交流永磁同步伺服电机及其驱动技术2013PPT学习教案

1、会计学1交流永磁同步伺服电机及其驱动技术交流永磁同步伺服电机及其驱动技术2013异步（感应）电机第1页/共72页 正弦波永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM) 梯形波永磁同步电动机(Brushless DC Motor, BLDC)第2页/共72页4.1 交流永磁同步电机结构交流永磁同步电机结构 和工作原理和工作原理第3页/共72页正弦波正弦波PMSM属于自控式、无刷结构同步电动机属于自控式、无刷结构同步电动机4.1 交流永磁同步电机结构交流永磁同步电机结构 和工作原理和工作原理第4页/共72页第5页/共72页60psfnrpm第6页

2、/共72页n（3）根据电磁力定律，载流的转）根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。电机的转速向外输出机械能。电机的转速（转子转速）小于旋转磁场的转（转子转速）小于旋转磁场的转速，从而叫为异步电机。速，从而叫为异步电机。s=(ns-n)/ns。s为转差率，为转差率，ns为磁场转为磁场转速，速，n为转子转速。为转子转速。三相异步电动机的转速永远低于三相异步电动机的转速永远低于旋转磁场的同步转速，使转子和旋转磁场的同步转速，使转

3、子和旋转磁场间有相对运动，从而保旋转磁场间有相对运动，从而保证转子的闭合导体切割磁力线，证转子的闭合导体切割磁力线，感生电流，产生转矩。转速的差感生电流，产生转矩。转速的差异是异步电机运转的必要条件。异是异步电机运转的必要条件。在额定情况下，转子转速一般比在额定情况下，转子转速一般比同步转速低同步转速低2-5%。第7页/共72页60rpmpsfnn第8页/共72页象控制直流电机那样控制交流象控制直流电机那样控制交流电机？电机？n20世纪世纪70年代初发明了矢量控年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技制技术，或称磁场定向控制技术。术。n通过坐标变换，把交流电机中通过坐标变换，把交流电机中交

4、流电流的控制，变换成类似交流电流的控制，变换成类似于直流电机中直流电流的控制，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，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从而使交流电机的控制技术取得了突破性的进展。得了突破性的进展。sin()rsrsTFF 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制第9页/共72页mmmI sinI sin(120 )I sin(240 )abcititit0abciii第10页/共72页1202402jjsabcabciii ei eiaia i1202402jjsa

5、bcabciii ei eiaia i第11页/共72页u注意区分电流矢量和电工学中分注意区分电流矢量和电工学中分析正弦电路时所用到的阻抗析正弦电路时所用到的阻抗相量相量。前者反映的是各个量的空间、时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间关系，而后者描述的仅是时间关系。关系。2()ssabcFNiN iaia i第12页/共72页sin()rsrsTFFssFNit sTK i 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制第13页/共72页第14页/共72页转从而形成旋转磁转从而形成旋转磁场，是时变的。场，是时变的。u从动坐标系（从动坐标系（d、q）上看

6、，则合成定子上看，则合成定子电流矢量是静止的，电流矢量是静止的，也即从时变量变成也即从时变量变成了时不变量，从交了时不变量，从交流量变成了直流量。流量变成了直流量。磁场定向控制的基本思路磁场定向控制的基本思路 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制第15页/共72页静止坐标系中。静止坐标系中。u将虚拟的合成电流转换成实际将虚拟的合成电流转换成实际的绕组电流，从而实现电机力的绕组电流，从而实现电机力矩的控制矩的控制。u坐标变换是通过两次变换实现坐标变换是通过两次变换实现的的第16页/共72页2sabciiaia i13cos120sin12022ajj 213cos24

7、0sin24022ajj 1133()2222sabcbciiiijii 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制第17页/共72页1112233022abciiiii用矩阵可表示为1133()2222sabcbciiiijii第18页/共72页cossinsincosdqiiiiii cossinsincosdqiiii 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制第19页/共72页1112233022abciiiiicossinsincosdqiiii 第20页/共72页22sdqiii2sr sin()rssrtqTFFKi 第21页/共72页

