交流永磁同步伺服电机及其驱动技术2013.pptx
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1、第四章 交流永磁同步电机及其驱动技术 1、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2、交流永磁同步电机磁场定向控制技术、交流永磁同步电机磁场定向控制技术3、交流永磁同步电机、交流永磁同步电机PWM控制控制4、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:u它的电枢绕组在转子上不利于散热;u由于绕组在转子上,转子惯量较大,不利于高速响应;u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。u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。u交流电机就是这种结构的电机。u交流电机有两大类:永磁同步电
2、机 异步(感应)电机 4.1 交流永磁同步电机结构交流永磁同步电机结构 和工作原理和工作原理 正弦波永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)梯形波永磁同步电动机(Brushless DC Motor,BLDC)交流永磁同步电动机主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。定子采用三相对称绕组结构,它们的轴线在空间空间彼彼此相差此相差120度。度。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。4.1 交流永磁同步电机结构交流永磁同步电机结构 和工作原理和工作原理定子三相绕组采用正弦绕组;由三相逆变器提供定子
3、绕组的三相对称电流产生旋转磁场,拖动永磁转子同步旋转;定子绕组的通电频率以及由此产生的旋转磁场转速取决于转子的实际位置和转速;正弦波正弦波PMSM属于自控式、无刷结构同步电动机属于自控式、无刷结构同步电动机4.1 交流永磁同步电机结构交流永磁同步电机结构 和工作原理和工作原理4.1 交流永磁同步电机结构交流永磁同步电机结构 和工作原理和工作原理当对称三相绕组接通对称三相电源后,流过绕组当对称三相绕组接通对称三相电源后,流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场,其转速的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场,其转速为为:式中式中f 电源频率;电源频率;p定子极对数。定子极对数。即磁场的转速正比于电源
4、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。4.1 交流永磁同步电机结构交流永磁同步电机结构 和工作原理和工作原理三相交流异步电动机工作原理简介:三相交流异步电动机工作原理简介:(1)当三相异步电机接入三相交流电源时,三相定子绕组流)当三相异步电机接入三相交流电源时,三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势(定子旋转磁动势)并产过三相对称电流产生的三相磁动势(定子旋转磁动势)并产生旋转磁场。生旋转磁场。(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感
5、应根据电磁感应原理原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。转子导体产生感应电动势并产生感应电流。(3)根据电磁力定律,载流的转子导体在磁场中受到电磁力)根据电磁力定律,载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用,形成电磁转矩,驱动转子旋转,当电动机轴上带机械作用,形成电磁转矩,驱动转子旋转,当电动机轴上带机械负载时,便向外输出机械能。电机的转速(转子转速)小于负载时,便向外输出机械能。电机的转速(转子转速)小于旋转磁场的转速,从而叫为异步电机。旋转磁场的转速,从而叫为异步电机。s=(ns-n)/ns。s为转为转差率,差率,ns为磁场转速,为磁场转速,n为转子转速。为转子转速。三相异步电动机的转速
6、永远低于旋转磁场的同步转速,使转三相异步电动机的转速永远低于旋转磁场的同步转速,使转子和旋转磁场间有相对运动,从而保证转子的闭合导体切割子和旋转磁场间有相对运动,从而保证转子的闭合导体切割磁力线,感生电流,产生转矩。转速的差异是异步电机运转磁力线,感生电流,产生转矩。转速的差异是异步电机运转的必要条件。在额定情况下,转子转速一般比同步转速低的必要条件。在额定情况下,转子转速一般比同步转速低2-5%。4.1 交流永磁同步电机结构交流永磁同步电机结构 和工作原理和工作原理永磁同步交流电机定子转组产生旋转磁场的机理与定子转组产生旋转磁场的机理与异步感应电机是相同的。异步感应电机是相同的。其不同点是转
7、子为永磁体且其不同点是转子为永磁体且n与与ns相同(同步)。相同(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。4.1 交流永磁同步电机结构交流永磁同步电机结构 和工作原理和工作原理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=KtI。I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Fs是由三相交流电产生的,绕组中的电压
8、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?20世纪世纪70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。通通过过坐坐标标变变换换,把把交交流流电电机机中中交交流流电电流流的的控控制制,变变换换成成类类似似于于直直流流电电机机中中直直流流电电流流的的控控制制,实实现现了了力力矩矩的的控控制制,可可以以获获得得和和直直流流电电机机相相似似的的高高动动态
