永磁同步电机伺服系统的仿真研究(4)

?i??abc／??变换 ????i???2??3???2332?0??i???a? （2-10） ?i3??b???id??cos???／dq变换 ?????iq???sin??i???cos?dq／??变换 ??=??i???sin?sin???i???? （2-11） cos????i???sin???id? ?? （2-12）?icos???q?变换中使用的系数23是保证电机电枢绕组在不同坐标下的合成磁势大小相等、方向相同和电机模型变换前后遵循功率不变这两个基本原则。 2.3.3 矢量控制策略分析

根据矢量控制原理，在不同的应用场合可选择不同的磁链矢量控制作为定向坐标轴。目前存在四种磁场定向控制方式：转子磁链定向控制，定子磁链定向控制，气隙磁链定向控制和阻尼磁链定向控制。对于PMSM主要采用转子磁链定向方式，该方式对交流伺服系统等小容量驱动场合特别适合。按照控制目的可以分为：id=0控制[14]、cos?=1控制[13]、总磁链恒定控制、最大转矩电流控制[15]、最大输出功率控制、转矩线性控制、直接转矩控制等。它们各有各的特点：id=0控制最为简单，cos?=1控制可以降低与之匹配的变频器容量，恒磁链控制可以增大电动机的最大输出转矩等。 （1）id=0控制是一种最简单的电流控制方法，该方法由于电枢反应没有直轴去分量而不会产生去磁效应，不会出现永磁电机退磁而使电机性能变坏的现象，能保证电机的电磁转矩和电枢电流成正比。其主要的缺点是功角和电动机端电压均随负载而增大，功率因数低，要求逆变器的输出电压高，容量比较大。另外，该方法输出转矩中磁阻反应转矩为0，未能充分利用永磁同步电机的力矩输出能力，电机的力能指标不够理想。 （2）力矩电流最大控制在电机输出力矩满足要求的条件下使定子电流最小，减小了电机的铜耗，有利于逆变器开关器件的工作，逆变器损耗也最小。同时，运用该控制方法由于逆变器需要的输出电流小，可以选用较小运行电流的逆变器，使系统运行成本下降。在该方法的基础上，采用适当的弱磁控制方法，可以改善电机高速时的性能。因此该方法是一种较适合于永磁同步电机的电流控制方法。缺点是功率因数随着输出力矩的增大下降较快。

（3）cos?=1控制方法使电机的功率因数恒为1，逆变器的容量得到充分利用。但是在永磁同步电机中，由于转子励磁不能调节，在负载变化时，转矩绕组的总磁链无法保持恒定，所以电枢电流和转矩之间不能保持线性关系。而且最大输出力矩小，退磁系数大，永磁材料可能被去磁，造成电机电磁转矩、功率因数和效率的下降。

（4）恒磁链控制方法就是电机定子电流，使气隙磁链与定子交链磁链的幅值相等。这种方法在功率因数较高的条件下，一定程度上提高了电机的最大输出力矩，但仍存在最大输出力矩的限制。

10

以上各种电流控制方法各有特点，适用于不同的场合。本课题选择的id=0转子磁链定向矢量控制方案相对于其他控制方法而言最简单易行，而且该控制方法凸装式永磁同步电机来说也是力矩电流比最大控制，具有相应的优良特性，因此使得电机的调速更容易实现。

2.4 基于id=0的转子磁链定向控制

所谓转子磁链定向控制，就是把定向坐标系的M轴定向在转子磁链矢量?e上，并与它同步旋转，T轴逆时针超前M轴90°电角度，即M轴与转子的几何轴线d轴重合，T轴和q轴重合。由于M—T轴系和d—q轴系重合，M—T轴系的同步电动机数学模型实际上也是d—q轴系上的数学模型。把矢量在d、q轴上分解，并考虑到转子磁链定向，可以得到转子磁链方程

