永磁同步电动机调速控制系统仿真研究(6)

相控制原理如图2-12所示。在这里，电流控制器是带滞环的比较器。将给定电流ia*与输出电流ia进行比较，电流偏差?i经滞环比较后控制逆变器有关相桥臂上、下的功率器件。设比较器的环宽为2h，到t0时刻（如图2-13），ia*?ia?h ，滞环比较器输出正电平信号，驱动上桥臂功率开关器件。

V1ia*ia2hVD1LiaV4VD4

图2-12 电流滞环跟踪控制的一相原理图 Fig.2-12 The stagnat ring of the electric current follows one

phase principle picture controlled

把给定电流ia*和实际输出电流ia的偏差ia*?ia作为带有滞环特性的比较器的输入，通过其输出来控制功率器件V1，V4的通断。V1导通，是ia增大。当ia增大到与ia*相等时，虽然?ia?0，但滞环比较器仍输出正电平，V1保持导通, ia继续增大。直到t1时刻，ia?ia*?h，滞环比较器翻转，输出负电平信号，关断V1 ，并经保护延时后驱动下桥臂器件V4。但此时V4未必导通，因为电流ia并未反向，而是通过续流二极管VD4维持远方向流通，其数值逐渐减小。直到t2时刻，ia降到滞环偏差的下限值，重复使V1导通。上述规律可概括为：当V1（或VD1）导通时，ia增大，当V4（或VD4）导通时，ia减小。VD1与VD4的交替工作是逆变器输出电流与给定值的偏差保持在?h范围内，在给定电流上下做锯齿状变化。当给定电流是正弦波时，输出电流也十分接近正弦波。图2-13绘出了在给定正弦波电流半个周期内电流滞环跟踪控制的输出电流波形ia?f(t)和相应的PWM电压曲线。

这种电流跟踪型PWM逆变器兼有电压型和电流型逆变器的优点，结构简单，工作可靠，响应快，谐波小；采用电流控制，特别适用于高性能的矢量控制系统[10]。

2.3.4 转子位置检测器

转子位置检测器是自控式同步电动机控制系统的重要组成部分。只有检测出转子实际空间位置后，控制系统才能决定变频器的通电方式、控制模式及输出电流的频率和相位，

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2hia?f(t)ia*?f(t)t0?0.5Ust1t2a)nωtPWM电压波形?0.5Usωtb)图2-13 电流滞环跟踪控制时的电流波形与PWM电压波形

Fig.2-13 The stagnat ring of the electric current follows electric current wave form

and PWM voltage wave form while controlling

a) 电流波形 b) PWM电压波形

a) Electric current wave form b) PWM voltage wave form while controlling

保证同步电动机的正常运行。准确、可靠的转子位置检测器是同步电动机控制系统运行的必要条件[11]。

转子位置检测器一般都做成无接触式，有多种不同的型式，常用的有电磁式、磁敏式、光电式、间接式等几种检测方法。由于永磁同步电动机用于高性能的控制系统中，要求检测器具有较高的精度，而光电码盘检测器精度高，输出信号比较平滑，不许滤波，幅值也不受电动机转速的影响，所以采用高精度的增量式光电码盘。

光电式转子检测方法，就是利用光电元件，对带有槽口 (或栅)的旋转圆盘的位置进行检测。简单的光电式检测系统由发光二极管和光敏晶体管组成，当器件的凹槽被物体挡住光线时，光敏晶体管不导通。而当光线穿过凹槽道大光敏晶体管时，光敏晶体管导通，再配上适当的信号放大电路，就能够产生一系列反应转子位置的脉冲信号。其检测分辨率高，适用于检测高速运转的电动机。

增量式光电码盘转子位置检测原理如图2-14所示。位置检测器由与电动机同轴联结的增量式光电码盘、整形电路、多路转换开关、可预置的二进制可逆计数器、只读存储器、数/模转换器等组成。电动机运转时，光电码盘随之同轴旋转，并发出A、B两组脉冲和一组同步脉冲C信号。计数器为8位二进制可逆计数器，它要求电动机每转360度电角度，码盘发出256个脉冲，即把360度电角度256等分，每份约为1.4度电角度。因此，用于不同极

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数电动机的增量式光电码盘，每周发出的A、B脉冲数也不同。对于3对极电动机，电动机每转一周，码盘应发脉冲数为768个。由于在整形电路中有一个四倍频的脉冲信号imp，所以码盘实际每周只发出192个脉冲即可。

