永磁同步电机伺服系统的仿真研究(2)

引 言

永磁同步电机具有结构简单、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、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、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用。

虽然目前各种伺服系统中直流电机仍然占据很大一部分，但永磁同步电机正逐步取代直流电动机而成为伺服系统的主流。永磁同步电机的研究和应用近年来正在成为电机领域的热点。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、三菱公司、松下公司，德国西门子公司，美国Gettys公司、Kollmorgen公司等。目前，基于永磁同步电机伺服系统研究主要集中在电机数学模型分析方法的研究，现代控制理论以及智能控制策略的研究。

论文主要依据永磁同步电机的工作原理及结构特点，矢量控制的原理及数学模型，电压空间矢量PWM技术，伺服系统电流环、速度环、位置环的闭环分析等理论依据。通过运用Matlab中的Simulink对部分模块进行仿真，验证仿真结果与实际理论推导的一致性。

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第一章 绪论

伺服系统（servo system）是一种以机械位置、角度或者速度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。伺服系统的主要任务是实现执行机构即伺服电动机对位置、角度或者速度指令的跟踪。当给定位置、角度或者速度量随时变化时，系统的输出量能够快速准确无误的跟踪给定量。

1.1课题背景及研究意义

用于伺服系统中的驱动电动机称为伺服电动机，对它们的基本要求是可控性好、响应速度快、定位准确、调速范围宽等。

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术有了长足的进步，交流伺服系统将逐步取代直流伺服系统，借助于计算机技术、现代控制理论的发展，人们可以构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，己经由交流电力传动取代液压和直流传动。

二十世纪八十年代以来，随着价格低廉的钕铁硼(REFEB)永磁材料的出现，使永磁同步电机得到了很大的发展，世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电机及其伺服控制器的热潮，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，永磁同步电机伺服系统是主要的发展趋势。永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善。以往同步电机的概念和应用范围己被当今的永磁同步电机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。

由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，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、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、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、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用。

尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展，各种控制技术的应用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM、DTC自适应方法等都在实际中得到应用。然而，在实际应用中，各种控制策略都存在着一定的不足，如低速特性不够理想，过分依赖于

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电机的参数等等。因此，对控制策略中存在的问题进行研究就有着十分重大的意义。

1.2 国内外永磁同步电机伺服系统的现状

虽然目前各种伺服系统中直流电机仍然占据很大一部分，但永磁随着同步电动机正初见取代直流电动机而成为伺服系统的主流。同时随着人们生活和科技水平的提高，伺服系统正在向数字化、高效率化、小型化及高智能化的方向发展。因此,对其中的动力部件——电动机也提出了更高的要求。永磁同步电动机的研究和应用近年来正在成为电机领域的热点。

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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。

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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]。

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