9、态性性能能,从从而而使使交交流流电电机机的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。4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制永磁同步电机的定子中装有三相对称绕组a,b,c,它们在空间彼此相差空间彼此相差120度度,绕组中通以如下三相对称电流:即每个绕组中电流的幅值和相位都是随时间变化的,且彼此在相位(与时间有关)上相差相位(与时间有关)上相差120度度。旋转磁场是三相电流共同作用的结果,引入电流空间矢量的概念来描述这个作用。在电机定子上与轴垂直的剖面上建立一静止坐标系(a,b,c),其原点
10、在轴心上,三相绕组的轴线分别在此坐标系的a,b,c三个坐标轴上。每一相相电流幅值和极性随时间按正弦规律变化。可用空间矢量描述,方向始终在a,b,c坐标系中各相的轴线上。定义合成定子电流矢量合成定子电流矢量为: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形成旋转磁场。4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制u定义了合成定子电流矢量后,则定子绕组的总磁势矢量为定义了合成定子电流矢量后,则定子绕组的总磁势矢量为 N定子绕组线圈总匝数定子绕组线圈总匝数u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入的仅仅是为了描述方便引入的虚拟量虚拟量。u注意区分电流矢
11、量和电工学中分析正弦电路时所用到的阻抗注意区分电流矢量和电工学中分析正弦电路时所用到的阻抗相量相量。前者反映的是各个量的空间、时间关系,而后者描。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。述的仅是时间关系。4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制 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Fr与与Fs相互垂直,则因转子磁势相互垂直,则因转子磁势Fr为常为常数,且数,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。4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁
12、同步电机磁场定向控制问题可归结为问题可归结为:1.定子合成电流是一个时变量,如何把时变量转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?换为时不变量?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.定子合成电流仅是一个虚拟的量,并不是真正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实到三相的物理量,力矩的控制最后还是要落实到三相电流的控制上,如何实现这个转换?电流的控制上,如何实现这个转换?4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制u为了解决上面提到的这些问题,设想为了解决上面提到的这些问题,设想建立一个
13、以电源角频率旋转的建立一个以电源角频率旋转的旋转坐旋转坐标系标系(d、q)。)。u 从静止坐标系(从静止坐标系(a,b,c)上看,合成定上看,合成定子电流矢量在空间以电源角频率旋转子电流矢量在空间以电源角频率旋转从而形成旋转磁场,是时变的。从而形成旋转磁场,是时变的。u从动坐标系(从动坐标系(d、q)上看,则合成)上看,则合成定子电流矢量是静止的,也即从时变定子电流矢量是静止的,也即从时变量变成了时不变量,从交流量变成了量变成了时不变量,从交流量变成了直流量。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 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制u通过通过坐标变换
14、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标系静止坐标系变换到变换到旋旋转坐标系转坐标系上。上。u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;流的数值;u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。u将虚拟的合成电流转换成实际的绕组电流,从而实现电机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力矩的控制。u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 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制Clarke变换(a,b,c)是复数平面
15、上的三相是复数平面上的三相静止坐标系静止坐标系。(,)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。轴与轴与a轴重合,轴重合,轴与轴与a轴垂直。轴垂直。定义在(定义在(a,b,c)坐标系中的空间电流矢量可通过如下运算坐标系中的空间电流矢量可通过如下运算变换到坐标系(变换到坐标系(,)中:中:4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制用矩阵可表示为 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制Park变换定义一个以转速旋转的直角坐标系,其转角为=t在此坐标系中电流矢量是一个静止矢量,其分量id,iq也就成了非时变量(直流量)。由几何关系可得出空间
16、矢量从(,)坐标系到(d,q)坐标系的变换关系:4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制现在得到了从ia,ib,ic到id,iq的变换。求逆即是反变换。式中,可由传感器测量得到。4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制在(在(d,q)坐标系中,合成定子电流是一个标量,坐标系中,合成定子电流是一个标量,可表示为:可表示为:如果使如果使is在在q轴上(即让轴上(即让id=0),使转子磁极在,使转子磁极在d轴轴上,定子磁场磁极在上,定子磁场磁极在q轴上,则,轴上,则,即定子磁场与转子磁场相互垂直,此时电机的力即定子磁场与转子磁场相互垂直,此时电机的力矩
