永磁同步伺服電機(jī)（PMSM）驅(qū)動(dòng)器原理

時(shí)間：2020-08-10作者：上海騰希電氣技術(shù)有限公司瀏覽：152

永磁同步伺服電機(jī)（PMSM）驅(qū)動(dòng)器原理

 

隨著現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、永磁材料技術(shù)、交流可調(diào)速技術(shù)及控制技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，使得永磁交流伺服技術(shù)有著長(zhǎng)足的發(fā)展。永磁交流伺服系統(tǒng)的性能日漸提高，價(jià)格趨于合理，使得永磁交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)尤其是在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域成了現(xiàn)代電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。永磁交流伺服系統(tǒng)具有以下等優(yōu)點(diǎn)：
電動(dòng)機(jī)無(wú)電刷和換向器，工作可靠，維護(hù)和保養(yǎng)簡(jiǎn)單；
定子繞組散熱快；
慣量小，易提高系統(tǒng)的快速性；
適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)；
相同功率下，體積和重量較小，廣泛的應(yīng)用于機(jī)床、機(jī)械設(shè)備、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、印刷設(shè)備、裝配機(jī)器人、加工機(jī)械、高速卷繞機(jī)、紡織機(jī)械等場(chǎng)合，滿足了傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展需求。
永磁交流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器經(jīng)歷了模擬式、模式混合式的發(fā)展后，目前已經(jīng)進(jìn)入了全數(shù)字的時(shí)代。全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等確定，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢(shì)和控制方法的靈活，使伺服驅(qū)動(dòng)器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且性能較加的可靠?，F(xiàn)在，高性能的伺服系統(tǒng)，大多數(shù)采用永磁交流伺服系統(tǒng)其中包括永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分。伺服驅(qū)動(dòng)器有兩部分組成：驅(qū)動(dòng)器硬件和控制算法?？刂扑惴ㄊ菦Q定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國(guó)外交流伺服技術(shù)封鎖的主要部分，也是在技術(shù)壟斷的**。
交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、通訊接口單元、伺服電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)的反饋檢測(cè)器件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。我們的交流永磁同步驅(qū)動(dòng)器其集**的控制技術(shù)和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，還體現(xiàn)了強(qiáng)大的智能化、柔性化是傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所不可比擬的。

 
目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）作為控制**，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項(xiàng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（ipm）為**設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，ipm內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。
伺服驅(qū)動(dòng)器大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的功率板和控制板兩個(gè)模塊。如圖2所示功率板（驅(qū)動(dòng)板）是強(qiáng)電部，分其中包括兩個(gè)單元，一是功率驅(qū)動(dòng)單元ipm用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，二是開(kāi)關(guān)電源單元為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源。

 
控制板是弱電部分，是電機(jī)的控制**也是伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)**控制算法的運(yùn)行載體?？刂瓢逋ㄟ^(guò)相應(yīng)的算法輸出pwm信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)改逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制三相永磁式同步交流伺服電機(jī)的目的。

功率驅(qū)動(dòng)單元
功率驅(qū)動(dòng)單**先通過(guò)三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦pwm電壓型變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單的說(shuō)就是ac-dc-ac的過(guò)程。整流單元（ac-dc）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?br> 逆變部分（dc-ac）采用采用的功率器件集驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和功率開(kāi)關(guān)于一體的智能功率模塊（ipm），主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是采用了三相逆變電路原理圖見(jiàn)圖3，利用了脈寬調(diào)制技術(shù)即pwm（pulse width modulation）通過(guò)改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時(shí)間來(lái)改變逆變器輸出波形的頻率，改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時(shí)間比，也就是說(shuō)通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變逆變器輸出電壓副值的大小以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。

 
圖3中vt1～vt6是六個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，s1、s2、s3分別代表3個(gè)橋臂。對(duì)各橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)做以下規(guī)定：當(dāng)上橋臂開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)（此時(shí)下橋臂開(kāi)關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài)），開(kāi)關(guān)狀態(tài)為1；當(dāng)下橋臂開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)（此時(shí)下橋臂開(kāi)關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài)），開(kāi)關(guān)狀態(tài)為0。三個(gè)橋臂只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，因此s1、s2、s3形成000、001、010、011、100、101、111共八種開(kāi)關(guān)管模式，其中000和111開(kāi)關(guān)模式使逆變輸出電壓為零，所以稱這種開(kāi)關(guān)模式為零狀態(tài)。輸出的線電壓為uab、ubc、uca，相電壓為ua、ub、uc，其中udc為直流電源電壓，根據(jù)以上可得到附表分析。

 
控制單元
控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的**，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。所采用的數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機(jī)控制的**集成電路，如a/d轉(zhuǎn)換器、pwm發(fā)生器、定時(shí)計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、can總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)ram和大容量的程序存儲(chǔ)器等。伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)采用磁場(chǎng)定向的控制原理（foc） 和坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)矢量控制（vc），同時(shí)結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制（spwm）控制模式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制一般通過(guò)檢測(cè)或估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來(lái)控制定子電流或電壓，這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機(jī)的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對(duì)于永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同，這樣通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置就可以得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制比起異步電機(jī)的矢量控制有所簡(jiǎn)化。