8、实现。实现。第22页/共72页n力矩的控制由力矩回路实现。力矩的控制由力矩回路实现。n图中电流传感器测量出定子绕组电流图中电流传感器测量出定子绕组电流ia,ibia,ib作为作为clarkeclarke变换的输入，变换的输入，icic可由三相电流对称关系可由三相电流对称关系ia+ib+icia+ib+ic=0=0求出。求出。nclarkeclarke变换的输出变换的输出i i, ,i i ，与由编码器测出的转角，与由编码器测出的转角作为作为parkpark变换的输入，其输出变换的输入，其输出i id d与与i iq q作为电流反馈量与指令电流作为电流反馈量与指令电流i idrefdref及及i

9、 iqrefqref比较，产生的误差在力矩回路中经比较，产生的误差在力矩回路中经PIPI运算后输出电压值运算后输出电压值ud,uqud,uq。n再经逆再经逆ParkPark变换将这变换将这u ud d,u,uq q变换成坐标系中的电压变换成坐标系中的电压u u,u,u。nSVPWMSVPWM算法将算法将u u,u,u转换成逆变器中六个功放管的开关控制信号以产生三相定子绕组电流。转换成逆变器中六个功放管的开关控制信号以产生三相定子绕组电流。n速度指令（一般是位置回路的输出）与由光电编码器测量出的电机实际速度相比较，误差在速度回路中经速度指令（一般是位置回路的输出）与由光电编码器测量出的电机实际速

10、度相比较，误差在速度回路中经PIPI运算后作为力矩回路的指令值。运算后作为力矩回路的指令值。 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制第23页/共72页 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制第24页/共72页在电流回路作用下，定子绕组电流建立的磁场将吸引转子磁极与之对准； 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制第25页/共72页转子磁极仍然在d轴上，即两个磁极处于正交状态；4）转子趋于与定子磁势对准，一旦转子开始旋转，DSP根据编码器测量出的新的转子位置，通过矢量变换算法不断更新电流矢量，以维持两个磁场始终处于正交状

11、态。 4.2 交流永磁同步电机磁场定向控制交流永磁同步电机磁场定向控制第26页/共72页第27页/共72页第28页/共72页空间矢量脉宽调制（空间矢量脉宽调制（SVPWM）电流跟踪控制。电流跟踪控制。第29页/共72页n用直流电压信号去调制三角波信号，得到一个脉冲序列用直流电压信号去调制三角波信号，得到一个脉冲序列。n占空比由直流电压幅值决定。占空比由直流电压幅值决定。 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 第30页/共72页n脉冲的频率脉冲的频率由三角波频由三角波频率决定，脉率决定，脉冲的占空比冲的占空比由电压幅值由电压幅值决定。决定。n脉冲序列可脉冲序列可能包含各次能

12、包含各次谐波的频谱谐波的频谱成份，但其成份，但其基波由调制基波由调制波决定波决定第31页/共72页第32页/共72页aPWMucPWMu第33页/共72页第34页/共72页逼近逼近圆形磁场轨迹圆形磁场轨迹的一种方法。的一种方法。n这种方法利用电压空间矢量直这种方法利用电压空间矢量直接生成三相接生成三相PWM波，特别适波，特别适用于用于DSP直接计算，且方法简直接计算，且方法简便。便。nSVPWM比一般的比一般的SPWM直流直流电压利用率提高电压利用率提高15%。 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 第35页/共72页值和极性随时间值和极性随时间按正弦规律变化。按正弦规律

13、变化。可用空间矢量描可用空间矢量描述，方向始终在述，方向始终在ABC坐标系中各坐标系中各相的轴线上。相的轴线上。n定义定义合成定子电合成定子电压矢量压矢量为：为：n电压矢量是一个电压矢量是一个以电源角频率速以电源角频率速度旋转的空间矢度旋转的空间矢量。量。C0B0A0suuuu 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 第36页/共72页流磁场叠加形成。流磁场叠加形成。n定子电阻压降在式中所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电定子电阻压降在式中所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为压与合成磁链空间矢量的近似关系为sA0B0C0tRddsss

