。建立伺服系统的仿真模型，运用Matlab中的SIMULINK进行仿真研究给出部分结果，分析相应的结果，得到结论。
5
第2章 永磁同步电机及其数学模型
本章首先介绍了永磁同步电机的基本结构和分类，然后在此基础上对其数学模型进行了深入的研究，给出了永磁同步电机在三相静止坐标系（abc）、两相静止坐标系（α-β）和两相旋转坐标系（d-q）中的回路电压方程、磁链方程及其转矩方程并进行了坐标变换，为实现永磁同步电机的矢量控制奠定理论基础。
2.1 永磁同步电机的结构和分类
永磁同步电机主要由定子（电枢）和转子两大部分组成。 永磁同步电机的定子与普通同步电机的定子结构相似，由定子铁心、三相对称绕组、
[3][8]
机壳和端盖等部件构成。其中，定子铁心由冲有槽孔的硅钢片叠压而成，定子绕组采用短距分组绕组，目的是最大限度地消除谐波磁动势。另外，为了减少电动机的杂散损耗，定子绕组通常采用星型连接。当电枢三相对称绕组通入三相对称电流就可以得到一个圆形的空间旋转磁场。
转子是指电动机在运行状态下可以自由旋转的部分，通常由转轴、铁芯、永久磁钢等组成，其主要作用是在电动机气隙内产生足够的磁场强度，转子与通电后的定子绕组相互作用产生电磁转矩以驱动自身的运转。转子铁芯可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成，转子铁芯上安装有永磁体。
永磁同步电机根据转子磁极对数的不同，分为单级和多级，按其转子结构的不同可以分为三类：凸装式、嵌入式和内嵌式，如图2-1所示。凸装式是将永磁体安装在转子铁芯的表面，因为永磁材料的磁导率很接近空气的磁导率，所以在交轴（q轴）和直轴上的电感基本相同。嵌入式则将永磁体嵌入在转子轴的内部，因此交轴的电感大于直的
图2- 1永磁同步电机的分类
电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁转矩存在。内填式转子是将永磁体装在铁芯内部，其气隙比较小，适用于弱磁控制。另外，凸装式和嵌入式结构上较简单，转子直径较小，从而境地转动惯量，它有较大的此路气隙可获得低电感值，利于电动性能的改善，一般永磁同步电机多采用这种形式的转子结构。内填式永磁同步电机是将永磁体装于铁芯内部，制造工艺较为复杂，但机械强度高，一般适用于弱磁控制的高速运行场合。
当给永磁同步电机的定子通以三相对称的正弦交流电时，则产生圆形旋转磁场，同时永磁体转子产生恒定的电磁场，两种磁场相互作用产生的电磁力，推动转子旋转。如
6