三相永磁同步电动机ppt课件.ppt

第第 7 章章三相永磁同步伺服电机控制控制系统三相永磁同步伺服电机控制控制系统 全数字交流伺服系统是指采用数字控制技术，以稀土永磁正弦波伺服电动机稀土永磁正弦波伺服电动机（ Permanent Magnet Synchronous Motor 简称PMSM）为控制对象的伺服系统。正逐渐取代以直流伺服电机为控制对象的直流伺服系统和采用模拟控制的模拟式交流伺服系统。 全数字交流伺服系统概述全数字交流伺服系统概述 永磁同步伺服电动机特点：体积小、性能高。全数字交流伺服系统优点全数字交流伺服系统优点 控制性能是以往的模拟式伺服系统和直流伺服系统所无法比拟的 。数字式交流伺服系统在数控机床、机器人等领域里已经获得了广泛的应用。数字式交流伺服系统，是制造业实现自动化和信息化的基础构件。 具有的一系列新的功能，如电子齿轮功能、自动辩识电动机参数的功能、自动整定调节器控制参数功能、自动诊断故障的功能等等。 1 1 三相永磁同步伺服电机的结构和工作原理三相永磁同步伺服电机的结构和工作原理 1 1、定子：、定子： 同步电机的定子结构与异步电机一样，定子上有空间均布的三相交流绕组，通以三相平衡的交流电。 2 2、转子：、转子： 同步电机的转子结构与异步电机不同，同步电机转子上有励磁绕组，通以直流电流后，能产生磁场。转子也可以是永磁材料构成，产生磁场。 与异步电机一样，同步电机也是由定子及转子两大部分所组成。1.11.1三相永磁同步伺服电机的结构三相永磁同步伺服电机的结构 同步电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极式： 1）凸极式：转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。 2）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。 区别：区别：对于高速旋转 的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。1.2 1.2 永磁式同步电动机工作原理永磁式同步电动机工作原理 同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格同步著称的。只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。 工作原理：工作原理：定子由三相交流绕组形成的旋转磁场，可用图示一对旋转磁极表示。转子是永久磁钢做成的，其永磁场形成n、s两个磁极。 定子旋转磁场n、s极旋转时，转子磁极n 、s极被紧紧吸引，以相同的转速旋转。 n=n1=60f1/p 当转子的负载增大时，定子旋转磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角（称功角）就会增大，当负载减小时，功角又会减小，两对极之间的磁力线如同弹性皮筋一样。尽管负载变化时，功角会变大或变小，只要负载不超过一定的限度，转子就始终跟着定子旋转磁场以恒定的同步转速n1旋转。但当负载超过一定的限度，转子会失步。n同步电机的特点与问题l优点：（1）转速与电压频率严格同步；（2）可以控制励磁来调节功率因数，可使功率因数高到1.0，甚至超前；l存在的问题：（1）起动困难；（2）重载时有振荡，甚至存在失步危险； 永磁同步电动机的起动比较困难，主要原因是电机在刚起动时，虽合上了电源，电机产生了旋转磁场，但转子还是静止的，转子的惯性作用跟不上旋转磁场的转动，因此定、转子两对磁极之间存在着相对运动，转子所受的平均转矩为零。n 解决思路l问题的根源： 供电电源频率固定不变。l解决办法： 采用电力电子装置实现电压-频率协调控制，改变了同步电动机历来只能恒速运行不能调速的面貌。起动费事、重载时振荡或失步等问题也已不再是同步电动机广泛应用的障碍。例如p对于起动问题： 通过变频电源频率的平滑调节，使电机转速逐渐上升，实现软起动。p对于振荡和失步问题 ： 由于采用频率闭环控制，同步转速可以跟着频率改变，于是就不会振荡和失步了。 1 . 3 同步调速系统的类型同步调速系统的类型（1）他控变频调速系统他控变频调速系统 与异步电动机变压变频调速一样，用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统。 （2）自控变频调速系统自控变频调速系统 用电动机本身轴上所带转子位置检测器或电动机反电动势波形提供的转子位置信号来控制变压变频装置换相时刻的系统。 （1）他控变频调速系统他控变频调速系统 转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统，是一种最简单的他控变频调速系统，多用于化纺工业小容量多电动机拖动系统中。 这种系统采用多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的变频器上，由统一的频率给定信号同时调节各台电动机的转速。n系统组成图7-1多台同步电动机的恒压频比控制调速系统 n 系统特点l系统结构简单，控制方便，只需一台变频器供电，成本低廉。l由于采用开环调速方式，系统存在一个明显的缺点，就是转子振荡和失步问题并未解决，因此各台同步电动机的负载不能太大。图7-2 自控变频同步电动机调速系统结构原理图n 基本结构基本结构与原理与原理（2）自控变频同步电动机调速系统自控变频同步电动机调速系统 在电动机轴端装有一台转子位置检测器 BQ，由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器 U I 换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制 UI 的输入直流电压。 结构特点（续） （2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器 UI、转子位置检测器 BQ 合起来看，就象是一台直流电动机。直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时，换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。n 自控变频同步电动机的分类 自控变频同步电动机在其开发与发展的过程中，曾采用多种名称，有的至今仍习惯性地使用着，它们是： l无换向器电动机 l三相永磁同步电动机（输入正弦波电流时）三相永磁同步电动机（输入正弦波电流时）l无刷直流电动机（采用方波电流时）正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统 正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证定子绕组中的感应电动势具有正弦波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流PWM变压变频器提供。 n 永磁电动机控制系统的优点l由于采用了永磁材料磁极，特别是采用了稀土金属永磁，因此容量相同时电机的体积小、重量轻； l转子没有铜损和铁损，又没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高； l转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好； l结构紧凑，运行可靠。 2.1 PMSM2.1 PMSM的简化数学模型的简化数学模型 2 2 三相永磁同步伺服电机的控制策略三相永磁同步伺服电机的控制策略 1C。 BAqd 。isIqidNSnA、B、C为定子上的三个线圈绕组，各绕组的位置在空间上差120n转子磁通由永久磁钢决定，是恒定不变的，可采用转子磁链定向控制，n即将两相旋转坐标系的d轴定在转子磁链 r 方向上，无须再采用任何计算磁链的模型。 n d轴轴线相对A相绕组的角度 n定子电流空间矢量的分解qdidiq1 r定子电流的d轴分量id相当于励磁电流统一的转距公式：磁场与其正交的电流的积是转距，Te= CeI定子电流的q轴分量iq相当于转距电流isn 定子电流空间矢量的分解定子电流空间矢量的分解 应用场合：应用场合： 交流伺服电动机用于进给驱动，电动机工作于其额定转速以下，属于恒转矩调速方式。 最佳的控制方式：最佳的控制方式：使定子电流与d轴正交，与q轴重合，也就是要保持id=0。实现了转距公式中磁通和电流这两个变量的完全解耦。使得电机磁链模型最简单。