17、为矩为在(在(d,q)坐标系中,我们可象直流电机那样,通坐标系中,我们可象直流电机那样,通过控制电流来改变电机的转矩。过控制电流来改变电机的转矩。4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制uid,iq并不是真实的物理量,电机力矩的控制最终还是定并不是真实的物理量,电机力矩的控制最终还是定子绕组电流子绕组电流ia,ib,ic或定子绕组电压或定子绕组电压ua,ub,uc实现,实现,u因此,必须将虚拟量变换回这些真实的物理量,这可通因此,必须将虚拟量变换回这些真实的物理量,这可通过如上过如上clarke、Park变换的逆变换实现。变换的逆变换实现。4.2 交流永磁同步电机磁场定
18、向控制交流永磁同步电机磁场定向控制 磁场定向控制的实现n力矩的控制由力矩回路实现。力矩的控制由力矩回路实现。n图中电流传感器测量出定子绕组电流图中电流传感器测量出定子绕组电流ia,ibia,ib作为作为clarkeclarke变换的输入,变换的输入,icic可由三可由三相电流对称关系相电流对称关系ia+ib+ic=0ia+ib+ic=0求出。求出。nclarkeclarke变换的输出变换的输出i i,i i ,与由编码器测出的转角,与由编码器测出的转角作为作为parkpark变换的输入,变换的输入,其输出其输出i id d与与i iq q作为电流反馈量与指令电流作为电流反馈量与指令电流i id
19、refdref及及i iqrefqref比较,产生的误差在力矩比较,产生的误差在力矩回路中经回路中经PIPI运算后输出电压值运算后输出电压值ud,uqud,uq。n再经逆再经逆ParkPark变换将这变换将这u ud d,u,uq q变换成坐标系中的电压变换成坐标系中的电压u u,u,u。nSVPWMSVPWM算法将算法将u u,u,u转换成逆变器中六个功放管的开关控制信号以产生三相定转换成逆变器中六个功放管的开关控制信号以产生三相定子绕组电流。子绕组电流。n速度指令(一般是位置回路的输出)与由光电编码器测量出的电机实际速度相速度指令(一般是位置回路的输出)与由光电编码器测量出的电机实际速度相
20、比较,误差在速度回路中经比较,误差在速度回路中经PIPI运算后作为力矩回路的指令值。运算后作为力矩回路的指令值。4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制实现磁场定向控制的程序流图 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制(d,q)坐标系的初始建立 如何使转子磁场在如何使转子磁场在d轴上,使定子磁场在轴上,使定子磁场在q轴上轴上?1)首先使iqref=0,idref为一常量,在电流回路作用下,定子绕组电流建立的磁场将吸引转子磁极与之对准;4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制2)在Park变换和逆变换中将增加90,即合成定
21、子电流矢量瞬间旋转90,而转子磁极在此瞬间仍停留在原来的位置,这相当于(d,q)坐标系旋转了90;3)现在电流矢量被移动到q轴上,转子磁极仍然在d轴上,即两个磁极处于正交状态;4)转子趋于与定子磁势对准,一旦转子开始旋转,DSP根据编码器测量出的新的转子位置,通过矢量变换算法不断更新电流矢量,以维持两个磁场始终处于正交状态。4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 PMSM驱动器的主回路一般采用交直交的结构。IGBT(Insulated-gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管)绝缘栅
22、双极型晶体管 由由MOSFET(绝缘栅型场效应管)和和BJT(双极型三极管)复合而成,结合二者复合而成,结合二者的优点。的优点。BJT的特点的特点电流驱动,开关速度较低,所需驱动功率大,驱动电路复杂。电流驱动,开关速度较低,所需驱动功率大,驱动电路复杂。但集电极和发射极间导通压降低。但集电极和发射极间导通压降低。MOSFET的优点的优点电压驱动,开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所电压驱动,开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小而且驱动电路简单,但耐压越高源极和漏极间的电阻越大。需驱动功率小而且驱动电路简单,但耐压越高源极和漏极间的电阻越大。4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步
23、电机的PWM控制控制 交流电机系统也普遍采用交流电机系统也普遍采用PWM的控制技术产生绕组电的控制技术产生绕组电压和电流。压和电流。据统计,已见著文献的交流电机据统计,已见著文献的交流电机PWM控制方法有数十控制方法有数十种之多,种之多,研究主要集中在如何实现高效率、低谐波、易实现等方研究主要集中在如何实现高效率、低谐波、易实现等方面。面。常用的方法有三种:常用的方法有三种:正弦波脉宽调制(正弦波脉宽调制(SPWM)空间矢量脉宽调制(空间矢量脉宽调制(SVPWM)电流跟踪控制。电流跟踪控制。4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 SPWM技术(Sinusodal Pulse
24、 Width Modulation)n用直流电压信号去调制三角波信号,得到一个脉冲序列。用直流电压信号去调制三角波信号,得到一个脉冲序列。n占空比由直流电压幅值决定。占空比由直流电压幅值决定。4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 用正弦波信号去调制三角用正弦波信号去调制三角波信号,会得到一个占空波信号,会得到一个占空比按正弦规律变化的脉冲比按正弦规律变化的脉冲序列。序列。脉冲的频率由三角波频率脉冲的频率由三角波频率决定,脉冲的占空比由电决定,脉冲的占空比由电压幅值决定。压幅值决定。脉冲序列可能包含各次谐脉冲序列可能包含各次谐波的频谱成份,但其基波波的频谱成份,但其基波由调
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- 交流 永磁 同步 伺服 电机 及其 驱动 技术 2013
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