交流永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的研究

點(diǎn)擊量：1935   日期：2019-06-26

      目前交流伺服系統(tǒng)取代傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)和直流伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，而永磁同步電動(dòng)機(jī)在交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)揮著非常重要的作用。分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，同時(shí)分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理。分別簡(jiǎn)介了永磁同步電動(dòng)機(jī)目前常用的兩種控制策略：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，并對(duì)兩種控制策略進(jìn)行了分析對(duì)比，為永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)一步的深入研究提供了一些理論支持。

      1、前言
      隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)特別是電力電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論的快速發(fā)展，伺服系統(tǒng)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一種重要支柱技術(shù)，在許多高科技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用[1]。伴隨著、稀土永磁材料與電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服控制技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，交流伺服系統(tǒng)逐步取代直流伺服系統(tǒng)已成定局。借助于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們有可能并已經(jīng)初步構(gòu)成了高精度、快速響應(yīng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。因此，近年來(lái)，世界各國(guó)在高精度速度和位置控制場(chǎng)合，都已經(jīng)由交流電力傳動(dòng)取代電液傳動(dòng)和直流傳動(dòng)。在交流伺服傳動(dòng)領(lǐng)域中，伺服系統(tǒng)有三種構(gòu)成形式，其執(zhí)行元件分別是：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，所構(gòu)成的伺服系統(tǒng)除以上執(zhí)行元件外還有：變頻裝置（整流器和逆變器）、控制系統(tǒng)。
      永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、易于散熱及維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著永磁材料價(jià)格的下降、材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出現(xiàn)，在中小功率、高精度、高可靠性、寬調(diào)速范圍的伺服系統(tǒng)中，永磁同步電動(dòng)機(jī)引起了眾多研究與開(kāi)發(fā)人員的青睞，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步推廣，尤其在航空、航天、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等場(chǎng)合已獲得廣泛的應(yīng)用[2]。
      2、永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理
      由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形也分為正弦波，梯形波兩種，所以永磁同步電機(jī)分為正弦波驅(qū)動(dòng)電流的永磁同步電機(jī)和方波驅(qū)動(dòng)電流永磁同步電機(jī)。以三相正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括定子鐵心、定子繞組和轉(zhuǎn)子鐵心。
      定子鐵心由沖有槽孔的硅鋼片壓疊而成，這種結(jié)構(gòu)可以減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵耗。定子繞組是在定子鐵心槽中嵌放電樞繞組，常采用分布短距繞組，而且通常接成星形接法以減小電動(dòng)機(jī)雜散損耗。氣隙長(zhǎng)度是一個(gè)非常關(guān)鍵的尺寸，盡管它對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功電流的影響不如對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)那么敏感，但是它對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的交、直軸電抗影響很大，而且氣隙長(zhǎng)度的大小還對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的裝配工藝和電動(dòng)機(jī)的雜散損耗有著較大的影響。
      相比較于定子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心可以做成實(shí)心的，也可以用疊片疊壓而成，并且用永磁體取代普通同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，目前使用較多的永磁材料是采NdFeB（釹鐵硼合金）。
      永磁同步電動(dòng)機(jī)的三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對(duì)稱的三相電流，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的角速度為，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一邊切割定子繞組并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)，一邊與永磁磁極相作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。定子電樞電流還會(huì)產(chǎn)生僅與定子繞組相交鏈的定子繞組漏磁通，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)漏電動(dòng)勢(shì)。此外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速切割定子繞組，從而產(chǎn)生空載電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線落后定子磁場(chǎng)軸線一個(gè)功率角，負(fù)載越大，功率角越大，負(fù)載太大時(shí)就造成失步。永磁同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，轉(zhuǎn)速與電樞電流頻率嚴(yán)格成正比，否則就失步停轉(zhuǎn)。因?yàn)樗氖Р絾?wèn)題，所以它不適合重載運(yùn)行，所以永磁同步電動(dòng)機(jī)廣泛用來(lái)做為交流伺服系統(tǒng)的主要執(zhí)行部件[1]。
