臺達變頻器永磁同步馬達控制技術(shù)

1、臺達變頻器永磁同步馬達控制技術(shù)摘要：本文主要闡述臺達變頻器在永磁同步馬達上的控制技術(shù)，此控制技術(shù)展現(xiàn)出在變頻器矢量控制上的 通用性，將同步馬達驅(qū)動范疇再一次細化，符合市場的需求。Abstract: In this paper, the con trol tech nique of PMSM in side Delta in verter is prese nted. This con trol tech nique can display the gen erality of in verter vector con trol, which can fractionize the PMSM a

2、pplicati on fields and accord with the market requireme nt.1、引言同步馬達是與異步馬達相對應(yīng)的，異步馬達表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速只與同步轉(zhuǎn)速之間存在差異（即轉(zhuǎn)差）才 能產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩，其根本原因在于，異步馬達采用單邊勵磁，即僅靠定子三相繞組通過三相交流電 流產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場，轉(zhuǎn)子繞組則是通過與定子旋轉(zhuǎn)磁場的相對切割而感應(yīng)轉(zhuǎn)子電勢和電流的，并 由轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場。同步馬達則不同，由于采用的是雙邊勵磁，即不僅定子三相繞 組通以三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場，而且轉(zhuǎn)子繞組也因由直流勵磁或永磁體產(chǎn)生磁勢和磁場，從而要 求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

3、速必須與定子旋轉(zhuǎn)磁場保持同步（轉(zhuǎn)差為零），才能產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩。同步馬達的轉(zhuǎn)子若采用永磁體則成為永磁同步馬達（PMSM），PMSM具有功率密度高、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小、電樞電感小、運行效率高以及轉(zhuǎn)軸上無滑環(huán)和電刷等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于中小功率范圍內(nèi)（小于等 于100KW ）的高性能運動控制領(lǐng)域，如工業(yè)機器人、CNC數(shù)控機床等。目前，PMSM的數(shù)量和應(yīng)用范圍正呈迅速上升趨勢。PMSM的種類繁多，按照其轉(zhuǎn)子永磁體的結(jié)構(gòu)分為表面式PMSM（ SPM ）與內(nèi)置式PMSM（IPM），而按照定子繞組感應(yīng)電勢波形的不同，PMSM又可分為正弦波PMSM與無刷直流永磁電動機（BLDC ）。本文介紹的控制技術(shù)均是在正

4、弦波PMSM為對象的。2、PMS結(jié)構(gòu)2.1 SPM結(jié)構(gòu)SPMe子繞組仍采用常規(guī)交流電機的三相分布式正弦繞組，旨在形成同步轉(zhuǎn)速的定子旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場； 轉(zhuǎn)子則通過環(huán)氧樹脂將永磁體牢牢地粘接在轉(zhuǎn)子鐵心表面上。SPM吉構(gòu)如下圖所示：圖1 SPM結(jié)構(gòu)考慮到永磁材料的相對磁導(dǎo)率較低（近似大于等于1）,永磁體又粘接在轉(zhuǎn)子表面上，因此表面永磁同步馬達的有效氣隙較大。而且，由于氣隙均勻，轉(zhuǎn)子為隱極式結(jié)構(gòu)，其d軸和q軸同步電抗幾乎相等，于是有Ld=Lq=Ls。由此可見，SPM呈現(xiàn)隱極式同步電動機的特點。22 IPM結(jié)構(gòu)IPM定子繞組仍采用常規(guī)交流馬達的三相正弦分布繞組,以形成同步速的定子旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場，而轉(zhuǎn)子則與

5、SPMI有所不同，其永磁體被牢牢地嵌入在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部。IPM如下圖所示:圖2 IPM結(jié)構(gòu)在IPM中，轉(zhuǎn)子永磁體的結(jié)構(gòu)和形狀是經(jīng)過專門設(shè)計的，以確保轉(zhuǎn)子磁勢和磁場空間呈正弦分布，與SPM相比，IPM結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運行可靠，可以在高速場合下運行，且IPM氣隙較小，d軸和q軸的同步電抗均較大，電樞反應(yīng)磁勢較大，因而存在相當大的弱磁空間，但去磁電樞反應(yīng)磁勢不易過大，以免永磁退磁。3、PMS控制方法3.1 PMSM數(shù)學(xué)模型在ABC軸系中，定義定子電流空間矢量為：aiB a2ic)(3-1)圖3中，取轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場的基波部分，于是' f為勵磁空間矢量。'f同轉(zhuǎn)子一道旋轉(zhuǎn)，在 AB

