永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì)及性能分析

1、永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì)及性能分析    關(guān)鍵詞 永磁同步電機(jī);電流環(huán);反電勢(shì);過調(diào)制0 引言 矢量控制理論由德國西門子公司的Blachke于1971年提出,其基本思想是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律,利用坐標(biāo)變換的原理,在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上,將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量,并使兩分量相互垂直,彼此獨(dú)立,然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制使轉(zhuǎn)矩和磁通的控制實(shí)現(xiàn)完全解耦1-6。 矢量控制的永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,簡稱PMSM)伺服系統(tǒng)

2、通常是三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),從外至內(nèi)分別有位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。外環(huán)性能的發(fā)揮依賴于系統(tǒng)內(nèi)環(huán)性能的調(diào)整,尤其電流環(huán)性能是高性能PMSM位置伺服系統(tǒng)構(gòu)成的根本,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn),也將影響整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。本文將在電流環(huán)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)討論反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)性能的影響。 1 永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 文中伺服系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由3部分組成:功率電路、控制電路、人機(jī)界面,如圖1所示。其中功率電路以IPM(Intelligent Power Module)模塊為核心,IPM集成了高速低功耗的功率開關(guān)器件和優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路,還內(nèi)藏有各種保護(hù)等功能,具有高可靠性同時(shí)便于設(shè)計(jì);控制

3、電路以DSP TMS320LF2407為核心,其具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力和豐富的外設(shè)模塊,是一種專用工業(yè)控制尤其是為各種電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的定點(diǎn)型DSP控制器;人機(jī)界面以MSP430F149單片機(jī)為核心,其具有豐富的硬件資源和較低的功耗,接駁薄膜鍵盤和液晶顯示,方便實(shí)時(shí)觀測(cè)和調(diào)整電機(jī)運(yùn)行。 永磁同步電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,簡稱PMSM)隨著稀土材料、電力電子及微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展而逐漸廣泛地應(yīng)用于各行業(yè)。PMSM具有功率密度高、轉(zhuǎn)子慣量小、轉(zhuǎn)矩慣量比大等優(yōu)點(diǎn),又因其氣隙磁場(chǎng)正弦分布,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,適用于對(duì)低速性能要求較高的伺服系統(tǒng)中。文中所用電機(jī)參數(shù)

4、如表1所示。 2 電流環(huán)的設(shè)計(jì) 永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的電流環(huán)如圖2表示,圖中所示各環(huán)節(jié)中,iq*與iqf分別為電流給定和電流反饋,U為電機(jī)端部電壓,E為電機(jī)反電勢(shì),TC為電磁轉(zhuǎn)矩,TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,R為摩擦系數(shù),RS與LS分別為定子電阻和電感。GACR為電流調(diào)節(jié)器。K為電機(jī)電勢(shì)常數(shù),KC為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 當(dāng)電流環(huán)滿足截止頻率 (TM為電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù),J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量),可忽略反電勢(shì)的影響;滿足, 其中Ki=KVKMKcy/i,Ti=Tcy TV,KV和TV為PWM逆變器增益和延遲時(shí)間常數(shù),KM=1/RS,Kcy和Tcy為電流傳感器的增益和時(shí)間常數(shù),i為PI調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)。

5、最終調(diào)節(jié)結(jié)果如圖3所示,截止頻率5 623rad/s,相角裕度47.5°,滿足系統(tǒng)的需求。 simulink仿真模型如圖4所示,包括控制電路部分、功率電路部分及電機(jī)狀態(tài)量顯示部分等。圖5給出母線電壓300V時(shí),在給定不同頻率f的正弦波時(shí),電機(jī)A相電流仿真和實(shí)驗(yàn)波形。說明在較大的頻率范圍內(nèi)電流環(huán)均能較好的跟隨給定,為進(jìn)一步速度環(huán)的建立作基礎(chǔ)。 3 反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)的影響 矢量控制下的PMSM等效為直流電機(jī),電機(jī)的電壓方程如式(2)所示     (2) 在一定的輸入電壓下,電機(jī)轉(zhuǎn)速越高,反電勢(shì)越大,電流分 量Lsdis/dt比重下降,電流環(huán)的性能受到