预置数来自初始定位单元impV/Rsy整形及方向判别定位信号syimpV/R多路转换开关impV/R二进制可逆计数器EPROMCOSD/AcosλEPROMSIND/Asinλ

图2-14 增量式光电码盘转子位置检测原理 Fig.2-14 Increment type photo electricity yards of dishes

of rotor position measure the principle

A、B两组脉冲信号的频率相同，频率的快慢和电动机的转速成正比。只是两脉冲的前沿到达时刻不同，用来判断电动机的正反转方向，其原理如图2-15所示。若电动机正转，在脉冲信号A出现时，脉冲信号B为低电平；若电动机反转，当脉冲信号A出现时，脉冲信号B为高电平，据此可判断电动机的旋转方向。当脉冲信号A微分，取其前沿脉冲信号B作“与非”逻辑运算。如两信号均为高电平，逻辑输出V/R信号为低电平，表示电动机反转，控制计数器做减法运算。反之，V/R信号为高电平，表示电动机正转，控制计数器做加法运算。

脉冲A 脉冲B

Imp

V/R

图2-15 检测器脉冲示意图 Fig.2-15 Pulse sketch map of the detection

脉冲信号C，也叫同步信号，接到计数器的预置控制端，用来校正计数器的值，消除

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干扰脉冲或丢漏对计数器造成的累计误差。码盘每转一周，对三对极电动机使用的码盘来说，应发出3个脉冲信号，即在360?度电角度内做一次校正，把计数器的值强行恢复成预 置数值。

多路转换开关由来自“投入控制”的定位信号（OR）控制，当OR为高电平时，表示系统处于初始定位阶段，计数器的imp、V/R信号来自定位单元；当OR为低电平时，表示正常工作，imp、V/R、Sy信号来自码盘一侧。

计数器为8位可预置的二进制可逆计数器，输出00-FFH（0-225）,把他作为只读存储器（EPROM）的选通地址。位置检测器直接输出转子位置角的正弦值sin?和余弦值cos?，而不是转子位置角? 。所以存储器中每个地址单元中存储着该地址对应的?角的正弦值

sin?和余弦值cos?，他们可在8位数据线上输出，用于全数字控制系统；如果是在模拟系

统中，需要把sin?和cos?变换成模拟量，这就需要两个数/模转换器。

2.4 控制系统的运行原理

控制系统中的速度调节器一般采用PID调节器，其输入为速度反馈值和给定值，输出的结果应为转矩给定。由于采用id?0控制，转矩和电流的幅值成正比，因此速度调节器的输出实际为电流幅值的给定值（直流值）。此给定值与转子磁极位置检测电路的输出信号（角度已化为相应的正弦值）相乘，就能获得三相正弦波电流的瞬时给定值iA*、iB*、iC*，其中iC*??(iA*?iB*)。他们在同步电动机中生成的合成电流矢量is*与转子d轴垂直且超前。转子位置检测器可采用增量式光电码盘检测器，它能直接输出转子位置角? 的正弦信号。

三相电流瞬时给定值确定后，经过滞环电流跟踪型PWM逆变器，输出三相对称交流电到永磁同步电动机的三相绕组中，永磁同步电动机就会产生与电流幅值成正比的电磁转矩，使电动机正向（逆时针）旋转，电动机开始起动并做正向电动运行。

系统的制动可采用再生发电制动。由式（2-17）可知，正向电动运行时，速度调节器给定为“+”。输出为“-”，正向电动变到正向制动后，速度调节器输出将为“+”，使三相给定电流反相，即电流合成矢量is由原来的超前d轴90?变为超前d轴270?空间电度角，实际按旋转方向滞后d轴90?空间电角度，转矩方向未改变，所以三相电流相序也未改变，合成电流矢量仍按原来方向旋转，只是滞后d轴90?空间电角度。需要注意的是，采用再生发电制动方法，主回路需进行部分改造，增加可控的耗能环节，否则回馈的电能将为滤波电容充电，造成直流侧过电压或击穿等事故。

系统的反向电动运行。把速度调节器的给定变为“-”，那样其输出即为“+”，三相

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电流产生的合成矢量，即在反转方向上超前d轴90?，电动机将产生反向电动转矩，电动机反转。由于转子反转，三相正弦信号发生器中三相正弦信号的相序也与正转时不同，保证电动机反转时的正常运行。

反向制动状态的分析与正向制动相同。

由上述分析可以看出，对图2-9所示系统来说，只要改变速度调节器中速度给定值的极性和大小，就可以使永磁同步电动机控制系统在四象限中方便地运行。

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