以碼盤(pán)為傳感器的永磁電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)
張萬(wàn)峰 扈宏杰 張子忠 (上海交通大學(xué)200240)
摘 要 概述直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)應(yīng)用中的不同特點(diǎn)，介紹一種新穎的永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式，建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并確立其磁場(chǎng)定向矢量控制方式，設(shè)計(jì)了以混合式光電碼盤(pán)作傳感器的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)，給出其實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論。
敘 詞 同步電動(dòng)機(jī)永磁電機(jī)磁場(chǎng)定向控制光電碼盤(pán)
1引 言
電動(dòng)伺服技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)的核心部分之一，電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)在精密數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、半導(dǎo)體制造、工廠及辦公室自動(dòng)化等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)伺服技術(shù)主要包括伺服電動(dòng)機(jī)理論及技術(shù)、現(xiàn)代控制理論及技術(shù)、電力電子技術(shù)及傳感器技術(shù)，它在70年代趨于成熟，并逐漸滲透到各應(yīng)用領(lǐng)域。
在電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中，有刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)具有良好的控制性能，并在70年代獲得廣泛應(yīng)用，但是由于電刷和換向器的存在，運(yùn)行時(shí)需要定期維護(hù)和無(wú)法做到高速大容量，所以在現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用中受到限制。惑應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，無(wú)機(jī)械換向，隨著控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的日益成熟，以逆變器為驅(qū)動(dòng)電源的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速伺服系統(tǒng)在許多工業(yè)領(lǐng)域中被大量應(yīng)用，但是由于有矢量算法復(fù)雜、低速特性差、易發(fā)熱等缺點(diǎn)，使其在現(xiàn)代電動(dòng)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了一定限制[1]。
由于永磁材料的開(kāi)發(fā)，永磁電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)獲得了廣泛應(yīng)用，永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子或定子上裝有永磁磁鋼，以產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，由于永磁體可以產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，所以使其具有較高的功率密度和較小的體積，從而使得永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)具有較高的性能指標(biāo)。永磁電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)按驅(qū)動(dòng)類型的不同可分為兩種，正弦波驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng) 簡(jiǎn)稱pmsm和方波驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)稱bdcm，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)與無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的類似，使二者有許多共同之處，功率密度較高，體積較小，伺服性能優(yōu)越。但是
由于永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，調(diào)速范圍寬，其伺服性能優(yōu)越于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)，從而使其在交流伺服系統(tǒng)中占重要地位。
本文首先介紹研制的永磁同步電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后建立永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并確立其矢量控制方式，最后設(shè)計(jì)以混合式光電碼盤(pán)作傳感器的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制電路，并給出調(diào)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論[3]。
2永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成。
(1)永磁同步電動(dòng)機(jī)本體：永磁同步電動(dòng)機(jī)本體主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子上嵌有三相電樞繞組，轉(zhuǎn)子上裝有永磁體，這種結(jié)構(gòu)形式不僅使轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生熱，而且使電樞電流產(chǎn)生的熱易于散出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)本體的小型化。
(2)速度及位置傳感器：永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)不僅要檢出轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)，而且為實(shí)現(xiàn)速度伺服與位置伺服，也需要相應(yīng)精度的速度與位置傳感器，通常這兩方面的功能希望集中在一個(gè)傳感器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，目前，混合式光電碼盤(pán)在各類永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中被廣泛采用，研制的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)也采用混合式光電碼盤(pán)作為速度及位置傳感器。
(3)正弦波脈寬調(diào)制及驅(qū)動(dòng)控制電路：正弦波脈寬調(diào)制電路與驅(qū)動(dòng)控制電路足永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的重要組成部分，正弦波脈寬調(diào)制電路以一定的調(diào)制頻率觸發(fā)功率開(kāi)關(guān)器件以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并在控制電路的調(diào)節(jié)下實(shí)現(xiàn)速度伺服與位置伺服。
研制的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)本體采用9槽集中繞組結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子采用釹鐵硼永磁磁鋼，為抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，采用4對(duì)極斜極結(jié)構(gòu)。速度及位置傳感器采用混合式光電碼盤(pán)，碼盤(pán)同軸連接于永磁同步電動(dòng)機(jī)本體的非負(fù)載側(cè)。驅(qū)動(dòng)控制電路采用矢量控制下的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)，以igbt模塊組成三相橋式逆變電路作功率驅(qū)動(dòng)單元。
3永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制方式
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