6、影響。矢量變換后電機(jī)電壓方程如式(3) 高速時(shí),電阻壓降可以忽略,得到式(4) 而由于|us|小于等于逆變器的極限電壓Umax,得到式(5)電壓極限橢圓 如圖6所示,隨著速度即r的增加,極限橢圓逐漸變小。電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),電壓矢量為一圓,設(shè)為Us,Us落在橢圓內(nèi)或橢圓邊上,極限圓變小,則Us的變化范圍減小。當(dāng)電壓極限圓較小至不能完全包含電壓矢量圓時(shí),電壓矢量圓的部分便落在電壓極限圓上,此時(shí)電機(jī)運(yùn)行在畸變圓部分時(shí),由于供電不足,PI調(diào)節(jié)器飽和,而且反電勢(shì)和電樞電流波形發(fā)生畸變,如圖8(b)實(shí)驗(yàn)波形所示,母線電壓設(shè)定為200V,給定正弦波頻率100Hz,電機(jī)電流波形有畸變,跟隨性能變差。 通常情況下

7、,我們都使逆變器工作在線形狀態(tài)下,即調(diào)制比m雖然增加調(diào)制比可以抑制反電勢(shì)的影響,但是調(diào)制比并不能無限制的提高的,逆變器控制增益與調(diào)制比之間的關(guān)系為(m大于1時(shí)): 其中m、Udc、Us分別為調(diào)制比、逆變器直流側(cè)輸入電壓和三角載波信號(hào)幅值。由式(6)可以看到而當(dāng)m>1時(shí),控制增益迅速減小,m設(shè)置過大,反而會(huì)使得逆變器輸出特性變差,達(dá)不到預(yù)期的效果,一般取m=1.11.3,保證逆變器控制增益減小不超過10%比較合適。 按照所設(shè)計(jì)的電流環(huán)參數(shù),當(dāng)調(diào)制比m<1得到實(shí)際電流和給定電流的實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示,圖8(a)是給定電流頻率為10Hz的實(shí)驗(yàn)波形,圖8(b)為給定電流頻率為100Hz的實(shí)驗(yàn)

8、波形。從實(shí)驗(yàn)波形可以看出,實(shí)際電流在低速的時(shí)候能較好的跟蹤給定電流,但是當(dāng)頻率達(dá)到100Hz時(shí),可以看出實(shí)際電流諧波明顯增加。        在相同的條件下,當(dāng)調(diào)制比設(shè)置為1.2時(shí),得到實(shí)際電流和給定電流的波形如圖9所示,圖9(a)為給定電流頻率為10Hz的實(shí)驗(yàn)波形,圖9(b)為給定電流頻率為100Hz時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形,可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際電流在100Hz時(shí)的跟蹤效果有了明顯的改善。 4 結(jié)論 本文介紹了永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),建立了電流環(huán)的仿真模型,并對(duì)電流環(huán)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。同時(shí),具體分析了反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)性能的影響。 仿真和實(shí)驗(yàn)研究表明,當(dāng)電機(jī)反電勢(shì)達(dá)到一定大小時(shí),電壓極限圓無法包絡(luò)電壓矢量圓,電機(jī)電流波形發(fā)生畸變。采用過調(diào)制可以一定程度上減少電流畸變,改善電流環(huán)跟隨性能,提高直流電壓利用率。但系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),還應(yīng)給予一定的母線電壓余量。 參考文獻(xiàn) 1 郭慶鼎,趙希梅.交流永磁伺服系統(tǒng)技術(shù)講座J.伺服控制,2006,1:66-68. 2 李燁,嚴(yán)欣平.永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景J.微電機(jī),2001,34(4):30-34. 3 郭慶鼎,孫宜標(biāo),王麗梅.現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)M.北京,中國電力出版社,2006. 4 陳榮.永磁同步電機(jī)