摘 要：針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)定位速度快、精度高的要求，從轉(zhuǎn)子磁鏈定向的永磁同步電機(jī)矢量控制模型出發(fā)，分析了電機(jī)再生制動(dòng)的原理和過程，以及采用SVPWM調(diào)制方式下能量回饋的過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了理論分析的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng)；永磁同步電動(dòng)機(jī)；再生制動(dòng)；實(shí)驗(yàn)；矢量控制
0 引言
永磁同步電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、運(yùn)行可靠、易維護(hù)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類伺服系統(tǒng)中。伺服系統(tǒng)，也稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，其主要控制目標(biāo)是迅速跟蹤指令的任意變化。而制動(dòng)過程是影響伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的重要因素，尤其是定位過程，直接影響系統(tǒng)的定位速度與定位精度，并且影響處于頻繁起制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行的伺服系統(tǒng)的效率。因此，研究伺服系統(tǒng)的制動(dòng)過程對(duì)加快系統(tǒng)的定位速度，提高定位精度都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外已有論文針對(duì)制動(dòng)問題做了研究。
文獻(xiàn)[1]著重分析了再生制動(dòng)過程中電壓和電流的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[2]分析了再生制動(dòng)的方式及存在的不同狀態(tài)。本文基于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制模型，在d—g坐標(biāo)系下建立了再生制動(dòng)狀態(tài)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分析了再生制動(dòng)的原理和過程，以及采用SVPWM調(diào)制方式下能量回饋過程，并以實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析。
1 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)
根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)在d—g坐標(biāo)系下的方程，控制id=O是一種簡(jiǎn)單易行的控制方法，在產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩一定情況下，所需定子電流最小，可以大大降低銅耗，提高效率。采用id=O的控制方式，電磁轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)子磁鏈及定子電流g軸分量成正比，又由于與iq相互解耦，因此只要在運(yùn)行過程中保證id=O，電磁轉(zhuǎn)矩就只受定子電流g軸分量的控制，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制獲得與直流電動(dòng)機(jī)相同的控制性能。在矢量控制轉(zhuǎn)速模型的基礎(chǔ)上，加入位置環(huán)，即可得到轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的永磁同步電機(jī)伺服控制模型，如圖1所示。系統(tǒng)包含位置、速度、電流三個(gè)閉環(huán)，均采用PI調(diào)節(jié)器，主要包括定子電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)子位置與速度檢測(cè)、位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、Clarke變換、Park變換與反變換、電壓空間矢量SVPWM調(diào)制等環(huán)節(jié)。
2 永磁同步電動(dòng)機(jī)制動(dòng)方式分析
2．1 再生制動(dòng)過程分析
根據(jù)電機(jī)在d—g坐標(biāo)系下的方程，可以得到轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制下的電機(jī)運(yùn)行相量圖，如圖2所示。其中E、U、ψf、Is、Xq、Rs分別為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)、電樞電壓、轉(zhuǎn)子磁鏈、電樞電流、交軸電抗、定子電阻。
電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，diq／dt=O，并且忽略定子電阻壓降，可得電機(jī)電壓方程：
當(dāng)電機(jī)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速給定為零。制動(dòng)過程主要分為三個(gè)階段：
(1)g軸電流反向過程。
轉(zhuǎn)速給定為零，轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出，即g軸電流給定信號(hào)是從io到一iqmax的階躍信號(hào)，使得電流環(huán)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)uq變小，定子g軸電流iq迅速下降，電流變化率由下式?jīng)Q定在這個(gè)過程中，定子g軸電流從i0變化到一iqax，通常iqmax (2)穩(wěn)定制動(dòng)階段。
當(dāng)定子g軸電流達(dá)到反向****值后，定子電壓和電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)建立起新的平衡，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定制動(dòng)狀態(tài)，如圖2(b)所示。此時(shí)電機(jī)定子電壓us落后于反電勢(shì)E，功率角6為負(fù)值，電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。該過程是再生制動(dòng)的主要過程。