 
伺服驅(qū)動(dòng)器控制交流永磁伺服電機(jī)（PMSM）伺服驅(qū)動(dòng)器在控制交流永磁伺服電機(jī)時(shí)，可分別工作在電流（轉(zhuǎn)矩）、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示由于交流永磁伺服電機(jī)（PMSM）采用的是*磁鐵勵(lì)磁，其磁場(chǎng)可以視為是恒定；同時(shí)交流永磁伺服電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速，即其轉(zhuǎn)差為零。這些條件使得交流伺服驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)交流永磁伺服電機(jī)時(shí)的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得以大大的降低。從圖4可以看出，系統(tǒng)是基于測(cè)量電機(jī)的兩相電流反饋（ia、ib）和電機(jī)位置。將測(cè)得的相電流（ia、ib）結(jié)合位置信息，經(jīng)坐標(biāo)變化（從a，b，c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子d，q坐標(biāo)系），得到id、iq分量，分別進(jìn)入各自得電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過(guò)反向坐標(biāo)變化（從d，q坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a，b，c坐標(biāo)系），得到三相電壓指令?？刂菩酒ㄟ^(guò)這三相電壓指令，經(jīng)過(guò)反向、延時(shí)后，得到6路pwm波輸出到功率器件，控制電機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)在不同指令輸入方式下，指令和反饋通過(guò)相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)器，得到下一級(jí)的參考指令。在電流環(huán)中，d，q軸的轉(zhuǎn)矩電流分量（iq）是速度控制調(diào)節(jié)器的輸出或外部給定。而一般情況下，磁通分量為零（id=0），但是當(dāng)速度大于限定值時(shí)，可以通過(guò)弱磁（id《0），得到較高的速度值。
從a，b，c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到d，q坐標(biāo)系有克拉克（clarke）和帕克（park）變換來(lái)是實(shí)現(xiàn)；從d，q坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a，b，c坐標(biāo)系是有克拉克和帕克的逆變換來(lái)是實(shí)現(xiàn)的。

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• 詞條

  詞條說(shuō)明

• 關(guān)于共享設(shè)備的有用信息

  關(guān)于共享設(shè)備的有用信息共享設(shè)備的功能大型或分布較廣的分布式系統(tǒng)經(jīng)常使用數(shù)量眾多 IO 控制器。不使用“共享設(shè)備”功能，I/O 設(shè)備的每個(gè) IO 模塊都會(huì)分配給同一個(gè) IO 控制器。如果互相之間物理封閉的傳感器必須向不同的 IO 控制器提供數(shù)據(jù)，則需要多個(gè) IO 設(shè)備?！肮蚕碓O(shè)備”功能允許 IO 設(shè)備的模塊或子模塊在不同的 IO 控制器中進(jìn)行劃分，這充分體現(xiàn)了靈活的自動(dòng)化理念。例如，可以將多個(gè)鄰近的

• 工業(yè)以太網(wǎng)執(zhí)行范圍及運(yùn)行方法

  術(shù)語(yǔ)“STEP?7”的一般用法STEP 7 V12 及較高版本支持安全功能組態(tài)。因此，在本部分信息系統(tǒng)中，名稱“STEP 7”可用于所有 STEP 7 V12 或以上版本。執(zhí)行范圍在 STEP 7 中，可使用以下安全功能：安全模塊的組態(tài)為 SOFTNET 安全客戶端 V4 創(chuàng)建 * 組態(tài)數(shù)據(jù)為 SCALANCE?M875 創(chuàng)建 * 組態(tài)數(shù)據(jù)為第三方制造商的 * 設(shè)備

• PROFIBUS 線路組態(tài)須知

  PROFIBUS 線路組態(tài)須知電纜組態(tài)和總線參數(shù)計(jì)算總線參數(shù)時(shí)可能要將有關(guān)電纜組態(tài)的信息考慮在內(nèi)。 為此，必須選中 PROFIBUS 子網(wǎng)屬性中的“考慮電纜組態(tài)”(Consider cable configuration) 復(fù)選框。然后，其余信息取決于所使用電纜的類型；有以下設(shè)置可用：銅質(zhì)電纜光纖電纜/光環(huán)網(wǎng)PROFIBUS 線路組態(tài)，光環(huán)網(wǎng)計(jì)算方法取決于所使用的 OLM 類型。 通過(guò)激活復(fù)選框進(jìn)

• 存儲(chǔ)器復(fù)位的基礎(chǔ)知識(shí)

  存儲(chǔ)器復(fù)位的基礎(chǔ)知識(shí)功能可在 STOP 模式下執(zhí)行 CPU 存儲(chǔ)器復(fù)位。 可使用模式選擇開(kāi)關(guān) (MRES) 以手動(dòng)方式來(lái)執(zhí)行存儲(chǔ)器復(fù)位，或從編程設(shè)備執(zhí)行存儲(chǔ)器復(fù)位（例如在裝載用戶程序之前）。存儲(chǔ)器復(fù)位可將 CPU 恢復(fù)到其“初始狀態(tài)”。 這意味著：將清除工作存儲(chǔ)器和 RAM 裝載存儲(chǔ)器中的整個(gè)用戶程序以及所有操作數(shù)區(qū)域的內(nèi)容。系統(tǒng)參數(shù)連同 CPU 和模塊參數(shù)都將復(fù)位到默認(rèn)設(shè)置。 存儲(chǔ)器復(fù)位之前設(shè)置