交流永磁同步电动机伺服系统的研究

点击量：1974   日期：2019-06-26

      目前交流伺服系统取代传统电液伺服系统和直流伺服系统已经成为必然趋势，而永磁同步电动机在交流伺服系统应用过程中发挥着非常重要的作用。分析了永磁同步电动机的定子结构和转子结构，同时分析了永磁同步电动机的工作原理。分别简介了永磁同步电动机目前常用的两种控制策略：矢量控制和直接转矩控制，并对两种控制策略进行了分析对比，为永磁同步电动机进一步的深入研究提供了一些理论支持。

      1、前言
      随着现代科学技术特别是电力电子技术、微型计算机技术和控制理论的快速发展，伺服系统作为自动控制系统中的一种重要支柱技术，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用[1]。伴随着、稀土永磁材料与电机控制技术的发展，交流伺服控制技术有了长足的进步，交流伺服系统逐步取代直流伺服系统已成定局。借助于科学技术的发展，人们有可能并已经初步构成了高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，都已经由交流电力传动取代电液传动和直流传动。在交流伺服传动领域中，伺服系统有三种构成形式，其执行元件分别是：感应电动机、无刷直流电动机和三相永磁同步电动机，所构成的伺服系统除以上执行元件外还有：变频装置（整流器和逆变器）、控制系统。
      永磁同步电动机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转矩电流比高、转动惯量低、易于散热及维护保养等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空、航天、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用[2]。
      2、永磁同步电动机的工作原理
      由于永磁同步电动机转子磁钢的几何形状不同，转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种，转子旋转在定子上产生的反电动势波形也分为正弦波，梯形波两种，所以永磁同步电机分为正弦波驱动电流的永磁同步电机和方波驱动电流永磁同步电机。以三相正弦波驱动的永磁同步电动机为例，永磁同步电动机的结构主要包括定子铁心、定子绕组和转子铁心。
      定子铁心由冲有槽孔的硅钢片压叠而成，这种结构可以减小电动机运行时的铁耗。定子绕组是在定子铁心槽中嵌放电枢绕组，常采用分布短距绕组，而且通常接成星形接法以减小电动机杂散损耗。气隙长度是一个非常关键的尺寸，尽管它对永磁同步电动机的无功电流的影响不如对感应电动机那么敏感，但是它对永磁同步电动机的交、直轴电抗影响很大，而且气隙长度的大小还对永磁同步电动机的装配工艺和电动机的杂散损耗有着较大的影响。
      相比较于定子铁心，转子铁心可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成，并且用永磁体取代普通同步电动机的励磁绕组，目前使用较多的永磁材料是采NdFeB（钕铁硼合金）。
      永磁同步电动机的三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称的三相电流，在气隙中产生旋转磁场，磁场的角速度为，旋转磁场一边切割定子绕组并在定子绕组中产生感应反电动势，一边与永磁磁极相作用，带动转子与旋转磁场同步旋转。定子电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外转子永磁体产生的磁场以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势。当外加负载转矩以后，转子磁场轴线落后定子磁场轴线一个功率角，负载越大，功率角越大，负载太大时就造成失步。永磁同步电动机在运行中，转速与电枢电流频率严格成正比，否则就失步停转。因为它的失步问题，所以它不适合重载运行，所以永磁同步电动机广泛用来做为交流伺服系统的主要执行部件[1]。
      3、永磁同步电动机伺服系统的控制策略
      在伺服传动系统中，实际系统对伺服传动装置的要求一般较高：要求伺服系统定位及跟随误差小；响应速度快；系统响应无超调；负载突变时，伺服系统恢复时间短且无振荡；伺服系统电机调速范围宽；低速时可输出额定转矩甚至超过额定转矩，动态过程中能承受额定转矩几倍冲击负荷及加减速力矩等。为构成高性能伺服传动系统，首先要选择合适的控制策略，永磁同步电动机的控制策略主要有两种：矢量控制和直接转矩控制[2]。
      矢量控制策略是模拟直流电动机的控制，它是基于永磁同步电动机的数学模型，通过解藕，分别控制永磁同步电动机的转矩电流和励磁电流。它不仅控制电流的大小，而且控制电流的相位。但该方式应用的前提是需要对电机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性一直是研究的课题。
      直接转矩控制策略是用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下分析永磁同步电动机的数学模型、控制其磁链和转矩，并把转矩直接作为控制量，借助于两点式调节器产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂，特性易受永磁同步电动机参数影响等问题，但由于直接进行两点式调节，不可避免地产生转矩脉动，降低了调速性能【3】。
      从理论上讲，矢量控制是建立在被控对象准确的数学模型上，通过控制永磁同步电动机电枢电流实现电磁力矩控制。电流环的存在，使永磁同步电动机电枢电流动态跟随系统给定，满足实际对象对永磁同步电动机电磁力矩的要求。电动机实际电流受到其转子位置的实时控制，保证永磁同步电动机电流形成的电枢磁场与转子 d 轴垂直，实际交轴电流和系统控制所需交轴给定电流相等，系统保证实际负载对象的力矩要求，永磁同步电动机所产生的电磁力矩平稳，电动机可以运行的转速较低，调速范围较宽。永磁同步电动机启动、制动时，所有电流均用来产生电磁力矩，可以充分利用永磁同步电动机过载能力，提高电机启、制动速度，保证其具有优良的启、制动性能。
      直接转矩控制只保证实际力矩与给定力矩的吻合程度，并根据力矩误差、磁链误差及磁链所在扇区，选择主电路器件开关状态，使电机磁链按照所定轨迹运行。电磁转矩及磁链滞环控制时，电机转矩不可避免地存在脉动，直接影响永磁同步电动机低速运行平稳性和调速范围。另外，通过永磁同步电动机反电势积分求得定子磁链，这种磁链电压模型在低速时准确性很差，受逆变器死区时间、电机电阻及电压检测误差的影响，影响电机低速运行性能，影响电动机转速运行范围，且电动机静止需要启动时，因其定子初始磁链位置未知，系统无法发出正确的控制信号，电动机启动困难，通常是将电动机转子拉到固定位置再进行启动。
      4、结语
      本文作者在参考了相关资料的基础上，分析了伺服系统的发展过程和趋势，目前交流伺服系统取代传统电液伺服系统和直流伺服系统已经成为必然趋势，而永磁同步电动机在交流伺服系统应用过程中发挥着非常重要的作用。分析了永磁同步电动机的定子结构和转子结构，同时分析了永磁同步电动机的工作原理。最后，分别简介了永磁同步电动机目前常用的两种控制策略：矢量控制和直接转矩控制，并对两种控制策略进行了分析对比，为永磁同步电动机进一步的深入研究提供了一些理论支持。