6、C坐標中的相位決定于電角度二。于是可寫出以ABC軸系表示的定子電壓矢量方程。(3-2)Us = is Rs(Lsis)0 f71)dtdt式中，us為定子電壓空間矢量，F(xiàn)s為定子相電阻，Ls為等效同步電感。同感應(yīng)馬達不同的是，PMSM勺氣SPM轉(zhuǎn)子而言，可以近似認為氣隙是均勻的，Ls就不是常數(shù)，這樣就會給問題的分析帶來很PMSM來說也是如此，此時，去永磁體基波勵磁隙不一定是均勻的，由于永磁體內(nèi)的磁導(dǎo)率接近空氣，對于 而對于IPM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來說，氣隙是不均勻的，這樣同步電感 大的難度。為此常采取雙軸理論來研究同步馬達問題，對于 磁場軸線為d軸，順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前 d軸90度電角度為q軸，dq軸系

7、以電角度 wr隨同轉(zhuǎn)子一道旋轉(zhuǎn), 它的空間坐標以d軸與A軸間的電角度二來確定。qCUd = i d RsLd pidLmd pif Wr Lqiq(3-11 )Ud = i d RsLd pidLmd pif Wr Lqiq(3-11 )圖3 PMSM矢量關(guān)系圖將式（3-2 ）變換為dq軸系坐標分量表示的電壓方程，可得:(3-3)Uq = iqRs P ；：qWr ：d(3-4)Ud = id Rs + p®d W®qdq軸系的磁鏈方程為:Ud = i d RsLd pidLmd pif Wr Lqiq(3-11 )Ud = i d RsLd pidLmd pif Wr L

8、qiq(3-11 )式中,Lq Lsa ' Lmq ； Ld 二 Ls ' Lmd 。：q = Lqiq(3-5)(3-6)這里，Lsa是dq線圈的漏感，Ld和Lmd以及Lq和Lmq分別是dq軸定子線圈的自感和勵磁電感?？梢詫⒂?磁體等效為一個勵磁線圈，具有與 d軸定子線圈相同的有效匝數(shù)，等效勵磁電流為if，能產(chǎn)生與永磁體相同的基波勵磁磁場，因此可有如下關(guān)系:'f - Lmdif(3-7 )于是定子磁鏈方程可為:=Lsq ' Lmq iq(3-8 )'d Ls；：id ' Lmd i d ' Lmdif(3-9 )將式（3-8 ）與（3-

9、9 ）代入式（3-3 ）和（3-4）,可得：Uq = i q Rs ' Lq piq ' WrLdi d ' Wr Lmd i f(3-10 )Ud = i d RsLd pidLmd pif Wr Lqiq(3-11 )在電動機運行中，若不計溫度變化對永磁體供磁能力的影響， 可認為r是恒定的，即if是個常值，式（3-10） 中，WrLmdif =wr :f，實際上是d軸永磁體勵磁磁場在 q軸線圈中產(chǎn)生的運動電動勢， 也就是空載電動勢 eo， 在正弦狀態(tài)下，即有：ieo = Wrf - 3Eo（3-12）式中，Eo是永磁體勵磁磁場在相繞組中感生的空載電動勢有效值。由式（

10、3-12 ）可得：3= Eo（ 3-13）Wr若以空載電動勢表示 Wr f，則有uq =iqRs Lqpiq，Wi'Ldid eo（3-14）Ud =idRs - Ldpid -WrLqiq（ 3-15）式（3-14 ）與（3-15 ）即為PMSM考慮反向電動勢下的電壓模型。另外，由電磁磁鏈方程可得轉(zhuǎn)矩模型如下：Te = pnfiq （ Ld - Lq ）i d iq （ 3-16）對于IPM來說，由于轉(zhuǎn)子氣隙不均勻，永磁體內(nèi)的磁導(dǎo)率很低，因此Ld : Lq,這相當于將永磁體從轉(zhuǎn)子中去除后，在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下，由于交、直軸磁路不對稱而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，即Pn（Ld -Lq）idi，其與