在此過程中，逆變器將轉(zhuǎn)子及負(fù)載儲(chǔ)存的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能回饋給直流側(cè)。由電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程：
電機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同作用下恒加速度減速運(yùn)行，速度線性下降。
在該減速階段，有diq／dt=O，于是g軸電壓方程為uq=一Rsiqmax+ωrψf (5)由式(5)可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速線性減小時(shí)，為維持電壓方程平衡，uq也相應(yīng)減小，而uq信號(hào)由電流調(diào)節(jié)器輸出，電流調(diào)節(jié)器采用PI控制。為保證uq線性減小，PI調(diào)節(jié)器輸入必須始終存在一小于零的偏差，即iqmax 在該線性減速過程中，由坐標(biāo)變換可得定子坐標(biāo)系中三相電流表達(dá)式為：
由式(6)可知，該過程中，電機(jī)三相電流幅值不變，頻率隨速度線性下降。
(3)能耗制動(dòng)階段。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近零時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)較小，不足以提供制動(dòng)電流，此時(shí)iq上升，使得電流調(diào)節(jié)器輸出uq反相，從而電源與電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)共同產(chǎn)生制動(dòng)電流，所提供能量全部消耗在電樞電阻上，即進(jìn)入能耗制動(dòng)狀態(tài)直到電機(jī)停止。
2．2 再生制動(dòng)過程能量回饋分析本系統(tǒng)采用電壓空間矢量SVPWM調(diào)制。以半個(gè)SVPWM信號(hào)周期為例，分析回饋發(fā)電制動(dòng)階段能量流動(dòng)過程。假設(shè)電機(jī)在某時(shí)刻位于電角度θr=-π/2位置，反電動(dòng)勢(shì)方向與d軸重合，如圖3(a)所示。
設(shè)此時(shí)功率角δ大于一60°，則定子電壓矢量位于第6區(qū)間，如圖3(a)所示。此時(shí)電壓空間矢量us可以由u0、u300和零矢量合成，其一個(gè)開關(guān)周期Ts中信號(hào)時(shí)序如圖3(b)所示。圖中的矢量及其作用時(shí)間沿TS中線對(duì)稱分布，考慮前半個(gè)周期中的4個(gè)開關(guān)狀態(tài)。
當(dāng)給定為零矢量00(000)時(shí)，A相下橋臂V4管導(dǎo)通，并通過續(xù)流二極管D6D2構(gòu)成三相回路，如
圖4(a)所示。在此過程中，電機(jī)定子電阻消耗一部分能量，另外的一部分能量?jī)?chǔ)存在定子電感中。此后給定電壓矢量為u0(100)，此時(shí)A相下橋臂關(guān)斷，續(xù)流二極管D，導(dǎo)通，能量反饋到直流母線側(cè)，如圖4(b)所示。電機(jī)將電感中儲(chǔ)存的能量和在V4截止時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的凈電能回饋至直流側(cè)。當(dāng)加上電壓矢量u00(101)時(shí)，C相上橋臂V5管導(dǎo)通，續(xù)流二極管D2截止，流過續(xù)流二極管D1的電流一部分反饋回直流側(cè)，另一部分經(jīng)過V5構(gòu)成回路，如圖4(c)所示。能量一部分消耗在定子電阻，另一部分反饋回直流側(cè)。當(dāng)加上電壓零矢量O1(11 1)時(shí)，B相上橋臂V3管導(dǎo)通，續(xù)流二極管D6截止，電機(jī)相當(dāng)于3相短路，由于3相反電動(dòng)勢(shì)存在，定子電感中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量增加。制動(dòng)過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，通過逆變器中的續(xù)流二極管反饋至直流側(cè)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，反電動(dòng)勢(shì)減小，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不足以達(dá)到使逆變器上橋臂續(xù)流二極管開通時(shí)，能量反饋過程結(jié)束。
間約為150 ms，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，決定此階段持續(xù)時(shí)間的主要因素是電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的限幅值iqmax;t3階段為能耗制動(dòng)階段。由于反電勢(shì)較小，不足以提供制動(dòng)電流，從而電源與電機(jī)反電勢(shì)共同產(chǎn)生制動(dòng)電流，能量全部消耗在電樞電阻上，直到轉(zhuǎn)速停止。此過程持續(xù)時(shí)間約為80 ms。實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。
4 結(jié) 論
永磁同步電機(jī)再生制動(dòng)的過程，經(jīng)歷了g軸電流反向、穩(wěn)定制動(dòng)和能耗制動(dòng)三個(gè)主要階段。隨著轉(zhuǎn)速給定的變化，定子g軸電流iq迅速下降，而后電機(jī)轉(zhuǎn)速線性下降，最后剩余的能量以能耗制動(dòng)的方式消耗在定子電阻上。電機(jī)轉(zhuǎn)速線性下降的穩(wěn)定制動(dòng)階段，能量從電機(jī)通過逆變器流向直流側(cè)被加以利用，此階段是制動(dòng)過程的主要階段，決定了再生制動(dòng)的速度。需要設(shè)置合適的調(diào)節(jié)器參數(shù)，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的精確控制。
在制動(dòng)過程中，逆變器要把電機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載儲(chǔ)存的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能回送給直流側(cè)，由于整流器不可逆，直流側(cè)的電壓將會(huì)升高，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大、高速的情況下，如果采用該方法制動(dòng)，將危及變流裝置的安全，因此在電機(jī)制動(dòng)時(shí)，必須考慮泵升電壓的問題，可以在逆變器直流側(cè)加制動(dòng)電阻來消耗部分能量。
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