qd1 rIs iq1IPTrn转矩公式转矩公式转子磁链分量 定子电流 磁极对数 同步电动机同步电动机的转矩公式和的转矩公式和直流电动机直流电动机的转矩的转矩公式很相似，差别仅在于公式很相似，差别仅在于直流电动机直流电动机公式中的转公式中的转矩电流是物理上存在的转子电枢电流，而矩电流是物理上存在的转子电枢电流，而同步电同步电动机的转矩电流是不直接存在的定子电流矢量在动机的转矩电流是不直接存在的定子电流矢量在旋转坐标系旋转坐标系q q轴上的直流分量轴上的直流分量。 由于 r 恒定，电磁转矩与定子电流的幅值成正比，控制定子电流幅值就能很好地控制转矩，和直流电动机完全一样。 这时控制方法也很简单，只要能准确地检测出转子 d 轴的空间位置，控制逆变器使三相定子的合成电流（或磁动势）矢量位于q 轴上（领先于d 轴90）就可以了，比异步电动机矢量控制系统要简单得多。 同步电机的矢量控制系统为何比异步电动机矢量控制系统要简单得多？思考：思考： 同步电动机矢量控制系统采用了和直流电动机调速系统相仿的双闭环控制结构。2.2.3. 工作原理 按转子磁链定向并使 id = 0 的正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统和直流电动机调速系统一样，转速调节器ASR的输出是正比于电磁转矩的定子电流给定值的一电压控制信号。 根据转子位置信号，将d、q坐标系中的电压给定信号Uq和Ud,旋转变换到A、B、C三相坐标系下，形成电压控制信号Ua、Ub、Uc ，以此作为调制信号，对三角载波信号进行调制，就可形成SPWM信号。 2.2.3. 工作原理sin)90cos(ssAiii)120sin(sBii)120sin(sCii矢量图如下：工作原理（续）n 角是旋转的d轴与静止的A轴之间的夹角，由转子位置检测器测出，经过查表法读取相应的正弦函数值后，与 is* 信号相乘，即得三相电流给定信号 iA*、iB*、iC* 。n图中的交流PWM变压变频器须用电流控制，可以用带电流内环控制的电压源型PWM变压变频器，也可以用电流滞环跟踪控制的变压变频器。 如果需要基速以上的弱磁调速，最简单的办法是使定子电流的直轴分量 id 0 ，其励磁方向与r相反，起去磁作用。矢量图如图所示。 注意：注意：电动机的相电流有一定的限制，当id负向增加后，必须相应减小iq,以保持相电流幅值的不变。 而且，由于稀土永磁材料的磁阻很大，利用电枢反应弱磁的方法需要较大的定子电流直轴去磁分量，因此常规的正弦波永磁同步电动机在弱磁恒功率区运行的效果很差，只有在短期运行时才可以接受。 2.4. 系统的特点n优点： 定子电流与转子永磁磁通互相独立，控制系统简单，转矩恒定性好，脉动小，可以获得很宽的调速范围，适用于要求高性能的数控机床、机器人等场合。 n 缺点 （1）当负载增加时，定子电流增大，使气隙磁链和定子反电动势都加大，迫使定子电压升高。为了保证足够的电源电压，电控装置须有足够的容量，而有效利用率却不大。 （2）负载增加时，定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增大，造成功率因数降低。 （3）在常规情况下，弱磁恒功率的长期运行范围不大。 小结小结 熟悉和了解同步电动机变压变频调速的基本类型和特点；掌握同步电动机调速的基本原理和控制方法。重点学习三相同步电动机自控变频调速系统。 伺服电机的光栅线数2500，通过4倍频得到一圈的反馈脉冲数是10000/圈，电子齿轮设置是25:8（注意是非整除的），根据电子齿轮的概念，每给出8个指令脉冲，伺服驱动器会在得到25个反馈脉冲后认为到达指定位置。伺服电机控制系统中,电流环的 电流采样的作用就是检测逆变器送给交流同步电动机的三相定子电流,（可采用霍尔传感器检测，但检测成本较高）, 并转换成相应的信号输入到DSP中。因为三相平衡,即Ia+Ib+Ic=0, 因此, 只要检测其中的两路电流, 就可以得到三相电流。7.3 速度反馈信号的检测和处理速度反馈信号的检测和处理n数字测速指标n数字测速方法nM/T 法测速电路 数字测速方法数字测速方法7.3.1 数字测速指标数字测速指标（1）分辩率： 设被测转速由 n1 变为 n2 时，引起测量计数值改变了一个字，则测速装置的分辩率定义为Q = n1 - n2 （转/分） Q 越小，测速装置的分辩能力越强； Q 越小，系统控制精度越高。（2）测速精度 测速精度是指测速装置对实际转速测量的精确程度，常用测量值与实际值的相对误差来表示，即n测量误差 越小，测速精度越高，系统控制精度越高。