交流永磁同步伺服电机及其驱动技术 - PMSM.ppt

交流永磁同步电机及其驱动技术 1、交流永磁同步电机结构和工作原理 2、交流永磁同步电机磁场定向控制技术 3、交流永磁同步电机PWM控制 4、交流永磁同步电机驱动器 直流伺服电机存在如下缺点： 它的电枢绕组在转子上不利于散热； 由于绕组在转子上，转子惯量较大，不利于高速响应； 电刷和换向器易磨损需要经常维护、限制电机速度、换向时会产生电火花限制了它的应用环境。 如果能将电刷和换向器去掉，再把电枢绕组移到定子上，就可克服这些缺点。 交流伺服电机就是这种结构的电机。 交流伺服电机有两类： 同步电机 和 感应电机 永磁同步电机 （Permanent Magnet Synchronous Motor 简称PMSM） 1、结构 和工作原理 主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。 定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。 转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。 位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器 。 模拟结构图 实物结构图 PMSM优点 PMSM缺点 软、硬磁盘驱动器、录像机磁鼓（视频磁头）和磁带伺服系统 交通运输 三相异步交流感应电机的工作原理 感应电机当其对称三相绕组接通对称三相电源后，流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场，其转速为: 式中f —电源频率； p—定子极对数。 即磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极对数； 磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。 由于电磁感应作用，闭合的转子导体内将产生感应电流。 这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋转磁场相互作用产生电磁转矩，从而使转子“跟着”定子磁场旋转起来，其转速为n。 n总是低于ns（异步），否则就不会通过切割磁力线的作用在转子中产生感应电流。 永磁同步交流电机的工作原理 定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。 其不同点是转子为永磁体且n与ns相同（同步）。 两个磁场相互作用产生转矩。 定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。 要想实现四象限运行，关键是力矩的控制。 在永磁直流电机中，T=KtI。I为直流，只要改变电流的大小就能改变力矩。 而交流电机中Fs是由三相交流电产生的，绕组中的电压及电流是交流，是时变量，转矩的控制要复杂得多。 能否找到一种方法使我们能够象控制直流电机那样控制交流电机？ 20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术。 通过坐标变换，把交流电机中交流电流的控制，变换成类似于直流电机中直流电流的控制，实现了力矩的控制，可以获得和直流电机相似的高动态性能，从而使交流电机的控制技术取得了突破性的进展。 定义了合成定子电流矢量后，则定子绕组的总磁势矢量为 N—定子绕组线圈总匝数 要注意合成定子电流仅仅是为了描述方便引入的虚拟量。 注意区分电流矢量和电工学中分析正弦电路时所用到的相量。前者反映的是各个量的空间、时间关系，而后者描述的仅是时间关系。 力矩控制 由电机统一理论，电机的力矩 大小可表示为 如果能保证Fr与Fs相互垂直，则因转子磁势Fr为常数，且 则 这与直流电机的力矩表达式是一样的。 问题可归结为： 定子合成电流是一个时变量，如何把时变量转换为时不变量？ 如何保证定子磁势与转子磁势相互垂直？ 定子合成电流仅是一个虚拟的量，并不是真正的物理量，力矩的控制最后还是要落实到三相电流的控制上，如何实现这个转换？ 永磁同步电动机在转子旋转坐标系d-q中的数学模 型可以表达如下：  为了解决上面提到的这些问题，设想建立一个以电源角频率旋转的旋转坐标系（d、q）。 从静止坐标系（a,b,c)上看，合成定子电流矢量在空间以电源角频率旋转从而形成旋转磁场，是时变的。 从动坐标系（d、q）上看，则合成定子电流矢量是静止的，也即从时变量变成了时不变量，从交流量变成了直流量。 通过坐标变换把合成定子电流矢量从静止坐标系变换到旋转坐标系上。 在旋转坐标系中计算出实现力矩控制所需要的定子合成电流的数值； 然后将这个电流值再反变换到静止坐标系中。 将虚拟的合成电流转换成实际的绕组电流，从而实现电机力矩的控制。 坐标变换是通过两次变换实现的 Clarke变换 （a,b,c)是复数平面上的三相静止坐标系。 （α,β)是该平面上的两相静止坐标系。 α轴与a轴重合， β轴与a轴垂直。 定义在（a,b,c)坐标