      3、永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的控制策略
      在伺服傳動(dòng)系統(tǒng)中，實(shí)際系統(tǒng)對(duì)伺服傳動(dòng)裝置的要求一般較高：要求伺服系統(tǒng)定位及跟隨誤差??；響應(yīng)速度快；系統(tǒng)響應(yīng)無(wú)超調(diào)；負(fù)載突變時(shí)，伺服系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間短且無(wú)振蕩；伺服系統(tǒng)電機(jī)調(diào)速范圍寬；低速時(shí)可輸出額定轉(zhuǎn)矩甚至超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)過(guò)程中能承受額定轉(zhuǎn)矩幾倍沖擊負(fù)荷及加減速力矩等。為構(gòu)成高性能伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，首先要選擇合適的控制策略，永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制策略主要有兩種：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制[2]。
      矢量控制策略是模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制，它是基于永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)解藕，分別控制永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流。它不僅控制電流的大小，而且控制電流的相位。但該方式應(yīng)用的前提是需要對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行正確估算，如何提高參數(shù)的準(zhǔn)確性一直是研究的課題。
      直接轉(zhuǎn)矩控制策略是用空間矢量的分析方法直接在定子坐標(biāo)系下分析永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制其磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并把轉(zhuǎn)矩直接作為控制量，借助于兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。它在很大程度上解決了矢量控制中計(jì)算復(fù)雜，特性易受永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)影響等問(wèn)題，但由于直接進(jìn)行兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低了調(diào)速性能【3】。
      從理論上講，矢量控制是建立在被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型上，通過(guò)控制永磁同步電動(dòng)機(jī)電樞電流實(shí)現(xiàn)電磁力矩控制。電流環(huán)的存在，使永磁同步電動(dòng)機(jī)電樞電流動(dòng)態(tài)跟隨系統(tǒng)給定，滿足實(shí)際對(duì)象對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁力矩的要求。電動(dòng)機(jī)實(shí)際電流受到其轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)控制，保證永磁同步電動(dòng)機(jī)電流形成的電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子 d 軸垂直，實(shí)際交軸電流和系統(tǒng)控制所需交軸給定電流相等，系統(tǒng)保證實(shí)際負(fù)載對(duì)象的力矩要求，永磁同步電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的電磁力矩平穩(wěn)，電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行的轉(zhuǎn)速較低，調(diào)速范圍較寬。永磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，所有電流均用來(lái)產(chǎn)生電磁力矩，可以充分利用永磁同步電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力，提高電機(jī)啟、制動(dòng)速度，保證其具有優(yōu)良的啟、制動(dòng)性能。
      直接轉(zhuǎn)矩控制只保證實(shí)際力矩與給定力矩的吻合程度，并根據(jù)力矩誤差、磁鏈誤差及磁鏈所在扇區(qū)，選擇主電路器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使電機(jī)磁鏈按照所定軌跡運(yùn)行。電磁轉(zhuǎn)矩及磁鏈滯環(huán)控制時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩不可避免地存在脈動(dòng)，直接影響永磁同步電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)性和調(diào)速范圍。另外，通過(guò)永磁同步電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)積分求得定子磁鏈，這種磁鏈電壓模型在低速時(shí)準(zhǔn)確性很差，受逆變器死區(qū)時(shí)間、電機(jī)電阻及電壓檢測(cè)誤差的影響，影響電機(jī)低速運(yùn)行性能，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，且電動(dòng)機(jī)靜止需要啟動(dòng)時(shí)，因其定子初始磁鏈位置未知，系統(tǒng)無(wú)法發(fā)出正確的控制信號(hào)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難，通常是將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子拉到固定位置再進(jìn)行啟動(dòng)。
      4、結(jié)語(yǔ)
      本文作者在參考了相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，分析了伺服系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程和趨勢(shì)，目前交流伺服系統(tǒng)取代傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)和直流伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，而永磁同步電動(dòng)機(jī)在交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)揮著非常重要的作用。分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，同時(shí)分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理。最后，分別簡(jiǎn)介了永磁同步電動(dòng)機(jī)目前常用的兩種控制策略：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，并對(duì)兩種控制策略進(jìn)行了分析對(duì)比，為永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)一步的深入研究提供了一些理論支持。