n 的大小取决于测速元件的制造精度和测速方法。%100nn（3-7） （3）检测时间 Tc ： 检测时间是指两次转速采样之间的时间间隔。检测时间对系统的控制性能有很大影响。 检测时间越短，系统响应越快，对改善系统性能越有利。 7.3.2 数字测速方法数字测速方法1. 旋转编码器旋转编码器 在数字测速中，常用光电式旋转编码器作为转速或转角的检测元件。 旋转编码器测速原理如下图所示光电转换增量式旋转编码器带Z1轨道的园刻度旋转编码器的检测原理旋转编码器检测信号的处理2. 测速原理测速原理 由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。 脉冲数字（P/D）转换方法： （1）M法脉冲直接计数方法； （2）T 法脉冲时间计数方法； （3）M/T法脉冲时间混合计数方法。q锁相跟踪测速法 3. M法测速法测速 工作原理：由计数器记录PLG发出的脉冲信号； 定时器每隔时间Tc向CPU发出中断请求INTt； CPU响应中断后，读出计数值 M1，并将计数器清零重新计数； 根据计数值 M 计算出对应的转速值 n。测速原理与波形图n计算公式式中 Z为PLG每转输出的脉冲个数；nM法测速的分辨率 c160ZTMn cc1c16060) 1(60ZTZTMZTMQ（3-1）nM法测速误差率 在上式中，Z 和 Tc 均为常值，因此转速 n 正比于脉冲个数。高速时Z大，量化误差较小，随着转速的降低误差增大，转速过低时将小于1，测速装置便不能正常工作。 所以，M法测速只适用于高速段。%1001%10060 )1(60 601c1c1c1maxMZTMZTMZTM4. T法测速法测速工作原理：n计数器记录来自CPU的高频脉冲 f0；nPLG每输出一个脉冲，中断电路向CPU发出一次中断请求；nCPU 响应 INTn中断，从计数器中读出计数值 M2，并立即清零，重新计数。电路与波形n计算公式nT法测速的分辨率 2060ZMfn ) 1(6060) 1(602202020MZMfZMfMZfQ（3-2）n法测速误差率 低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小，测速精度高，故T法测速适用于低速段。 %10011%10060 60 ) 1(602202020maxMZMfZMfMZflM法测速在高速段分辨率强；lT法测速在低速段分辨率强； 因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。既检测 Tc 时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2，用来计算转速，称作M/T法测速。 n 两种测速方法的比较5. M/T法测速法测速n电路结构：n工作原理：nT0定时器控制采样时间；nM1计数器记录PLG脉冲；nM2计数器记录时钟脉冲。n波形图： M/T法数字测速软件 n计算公式n分辨率n检测精度：低速时M/T法趋向于T法，在高速段M/T法相当于T法的 M1次平均，而在这 M1 次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。 因此，M/T法测速可在较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。 ) 1(602210MZMMfQr/min 60 60201t1ZMfMZTMn（3-3）小小 结结 由于M/T法的计数值M1和M2都随着转速的变化而变化，高速时，相当于M法测速，最低速时，M1=1，自动进入T法测速。 因此M/T法测速能适用的转速范围明显大于前两种。是目前广泛应用的一种测速方法。绝对式光电脉冲编码器或是旋转变压器都有其缺陷：绝对式光电脉冲编码器价格昂贵，分辨率远不如增量式光电脉冲编码器。旋转变压器从本质上说是一种模拟式位置检测元件，需要复杂的数字轴角变换电路，而且其检测精度也远不及增量式光电脉冲编码器。采用增量式光电脉冲编码器作为正弦波永磁同步电机的转子位置检测元件的关键问题：必须要在系统刚上电时就测得电机转子的精确的初始位置在系统刚上电时就测得电机转子的精确的初始位置，这样才能在以后的过程中随时得到转子的正确的位置。7.4 伺服电机转子初始位置的检测伺服电机转子初始位置的检测 转子 I1I2在初始定位的过程中，只有位置环和电流环在工作，速度环处于开环状态。 