14、sIut ddssu s 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 第37页/共72页n上式表明，当磁链幅值一定时，上式表明，当磁链幅值一定时，Us的大小与的大小与ss的变化率的变化率成正比，成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向。链圆的切线方向。sm ejt)2(m1m1ss11ddtwjtjwewejwtu 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 第38页/共72页第39页/共72页第40页/共72页n如果把上桥臂功率开关器件的导通状态用“1”表示，关断用“0”表示，上桥臂三个功率开关器件的开关状态共有八种组合。

15、 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 第41页/共72页开关状态开关状态下的电压下的电压源源 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 第42页/共72页123ONOAONOBONOCVVZiVVZiVVZi3ONOAOBOCVVVV1230iii相电压和电压源相电压和电压源的关系的关系 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 第43页/共72页 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 第44页/共72页8基本电压空基本电压空间矢量。间矢量。n其中两个是其中两个是空矢量，六空矢量，六个有效矢量。个有效矢量。n每个

16、有效矢每个有效矢量的幅值都量的幅值都是是2/3Vdc 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 第45页/共72页量的线性时间组合来合成新的电压矢量n通过改变基本矢量的作用时间，保证所合成的电压空间矢量的幅值。n当小区间足够小时，电压空间矢量的轨迹就是一个近似圆形的正多边形 。第46页/共72页T: 电压空间矢量Vs的作用时间T4：基本电压空间矢量V4的作用时间T6: 基本电压空间矢量V6的作用时间T0: 零矢量V(111)或V(000)作用时间以第一扇区为例 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 第47页/共72页第48页/共72页n以此类推，可计算出

17、其它扇区以此类推，可计算出其它扇区电压矢量所对应的电压矢量所对应的基本电压矢基本电压矢量的作用时间。量的作用时间。70461()2TTTtt第49页/共72页 4.3 交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWM控制控制 第50页/共72页V0(000),V4(100),V6(110),V7(111) ,V6(110), V4(100), V0(000)。n作用时间为T0/4, T4/2, T6/2, T7/2, T6/2, T4/2, T0/4。第51页/共72页第52页/共72页n反转时，扇区的顺序为。第53页/共72页PWM2、PWM4和PWM6。第54页/共72页不控整流桥三相逆变电路P

18、MSM光耦隔离HALL电流检测光电编码器控制电源上位机RS232外部存储器QEP220VADC键盘控制DACSCIPWM产生模块ADCIN0ADCIN1QEPAQEPBINDEX驱动电路SPILED显示驱动器功率因数校正电路故障检测电路EMIFJTAGPWM6PWM5PWM4PWM3PWM2PWM1CPU存储器 TMS320LF2407A_PDPINT数据观测PLLWD/RTII/O仿真器输入滤波器编码器信号处理故障诊断第55页/共72页路，并可将检测信号送到路，并可将检测信号送到DSP 。nDSP输出六路输出六路PWM信号经光耦隔信号经光耦隔离后驱动离后驱动IPM工作工作4.4 PMSM的驱

19、动技术的驱动技术 第56页/共72页4.4 PMSM的驱动技术的驱动技术 第57页/共72页第58页/共72页4.4 PMSM的驱动技术的驱动技术 第59页/共72页4.4 PMSM的驱动技术的驱动技术 第60页/共72页n霍耳传感器检测的电流经放大霍耳传感器检测的电流经放大电路处理后，送到电路处理后，送到DSP内部的内部的A/D转换器变换为数字量。转换器变换为数字量。4.4 PMSM的驱动技术的驱动技术 第61页/共72页应。4.4 PMSM的驱动技术的驱动技术 第62页/共72页n输出与输入是隔离的。4.4 PMSM的驱动技术的驱动技术 第63页/共72页4.4 PMSM的驱动技术的驱动技术 第64页/共72页置；置；脉冲的