永磁同步伺服電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計(jì)原理

1、永磁同步伺服電機(jī)(pmsm) 驅(qū)動器設(shè)計(jì)原理周瑞華周瑞華先生，中達(dá)電通股份有限公司應(yīng)用工程師。關(guān)鍵詞： pmsm 整流功率驅(qū)動單元控制單元永磁交流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器經(jīng)歷了模擬式、模擬數(shù)字混合式的發(fā)展后，目前已經(jīng)進(jìn)入了全數(shù)字的時代 。全數(shù)字伺服驅(qū)動器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺點(diǎn)，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢和控制方法的靈活，使伺服驅(qū)動器不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且性能更加可靠?，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機(jī)和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動器兩部分。后者由兩部分組成：驅(qū)動器硬件和控制算法。控制算法是決定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵

2、技術(shù)之一，是國外交流伺服技術(shù)封鎖的主要部分，也是技術(shù)壟斷的核心。一交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)交流永磁伺服系統(tǒng)主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、通信接口單元、伺服電機(jī)及相應(yīng)的反饋檢測器件組成。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。我們的交流永磁同步驅(qū)動器集先進(jìn)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)動系統(tǒng)所不可比擬的。目前主流的 伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器(dsp)作為控制核心，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法， 實(shí)現(xiàn)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

3、核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路,ipm 內(nèi)部集成了驅(qū)動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路,在主回路中還加入軟起動 電路 ,以減小起動過程對驅(qū)動器的沖擊。伺服驅(qū)動器大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的兩個模塊，如圖1 所示。功率板 (驅(qū)動板 )是強(qiáng)電部分其中包括兩個單元，一是 功率驅(qū)動單元用于電機(jī)的驅(qū)動， 二是 開關(guān)電源單元為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源；控制板 是弱電部分， 是電機(jī)的控制核心也是伺服驅(qū)動器技術(shù)核心，控制算法的運(yùn)行載體?？刂瓢逋ㄟ^相應(yīng)的算法輸出pwm信號 ，作為驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，來改變 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。二功率驅(qū)動單元功率驅(qū)動單元

4、首先通過 三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。 整流好的三相電或市電，再通過三相正弦pwm 電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動單元的整個過程簡單的說就是ac-dc-ac的過程。整流單元 (ac-dc) 主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐?。三相全橋不控整流電路的原理圖見2 三相交流電壓波形其相位相差120，幅值相等波形圖見圖3，通過三相全橋不控整流電路整流后得到相應(yīng)的直流電壓ud 波形圖見圖4。為分析方便，把一個周期分為6段，每段相隔60。在第段期間，a 相電位 ua 最高，共陰極組的vt1 被觸發(fā)導(dǎo)通，b 相電位 ub 最低， 共陽極組的

5、被觸發(fā)導(dǎo)通，電流路徑為ua i負(fù)載 vt6 ub。變壓器 a、b 兩相工作，輸出電壓為線電壓ud = uab。在第段期間，ua 仍最高，vt1 繼續(xù)導(dǎo)通，而uc 變?yōu)樽钬?fù)，電源過自然換流點(diǎn)時觸發(fā)vt2 導(dǎo)通， c 相電壓低于b 相電壓，vt6 因承受反壓而關(guān)斷，電流即從b 相換到 c 相。這時電流路徑為ua vt1 負(fù)載 vt2 uc。變壓器a、c 兩相工作，輸出電壓為線電壓ud = ubc。在第段期間，ub 為最高，共陰極組在經(jīng)過自然換流點(diǎn)時觸發(fā)vt3 導(dǎo)通，由于b 相電壓高于a 相電壓， vt1 管因承受反壓而關(guān)斷，電流從 a 相換相到b 相。 vt2 因?yàn)?uc 仍為最低而繼續(xù)導(dǎo)通。這時

6、電流路徑為vt3 r(l)vt3 uc。變壓器b、c 兩相工作，輸出電壓為線電壓ud = ubc。以下各段依此類推，可得到在第段時輸出電壓ud = uba；在第段時輸出電壓ud = uca；在第段時輸出電壓ud = ucb。以后則重復(fù)上述過程。由以上分析可知，三相不控橋式整流電路晶閘管的導(dǎo)通換流順序是：vt6vt1 vt2 vt3vt4 vt5 vt6。逆變部分 (dc-ac) 采用的功率器件集驅(qū)動電路、保護(hù)電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊(ipm) ，主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是采用了三相橋式電路，其原理見圖5，利用脈寬調(diào)制技術(shù)pwm 通過改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率,改變每半

7、周期內(nèi)晶體管的通斷時間比 ,也就是說 通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓幅值的大小以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的 。對圖 5 做一下分析，其中vt1vt6 是 6 個功率開關(guān)管，s1、s2、s3、分別代表3 個橋臂。對各橋臂的開關(guān)狀態(tài)做以下規(guī)定：當(dāng)上橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時(此時下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài) )，開關(guān)狀態(tài)為1；當(dāng)下橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時(此時下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài) )，開關(guān)狀態(tài)為0。3 個橋臂只有“0”和“ 1”兩種狀態(tài)，因此s1、s2、s3 形成 000、001、010、011、100、101、 111 共 8 種開關(guān)管模式，其中000 和 111 開關(guān)模式使逆變輸出電壓為零，所

8、以稱這種開關(guān)模式為零狀態(tài)。三控制單元控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置、速度、轉(zhuǎn)矩和電流控制。所采用的數(shù)字信號處理器(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)控制的專用集成電路，如a/d 轉(zhuǎn)換器、 pwm 發(fā)生器、定時計(jì)數(shù)器電路、異步通信電路、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器等。伺服驅(qū)動器通過采用磁場定向的控制原理 (foc) 和坐標(biāo)變換 ,實(shí)現(xiàn)矢量控制(vc), 同時結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制(spwm) 控制模式對電機(jī)進(jìn)行控制。 永磁同步電動機(jī)的矢量控制一般通過檢測或估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便

9、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，這樣通過檢測轉(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)的矢量控制有所簡化。伺服驅(qū)動器在控制交流永磁伺服電機(jī)時,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)如圖6 所示，由于交流永磁伺服電機(jī)(pmsm) 采用的是永久磁鐵勵磁,其磁場可以視為恒定；同時，交流永磁伺服電機(jī)的轉(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)動器在驅(qū)動交流永磁伺服電機(jī)時的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得以大大降低。從圖 6 可以看出 ,系統(tǒng)是

10、基于測量電機(jī)的兩相電流反饋(ia、ib)和電機(jī)位置。將測得的相電流(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)入各自的電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過反向坐標(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。 控制芯片通過這三相電壓指令,經(jīng)過反向、延時后 ,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,指令和反饋通過相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)器 ,得到下一級的參考指令。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(