寻找转子初始位置的第一次循环过程 最终，定子电流矢量与转子重合了,这时转子将不再抖动,光电脉冲编码器也不再有脉冲发出，系统据此来判断出电流矢量与转子已经重合。这时，定子电流矢量的相位角就等定子电流矢量的相位角就等于转子的初始位置角。于转子的初始位置角。 测量转子初始位置的过程就是定子电流矢量渐近地靠近转子，直至与其重合的过程。在这个过程中，在一开始，定子电流矢量的相位角是任意取定的，但最终定子电流矢量将趋向转子的位置。 隔 离 功 放 电机 3 / 2 旋转变换 LQ 旋 转 变 换 三角波 uq ud ub uc ua C C C 主 回 路 编码器 检测脉冲，修正定子电流相位 定子电流相位 LD 0 电流给定 PT 指令脉冲序列包含了两方面的信息：v一是指明电机运行的位移，v二是指名电机运行的方向。 q通常指令脉冲单位是0.001mm或0.01mm等,q伺服系统的位置反馈脉冲当量由检测器（如光电脉冲编码器等）的分辨率，以及电机每转对应的机械位移量等决定。 使用了电子齿轮功能，可以任意决定一个输入脉冲所相当的电机位移量。发出指令脉冲的上位控制装置无须关注机械减速比和编码器脉冲数就可以进行控制。 机械传动机构的螺距为W，指令脉冲当量为L,光电脉冲编码器每转脉冲数为P,一般电机轴与传动丝杠是直接相连的，这样就可以确定位置反馈脉冲当量M。 指令速度控制转矩控制伺服电机电子齿轮 偏差计数器SM指令装置W机械螺距PC4倍频光电编码器伺服系统脉冲指令PWM4机械传动机构的螺距 光电脉冲编码器每转脉冲数 指令脉冲当量L BAML/根据一个指令脉冲的位置当量和反馈脉冲的位根据一个指令脉冲的位置当量和反馈脉冲的位置当量，可以确定置当量，可以确定电子齿轮的倍率系数电子齿轮的倍率系数 电子齿轮的齿数比 齿数比要满足 的限制条件 100/01. 0BAPulse -Pulse+ nFC nDF 数字控制频率发生器(由可编程逻辑器件构成，输出频率与FC(n)成正比。)输入脉冲处理电路可逆计数电路1CCW脉冲CW脉冲清零 微处理器 (89C51)(计算跟随误差,得出频 率 控 制信号。) nDPulse+可逆计数电路2清零指令脉冲Pulse -说明：由上位控制装置发出指令脉冲具有三种可能的形式。q输入脉冲处理电路输入脉冲处理电路 主要作用主要作用：将上述三种不同的脉冲输入方式转换成统一的方式，一般是选择“CCW脉冲序列+CW脉冲序列”为统一的脉冲方式。 可逆计数器可逆计数器1对指令CW脉冲和CCW脉冲进行可逆计数。可逆计数器可逆计数器2对电子齿轮的输出脉冲Pulse + 和Pulse - 进行可逆计数。 微处理器定时中断，分别读取计数器1和计数器2的数，然后对其清零。在第n次中断时，从计数器1中读到的数是Dn，从计数器2中读到的数是DFn，经过计算可以得到跟随误差En。 nDFBnDAnEnE13.2.1n微处理器对跟随误差进行比例运算，或者进行比例积分运算，以得到输出频率的控制量FC（n）。 比例运算: 1KnEnFC3 . 2 . 1n比例积分运算: 211221KnEnEKnEnFCnFC3 .2 .1n 原理图 数据转换表014FC15位比较器15位计数器014Q清零014FCQ时钟脉冲发生器cp脉冲输出Pulse +Pulse -15FC014TC作用 接收微处理器发出的频率控制量FC，将其转化为脉冲序列Pulse + 和Pulse - 。输出脉冲的频率与FC成正比。 FoutFins1P或PI控制电子齿轮输出脉冲信号对输入指令脉冲的跟随性能。 1）电子齿轮输出脉冲频率对输入脉冲频率的跟随）电子齿轮输出脉冲频率对输入脉冲频率的跟随2）电子齿轮输出脉冲个数对输入脉冲个数的跟随）电子齿轮输出脉冲个数对输入脉冲个数的跟随三相永磁同步电机控制系统仿真模型（电三相永磁同步电机控制系统仿真模型（电流环采用交流控制方式）流环采用交流控制方式） 电机的参数：定子内阻 2.85,定子d轴电感8.5mH, 定子q轴电感8.5mH，电机磁通0.175Wb，转子惯量0.8gm2,磁极对数4。控制系统采用双闭环的结构，外环控制转速，内环定子控制电流。采用比例积分型的速度控制器。 仿真模型原理： 实时地检测电动机转子的转角（,经过正弦信号发生器得到三相正弦位置信号)3/2sin()3/2sin(sincba) 3/2sin() 3/2sin(sinmmcmmbmmaIbIiIbIiIaIi)2/(jmseWIF