11、兩軸電感差值成正比。對于SPM來說，其轉(zhuǎn)子氣隙可近似認為是恒定的，于是Ld二Lq，因此，不存在磁阻轉(zhuǎn)矩，而只存在勵磁轉(zhuǎn)矩，即Pn ；：f iq，因此式（3-16 ）此時可簡化為：Te = Pn ' f iq（ 3-17 ）3.2 PMSM矢量控制由于計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)字信號處理（DSP）的廣泛應(yīng)用，加之傳感技術(shù)或無傳感器控制技術(shù)以及現(xiàn)代化控制理論（包括智能控制）的日漸成熟，使得交流馬達矢量控制不僅理論上更加完善，而且實 用化程度也越來越高。PMSM矢量控制的具體實施方案有很多，一般而言，SPM與IPM不盡相同，SPM可直接令id =0，且弱磁控制采用電壓有效值判斷，即當電壓有效

12、值大于VDC （DCBUS電壓）則將id反向增大，這樣增大去磁作用，達到弱磁增大調(diào)速范圍的目的。SPM矢量控制圖如圖4所示。由圖4可以看出，由于快速電流環(huán)的控制使定子電流能快速跟蹤參考電流，因此定子繞組相當于是由電流源提供。這種控制的優(yōu)點在于，由 于定子電流是強迫輸入的，因此，可以減少定子電感以及反電動勢對伺服驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)的影響，也簡化了 控制過程。此外由于電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度取決于定子電流的跟蹤能力，采用各種快速電流控制方法就是要 提高這種跟蹤能力，盡量減少跟蹤過程中的延遲和畸變。IPM矢量控制相比于 SPM則較為復(fù)雜，因為IPM永磁體為內(nèi)裝于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)，在力學(xué)性能上比較牢固，可允許更高的速度

13、下運行，同時由于轉(zhuǎn)子氣隙小，導(dǎo)致同步電感大，存在較大的弱磁空間，可以有更大的 調(diào)速范圍。WrrefTe refDriving signalDriving signalTI B*312IC'I AI BI CI B*| IC'TJ2/3PWM圖5 SPM矢量控制由式（3-16）可知，磁阻轉(zhuǎn)矩大小與Ld和Lq的差值有關(guān)，為分析方便，將式（3-16）標么值化，即寫成：(3-18)Te = iqn 1 i dn 由式（3-18）可知，當其他參數(shù)均恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩的大小決定于電流的兩個分量，而對于每一個Te，可有無數(shù)組電流分量id與iq，當在額定轉(zhuǎn)速以下運行時，由于鐵耗不占主要的，而銅耗

14、的比例很大，通常以產(chǎn)生Te所對應(yīng)的最小電流分量為原則進行控制，即MTPA （ Max Torque Per Ampere ）理論。MTPA的思想為在IPM電流極限環(huán)內(nèi)每一組電流分量或?qū)?yīng)一個 Te，若將這些電流分量點連成一條線就被稱為 MTPA線, 該線必須在電流極限圓與電壓極限圓內(nèi)，否則超出范圍則會導(dǎo)致去磁過大， 無法恢復(fù)轉(zhuǎn)子磁性。MTPA關(guān)系如圖6所示：圖6 IPM弱磁控制關(guān)系圖可從圖6中看出，當馬達速度越快時，電壓極限圓的直徑越小，而最終的電流分量必須在電流極限圓與電壓極限圓交集的區(qū)域上，因此要完成MPTA控制，必須結(jié)合馬達速度和轉(zhuǎn)矩信息。基于此可提出IPM的矢量控制圖如下：Torque

15、 CommandSpeed fcmnWrF T1Driving signalVq*IdWrCurrent CoiitrullerSpeed 晶 TOrque LimitSpeed Calculation *圖6 IPM矢量控制從圖6中可看出，馬達速度檢測采用旋轉(zhuǎn)變壓器( Resolver),這是因為Resolver可以耐高溫與惡劣的環(huán)境， 且獲取偏移角方便，故在PMSM需要獲取磁極位置的控制方式中得到廣泛應(yīng)用。3.2臺達C2000變頻器臺達C2000變頻器為臺達集團IABU事業(yè)部推出的一款綜合性高端矢量控制變頻器，其最大的特色之一即可進行PMSM控制，且可適用以編碼器、Resolver等多種不同速度檢測裝置，控制對象