??Lmd转矩方程

erD?LDqsrD?LDdsL2md id?(Le?)ie （2-13）

rD?LDdsssTd?pmLmdeS?iT （2-14） Le式中 pm——电动机的极对数；Lmd、Le——电动机的结构参数

同步电动机转子磁链定向控制时，转矩只与转子磁链?e及定子电流的转矩分量iTS（iqS）成正比，且?e和iTS相互解耦，彼此独立，只要很好地控制转子励磁电流ie和定子电流的励磁分量iMS，保持转子磁链?e幅值恒定，则电磁转矩Td只受定子电流的转矩分量iTS控制，这样同步电动机的矢量控制变频调速就和直流他励电动机的调压调速具有完全相同的品质。

由式2-13可知，转子磁链?e和ids、ie的关系复杂。为了简化控制系统，可把定子电流矢量始终控制在T轴（q轴）上，即定子电流无M轴（d轴）励磁分量，iqS=is，即ids=0，那么转子磁链为一恒定值，电磁转矩只与定子电流的幅值成正比。 PMSM采用id=0的转子磁链定向控制后，电动机的转矩方程为

Te?p?fiq (2-15)

此时，转矩Te和电流iq成线性关系，只要对iq进行控制就达到了控制转矩的目的。并且，在凸装式永磁同步电机中，保持id=0可以保证用最小的电流复制得到最大的输出转矩。[17]

通过以上分析，只要能准确地检测出转子空间位置（d轴），通过控制逆变器使三相定子的合成电流（磁动势）位于q轴上，那么，只要控制定子电流的幅值，就能很好的控制电磁转矩，这和直流电动机的控制原理类似。本课题正是采用的这种控制策略。

综合以上各节的理论阐述和分析，可以得出永磁同步电机的伺服控制方案如图 2-4 所示，其伺服控制的主要思想是[16]：

11

(1) 根据位置速度传感器返回的速度信息，计算所需速度和实际速度ω 的偏差作为速度 PI 控制器的输入，它的输出就是所需的电流分量。

(2) 将采样获得的相电流经过 Clarke 变换和 Park 变换转换为 dq 坐标系中的实际电流，然后与所需的电流分量进行比较，将偏差输入到电流 PI 控制器，从而由电流 PI 控制器输出所需的电压分量。

(3) 把电流 PI 控制器输出的电压分量经过 Park 逆变换到然后输入到空间矢量脉宽调制（SVPWM）模块中，从而产生一组新的 PWM 波，并结合三相逆变器将重新生成的三相定子电压矢量送入到永磁同步电机中，使电机能按照新的速度指令进行运转，由此完成了整个系统的速度伺服控制过程。

Vdc?ref?PIiqrefPIPIVqrefVdrefPark?1SVPWM3-phaseIvverteridrefej0iqi?VaiaClarkeVbVcid位置速度传感器Parki?ibicPMSM

图2-4 永磁同步系统伺服系统控制方案

2.5 本章小结

矢量控制是当前高性能交流调速系统一种典型的控制方案。永磁同步电动机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速和定位控制。在永磁同步电机转子dq数学模型的基础上，分析了永磁同步电机矢量控制的原理，给出了id=0基于转子磁链定向方案的特点及实施，确立了采用id=0基于转子磁场定向的矢量控制方案。

12

第3章 永磁同步电机的伺服系统

伺服系统与普通的调速系统有着紧密联系但又有明显不同。普通调速系统希望有足够的调速范围、稳速精度和快且平稳的启、制动性能。而位置伺服系统，一般是以足够的位置控制精度(定位精度)和足够快的跟踪速度(最大快移速度)来作为它的主要控制目标。本章将详细介绍永磁同步电动机伺服系统电流、速度、位置调节器的设计及在伺服控制中所用到的控制策略，并进行了仿真研究。

