永磁同步电机伺服系统电流环设计及性能分析

1、永磁同步电机伺服系统电流环设计及性能分析    关键词 永磁同步电机;电流环;反电势;过调制0 引言 矢量控制理论由德国西门子公司的Blachke于1971年提出,其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律,利用坐标变换的原理,在磁场定向坐标上,将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量,并使两分量相互垂直,彼此独立,然后分别进行调节。交流电动机的矢量控制使转矩和磁通的控制实现完全解耦1-6。 矢量控制的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,简称PMSM)伺服系统

2、通常是三环调节系统,从外至内分别有位置环、速度环和电流环。外环性能的发挥依赖于系统内环性能的调整,尤其电流环性能是高性能PMSM位置伺服系统构成的根本,其动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现,也将影响整个系统的动态性能。本文将在电流环设计的基础上,结合仿真和实验讨论反电势对电流环性能的影响。 1 永磁同步电机伺服系统结构 文中伺服系统硬件平台主要由3部分组成:功率电路、控制电路、人机界面,如图1所示。其中功率电路以IPM(Intelligent Power Module)模块为核心,IPM集成了高速低功耗的功率开关器件和优化的驱动电路,还内藏有各种保护等功能,具有高可靠性同时便于设计;控制

3、电路以DSP TMS320LF2407为核心,其具有很强的实时处理能力和丰富的外设模块,是一种专用工业控制尤其是为各种电机控制而设计的定点型DSP控制器;人机界面以MSP430F149单片机为核心,其具有丰富的硬件资源和较低的功耗,接驳薄膜键盘和液晶显示,方便实时观测和调整电机运行。 永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,简称PMSM)随着稀土材料、电力电子及微机控制技术的发展而逐渐广泛地应用于各行业。PMSM具有功率密度高、转子惯量小、转矩惯量比大等优点,又因其气隙磁场正弦分布,转矩脉动小,适用于对低速性能要求较高的伺服系统中。文中所用电机参数

4、如表1所示。 2 电流环的设计 永磁同步电机伺服系统的电流环如图2表示,图中所示各环节中,iq*与iqf分别为电流给定和电流反馈,U为电机端部电压,E为电机反电势,TC为电磁转矩,TL为负载转矩,J为电机转动惯量,R为摩擦系数,RS与LS分别为定子电阻和电感。GACR为电流调节器。K为电机电势常数,KC为电机转矩常数。 当电流环满足截止频率 (TM为电机机电时间常数,J为电机转动惯量),可忽略反电势的影响;满足, 其中Ki=KVKMKcy/i,Ti=Tcy TV,KV和TV为PWM逆变器增益和延迟时间常数,KM=1/RS,Kcy和Tcy为电流传感器的增益和时间常数,i为PI调节器积分时间常数。

5、最终调节结果如图3所示,截止频率5 623rad/s,相角裕度47.5°,满足系统的需求。 simulink仿真模型如图4所示,包括控制电路部分、功率电路部分及电机状态量显示部分等。图5给出母线电压300V时,在给定不同频率f的正弦波时,电机A相电流仿真和实验波形。说明在较大的频率范围内电流环均能较好的跟随给定,为进一步速度环的建立作基础。 3 反电势对电流环的影响 矢量控制下的PMSM等效为直流电机,电机的电压方程如式(2)所示     (2) 在一定的输入电压下,电机转速越高,反电势越大,电流分 量Lsdis/dt比重下降,电流环的性能受到

6、影响。矢量变换后电机电压方程如式(3) 高速时,电阻压降可以忽略,得到式(4) 而由于|us|小于等于逆变器的极限电压Umax,得到式(5)电压极限椭圆 如图6所示,随着速度即r的增加,极限椭圆逐渐变小。电机正常运行时,电压矢量为一圆,设为Us,Us落在椭圆内或椭圆边上,极限圆变小,则Us的变化范围减小。当电压极限圆较小至不能完全包含电压矢量圆时,电压矢量圆的部分便落在电压极限圆上,此时电机运行在畸变圆部分时,由于供电不足,PI调节器饱和,而且反电势和电枢电流波形发生畸变,如图8(b)实验波形所示,母线电压设定为200V,给定正弦波频率100Hz,电机电流波形有畸变,跟随性能变差。 通常情况下

7、,我们都使逆变器工作在线形状态下,即调制比m虽然增加调制比可以抑制反电势的影响,但是调制比并不能无限制的提高的,逆变器控制增益与调制比之间的关系为(m大于1时): 其中m、Udc、Us分别为调制比、逆变器直流侧输入电压和三角载波信号幅值。由式(6)可以看到而当m>1时,控制增益迅速减小,m设置过大,反而会使得逆变器输出特性变差,达不到预期的效果,一般取m=1.11.3,保证逆变器控制增益减小不超过10%比较合适。 按照所设计的电流环参数,当调制比m<1得到实际电流和给定电流的实验波形如图8所示,图8(a)是给定电流频率为10Hz的实验波形,图8(b)为给定电流频率为100Hz的实验

8、波形。从实验波形可以看出,实际电流在低速的时候能较好的跟踪给定电流,但是当频率达到100Hz时,可以看出实际电流谐波明显增加。        在相同的条件下,当调制比设置为1.2时,得到实际电流和给定电流的波形如图9所示,图9(a)为给定电流频率为10Hz的实验波形,图9(b)为给定电流频率为100Hz时的实验波形,可以发现实际电流在100Hz时的跟踪效果有了明显的改善。 4 结论 本文介绍了永磁同步电机伺服系统的结构,建立了电流环的仿真模型,并对电流环进行了设计。同时,具体分析了反电势对电流环性能的影响。 仿真和实验研究表明,当电机反电势达到一定大小时,电压极限圆无法包络电压矢量圆,电机电流波形发生畸变。采用过调制可以一定程度上减少电流畸变,改善电流环跟随性能,提高直流电压利用率。但系统设计时,还应给予一定的母线电压余量。 参考文献 1 郭庆鼎,赵希梅.交流永磁伺服系统技术讲座J.伺服控制,2006,1:66-68. 2 李烨,严欣平.永磁同步电动机伺服系统研究现状及应用前景J.微电机,2001,34(4):30-34. 3 郭庆鼎,孙宜标,王丽梅.现代永磁电动机交流伺服系统M.北京,中国电力出版社,2006. 4 陈荣.永磁同步电机