永磁交流伺服技術(shù)
第一講永磁同步電動(dòng)機(jī)控制基本原理
高波 沈靖 王貴 (哈爾濱工業(yè)大學(xué)150001)
【編者按】圍繞永磁同步電動(dòng)機(jī)的控
制技術(shù)展開(kāi)。對(duì)以pmsm為伺服電機(jī)的交流伺服系統(tǒng)及其控制進(jìn)行較細(xì)致的說(shuō)明。講座分為四個(gè)專(zhuān)題，內(nèi)容包括永磁同步電動(dòng)機(jī)控制的基本原理、伺服控制器的設(shè)計(jì)方法及控制策略、伺服系統(tǒng)的構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)和pmsm伺服技術(shù)的應(yīng)用，旨在使讀者對(duì)永磁交流伺服技術(shù)有一個(gè)系統(tǒng)的了解。
隨著釤鈷、稀土、釹鐵硼等新型永磁材料的出現(xiàn)，永磁電機(jī)在很大程度上得到了發(fā)展和完善，用于各種場(chǎng)合。尤其在伺服領(lǐng)域，在電伺服逐漸取代液壓伺服的潮流中，以永磁交流電機(jī)作為伺服電機(jī)的伺服系統(tǒng)越來(lái)越得到人們的青睞，因?yàn)樗粌H具有普通交流伺服系統(tǒng)堅(jiān)固耐用、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，而且兼?zhèn)淞酥绷魉欧到y(tǒng)所有優(yōu)良的控制特性。
在永磁交流伺服系統(tǒng)中，應(yīng)用較為普遍的永磁交流伺服電機(jī)主要有兩類(lèi)：一類(lèi)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；另一類(lèi)為永磁同步電動(dòng)機(jī)。前者采用方波電流驅(qū)動(dòng)，后者是三相正弦波電流驅(qū)動(dòng)。盡管bdcm伺服系統(tǒng)有轉(zhuǎn)子位置傳感器簡(jiǎn)單、成本較低、材料利用率高、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但由于其原理上存在固有缺陷，使得轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，鐵心附加損耗較大，因此只適用一般精度及性能要求的場(chǎng)合；而pmsm伺服系統(tǒng)能克服bdcm系統(tǒng)的不足，常用于高精度、高性能要求的場(chǎng)合。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)永磁交流伺服技術(shù)的研究主要集中在pmsm伺服系統(tǒng)上，因此本講座將圍繞pmsm對(duì)永磁交流伺服技術(shù)進(jìn)行闡述。
1永磁同步電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)
永磁同步電動(dòng)機(jī)與一般感應(yīng)式同步機(jī)在定子結(jié)構(gòu)上是一致的，由三相繞組及鐵心構(gòu)成，且電樞繞組常以“y”連接；在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，pmsm是用永磁體取代感應(yīng)式同步機(jī)的勵(lì)磁繞組，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷；與普通電機(jī)相比，pmsm還必須裝有轉(zhuǎn)子永磁體磁極位置檢測(cè)器，用來(lái)檢測(cè)磁極位置，從而以此對(duì)電樞電流進(jìn)行控制，達(dá)到對(duì)pmsm伺服控制的目的。為保證系統(tǒng)精度及運(yùn)行質(zhì)量，多采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為pmsm的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，與pmsm轉(zhuǎn)子同軸連接，圖1是永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。
根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上安裝位置的不同，pmsm轉(zhuǎn)子可分為三類(lèi)：凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式，如圖2所示。
圖2a、b兩種結(jié)構(gòu)可減小轉(zhuǎn)子直徑，從而降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；若將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上還可獲得低電感，利于電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的改善，一般pmsm多采用這兩種形式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子是將永磁體裝于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，它的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度高，磁路氣隙小，適于弱磁控制的高速運(yùn)行場(chǎng)合。
為便于控制，pmsm的定子繞組常采用短距分布繞組，氣隙磁場(chǎng)設(shè)計(jì)為正弦波，以產(chǎn)生正弦波反電勢(shì)。
2 pmsm控制基本原理
任何電機(jī)調(diào)速控制的關(guān)鍵是對(duì)其轉(zhuǎn)矩的控制，轉(zhuǎn)速是通過(guò)轉(zhuǎn)矩改變的，對(duì)于pmsm也是一樣。在pmsm伺服系統(tǒng)中，無(wú)論是速度伺服控制還是位置伺服控制，都可轉(zhuǎn)化為對(duì)pmsm的轉(zhuǎn)矩控制，因此在電伺服技術(shù)中，轉(zhuǎn)矩控制是個(gè)重點(diǎn)。對(duì)于pmsm控制的基本原理，其實(shí)質(zhì)就是pmsm的轉(zhuǎn)矩控制原理，為了更好地闡述這一基本原理，先分析pmsm轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理。圖3是具有一對(duì)磁極的pmsm空間矢量圖。
圖中fr為轉(zhuǎn)子磁勢(shì)空間矢量，由于轉(zhuǎn)子是永磁體勵(lì)磁，故fr=const；fs是給定子通三相正弦交流電時(shí)產(chǎn)生的定子磁勢(shì)，fr與fs的夾角δ為轉(zhuǎn)矩角。當(dāng)定轉(zhuǎn)子磁極軸線重合，即δ=0或δ=π時(shí)，兩磁極系統(tǒng)處于穩(wěn)定或不穩(wěn)定平衡狀態(tài)；δ=0是穩(wěn)定平衡狀態(tài)(見(jiàn)圖3b)，此時(shí)只存在平衡磁拉力，而無(wú)任何轉(zhuǎn)
動(dòng)趨勢(shì)；δ=π時(shí)是不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，稍有擺動(dòng)即回復(fù)到δ=0狀態(tài)，可見(jiàn)這兩種狀態(tài)下，電機(jī)不能旋轉(zhuǎn)。為使電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，必須保持δ≠0(見(jiàn)圖3c)，這樣才能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和維持運(yùn)動(dòng)。根據(jù)電磁學(xué)原理，電機(jī)轉(zhuǎn)矩正比于定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)矢量的幅值與其夾角δ的正弦的乘積，即：
可見(jiàn)，δ=90o時(shí)，t有****值，在對(duì)pmsm的控制中，應(yīng)使fs⊥fr才能得到****的轉(zhuǎn)矩輸出。在圖3a中，若在轉(zhuǎn)子上建立如圖所示的dq軸系，令θ0為d軸與定子a相繞組軸線夾角，三相定子電流分別為ia、ib、ic，則：
w1為定子一相繞組匝數(shù)，若以d軸為參考坐 |