3.1 永磁同步电机伺服系统的设计

通常永磁同步电动机伺服控制系统由位置环、速度环、电流环三闭环构成，其动态结构框图如图3-1所示[18][19]。

K?E???r?+?GAPRnr???nfGASRiq???f?GACRU??1Rs?LssPn?fTlT??1Js?Bn?2?60sKfn

图3-1 伺服系统三闭环动态结构图

?图中，?r?、?f分别为位置给定与反馈，nr?、nf分别为转速给定与反馈，iq、iq分别为交轴电流给定与反馈，U?、E?分别为电机相电压、相电势(U?、E?为等效的直流量），K?为电机电势系数，pn为电机极对数，?f为永磁体的磁链，pn?f(?KT)为电磁转矩与转矩电流的比例系数，T、TL分别为电磁转矩与负载转矩，?为电流反馈系数，J为电机的转动惯量，B为摩擦系数，Kfn为转速反馈系数，Rs、Ls分别为电机定子电阻和电感，GAPR、GASR、GACR分别为位置、速度、电流调节器。

当采用传统PID调节器时，永磁同步电动机伺服控制系统属于多环系统，按照设计多环系统的一般方法来设计控制器，即从内环开始，逐步向外扩大，一环一环地进行设计。首先设计好电流调节器，然后把电流环看作转速环中的一个环节，再设计转速调节

器，最后再设计出位置调节器。这样整个系统的稳定性就有可靠的保证，并且当电流环或速度环内部的某些参数发生变化或受到扰动时，电流反馈与速度反馈能对它们起到有效的抑制作用，因而对最外部的位置环工作影响很小。 3.1.1电流调节器的设计

电流控制[20]是交流伺服系统中的一个重要环节，它是提高伺服系统控制精度和响应速度，改善控制性能的关键。伺服系统要求电流控制环节具有输出电流谐波分量小、响应速度快等性能，因此，需要求得电流环控制对象的传递函数。电流环控制对象为:PWM逆变器（PWM信号形成、延时、隔离驱动及逆变器)、电机电枢回路、电流采样和滤波

13

电路。按照小惯性环节的处理方法，忽略电子电路延时，仅考虑主电路逆变器延时，PWM逆变器看成是时间常数Ts（Ts?1/f，f为逆变器工作频率)的一阶小惯性环节。电机电枢回路有电阻Rs、Ls为一阶惯性环节。但是电机存在反电势，虽然它的变化没有电流变化快，但对电流环的调节有影响。低速时，由于电动势的变化与电机转速成正比，它相对电流而言，在一个采样周期内，可以认为是一恒定扰动，其低速时数值相对于直流电压而言较小，对于电流环的动态响应过程可以忽略。高速时，因电动势扰动，使外加电压与电动势的差值减小。电机一相绕组有方程:

U??E??Lsdis/dt?RsLs （3-1）

由式（3-1）可看出，逆变器直流电压恒定，E?随转速增加，加在电机电枢绕组上净电压减少，电流变化率降低。因此，电机转速较高时，实际电流和给定电流间将出现

幅值和相位偏差，严重时(速度很高时)，实际电流将无法跟随给定。在电流环设计时，可先忽略反电势对电流环的影响。由以上分析，电流环的控制对象即为两个一阶惯性环节的串联，那么此时电流环控制对象为:

Giobj(s)?K?Km?， (3-2)

(Tls?1)(Tis?1)式中Km?1/Rs;Tl?Ls/Rs为电机电磁时间常数;

K?为逆变器电压放大倍数，即逆变器输出电压与电流调节器输出电压比值;

Ti?Ts?Toi为等效小惯性环节时间常数，Toi为电流采样滤波时间常数。忽略反电势影响条件及小惯性环节等效条件分别是电流环截止频率?cl，满足式:

?ci?31TT （3-3）

ml?cl?其中，Tm为电机机电时间常数，Tm?1/3 （3-4）TsToiJRs，按照调节器工程设计方法，将电流环

9.55K?KT校正为典型I型系统，电流调节器GACR选为PI调节器。

GACR(s)?Kpi?is?1 （3-5）?is式中，Kpi、?i分别为电流调节器比例系数、积分时间常数。为使调节器零点对消控制对象大时间常数极点，选择?i=Ti，那么电流环开环传递函数为:

Gi(s)?K?KmKpi??is(Tis?1)?Ki （3-6）

s(Tis?1)式中，Ki?K?KmKpi?/?i为电流环的开环放大倍数。为使电流环有较快响应，又不至于

14

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库永磁同步电机伺服系统的仿真研究(4)在线全文阅读。